Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS)

Design for circular economy – Design and recycling of present and emerging battery technologies

  • Projektteam:

    Weil, Marcel (Projektleitung); Armin Grunwald, Jens Buchgeister

  • Förderung:

    Exzellenzuniversitätsvorhaben KIT Future Fields

  • Starttermin:

    2020

  • Endtermin:

    2022

  • Projektpartner:

    HIU: Prof. Stefano Passerini, Prof. Maximilian Fichtner, Dr. Dominic Bresser, Stephan Hensel; Exc. Cluster POLIS: Dr. Christian Punckt, Dr. Manuel Baumann; IAM-ESS: Prof. Helmut Ehrenberg, Dr. Werner Bauer, Dr. Joachim Binder, Lea de Biasi, Dr. Anna Smith, Fabian Jeschull; IAM-AWP: Prof. Hans Jürgen Seifert, PD Dr. Wilhelm Pfleging, Dr. Magnus Rohde; ETI: Nina Munzke, Michael Mast; WBK: Janna Hofmann

  • Forschungsgruppe:

    Forschung für nachhaltige Energietechnologien

Projektbeschreibung

Technologien so zu gestalten, dass sie eine Kreislaufwirtschaft sicherstellen, ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Bislang gibt es nur wenige (Low-Tech-)Beispiele, die eine 100-prozentige Kreislauffähigkeit der Materialflüsse (z. B. Cradle to Cradle) erreichen. Die Idee ist, Experten aus der Designphase einer emergenten Technologie (neue Batteriesysteme) und Recyclingexperten zusammenzubringen, um die Herausforderungen für eine Kreislaufwirtschaft zu meistern und insgesamt die Nachhaltigkeit solcher Technologien zu gewährleisten.

Der Grundgedanke einer Kreislaufwirtschaft ist nicht, ein zweites Leben der Batterie zu ermöglichen oder das Recycling zu verbessern, sondern die Technologie so zu gestalten, dass alle verwendeten Materialien (nach der Nutzungsphase) für die Herstellung des gleichen (oder ähnlichen) Produkts wiederverwendet werden können. Bei Hightech-Produkten ist dies bislang nicht umgesetzt worden und es müssen noch viele Hürden überwunden werden, um dieses Ziel der 100-prozentigen Kreislauffähigkeit zu erreichen.

Auf technologischer Ebene erfordern die derzeitigen Recyclingtechnologien (hydrometallurgisches oder pyrometallurgisches Recycling) zu viel Energie oder Materialien (mit relativ hohen Umweltauswirkungen) und sind sehr kostspielig. Für Li-Ionen-Batterien gibt es den Trend zu niedrigeren Materialwerten (z. B. von NMC 111 zu NMC 811, mit geringem Co-Anteil). Für emergente Batteriesysteme, wie Mg- oder Na-Batterien (die auf gut verfügbaren Ressourcen basieren), ist der Materialwert sogar noch geringer. Der Wert der Wertstoffe wird also in Zukunft mit hoher Wahrscheinlichkeit sinken, muss aber den Aufwand (Material, Energie, Kosten) für den Recyclingprozess selbst kompensieren. Dieser problematischen Situation kann nur begegnet werden, wenn zukünftige Li-Ionen-Batterien oder neu entstehende Batteriesysteme (z. B. Mg- oder Na-Batterien) mit einer anderen, neuen Recyclingtechnologie behandelt werden. In diesem Zusammenhang wird ein „direktes Recycling“ von verschiedenen Materialien diskutiert (vgl. Battery Roadmap 2030+).

Die Entwicklung eines neuen Batteriesystems (mit einer neuen Chemie oder Architektur, die mit der heutigen Batterietechnologie konkurrieren kann) ist bereits sehr komplex und hoch innovativ. Daher konzentrieren sich Technologieentwickler oft hauptsächlich auf Leistungsaspekte. Am KIT (aber auch an anderen Institutionen) gibt es laufende Aktivitäten zur Steigerung der Nachhaltigkeit durch die Berücksichtigung von „Green Design“‑, „Design for Recycling“- oder „Eco Design“-Prinzipien innerhalb der Entwicklungsphase. All diese guten und wichtigen Aktivitäten haben jedoch ihre Unzulänglichkeiten im Hinblick auf eine Kreislaufwirtschaft, in der alle Materialien idealerweise in einem geschlossenen – infiniten – Kreislauf ohne Abfallerzeugung über den gesamten Lebenszyklus gehalten werden sollten.

Kontakt

Dr.-Ing. Marcel Weil
Karlsruher Institut für Technology (KIT)
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS)
Postfach 3640
76021 Karlsruhe

Tel.: 0721 608-26718
E-Mail