Reduktion des kritischen Rohstoffverbrauchs durch Second-Life-Anwendungen von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien Anika Regett IEWT 2017 Wien, 16. Februar 2017 1 Paper: A. Regett und S. Fischhaber: Reduction of Critical Resource Consumption through Second Life Applications of Lithium Ion Traction Batteries
Agenda 1. Motivation 2. Kritische Rohstoffe in Lithium-Ionen-Batterien 3. Bilanzierung von Second-Life-Anwendungen 4. Reduktion des kritischen Rohstoffverbrauchs 5. Fazit und Ausblick 2
1. Motivation Einsparung kritischer Rohstoffe durch die Weiterverwendung von gebrauchten Traktionsbatterien? 3 Mit steigendem Markthochlauf von Elektrofahrzeugen stehen in Form von Second-Life (SL)-Batterien kostengünstige Speicherkapazitäten zur Verfügung Potenzieller wirtschaftlicher und ökologischer Mehrwert durch Zweitanwendungen wie z. B. PV-Hausspeichersystemen (PV HSS) oder Primärregelleistung (PRL)
2. Kritische Rohstoffe in Lithium-Ionen-Batterien Gründe für die Kritikalität von Kobalt, Lithium, Graphit und Nickel Hauptgründe Kobalt Lithium Graphit Nickel Nebenprodukt Länderkonzentration Unternehmenskonzentration Herkunftsländer Nachfragesteigerung Entzündbarkeit Toxizität, Gesundheitsgefährdung Reichweite 4 Rohstoffkritikalität ist nicht mit Knappheit gleichzusetzen, sondern ergibt sich aus der wirtschaftlichen Bedeutung und den Versorgungs- und/oder Umweltrisiken Gemäß dem definierten Kritikalitätsscreening-Verfahren wurden Kobalt, Lithium, Graphit und Nickel als kritische Rohstoffe für die weitere Untersuchung identifiziert
3. Bilanzierung von Second-Life-Anwendungen Funktionelle Einheit und Systemgrenze 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 5 1 Quelle: Kim et al. 2015 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
3. Bilanzierung von Second-Life-Anwendungen 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 6
State-of-Health (SOH) 3. Bilanzierung von Second-Life-Anwendungen Alterungsverläufe zur Bestimmung der substituierbaren Nennkapazität 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Zeit in Jahren PV HSS-Profil (LFP) PRL-Profil (LFP) PV HSS-Profil (NMC) PRL-Profil (NMC) FfE SEfBW-01#A Ressourcensicht_eV_00028 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 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 7 1 NMC: Campestrini et al. 2015; LFP: Mezger et al. 2011, Wang et al. 2010 und Herb 2010
4. Reduktion des kritischen Rohstoffverbrauchs Maximale Einsparung kritischer Rohstoffe durch Second-Life-Anwendungen NMC: LFP: 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 Das kritische Rohstoffeinparpotenzial ist stark von Batterietyp und SL-Anwendung abhängig Die Auswahl der Anwendung sowie die Auslegung der SL-Batterie ist daher entscheidend Weitere wichtige Einflussfaktoren sind der spezifische Materialbedarf sowie die Sammel- und Recyclingeffizienzen 8
5. Fazit und Ausblick 1 Durch Weiternutzung von Traktionsbatterien in stationären Anwendungen können kritische Rohstoffe wie beispielsweise Kobalt eingespart werden. 2 Das Rohstoffeinsparpotenzial hängt von Batterietyp, SL-Anwendung sowie der Entwicklung des spez. Rohstoffbedarfs und der Sammel-/Recyclingeffizienzen ab. 3 Die Verschiebung des Recyclingprozesses kann mittelfristig zu einer Steigerung der Recyclingeffizienz, aber kurzfristig zu einer erhöhten Primärrohstoffnachfrage führen. 9 4 Für eine ganzheitliche Bewertung von SL-Anwendungen sollten neben der Rohstoffeinsparung auch ökologische und wirtschaftliche Aspekte einbezogen werden.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Ansprechpartnerin: Anika Regett, M.Sc. +49 (89) 158121-45 ARegett@ffe.de Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Am Blütenanger 71 80995 München www.ffe.de 10 Ein herzlicher Dank gilt der Stiftung Energieforschung Baden-Württemberg (www.sef-bw.de) für die Unterstützung des Projekts Ressourcensicht auf die Energiezukunft.
11 Backup
Kritikalitätsscreening-Verfahren Begriffsdefinition Schlüsseltechnologien der Energieversorgung Ja Zukünftige Schlüsseltechnologien der Energieversorgung sind Technologien, die für die Bereitstellung von Strom, Wärme und Mobilität unter Berücksichtigung des politischen Ziels der deutschen 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 Beschreibung des aktuellen Lebensende Identifikation von Substitutionsmöglichkeiten Schlüsseltechnologie? Recyclingsystem? Substituierbar? kein großflächiges System verfügbar Begrenzte Recycling- und Substitutionsmöglichkeiten P nein oder nur mit Leistungseinbußen 12 Rohstoffkritische Schlüsseltechnologie
Kritischer Rohstoffbedarf, Sammel- und Recyclingeffizienz Spezifischer kritischer Rohstoffbedarf: Type Unit Kobalt Lithium Graphit Nickel NMC g/kwh nom 223 131 1214 444 LFP g/kwh nom 107 1563 Sammel- und Recyclingeffizienz Niedrig Hoch Typ Kobalt Lithium Graphit Nickel Mix (NMC/NCA*/LFP) 43 % 23 % 0 % 40 % NMC 100 % 93 % 0 % 97 % LFP 80 % 0 % 13
Alterungsverläufe NMC: C PCR (t) = 1 0.03599 t 0.65 C PV HSS t = 1 0.05843 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 14