Die zirkuläre Energiewirtschaft

Transkript

1 Die zirkuläre Energiewirtschaft Potenziale der Kreislaufwirtschaft für die zukünftige Energieversorgung Doktorandensymposium FfE-Fachtagung 1

2 Agenda 1. Einführung Problemstellung und Zielsetzung Projektkontext Forschungsfragen Methodische Bausteine 2. Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Methodik Zwischenergebnisse 3. Fazit und Ausblick 2

3 1. Einführung Problemstellung und Zielsetzung Projektkontext Forschungsfragen Methodische Bausteine 3

4 1. Einführung Problemstellung und Zielsetzung Die Liberalisierung und die Energiewende führen zu einem grundlegenden Umbau der Energieinfrastruktur. Zukünftige Schlüsseltechnologien (z. B. Batteriespeicher, Photovoltaik- und Windenergie- Anlagen) gehen mit einem Bedarf an kritischen Rohstoffen einher. Zirkuläre Ansätze aus der Kreislaufwirtschaft bieten Möglichkeiten zur Senkung des kritischen Rohstoffverbrauchs und für neue Geschäftsmodelle. Systematische Bewertung des Potenzials der Kreislaufwirtschaft zur Einsparung kritischer Rohstoffe für Schlüsseltechnologien der Energieversorgung 4

5 1. Einführung Projekt Ressourcensicht auf die Energiezukunft Kurzbeschreibung Identifikation von Synergien zwischen Kreislauf- und Energiewirtschaft zur Senkung des kritischen Rohstoffverbrauchs von Schlüsseltechnologien der Energieversorgung Förderung: Eckdaten Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg Hans und Klementia Langmatz Stiftung Projektlaufzeit: 04/2016 bis 12/2019 5

6 1. Einführung Forschungsfragen 1 Rohstoffkritische Schlüsseltechnologien der Energieversorgung und Ursachen der Kritikalität? 2 Technische Rohstoffeinsparpotenziale durch zirkuläre Ansätze aus der Kreislaufwirtschaft? 3 Treiber und Hemmnisse zur praktischen Umsetzung dieser Ansätze z. B. aus regulatorischer, wirtschaftlicher oder gesellschaftlicher Sicht? 4 Allgemeine Methodik zur systematischen Bewertung des kritischen Rohstoffeinsparpotenzials der Kreislaufwirtschaft für die Energieversorgung? 6

7 1. Einführung Methodische Bausteine 1 Rohstoffkritische Schlüsseltechnologien Datenbasis Fallbeispiele 2 Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Technische Einsparpotenziale 3 Umsetzungshemmnisse und Geschäftsmodelle 7

8 2. Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Methodik Bilanzierung von Zweitanwendungen Einsparung kritischer Rohstoffe durch Second-Life- Anwendungen von Traktionsbatterien 8

9 3. Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Methodik Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Identifikation zirkulärer Ansätze Abgrenzung zirkulärer Ansätze Technologiebeschreibung insb. End-of-Life Analyse der Anforderungen der Folgeanwendungen technisch umsetzbare Ansätze Matching technisch umsetzbare Ansätze Bilanzierung des Rohstoffbedarfs über den Lebenszyklus Produkt Komponente kritisches Rohstoffeinsparpotenzial Werkstoff Rohstoff 9

10 3. Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Methodik Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Identifikation zirkulärer Ansätze Technologieebene: Regionale Ebene: Systemebene: Energie- und Stoffstromanalyse Potenzialanalyse Dynamische Stoffstromanalyse technisch umsetzbare Ansätze Materialflussanalyse KEA Ökobilanz Hochskalierung FfE-Regionenmodell Beispiel: Garmisch-P. + räumliche Erweiterung Systemwissenschaften z. B. System Dynamics + zeitliche Erweiterung + Wechselwirkungen Bilanzierung des Rohstoffbedarfs über den Lebenszyklus Brutto-Rohstoffbedarf (vorher) Netto-Rohstoffbedarf (nach zirkulärem Ansatz) kritisches Rohstoffeinsparpotenzial kritisches Rohstoffeinsparpotenzial 10

11 3. Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Methodik Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Identifikation zirkulärer Ansätze Technologieebene: Regionale Ebene: Systemebene: Energie- und Stoffstromanalyse Potenzialanalyse Dynamische Stoffstromanalyse technisch umsetzbare Ansätze Materialflussanalyse KEA Ökobilanz Hochskalierung FfE-Regionenmodell Beispiel: Garmisch-P. + räumliche Erweiterung Systemwissenschaften z. B. System Dynamics + zeitliche Erweiterung + Wechselwirkungen Bilanzierung des Rohstoffbedarfs über den Lebenszyklus Brutto-Rohstoffbedarf (vorher) Netto-Rohstoffbedarf (nach zirkulärem Ansatz) kritisches Rohstoffeinsparpotenzial kritisches Rohstoffeinsparpotenzial 11

12 3. Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Bilanzierung von Second-Life-Anwendungen Herstellung Elektrofahrzeug Funktionelle Einheit: 1 kwh nom,ev Betrieb Elektrofahrzeug Systemgrenze Gebrauchte Traktionsbatterie End-of-Life (80 %): 0,8 kwh nom,sl Aufbereitung Batterieproduktion Substituierbare Nennkapazität: X kwh nom,subst Second-Life- Batteriesystem Stationäre Anwendung (PRL / PV HSS) Neues Batteriesystem Kritische Rohstoffe Gebrauchtes Second-Life- Batteriesystem End-of-Second-Life (70 %) 0,7 kwh nom,sl Gebrauchtes Batteriesystem End-of-Life: 70 % von X kwh nom,subst Entsorgung/ Recycling Entsorgung/ Recycling 12 1 Quelle: Kim et al Bilanzierung der eingesparten Rohstoffe durch die vermiedene Produktion einer Neubatterie über die substituierbare Nennkapazität 1 Berücksichtigung von Alterung und Nutzungsdauer der Neu- und Second-Life-Batterie

13 3. Kritische Rohstoffeinsparpotenziale Einsparung kritischer Rohstoffe durch Weiterverwendung von Traktionsbatterien NMC-Batteriesystem: LFP-Batteriesystem: reduzierter kritischer Rohstoffverbrauch in kg pro kwh nom,ev 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Primärregelleistung PV-Hausspeichersystem reduzierter kritischer Rohstoffverbrauch in kg pro kwh nom,ev 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Primärregelleistung PV-Hausspeichersystem 0,0 FfE SEfBW-01#A Ressourcensicht_eV_00030 Kobalt Lithium Graphit Nickel 0,0 FfE SEfBW-01#A Ressourcensicht_eV_00031 Kobalt Lithium Graphit Nickel Kritisches Rohstoffeinparpotenzial ist stark von Batterietyp und Zweitanwendung abhängig Die Auswahl der Anwendung sowie die Auslegung der Second-Life-Batterie sind entscheidend Weitere wichtige Einflussfaktoren: spezifischer Materialbedarf, Sammel- & Recyclingeffizienzen 13

14 14 3. Fazit und Ausblick

15 5. Fazit und Ausblick 1 Ansätze aus der Kreislaufwirtschaft haben das Potenzial den kritischen Rohstoffverbrauch von Energietechnologien zu senken und die inländische Rohstoffverfügbarkeit zu erhöhen. 2 Die Bilanzierung auf Technologieebene bildet noch keine Rückwirkungen der zirkulären Ansätzen auf die Primärrohstoffnachfrage ab, hierfür ist eine dynamische Modellierung der Zusammenhänge notwendig. 3 Für eine ganzheitliche Bewertung von zirkulären Ansätzen sollten neben der Rohstoffeinsparung auch die Klimawirksamkeit und Wirtschaftlichkeit einbezogen werden. 15 Systematische Anwendung der erläuterten Methodik auf die drei Fallbeispiele Entwicklung eines Modells zur Abbildung von Systemrückwirkungen Identifikation von Umsetzungshemmnissen und Geschäftsmodellansätzen

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ansprechpartnerin: Anika Regett, M.Sc. +49 (89) Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Am Blütenanger München 16

17 17 Backup

18 Rohstoffkritikalität Methodik 1 Rohstoffkritische Schlüsseltechnologien der Energieversorgung und Ursachen der Kritikalität? Rohstoffkritikalität Vergleich bestehender Kritikalitätskonzepte Vereinfachtes Kritikalitätsscreening-Verfahren Anwendung auf Schlüsseltechnologien der Energieversorgung Rohstoffkritische Technologien und Gründe für Kritikalität Auswahl von Fallbeispielen 3 ausgewählte Fallbeispiele + Datenbasis Rohstoffbedarf 18 Arbeitsschritt Ergebnis

19 Rohstoffkritikalität Kritikalitätsscreening-Verfahren (1/2) Begriffsdefinition Schlüsseltechnologien der Energieversorgung Schlüsseltechnologie? Ja Zukünftige Schlüsseltechnologien der Energieversorgung sind Technologien, die für die Bereitstellung von Strom, Wärme und Mobilität unter Berücksichtigung des politischen Ziels der Bundesregierung einer umweltschonenden, zuverlässigen und bezahlbaren Energieversorgung bis zum Jahr 2050 eine zunehmend wichtige Position einnehmen. Wirtschaftliche Bedeutung P Steigende Nachfrage P Quantifizierung des Rohstoffbedarfs Umwelt- und Versorgungsrisiken von Rohstoffen Kritische Rohstoffe? Ja Versorgungs- und/oder Umweltrisiko P 19

20 3. Rohstoffkritikalität Kritikalitätsscreening-Verfahren (2/2) Kritische Rohstoffe? Ja Versorgungs- und/oder Umweltrisiko P Beschreibung des aktuellen Lebensende Identifikation von Substitutionsmöglichkeiten Recyclingsystem? Substituierbar? kein großflächiges System verfügbar Begrenzte Recycling- und Substitutionsmöglichkeiten P Rohstoffkritische Schlüsseltechnologie nein oder nur mit hohem Aufwand und/oder Leistungseinbußen 20

21 Berechnung des kritischen Rohstoffeinsparpotenzials RCRC m,sla,bt = (CMD BT RCM BT ) SNC SLA,BT RCRC: Eingesparter kritischer Rohstoffverbrauch in kg/kwh nom,ev m: Material (Kobalt, Lithium, Nickel oder Graphit) SLA: Second-Life-Anwendung (PRL oder PV HSS) BT: Batterietyp (NMC oder LFP) CMD: Kritischer Rohstoffbedarf von Batteriesystemen in kg/kwh nom RCM: Recycelte kritische Rohstoffe von Batteriesystemen in kg/kwh nom SNC: Substituierbare Nennkapazität in kwh nom,subst /kwh nom,ev 21

22 State-of-Health (SOH) Alterungsverläufe zur Bestimmung der substituierbaren Nennkapazität 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 Substituierbare Nennkapazität (in kwh nom,subst /kwh nom,ev ): PRL (LFP): 0,51 PV HSS (LFP): 0,53 PRL (NMC): 0,47 PV HSS (NMC): 0,26 0,5 0,4 0,3 0,2 PV HSS-Profil (LFP) PRL-Profil (LFP) PV HSS-Profil (NMC) PRL-Profil (NMC) 0,1 0, Zeit in Jahren FfE SEfBW-01#A Ressourcensicht_eV_ Für die verwendeten Alterungsmodelle 1 und Lastprofile stärkere Alterung für NMC als für LFP LFP: Höhere Zyklenfestigkeit, aber höhere Abhängigkeit von Temperatur- und C-Rate NMC: Für das PV HSS-Lastprofil lässt sich aufgrund der tiefen Be- und Entladezyklen eine starke Alterung und somit eine geringe substituierbare Nennkapazität beobachten 1 NMC: Campestrini et al. 2015; LFP: Mezger et al. 2011, Wang et al und Herb 2010

23 Alterungsverläufe NMC: C PCR (t) = t 0.65 C PV HSS t = t 0.88 C: Battery capacity in kwh PCR: Primary Control Reserve PV HSS: Photovoltaic Home Storage System t: Time in years LFP: SOH c = SOH start A e B R T Ah(SOH) C SOH t = SOH start D + E + t F SOH: State-Of-Health T: Temperature in Kelvin A,B,C: Parameter as f(c-rate) D,E,F: Parameter as f(t, SOC) t: Time in days Ah: Ah-throughput as f(soh) R: Universal gas constant 23

24 Kritischer Rohstoffbedarf, Sammel- und Recyclingeffizienz Spezifischer kritischer Rohstoffbedarf: Type Unit Kobalt Lithium Graphit Nickel NMC g/kwh nom LFP g/kwh nom Sammel- und Recyclingeffizienz Niedrig Hoch Typ Kobalt Lithium Graphit Nickel Mix (NMC/NCA*/LF 43 % 23 % 0 % 40 % P) NMC 100 % 93 % 0 % 97 % LFP 80 % 0 % 24