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Elektromobilität

Akkus im produktiven Ruhestand

Von Jochen Reinecke
 - 12:51
Altersheim für Akkus: In der Speicherfarm des BMW-Werkes in Leipzig machen sich ehemals in i3-Modellen verbaute Lithium-Ionen-Zellen noch einmal nützlich.

Schon nach acht bis zehn Jahren wird die Batterie eines Elektroautos ausrangiert. Brachte sie bis dahin stets konstante Leistung, müssen Autobesitzer nun immer häufiger zur Ladesäule – und dort immer längere Zeit verbringen. Die Speicherkapazität sinkt, und das Einschalten von Licht oder Klimaanlage lässt die Reichweite zusammenschnurren, dabei halten Lithium-Ionen-Akkus eigentlich wesentlich länger. Doch diesen wegen ihrer vergleichsweise hohen Energiedichte für Elektromobile favorisierten Stromspeichern macht die Belastung darin, der Stress, zu schaffen.

Ideale Einsatzbedingungen wären konstante Temperaturen um die 20 Grad Celsius und ein gleichmäßiger Wechsel von Be- und Entladung. Der Alltag einer Traktionsbatterie sieht aber anders aus. Andauernd werden unterschiedliche Leistungen abgerufen, vom Stop-and-Go in der Stadt über entspanntes Fahren auf Landstraßen bis hin zu kurzen, aber energieintensiven Überholvorgängen. Auch die Rückführung von Energie in den Akku ist Schwankungen unterworfen: Je nach Ladesäulentechnologie werden die Akkus mit unterschiedlichen Stromstärken geladen, und auch im Fahrbetrieb wird beim Bremsen und Bergabfahren kinetische Energie in elektrochemische zurückverwandelt.

In Elektroautos verbaute Batteriepacks beherbergen daher nicht nur die Batteriezellen selbst, sondern auch eine komplexe Steuerelektronik zur Koordination der Lade- und Entladevorgänge sowie Komponenten, um die Temperatur der Zellen zu überwachen und einen bestimmten Arbeitsbereich zu halten. All dies kann den Alterungsprozess der Batteriezellen aber nicht dauerhaft aufhalten, denn zusätzlich zu zyklischen Alltagsbelastungen nagen an ihnen noch andere Prozesse. Wird eine geladene Batterie beispielsweise für einen längeren Zeitraum nicht genutzt, so altert sie schneller als im Regelbetrieb.

Was also tun mit final gestressten Akkus am Ende ihrer Lebenszeit? Grundsätzlich fordert das Batteriegesetz, Traktionsbatterien dem Recycling zuzuführen. Immerhin können damit bis zu neunzig Prozent der Materialien wiederverwendet werden. Recycling ist jedoch aufwendig. Das beginnt schon bei Transport und Lagerung, denn Lithium-Ionen-Akkus gelten als Gefahrgut. Zerlegt werden sie derzeit überwiegend manuell, denn für eine maschinelle Demontage müssten sich Hersteller auf einheitliche Akku-Typen verständigen.

Auch lassen sich nicht alle Komponenten einer Traktionsbatterieeinheit so einfach demontieren. Was nicht getrennt werden kann, muss geschreddert oder eingeschmolzen werden, und vor allem Letzteres verbraucht viel Energie. So erstaunt es nicht, dass die Branche nach Alternativen zum Recycling sucht. Wenn die Hersteller nach jenen acht bis zehn Jahren Nutzungsdauer zu einem proaktiven Austausch der Akkus raten, weil deren Performance rückläufig ist, besitzen diese aber rein rechnerisch immer noch gut drei Viertel ihrer Leistungsfähigkeit. Sie könnten noch bis zu zwanzig Jahre Dienst tun, sofern sie unter stressarmen Bedingungen eingesetzt werden – in einem „Second Life“.

Recyclen kann man sie später immer noch

Anstatt die Batterie also sogleich zu recyceln, wird sie in einer anderen Umgebung weitergenutzt, etwa als Heimspeicher für Solarzellenstrom oder auch als Puffersystem für Energieerzeuger, die volatile Wind- oder Sonnenenergie bei einem Kapazitätsüberhang zwischenspeichern und bei Bedarf wieder ins Stromnetz abgeben können. Der Ingenieur Michael Baumann hat sich an einem Forschungsprojekt der Technischen Universität München mit der Frage befasst, in welchem Zustand sich Akkus nach der Erstnutzung befinden und inwieweit sie sich für eine Zweitnutzung eignen. Baumann befürwortet den Second-Life-Einsatz: „Der wichtigste Vorteil ist, dass mit der gebrauchten Traktionsbatterie vor dem Recycling noch ein Mehrwert in einer weniger belastenden Anwendung geschaffen werden kann.“ Dieser Mehrwert sei durch die erzielbaren Verkaufserlöse sowohl ökonomisch als auch durch den reduzierten Bedarf von neuen Batterien für Stationärspeicher ökologisch sinnvoll. Außerdem: „Nach dem Second Life kann man immer noch recyceln“, sagt Baumann. „Aber der Recycling-Zeitpunkt wird in die Zukunft verschoben, in der die momentan noch wenig erforschten Recycling-Technologien vermutlich effizienter sind als heute.“

Doch auch beim Übergang ins zweite Leben ergeben sich Herausforderungen. Traktionsbatterien bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verschalteten Einzelzellen, und wenn nur eine davon über den nutzbaren Bereich hinaus gealtert ist, sinkt nicht nur die Gesamtperformance der Batterie. Gleichzeitig steigt das Risiko für einen „Thermal Runaway“: Bei jedem Ladevorgang bleiben Lithium-Ionen an der Anode hängen und häufen sich an, wobei sich Lithiumketten bilden, sogenannte Dendriten. Mit der Zeit können diese den Separator einer Zelle durchdringen, in Kontakt mit der Kathode kommen und einen Kurzschluss verursachen. Daraufhin entwickeln sich hohe Temperaturen, die benachbarte Zellen versagen lassen. Und das könnte eine Kettenreaktion starten, die eine Batterie unter Umständen explodieren lässt.

Prüfungen für das zweite Leben

„Die größte Herausforderung bei der Second-Life-Nutzung besteht darin, den Gesundheitszustand einer bereits verwendeten Zelle zu ermitteln“, sagt Stefano Passerini, Leiter des Helmholtz-Instituts Ulm, an dem elektrochemische Batteriekonzepte erforscht werden. „Während bei fabrikneuen Zellen anzunehmen ist, dass alle das gleiche Verhalten zeigen, zumindest in einem engen Toleranzbereich, ist das Alterungsverhalten bei gebrauchten Zellen unterschiedlich: Wir wissen beispielsweise, dass Zellen, die an unterschiedlichen Positionen im Akkupack sitzen, unterschiedlich schnell altern.“

Wer aus den Einzelzellen einer Traktionsbatterie eine funktionstüchtige Second-Life-Batterie zusammenstellen möchte, muss also vor dem Verschalten der Einzelzellen deren Zustand so genau wie möglich kennen. Hierzu sollte jede Zelle einzeln durchgemessen werden, um bestimmen zu können, inwieweit sie hinsichtlich Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit ein Kandidat für die Second-Life-Nutzung ist. Solche Analysen werden umso exakter, je mehr Informationen über die Nutzung im „First Life“ schon vorliegen. In vielen Fällen werden diese bereits von der Fahrzeug- oder der Steuerungselektronik der Traktionsbatterie erfasst und gespeichert. „Wenn diese Nutzungsdaten zur Verfügung stehen, können der aktuelle Zustand und die Restlebensdauer genauer berechnet werden und die gebrauchten Speicher ökonomisch sinnvoll eingesetzt werden“, sagt Michael Baumann. „Die Nutzungsdaten sind aber auch schon für die Erstnutzung relevant, denn nur mit ihnen kann beispielsweise der Gebrauchtwagenwert eines Elektrofahrzeugs beurteilt werden.“ Und nicht immer müssen Traktionsbatterien vor dem Beginn eines zweiten Lebens komplett zerlegt werden, wie Jörg Becker von der Universität Münster bei seinem Forschungsprojekt End-Of-Life Solutions für eCar-Batterien herausfand: „Für Heimanwendungen, als Zwischenspeicher für Photovoltaik zum Beispiel, lassen sich manche der ausgedienten Traktionsbatterien im Idealfall als komplette Einheit weiterverwenden.“

2,8 Megawatt aus alten Akkus

Noch scheiden sich bei der Frage „Recycling oder Revival?“ in der Industrie die Geister. Tesla setzt auf Ersteres und entwickelt derzeit ein Recyclingsystem, dem nicht nur alte Akkus, sondern auch der Ausschuss aus der laufenden Produktion zugeführt werden können. Auch der Verband Auto-Schweiz strebt eine integrierte Recycling-Branchenlösung an. Die Mehrzahl der Hersteller weltweit forscht an Second-Life-Technologien, häufig in Kooperation mit Hochschulen, Energieerzeugern oder anderen Autoherstellern, um eine möglichst praxisnahe und ökonomische Entwicklung von Second-Life-Speichern sicherstellen zu können.

Solche Zweckgemeinschaften bilden zum Beispiel Renault und Connected Energy oder Toyota und der Stromversorger Chubu Electric Power. Öffentlichkeitswirksam ist die Lösung des Autoherstellers Nissan und des Münchner Technologieunternehmens The Mobility House: Das Joint Venture hat die Amsterdam Arena mit einer Second-Life-Batterie ausgestattet. Mit ihrer Kapazität von 2,8 Megawatt, was der Batteriekapazität von 148 „Nissan Leaf“ entspricht, bleibt das Stadion bei einem Stromausfall mindestens eine Stunde lang unabhängig von der Stromversorgung von außen. Und kürzlich hat Daimler eine Kooperation mit dem chinesischen Elektroautohersteller BJEV vermeldet. Man wolle am Standort Peking mit umfangreichen Tests und Simulationen zeigen, wie elektroautomobile Energiespeicher das chinesische Stromnetz künftig effizient und nachhaltig beim Schwankungs- und Stromausfallmanagement unterstützen können.

Noch stecken sowohl Recycling- als auch Second-Life-Technologien in den Kinderschuhen. Damit sie schnell daraus entwachsen, braucht es Skaleneffekte, sprich mehr Elektroautos auf der Straße. Immerhin zeigen die vielen Joint Ventures zwischen Energie- und Automobilbranche sowie der Forschung, dass die Elektromobilität selbst wieder neue Geschäftsmodelle hervorbringen kann.

Quelle: F.A.S.
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