Projektbeschreibung
LithoRec II ist ein Leuchtturmprojekt der Bundesregierung im Bereich Recycling und Ressourceneffizienz.
Verantwortliche
- Claas Hoyer
- Christian Thies
Projektpartner
- Industrielle Partner aus der Automobil-, Chemie- und Recyclingwirtschaft
- Technischen Universität Braunschweig
- WWU Münster
Ausgangslage und Problemstellung
Die Entwicklung emissionsfreier Fahrzeugantriebe und deren Versorgung aus erneuerbaren Energien ist ein gesellschaftspolitisches Ziel. Strengere Emissionsgrenzwerte, steigende Marktpreise fossiler Energieträger und Subventionen des Gesetzgebers werden in den nächsten Jahren voraussichtlich zu einer stark steigenden Nachfrage nach Hybrid- und Elektrofahrzeugen gerade für den Einsatz auf Kurz- und Mittelstrecken führen.
Die Bundesregierung unternimmt unter anderem mit dem „Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität“ und Förderungen im Rahmen des Konjunkturpakets II zahlreiche Maßnahmen, um Entwicklungen für effiziente elektrische Automobilität nicht nur anzuregen, sondern auch die Markteinführung von entsprechenden Fahrzeugen im automobilen Leitmarkt Deutschland zu beschleunigen.
Eine Schlüsseltechnologie für die Umsetzung der elektrischen Automobilität sind Lithium-Ionen-Traktionsbatterien, deren Recycling eine Herausforderung darstellt. Es existieren derzeit noch keine ökonomisch und ökologisch tragfähigen Lösungen zur Rückgewinnung von Lithium und anderen Aktivmaterialien, die eine Rückführung als Sekundärrohstoff in die Batterieherstellung im industriellen Maßstab ermöglichten.
Zielsetzung und Vorgehensweise
Die Konsortialpartner der Projekte LithoRec und LithoRec II verfolgen das Ziel der Entwicklung und Erprobung von leistungsfähigen Prozessen und lebensphasenübergreifenden Konzepten zur industriellen Umsetzung des ökonomisch und ökologisch effizienten Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien in Deutschland.
LithoRec
Bezogen auf die Lebensphasen der Lithium-Ionen-Batterie werden logistische Sammel- und Rückführungsprozesse konzipiert, sichere Demontage- und Recyclingprozesse gestaltet sowie Herstellungsprozesse für Recycling-Batteriezellen auf Basis von rückgewonnenen Stoffen entwickelt. Die Lebensphasen übergreifend werden das Alterungsverhalten von Lithium-Ionen-Batterien untersucht, Recyclingkonzepte unter ökologischen und ökonomischen Aspekten ganzheitlich bewertet sowie Batteriesysteme und Sicherheitskonzepte in Hinblick auf die Demontagefreundlichkeit entwickelt.
Aufgabe des AIP im Speziellen ist die Ausgestaltung des für das Recycling benötigten logistischen Netzwerks. Dazu werden zunächst die spezifischen Anforderungen an das Netzwerk analysiert, welches beispielsweise hinsichtlich des grundsätzlichen Sammelkonzepts, der beteiligten Akteure und der betrachteten Nutzungspfade differenziert werden kann. Davon ausgehend wird ein mathematisches Optimierungsmodell entwickelt, das die optimale Bestimmung von Standorten und Kapazitäten der Sammelstellen und Verwerter sowie die Allokation des Materialflusses zwischen diesen erlaubt. Auf der Grundlage des in einer dynamischen Kausalprognose abzuschätzenden Altbatterieaufkommens und aufzustellender Entwicklungsszenarien wird das Optimierungsmodell in einen szenariobasierten Ansatz überführt, um dem unsicheren Charakter des Batterieaufkommens gerecht zu werden und im Anschluss Handlungsempfehlungen zur Netzwerkkonstellation leisten zu können.
Auf Grundlage der ermittelten Netzwerkstrukturen wird das AIP die Konfiguration der Recyclinganlagen der Verwerter vornehmen. Dies erfolgt unter Berücksichtigung von ökologischen (bspw. Umweltbelastungen bei der Rohstoffgewinnung, Energieaufwand), ökonomischen (bspw. Rohstoffverfügbarkeit, notwendige Investitionen etc.), gesetzlichen (z.B. Recyclingquoten) sowie technischen Aspekten in Form eines mathematischen Optimierungsmodells, indem die Auswahl und Abfolge der Prozessschritte sowie die Anzahl, Kapazitäten und mögliche Parallelschaltungen von Arbeitsstationen nachhaltigkeitsorientiert festgelegt werden.
LithoRec II
Ziel des Projekts LithoRec II ist sowohl die Weiterentwicklung der in LithoRec entwickelten Prozesse sowie die Erforschung und Entwicklung weiterer Aufbereitungsschritte, zum Beispiel für das in Zellen verarbeitete Elektrolyt. Parallel zu den Forschungsarbeiten wird eine neue Pilotanlage realisiert, die bis zu 100 Tonnen Batteriezellen so aufarbeiten kann, dass die separierten Aktivmaterialien in der schon existenten Pilotanlage zur hydrometallurgischen Aufarbeitung in hoher Qualität wiedergewonnen werden können.
Das AIP hat sich im Rahmen von LithoRec II zum Ziel gesetzt, die entwickelten und im Pilotmaßstab aufgebauten Verfahrensschritte der Pilotanlage aus technisch-ökonomischer Sicht zu analysieren und zu bewerten. Dabei wird insbesondere das Zusammenspiel der einzelnen Prozesse in der Prozesskette betrachtet. Zu diesem Zweck werden die Stoff- und Energieströme der Prozessschritte in Zusammenarbeit mit den Partnern erfasst. Mit zu entwickelnden Simulationsmodellen werden die Prozessschritte anschließend analysiert und visualisiert. Hierbei können erste produktionswirtschaftliche Optimierungsvorschläge zum Betrieb der Pilotanlage abgeleitet werden. Auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse werden Szenarien bezüglich ökonomischer Kennzahlen der Prozesse der Pilotanlage entwickelt, die eine tiefergehende ökonomische Analyse und Optimierung erlauben. Die entwickelten Modelle und Szenarien unterstützen auf diese Weise den optimierten Betrieb der Pilotanlage. Sie bilden die Grundlage zur Beantwortung strategischer, taktischer oder operativer Fragestellungen, die im Rahmen von Projektbeteiligtenworkshops diskutiert werden. Hierbei sollen zum einen Fragestellungen aufgegriffen werden, die die mit dem Betrieb der Pilotanlage verbundenen Prozesse direkt betreffen. Zum anderen sollen auch Fragestellungen Beachtung finden, die die Auswirkungen des Betriebs der Pilotanlage auf die gesamte Recyclingprozesskette betreffen.