Produktion und Logistik

Transkript

1 Produktion und Logistik Herausgegeben von C. Bierwirth, Halle, Deutschland B. Fleischmann, Augsburg, Deutschland M. Fleischmann, Mannheim, Deutschland M. Grunow, München, Deutschland H.-O. Günther, Berlin, Deutschland S. Helber, Hannover, Deutschland K. Inderfurth, Magdeburg, Deutschland H. Kopfer, Bremen, Deutschland H. Meyr, Stuttgart, Deutschland K. Schimmelpfeng, Stuttgart, Deutschland Th. S. Spengler, Braunschweig, Deutschland H. Stadtler, Hamburg, Deutschland H. Tempelmeier, Köln, Deutschland G. Wäscher, Magdeburg, Deutschland

2 Diese Reihe dient der Veröff entlichung neuer Forschungsergebnisse auf den Gebieten der Produktion und Logistik. Aufgenommen werden vor allem herausragende quantitativ orientierte Dissertationen und Habilitationsschriften. Die Publikationen vermitteln innovative Beiträge zur Lösung praktischer Anwendungsprobleme der Produktion und Logistik unter Einsatz quantitativer Methoden und moderner Informationstechnologie. Herausgegeben von Professor Dr. Christian Bierwirth Universität Halle Professor Dr. Bernhard Fleischmann Universität Augsburg Professor Dr. Moritz Fleischmann Universität Mannheim Professor Dr. Martin Grunow Technische Universität München Professor Dr. Hans-Otto Günther Technische Universität Berlin Professor Dr. Stefan Helber Universität Hannover Professor Dr. Karl Inderfurth Universität Magdeburg Professor Dr. Herbert Kopfer Universität Bremen Professor Dr. Herbert Meyr Universität Hohenheim Professor Dr. Katja Schimmelpfeng Universität Hohenheim Professor Dr. Thomas S. Spengler Technische Universität Braunschweig Professor Dr. Hartmut Stadtler Universität Hamburg Professor Dr. Horst Tempelmeier Universität Köln Professor Dr. Gerhard Wäscher Universität Magdeburg Kontakt Professor Dr. Thomas S. Spengler Technische Universität Braunschweig Institut für Automobilwirtschaft und Industrielle Produktion Mühlenpfordtstraße Braunschweig

3 Claas Hoyer Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen in Deutschland Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Thomas S. Spengler

4 Claas Hoyer Braunschweig, Deutschland Dissertation Technische Universität Braunschweig, 2015 Produktion und Logistik ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliogra e; detaillierte bibliogra sche Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Gabler Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikrover lmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Fachmedien Wiesbaden ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

5 Meiner Familie

6 Geleitwort Elektrofahrzeuge werden weltweit als Lösungen für eine Reihe von Herausforderungen des motorisierten Individualverkehrs gesehen, wie z. B. die Senkung von Lärm-, Schadstoff- und Treibhausgasemissionen. Vor diesem Hintergrund verfolgt die Bundesregierung mit dem Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität das Ziel, Deutschland zum Leitmarkt und Leitanbieter für Elektromobilität zu entwickeln und bis zum Jahr 2020 einen Bestand von einer Million Elektrofahrzeugen mit externer Lademöglichkeit in Deutschland zu erreichen. Das Erreichen dieser Zielsetzung vorausgesetzt, ist bis Ende 2025 mit einem Aufkommen von mehr als hunderttausend Tonnen gealterter Lithium-Ionen-Batterien zu rechnen, die zur Energiespeicherung in Elektrofahrzeugen Einsatz finden. Prozesse und Anlagen zu deren effizienter Rückführung und Behandlung befinden sich derzeit in der Entwicklung, ein geeignetes Recyclingnetzwerk fehlt allerdings bislang. Automobilhersteller, Recyclingunternehmen und Politik stehen somit vor der strategischen Planungsaufgabe, Rücknahme- und Sammelsysteme zu errichten, Standorte, Kapazitäten und Verfahren für Recyclinganlagen festzulegen sowie geeignete Rahmenbedingungen für ein effizientes Recycling zu schaffen. Die damit einhergehenden Entscheidungen werden durch vielfältige technische, marktseitige, ökonomische und rechtliche Unsicherheiten erschwert. Dieser Herausforderung stellt sich Herr Hoyer mit der von ihm vorgelegten Dissertation, deren Ziel in der Unterstützung der strategischen Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen besteht und die Unternehmen der Batterie- und Automobilindustrie, potentielle Investoren und politische Entscheidungsträger adressiert. Zur Operationalisierung seiner Zielsetzung formuliert er ausgewählte Leitfragen für die einzelnen Akteursgruppen, die auf Basis von Recherchen, qualitativen Analysen und insbesondere mit Hilfe eines von ihm entwickelten Entscheidungsmodells beantwortet werden. Aufbauend auf der Darstellung technischer Grundlagen von Elektrofahrzeugen und Traktionsbatterien geht Herr Hoyer auf Rohstoffe, Altbatterieaufkommen, Abfallrecht sowie auf Recyclingprozesse ein und arbeitet Herausforderungen, Chancen und Risiken des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien heraus. Nach der Identifikation der wesentlichen Planungsaufgaben zur Gestaltung eines Recyclingnetzwerks leitet er Anforderungen an einen entsprechenden Planungsansatz ab, ordnet

7 VIII Geleitwort die Planungsaufgaben in die Betriebswirtschaftslehre ein und diskutiert, inwiefern vorhandene Modelle zur Gestaltung von Recyclingnetzwerken und zur Wahl von Technologien und Kapazitäten zur Entwicklung eines spezifischen Entscheidungsmodells beitragen können. Das folglich entwickelte gemischt-ganzzahlige mathematische Optimierungsmodell ermöglicht, simultan eine Investitionsplanung über die Anzahl der zu errichtenden Anlagen, deren Kapazitäten und der dort einzusetzenden Verfahren sowie eine Recyclingprogrammplanung über die Art und Menge der zu behandelnden Batterien aus der Sicht eines zentralen Entscheiders durchzuführen. Hierbei berücksichtigt es dynamische Zahlungsströme, gesetzliche Sammel- und Recyclingquoten, mehrere Produkte und Technologien, Größendegressions- und Dezentralisationseffekte sowie den Stofffluss der Prozesse. Das Modell wird im Anschluss genutzt, um umfangreiche Analysen anzustellen, die zur Beantwortung seiner in der Einleitung definierten Leitfragen dienen, und um Handlungsempfehlungen an die Adressaten abzuleiten. Herr Hoyer deckt mit seiner Dissertation eine sowohl unter methodischen als auch praxisorientierten Gesichtspunkten äußerst aktuelle und anspruchsvolle Thematik ab. Mit dem von ihm entwickelten Modell liegt ein neuartiges Werkzeug zur Technologie- und Kapazitätsplanung in Recyclingnetzwerken vor, das der anspruchsvollen Problemstellung gerecht wird. Besonders eindrucksvoll ist die gekonnte Verknüpfung der für die Thematik relevanten Themengebiete aus den Ingenieurwissenschaften, der Betriebswirtschaftslehre und dem Operations Research. Gleichermaßen sind die von Herrn Hoyer mit Hilfe des Entscheidungsmodells durchgeführten Analysen besonders zu würdigen. Die von ihm erzielten Resultate und abgeleiteten Handlungsempfehlungen stellen einen bedeutenden Beitrag zur erfolgreichen Planung von Recyclingnetzwerken dar, die ohne Zweifel in den kommenden Jahren nicht nur in Deutschland, sondern weltweit in allen wichtigen Automobilmärkten etabliert werden müssen. Herr Hoyer hat seine Ideen, die durchgeführten Modellierungsarbeiten und die erzielten Ergebnisse regelmäßig mit industriellen Entscheidungsträgern diskutiert und deren Belange berücksichtigt. Mit seiner Dissertation ist es Herrn Hoyer gelungen, den Stand der Wissenschaft und Praxis auf dem Gebiet der strategischen Planung des Recyclings einen entscheidenden Schritt voranzubringen. Univ.-Prof. Dr. Thomas Stefan Spengler

8 Vorwort Im September 2009 kam ich zurück in meine Heimatstadt Braunschweig, um an der Technischen Universität eine Stelle als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktion und Logistik des Instituts für Automobilwirtschaft und Industrielle Produktion anzutreten. Auf dem folgenden Weg, an dessen Ende diese Dissertation steht, hat mich mein Doktorvater Professor Dr. Thomas Spengler begleitet, gefordert und gefördert. In einer äußerst angenehmen Arbeitsatmosphäre förderte er meine Qualifikation und Selbstständigkeit, übertrug mir vertrauensvoll Verantwortung und ermöglichte mir vielseitige berufliche Erfahrungen hauptsächliche Gründe für die große Freude, die mir die Arbeit bereitet hat, und für das Gelingen dieser Dissertation. Herzlich bedanken möchte ich mich auch bei Professor Dr. Heinz Ahn für die Übernahme des Zweitgutachtens. Für die Bereitschaft, den Vorsitz der Prüfungskommission zu übernehmen, sowie für die stets freundliche Zusammenarbeit danke ich Professor Dr. David Woisetschläger. Die begünstigende Arbeitsatmosphäre ist nicht zuletzt auf meine Kollegen zurückzuführen, denen ich danken möchte für die gemeinsam verbrachte Zeit. In erster Linie geht mein Dank an Dr. Karsten Kieckhäfer für die großartige Unterstützung in allen Belangen. Anfangs Sprecher, später Leiter meines Teams, haben wir geschrieben und gelesen, diskutiert und gestritten, und sind darüber Freunde geworden. Für die vielen wertvollen Diskussionen auf dem Weg zur Promotion danke ich auch Professor Dr. Thomas Volling, Dr. Matthias Wichmann, Kerstin Schmidt sowie meinen Teamkollegen Katharina Wachter, Anna Diener und Christian Thies, letzterem außerdem für die Zusammenarbeit im Projekt. Ich danke darüber hinaus meinen Kollegen und ehemaligen Kollegen Maren Gäde, Dr. Martin Grunewald, Dr. André Hintsches, Isa von Hoesslin, Dr. Christian Huth, Christoph Johannes, Dr. Jenny Kranich, Dr. Niklas Labitzke, Andreas Matzke, Christoph Meyer, Christoph Müller, Ina Schlei-Peters, Karen Puttkammer, Natalia Stepien, Dr. Anne Strauß, Professor Dr. Grit Walther, Dr. Jörg Wansart, Dr. Kai Wittek und Philipp Zeise. Birgit Haupt danke ich für die administrative Unterstützung und die vielen wertvollen Tipps.

9 X Vorwort Die Forschungsprojekte LithoRec, mit dem ich anfangs betraut wurde, und LithoRec II, das ich mitbeantragte und bearbeitete, waren vorrangig technisch motiviert. Die Themen Elektromobilität, Lithium-Ionen-Batterien und Recycling gewannen schnell mein Interesse; die Zusammenarbeit mit über dreißig Ingenieuren, Chemikern und Physikern aus Universität und Wirtschaft bereitete mir viel Freude. Ihnen und Euch allen möchte ich herzlich danken die in vielzähligen Arbeitstreffen gewonnenen Erkenntnisse legten den Grundstein für diese Dissertation. Hervorheben möchte ich Christian Hanisch, Jan Diekmann und Dr.-Ing. Gunnar Bärwaldt für ihren Elan im Projektmanagement und für die Diskussionen zu jeder Tages- und Nachtzeit. Darüber hinaus waren es Stefan Andrew, Christian Bradtmöller, Dr.-Ing. Tina Dettmer und Hannes Haupt, mit denen ich Arbeitstreffen organisierte, fachlich zusammenarbeitete und studentische Arbeiten betreute. Ikuko Akatsu, Dr. Rainer Aul, Dr. Martin Bomkamp, Dr. Marko Gernuks, Christian Gröber, Dr. André Hartmann, Uwe Heil, Kai Kramer, Peter Kunze, Jörg Pankratz, Guido Sellin, Martin Steinbild, Dr. Markus Weinmann und Lutz Zur-Lage von den Unternehmen Audi, Electrocycling, Rockwood Lithium, Solvay Fluor und Volkswagen danke ich für ihr Engagement im Rahmen der Erhebung und Plausibilitätskontrolle benötigter Daten. Meine Familie und meine Freunde trugen für alles weitere Sorge. Dankbar bin ich vor allem meinen Eltern Frank und Sybill Hoyer, dass sie mich während meines Studiums unterstützt und später zur Promotion ermutigt haben. Durch unzählige Feste gab es Gelegenheit zur Zerstreuung, für die ich auch meinen Geschwistern Kristin, Carsten, Kai und Kristian und ihren Partnern, meinen Neffen und Nichten, Bernd Pesditschek, Claudia Hurtig und Andreas Renke danke. Christian Grösche danke ich für seine Freundschaft seit nunmehr zwanzig Jahren und für viele unvergessliche gemeinsame Erlebnisse. In diesem Sinne danke ich auch Kevin Indelicato, Tim Aster, Alexander Reslan, Katharina Meier, Maike Diedicke, Hendrik Jung, Timo Meisner und Dominic Groß. Ein ganz besonderer Dank gilt meiner Partnerin Katharina Renke für ihre Zuneigung, für ihre Geduld, für ihre großartige Unterstützung und für die Zukunft. Claas Hoyer

10 Inhaltsverzeichnis Geleitwort... VII Vorwort... IX Inhaltsverzeichnis... XI Abbildungsverzeichnis... XV Tabellenverzeichnis... XIX Symbolverzeichnis... XXI Abkürzungsverzeichnis... XXV Einheitenverzeichnis... XXVII 1 Einleitung Ausgangslage und Problemstellung Zielsetzung und Vorgehensweise Grundlagen des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen Lithium-Ionen-Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge Differenzierung von Elektrofahrzeugen Anforderungen von Elektrofahrzeugen an Traktionsbatterien Technologien für Batteriesysteme und Eignung der Lithium-Ionen-Technologie Aufbau, Varianten und stoffliche Zusammensetzung von Lithium-Ionen- Batteriezellen Aufbau von Lithium-Ionen-Batteriesystemen Metallische Rohstoffe für die Lithium-Ionen-Technologie Metallische Rohstoffe als Erfolgsdeterminanten der Elektromobilität Verfügbarkeit und Preisentwicklung von Cobalt Verfügbarkeit und Preisentwicklung von Nickel Verfügbarkeit und Preisentwicklung von Mangan... 34

11 XII Inhaltsverzeichnis Verfügbarkeit und Preisentwicklung von Kupfer Verfügbarkeit und Preisentwicklung von Lithium Aufkommen von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien in Deutschland Determinanten des Altbatterieaufkommens Szenarien und Ergebnisse zum Altbatterieaufkommen in Deutschland Abfallrechtliche Rahmenbedingungen in Deutschland Allgemeine abfallrechtliche Rahmenbedingungen Spezifische Regelungen für die Rücknahme und Behandlung von Batterien aus Elektrofahrzeugen Regelungen zur Abfallverbringung Recyclingprozesse für Lithium-Ionen-Batterien Generischer Recyclingprozess für Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen Industrielle Recyclingprozesse Recyclingprozesse in Forschung und Entwicklung Wirtschaftlichkeit von Recyclingprozessen Umweltwirkungen von Recyclingprozessen Schlussfolgerungen Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien Planungsaufgaben zur Gestaltung eines Recyclingnetzwerks für Traktionsbatterien Ableitung von Anforderungen an einen Planungsansatz Einordnung der Planungsaufgaben in die Betriebswirtschaftslehre Modelle zur Gestaltung von Recyclingnetzwerken Modelle zur Wahl von Technologien und Kapazitäten Bedarf eines spezifischen Modells und Abgleich der Anforderungen Fazit

12 Inhaltsverzeichnis XIII 4 Modell zur strategischen Technologie- und Kapazitätsplanung in Recyclingnetzwerken Konzeptioneller Ansatz Formulierung des mathematischen Optimierungsmodells Strukturelle Validierung des Modells Implementierung des Modells, Problemgröße und Lösungszeit Modellerweiterungen zur Verringerung der Lösungszeit Fazit Analysen zur strategischen Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien Fragestellungen und Untersuchungsdesign Daten zur Technologie- und Kapazitätsplanung für ein Recyclingnetzwerk in Deutschland Grundlegende Annahmen und Daten Szenarien Ergebnisse der Technologie- und Kapazitätsplanung Modellanalysen zur strategischen Recyclingplanung Wirtschaftlichkeit der Investitionspläne Sensitivitätsanalysen zur Wirtschaftlichkeit Ökonomisch vorteilhafte Investitionspläne Einfluss nationaler Konkurrenz Einfluss der Verbringung von Altbatterien Wirtschaftlichkeit aus der Perspektive individueller Akteure Volkswirtschaftliche Bedeutung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen Beurteilung der Lithium-Ionen-Technologien aus der Perspektive des Recyclings

13 XIV Inhaltsverzeichnis 5.5 Fazit Ableitung von Handlungsempfehlungen Zusammenfassende Beantwortung der Leitfragen Handlungsempfehlungen an potentielle Investoren und Betreiber Handlungsempfehlungen an Batterie- und Automobilhersteller Handlungsempfehlungen an politische Entscheidungsträger Kritische Würdigung und Ausblick Erreichung der gesetzten Ziele Fortschritt gegenüber dem Stand der Forschung Grenzen des Modellierungsansatzes und seiner Anwendung Zukünftige Entwicklungen und offene Forschungsthemen Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang

14 Abbildungsverzeichnis Abbildung 2.1 Vergleich der Kathodenaktivmaterialien NCA (a), NMC (b), LMO (c) und LFP (d) hinsichtlich Sicherheit, spezifischer Energie, spezifischer Leistung, Lebensdauer, Kosten und Schnellladbarkeit Abbildung 2.2 Abbildung 2.3 Schematische Darstellung der zylindrischen (links) und prismatischen (rechts) Zellbauform Zusammensetzung von Hochleistungs- und Hochenergiezellen im exemplarischen Vergleich Abbildung 2.4 Geologische Verteilung der Cobaltreserven Abbildung 2.5 Entwicklung der durchschnittlichen spezifischen Importwerte und Spotpreise für Cobalt Abbildung 2.6 Entwicklung der durchschnittlichen Spotpreise für Nickel Abbildung 2.7 Entwicklung der durchschnittlichen Preise und Importwerte für Mangan Abbildung 2.8 Entwicklung der durchschnittlichen Spotpreise für Kupfer Abbildung 2.9 Geologische Verteilung der Lithiumreserven Abbildung 2.10 Entwicklung der durchschnittlichen US-Importpreise für Lithiumcarbonat 39 Abbildung 2.11 Abbildung 2.12 Jährliches Altbatterieaufkommen in den Szenarien Pessimistisch, Politisch und Realistisch Rücknahme-, Überlassungs- und Verwertungspflichten im Rahmen des Batteriegesetzes und der Altfahrzeugverordnung Abbildung 2.13 Generische Struktur eines Recyclingnetzwerks Abbildung 2.14 Abbildung 2.15 Abbildung 2.16 Abbildung 2.17 Abbildung 3.1 Mögliche Kombinationen verschiedener Recyclingtechnologien sowie jeweils resultierende Stoffströme Zeitbezogene Gewinnschwellen des LithoRec-Prozesses in Abhängigkeit unterschiedlicher Szenarien zur Entwicklung des Altbatterieaufkommens.. 67 Global normierte Nettogutschriften und Nettolasten des LiBRi-Prozesses für das Recycling einer Tonne NMC-, NCA- und LFP-Batteriegemisch Global normierte Nettogutschriften und Nettolasten des LithoRec-Prozesses für das Recycling einer Tonne NMC-Batteriegemisch Unterscheidung von Investitionsarten nach Art des Anlasses im Rahmen der strategischen Kapazitätsplanung Abbildung 3.2 Supply-Chain-Planning-Matrix... 85

15 XVI Abbildungsverzeichnis Abbildung 3.3 Beispielhafter Prozess zur strategischen Netzwerkplanung Abbildung 4.1 Konzept des Modells zur Technologie- und Kapazitätsplanung in Recyclingnetzwerken Abbildung 4.2 Modellierung des Stoff- und Energieflusses im Recyclingnetzwerk Abbildung 4.3 Modellierung der Transformation mittels linearer Aktivitätsanalyse Abbildung 5.1 Abbildung 5.2 Abbildung 5.3 Durchschnittliche Sammelkostensätze für die Sammlung einer BEV- Äquivalenten in Abhängigkeit der Anzahl sammelnder Module bezogen auf das Jahr Entwicklung des Altbatterieaufkommens, nach Fahrzeugtypen differenziert, in den Szenarien (a) Basis, Moderate Preise, Höhere Investitionen und Niedriges ökonomisches Potential sowie (b) Hohes Aufkommen Optimale Investitionspläne für die vier Szenarien Basis, Hohe Investitionen, Niedriges ökonomisches Potential und Hohes Aufkommen Abbildung 5.4 Optimale Investitionspläne der Szenarien Basis und Moderate Preise Abbildung 5.5 Verlauf investitionsbedingter, fixer und variabler Zahlungen im Basisszenario Abbildung 5.6 Aggregierte Nettozahlungen (in Mio. EUR) nach Szenario und Ursache Abbildung 5.7 Abbildung 5.8 Aggregierte (a) Auszahlungen für Einsatzfaktoren und zu entsorgende Faktoren und (b) Einzahlungen für Wertstoffe im Basisszenario Entwicklung der Marktanteile der Netzwerke bei Eintritt eines zweiten Netzwerks Abbildung 5.9 Investitionspläne des Pionier- und des Folgenetzwerks im Basisszenario Abbildung 5.10 Abbildung 5.11 Abbildung 5.12 Abbildung 5.13 Einfluss der Verbringung von NMC-Batterien auf den Kapitalwert im Szenario Niedriges ökonomisches Potential Einfluss der Verbringung von Altbatterien in das Ausland auf den Kapitalwert (nur NMC) Einfluss der Verbringung von Altbatterien in das Ausland auf den Kapitalwert (beide Batterietypen) Aus den szenariospezifischen Investitionsplänen resultierende akteursbezogene Kapitalwerte Abbildung 5.14 Verlauf der akteursbezogenen Zahlungsflüsse im Investitionsplan Basis Abbildung 5.15 Umsatz und Wertschöpfung des Wirtschaftszweigs 38.3 Rückgewinnung. 167

16 Abbildungsverzeichnis XVII Abbildung 5.16 Szenariospezifische Wertschöpfung aus dem Recycling von Lithium-Ionen- Batterien in den Jahren 2020, 2025 und 2030 in Relation zu der gesamten Wertschöpfung der Recyclingbranche (Wirtschaftszweig 38.3) im Jahr Abbildung 5.17 Sekundärrohstoffproduktion der wichtigsten Metalle 2020, 2025 und 2030 nach Szenarien Abbildung 5.18 Abbildung 5.19 Sekundärrohstoffproduktion der wichtigsten Metalle 2020, 2025 und 2030 in Relation zu Importen 2007 bzw nach Szenarien Gesamtmenge anfallender gefährlicher Abfälle bei überwiegend NMC- (Basis) bzw. LFP-Batterien (Niedriges ökonomisches Potential)

17 Tabellenverzeichnis Tabelle 1.1 Leitfragen der Adressaten und Eingliederung innerhalb dieser Arbeit... 8 Tabelle 2.1 Tabelle 2.2 Tabelle 2.3 Tabelle 2.4 Tabelle 3.1 Typische Bezeichnungen zur Beschreibung unterschiedlicher Antriebskonzepte und technische Charakteristika von Elektrofahrzeugen Anforderungen unterschiedlicher Antriebskonzepte an Leistung, Energie und Spannung der Traktionsbatterie Zieldefinitionen für ausgesuchte Parameter von Batterien für vollelektrische Elektrofahrzeuge Auslegung von Batterie und Elektromotor in beispielhaften Elektrofahrzeugen Unterscheidungsmerkmale und mögliche Ausprägungen von Modellen zur Kapazitäts- und/oder Technologieplanung Tabelle 4.1 Mengen und Indizes des Modells Tabelle 4.2 Entscheidungsvariablen des Modells Tabelle 4.3 Parameter des Modells Tabelle 4.4 Endogene Hilfsvariablen des Modells Tabelle 5.1 In Kapitel 5 adressierte Fragestellungen und Vorgehensweisen zur Beantwortung Tabelle 5.2 Kapazitäten, Kurzbezeichnungen, Nutzungsdauern, Faktoren der Module..128 Tabelle 5.3 Aktivitäten, Kapazitätskoeffizienten und variable Betriebszahlungen Tabelle 5.4 Tabelle 5.5 Tabelle 5.6 Tabelle 5.7 Tabelle 5.8 Betrachtete Faktoren, ihre Massen sowie beispielhafter Aktivitätsvektor für die Verarbeitung einer NMC-Zelle in kleinem und großem mechanischen Aufbereitungsmodul Investitionsauszahlungen, fixe Betriebszahlungen und Schrottwerte zur Berechnung der Investitionsbarwerte der Module Übersicht über die entwickelten Szenarien und deren grundlegende Annahmen Vergleich der fünf Investitionspläne hinsichtlich Kapitalwert, internem Zinsfuß und Amortisationsjahr Abweichungen der Amortisationsdauer und initialer Investitionsentscheidungen bei Variierung des Planungszeitraums

18 XX Tabelle 5.9 Tabelle 5.10 Tabelle 5.11 Tabelle 5.12 Tabelle 5.13 Tabelle 5.14 Tabelle 5.15 Tabelle 5.16 Tabelle 5.17 Tabellenverzeichnis Abweichungen initialer Investitionsentscheidungen bezüglich der mechanischen Aufbereitung bei höheren Kalkulationszinssätzen Einfluss ungünstiger Entwicklung der Preise bedeutender Faktoren auf die Anlagenanzahl im Jahr 2030 und auf wirtschaftliche Kennzahlen Abweichung der Kapitalwerte von den szenariospezifisch optimalen Werten bei unterschiedlichen Strategien zum anfänglichen Kapazitätsaufbau vor Vergleich der Wirtschaftlichkeit zweier Netzwerke mit gleichen Marktanteilen mit derjenigen eines Einzelnetzwerk Vergleich der Wirtschaftlichkeit bei zweitem Netzwerk ab 2020 mit derjenigen eines Einzelnetzwerk Optimale initiale Investitionsentscheidungen 2015 in Abhängigkeit des Anteils in das Ausland verbrachter Batterien Vergleich der aus den szenariospezifischen Investitionsplänen resultierenden akteursbezogenen Amortisationsdauer und internen Zinsfüße Zum Vergleich der Sekundärrohstoffproduktion mit Importmengen herangezogene Warennummern Berechnung der Kosten für die Entsorgung sowie der notwendigen Rückstellung je System unter der Voraussetzung heutiger Preise Tabelle 5.18 Berechnung der mengenabhängigen Zahlung im zweiteiligen Vertrag Tabelle 5.19 Berechnung der Anlagenfixkosten im Jahr Tabelle 5.20 Berechnung der mengenunabhängigen Zahlung im zweiteiligen Vertrag Tabelle 5.21 Berechnung der Rückstellung je System (aus Sicht des Herstellers) Tabelle 6.1 Zusammenfassung der im Kapitel 2 beantworteten Leitfragen Tabelle A.1 Aktivitätsvektoren für das kleine und große Demontagemodul Tabelle A.2 Aktivitätsvektoren für das kleine und große mechanische Aufbereitungsmodul sowie das kleine und große hydrometallurgische Aufbereitungsmodul

19 Symbolverzeichnis Mengen und Indizes Index der Menge der Aktivitäten Menge der in allen Modulen durchführbaren Aktivitäten Index der Menge der Input- und Outputfaktoren und aller ihrer Teilmengen Menge aller im Recyclingnetzwerk relevanten Input- und Outputfaktoren (Stoffe und Energie) Menge der im Recyclingnetzwerk entstehenden Reststoffe, die in Senken außerhalb des Netzwerks beseitigt werden müssen ( ) Menge der im Recyclingnetzwerk entstehenden Zwischenprodukte ( ) Menge der vom Recyclingnetzwerk einzusammelnden Produkte ( ) Menge der im Recyclingnetzwerk entstehenden Wertstoffe, die an Senken außerhalb des Netzwerks verkauft werden können ( ) Menge der im Recyclingnetzwerk von den Prozessen Einsatzfaktoren ( ) Index der Menge der Sammelkostenstufen Menge der Sammelkostenstufen ( ) Indizes der Menge verfügbarer Module; steht für Source (dt.: Quelle), für Destination (dt.: Ziel) Menge der verfügbaren Module Menge der verfügbaren Module der ersten Prozessstufe, welche die Sammlung von Produkten durchführen können ( ) Indizes der Menge der Planungsperioden ; und kennzeichnen die Indizes, die in der Investitionsprogrammvariable die erste Periode (Beginn) respektive die letzte Periode (Ende) der Laufzeit einer individuellen Investition angeben. Menge der Planungsperioden ( ), mit

20 XXII Symbolverzeichnis Variablen und Parameter Produktmenge. In Periode verfügbare Produkte Abhängige Transformationsvariable: Menge der in Periode in den Modulen transformierten Faktoren ( ) Kapazitätskoeffizient. Inanspruchnahme der Kapazität von Modul bei Ausführung einer Aktivität in modulspezifischen Kapazitätseinheiten Annahmeparameter. Wahr (1), wenn Produkt oder Zwischenprodukt von Modul verarbeitet werden kann Modulkapazität. Periodenbezogene technische Maximalkapazität eines Moduls in modulspezifischen Kapazitätseinheiten Diskontsatz in Periode, mit (o. B. d. A.) Kalkulatorischer Zinssatz Intensitätsvariable: Intensität, in der die Aktivität in allen in Periode aktiven Modulen betrieben wird ( ) Faktormasse. Masse einer Einheit des Faktors zur Bestimmung der Recyclingquote Sammelkostensatz. Durchschnittlicher, zahlungsgleicher Kostensatz zur Sammlung eines Produkts in Sammelkostenstufe und Periode Einstandspreis. In Periode geltender Marktpreis für die Beschaffung eines Faktors. Negativer Wert, falls Auszahlung; positiver Wert, falls Einzahlung Investitionsbarwert. Diskontierte Summe der Investitionsauszahlungen zur Installation, Inbetriebnahme und ggf. Erneuerung, der gesamten fixen Auszahlungen sowie der Liquidationseinzahlungen bei Betrieb eines Moduls von Anfang der Periode bis Ende der Periode (mit ) Verkaufs- und Entsorgungspreis. In Periode geltender Marktpreis für den Verkauf bzw. die systemexterne Entsorgung eines Faktors. Negativer Wert, falls Auszahlung; positiver Wert, falls Einzahlung Verbringungskostensatz. Durchschnittlicher, zahlungsgleicher Kostensatz zur Verbringung eines Zwischenprodukts von einem Modul zu einem anderen in Periode

21 Symbolverzeichnis XXIII Variable Betriebsauszahlung für die Ausführung einer Aktivität im Modul in Periode (intensitätsproportionaler, zahlungsgleicher Kostensatz, der sich weder auf Energie noch auf Stoffe bezieht, z. B. Lohn) In Periode zu erzielende Sammelquote bezüglich Produkt Rechtlich gebotene Mindestrecyclingquote in Periode Technische Maximalnutzungsdauer eines neuen oder erneuerten Moduls in Perioden Vorgegebene Mindestnutzungsdauer eines neuen Moduls Aktivitätskoeffizient für Modul, Aktivität und Faktor. Negativer Wert, falls Input; positiver Wert, falls Output Abhängige Aktive-Module-Variable: Anzahl der in betriebenen Module ( ) Abhängige Aktive-Sammelmodule-Variable: Anzahl der in betriebenen sammelnden Module ( ) Systeminputvariable: Gesamtmenge der in Periode in die Module eingehenden, systemextern beschafften Inputfaktoren ( ) Abhängige Gesamtinputvariable: Gesamtmenge der in Periode in die Module eingehenden Inputfaktoren (systemextern- und intern) ( ) Systemoutputvariable: Gesamtmenge der in Periode aus den Modulen ausgehenden, systemextern verbrachten Outputfaktoren ( ) Throughputvariable: Gesamtmenge der in Periode aus den Modulen in die Module verbrachten Einheiten der Zwischenprodukte ( ) Sammelkostenstufenauswahlvariable: Wahr (1), wenn Sammelkostenstufe in Periode ausgewählt ist, sonst Falsch (0) ( )

22 Abkürzungsverzeichnis BattG Batteriegesetz BattGDV Batteriegesetz-Durchführungsverordnung BEV Battery Electric Vehicle DoD Depth of Depletion (Batterie-Entladestand) EFTA European Free Trade Association EG Europäische Gemeinschaft(en) EU Europäische Union EWG Europäische Wirtschaftsgemeinschaft FN Fußnote HEV Hybrid Electric Vehicle HM Pseudonym für einen in der hydrometallurgischen Aufbereitung benötigten Einsatzfaktor Kfz Kraftfahrzeug KrWG Kreislaufwirtschaftsgesetz LCO Lithium-Cobaltoxid LFP Lithium-Eisenphosphat LIB Lithium-Ionen-Batterie Lkw Lastkraftwagen LME London Metal Exchange LMO Lithium-Manganoxid LTO Lithium-Titanat Mio. Million NCA Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminiumoxid NiMH Nickel-Metallhydrid NMC Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid NPE Nationale Plattform Elektromobilität OECD Organisation for Economic Co-operation and Development PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle Pkw Personenkraftwagen PRM Product Recovery Management SoC State of Charge (Batterie-Ladestand) SRMS Strategic Recycling Management System U. S. A. United States of America USABC U. S. Advanced Battery Consortium USGS U. S. Geological Survey VVA Verbringungsverordnung Abfall WZ Wirtschaftszweig

23 Einheitenverzeichnis C Grad Celsius a Jahr Ah Amperestunde ct Eurocent EUR Euro g Gramm kg Kilogramm km Kilometer kw Kilowatt kwh Kilowattstunde mah Milliamperestunde ppm Parts per million t Metrische Tonne USD U.-S.-amerikanische Dollar V Volt Wh Wattstunde