Lithium – das Rückgrat der Energie- und Mobilitätswende

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veröffentlicht am 7. November 2019

 

Als Bestandteil von Batterien für Elektroautos und stationäre Batteriesysteme ist es das Material, welches wohl bis zum nächsten technologischen Sprung in der Stromspeichertechnik in nicht unerheblichen Mengen gebraucht werden wird. Umso interessanter ist die Frage nach der aktuellen Herkunft, Möglichkeiten des Recycling und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen.


Mit dem Verkauf von jedem Elektroauto und stationären Speicher ist ein erhöhter Bedarf des Leichtmetalls Lithiums, welches ein wichtiger Bestandteil von modernen Lithium-Ionen-Akkus ist, verbunden. Jedoch ist der Rohstoff begrenzt und der Abbau mit sozio-ökologischen Problemen verbunden, weshalb intensiv nach alternativen Batteriespeichersystemen insbesondere für die Elektromobilität geforscht wird. Zudem wird auch an Recyclingmethoden gearbeitet, um das Problem der Begrenztheit des Rohstoffes abzumildern.

 

Neben den stationären Batterien zur Optimierung des Eigenverbrauchs, für Peak shaving oder Regelenergiebereitstellung, wird der Wechsel von Benzin- zu Elektromotoren (und EE) als eine Lösung für CO2 – Reduktion im Verkehrssektor betrachtet. Wie in Abbildung 1 zu sehen, ist der Sektor Transport für 24% der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Mit dem Wechsel hin zur Elektromobilität, können die verkehrsbedingten CO2-Emissionen gesenkt werden.

Abbildung 1: Verteilung der energiebedingten CO2-Emissionen weltweit nach Sektor im Jahr 2016.

 

Die Anzahl an elektrisch betriebenen Fahrzeugen im Zeitraum zwischen 2014 und 2018 stieg rasant an, wie Abbildung 2 verdeutlicht. Alleine von 2017 bis 2018 wuchs die Anzahl an Elektrofahrzeugen um 64%. Im Jahr 2040 werden weltweit 320 Millionen Elektroautos auf den Straßen sein.

 

 Abbildung 2: Bestand Elektrofahrzeuge weltweit

 

Das Wachstum der Elektromobilität ist eng verbunden mit dem Anstieg der Lithiumproduktion, denn Lithium ist ein Hauptbestandteil moderner Lithium-Ionen-Akkus (LIA). LIA haben Blei-Säure-Akkus sukzessive als Hauptspeicherart bei Heimspeichern abgelöst. Im zweiten Halbjahr 2017, nahm der Anteil an LIA fast 100% ein.1


Die Vorteile der Akkus liegen auf der Hand. Zum einen verfügen LIA über eine hohe Energiedichte, weswegen sie leichter sind als vergleichbare Akkumulatoren, zum anderen über gute Ladeeigenschaften. Die Anzahl der Ladezyklen eines modernen LIA wird mit 1.000 Ladezyklen angegeben. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass das Aufladen um 50% lediglich als halber Ladezyklus gilt. Folglich halten LIA trotz intensiver Nutzung mehrere Jahre durch. Zudem sind sie aufladbar ohne den sogenannten „Memoryeffekt”. Als Memoryeffekt wird der Kapazitätsverlust bei häufiger Teilentladung beschrieben. Für LIA bedeutet dies, dass sie trotz häufiger Teilentladung keinen Kapazitätsverlust erleiden. Der Prozess der vollständigen Aufladung mit nachfolgender vollständiger Entladung ist somit überholt. LIA bleiben sogar länger haltbar, wenn sie häufig, dafür aber mit geringen Mengen geladen werden.

 

Eine weitere positive Ladeeigenschaft ist die geringe Ladedauer von LIA. Ein LIA lädt bis zu 80% seiner Kapazität sehr schnell. Die übrige Ladekapazität wird langsamer geladen, weil bei 80% Ladestand kein Spannungsanstieg mehr erfolgt, wodurch die Stromstärke abnimmt. Zudem gewährleisten LIA eine vergleichsweise hohe Sicherheit.

 

Ein Problem stellt jedoch die Tiefentladung dar. Unterschreitet man die Entladeschlussspannung eines LIA – zum Beispiel durch fehlerhaftes Aufladen oder eines defekten Ladegerätes – beginnt der Prozess der Tiefentladung. Diese führt bei LIA zu irreversiblen Schäden, Kapazitätsverlust und im schlimmsten Fall zu einem Kurzschluss, der dazu führen kann, dass der LIA in Brand gerät. Bei Verwendung von LIA in Kraftfahrzeugen erhöht sich die Gefahr der Tiefentladung beispielsweise durch einen erhöhten Bedarf größerer Verbraucher wie Radio oder Standheizung oder durch das häufige Fahren von Kurzstrecken. Rechtzeitiges Laden verringert die Gefahr der Tiefentladung.

 

Um den Bedarf an LIA zu erfüllen, wird der Lithiumabbau aktuell bereits massiv beschleunigt. Der Lithiumabbau ist aber nicht unproblematisch. Insbesondere der hohe Rohstoffbedarf und die sozio-ökologischen Auswirkungen stehen in der Kritik.


Es werden ca. 50% der weltweiten Lithium-Reserven benötigt, um in jedes Auto der Erde (schätzungsweise 1 Milliarde) einen 60kWh LIA einzubauen. Ausgeschlossen aus dieser Rechnung sind jedoch Transporter, Busse und LKWs, die einen zehnmal größeren LIA als herkömmliche Autos bräuchten. Dementsprechend erhöht sich der Lithiumverbrauch enorm. Der Anteil an LKWs, Bussen und Transporter an Kraftfahrzeugen weltweit dürfte maximal 10% betragen, ansonsten sind alle Lithiumreserven alleine für die Automobilbranche aufgebraucht. Zudem sind in dieser Rechnung LIA, die in Elektrofahrrädern, Handys, Laptops und Heimspeichern vorkommen, nicht mitinbegriffen. Für LKWs, Busse und Transporter bietet sich jedoch der Gebrauch von Wasserstoff-Brennstoffzellen an, da die mitzuführende Energiekapazität von Batterien zumindest auf Basis von LIA – Technologie nicht ökonomisch gewährleistet werden kann.


Die größte Herausforderung besteht folglich darin, die Batteriezelle weiter zu entwickeln. Das erste Ziel ist, die Batterie kostengünstiger zu machen, da diese derzeit 40% der Fahrzeugkosten ausmacht. Das Gesamtbatteriepaket kostete im ersten Halbjahr 2019 209US$ pro Kilowattstunde (kWh). Eine 60 kWh Batterie kostet demnach 12.540US$ (11.286€). Bis 2025 so schätzen Experten, soll die 100US$/kWh-Marke unterschritten werden. Entgegen dieser Prognosen rechnen die Automobilhersteller jedoch mit steigenden Preisen, da die Nachfrage nach Batterien und deren Materialien steigt. Beispielsweise kalkuliert Ford Deutschland mit einem Preisanstieg um schätzungsweise 10%.

 

Der steigende Bedarf an LIA aufgrund des Wachstums der E-Mobilität und dem zunehmenden Einsatz von LIA in Handys, Laptops und Heimspeichern, wirft daher die Frage auf, wie lange reichen die Lithiumreserven noch aus? Um dies zu beantworten, lohnt sich einerseits ein Blick auf dessen Abbau, der nicht unproblematisch ist, und andererseits auf die Forschung zu Alternativen von LIA. Ebenso stellt sich die Frage, ob das in den Akkus verwendete Lithium wieder verwertet werden kann.

 

Abbau des Lithiums

Lithium ist als Spurenelement überall auf der Erde im Wasser, in Salzen und Mineralien enthalten. Der Anteil von Lithium in der Erdkruste beträgt 0,006%. Jedoch liegt Lithium aufgrund seiner Reaktionsfreudigkeit mit Sauerstoff niemals in reiner Form vor, sondern immer in Verbindungen. Die höchste Konzentration an Lithium gibt es in Silikat-Mineralien (25%) und in mineralienreichen Salzlaugen (59%, auch Solen genannt). Dementsprechend werden 50% des weltweiten Lithiums aus Solen und 40% aus Mineralien gewonnen.


In den Salzwüsten (spanisch: „Salar”) im Gebiet des Dreiländerecks zwischen Bolivien, Chile und Argentinien lagern mehr als die Hälfte aller Lithium-Vorräte, aus diesem Grund wird das Gebiet auch Lithium-Dreieck genannt. Mit Hilfe von Wasserpumpen wird salzhaltiges Grundwasser (Sole) an die Oberfläche gepumpt. Dort wird es in künstlich geschaffenen Seen gespeichert. Das heiße und trockene Klima führt dazu, dass das Wasser verdampft. Diesen Vorgang, der zwischen 18 und 24 Monaten dauern kann, nennt man solare Evaporation. Übrig bleibt zähflüssiges Lithium-Konzentrat mit einem Lithiumanteil von ca. 6%. Dieses wird danach zu Lithiumkarbonat (Li2CO3) weiterverarbeitet, indem es erhitzt und mit Na2CO3 versetzt wird.

 

Abbildung 3: Solare Evaporation der Lithiumgewinnung in Südamerika.

 

Daneben kann Lithium auch im Bergbau gewonnen werden. Lithium ist zwar Bestandteil von 145 Mineralien, dennoch ist nur der Abbau von Spodumen, Petaliten und Lepidolithen wirtschaftlich, vorausgesetzt der Vorrat ist groß genug. Die Mineralien werden mithilfe von Brechen, Mahlen, Schweretrennung, Magnetscheidung, Flotation, Waschen, Filtern und Trocknen zu lithiumhaltigen Konzentraten weiterverarbeitet.

 

Lithium-Bergbau soll in Zukunft auch in Deutschland, genauer gesagt in Sachsen, wo die größten Lithium-Vorkommen Europas liegen, betrieben werden. Im Osterzgebirge an der Grenze zu Tschechien ergaben Untersuchungen, dass ca. 125.000 Tonnen Lithium im alten Tiefe-Bünau-Stollen, der heute ein Besucherbergwerk ist, bei Zinnwald lagern. Die Deutsche Lithium GmbH, eine Joint-Venture zwischen der Solar World AG und der kanadischen Firma Bacanora Minerals, rechnet mit ca. 500.000 Tonnen zu gewinnendem Li2CO3 aus dem nach der Ortschaft Zinnwald benannten Gestein Zinnwaldit. Dieses Gestein enthält je nach Zusammensetzung zwischen 3 und 4% Lithium. Geht man davon aus, dass pro Elektroauto 50kg Li2CO3 benötigt werden, können mit den Ressourcen aus Zinnwald bis zu 10 Millionen Elektroautos betrieben werden und somit fast doppelt so viele wie 2018 in Gebrauch waren. Nimmt man die Prämisse einer Förderung von 500.000 Tonnen Li2CO3 im Zinnwald und dem Preis von Juli 2019 in Höhe von 11.250US$ pro Tonne Li2CO3 an, wie aus Abbildung 4 herauszunehmen ist, ergibt sich daraus das Umsatz-Potential von 5,625 Milliarden US$ (umgerechnet 5,063 Mrd. Euro).

 

Jedoch wäre der Abbau in Sachsen deutlich teurer als die Lithium-Gewinnung aus den Salaren Südamerikas. Zum Vergleich: die Herstellung einer Tonne Li2CO3 kostet in Südamerika (solare Evaporation) 2.000 bis 2.500US$, in Australien (Bergbau) sind es 4.000US$. Die Deutsche Lithium GmbH kalkuliert mit Herstellungskosten ähnlich wie in Australien. Auch besteht das Risiko, dass die Nachfrage nach Elektroautos nicht so stark wie erwartet steigt und sich im Gegenzug das Angebot an Lithium deutlich erhöht. Diese Tendenz ist bereits – wie in Abbildung 4 zu sehen – zu erahnen. Das würde bedeuten, dass der Preis von Li2CO3 sänke, wodurch sich die Frage der Wirtschaftlichkeit des Projektes stelle. Nichtsdestotrotz bietet die Förderung in Sachsen die Chance, das Risiko des globalen Marktes bzgl. Lieferengpässe und schwankende Preise zu minimieren. Derzeit steht das Projekt jedoch aufgrund der Insolvenz der Solar World AG auf wackeligen Beinen.

 

Der Preis (Bei 2015, 2016 und 2018 handelt es sich jeweils um den Jahresdurchschnittspreis. Bei Feb 2017, Jun und Jul 2019 handelt es sich um den monatlichen Durchschnittspreis) von Li2CO3, das den Löwenanteil der Lithiumverbindungen einnimmt, ist zwischen 2015 und 2018 rasant angestiegen, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Grund dafür ist die stark wachsende Nachfrage. 2015 wurden 178.000 Tonnen Lithiumkarbonat und -hydroxid verbraucht, 2017 waren es bereits 238.000 Tonnen. Laut der Deutschen Bank steigt der Bedarf auf bis zu 534.000 Tonnen im Jahr 2025. Aufgrund des steigenden Angebots ging der Preis in den letzten Monaten deutlich zurück.

 

Abbildung 4: Handelspreis Lithiumkarbonat.2

 

Neben den ökonomischen Vorteilen des Lithiumabbaus, der sich in Arbeitsplätzen und Devisen für die Förderländer zeigt, bringt der Lithiumabbau auch einige Probleme mit sich. Das Problem der Lithiumgewinnung durch solare Evaporation in Südamerika besteht im hohen Wasserverbrauch in dem (sowieso schon) trockenen Gebiet. Dies gefährdet die Existenz der indigenen Bevölkerung und heimischen Tierarten. Den teilweise autark lebenden Einheimischen fehlt einerseits das Wasser, um für ihre Lebensgrundlage zu sorgen, und andererseits das Salz der Salars, das sie für landwirtschaftliche Zwecke nutzen. Zudem sind weite Landstriche mit Flüssen und Seen, die Flamingos eine Heimat gaben, ausgetrocknet. Der Anden-Flamingo ist inzwischen vom Aussterben bedroht. Außerdem gelten die Salzseen als Touristenmagnet. Ein Abbau im industriellen Stil könnte dem Tourismus schaden.

 

Wie kontrovers die Debatte um den Lithiumabbau geführt wird, zeigen die Angaben zur Menge des verbrauchten Wassers. Laut dem forensischen Geologen Fernando Diaz müssen zwei Millionen Liter Wasser verdunsten, um eine Tonne Lithium zu gewinnen. Andere Quellen rechnen jedoch (nur) mit 0,4 Millionen Liter Wasser, die verdunsten. Des Weiteren führen Letztere an, dass einerseits die Wasserverdunstung im Lithium-Dreieck von Natur aus hoch sei und andererseits auch andere Rohstoffe aus der Evaporation gezogen würden.

 

Ein anderes Problem besteht darin, dass der Evaporationsprozess Schwankungen unterliegt. Solen unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und dem Grad der Verunreinigung, woraus folgt, dass der Produktionsprozess je nach Vorkommen different ist. Außerdem verzögern Regenfälle und Schichtfluten den Evaporationsprozess.  Diese Faktoren verteuern die Produktion.


Ein weiterer kritischer Rohstoff, der ebenfalls für LIA benötigt wird, ist Kobalt. Kobalt wird vornehmlich im Bergbau gewonnen. Die größten Vorräte liegen in Subsahara Afrika. Dort wird das Material illegal und unter schwierigen Bedingungen gefördert.3


Es bleibt als Zwischenfazit zu ziehen, dass auf Grund der Begrenztheit von Lithium, den steigenden Preisen aufgrund der erhöhten Nachfrage und die Umweltschäden, die mit dem Abbau einhergehen, der Druck auf Batteriehersteller steigt, alternative Technologien zu entwickeln.

 

 

 

 

 

​Ort​Lithium Ø (ppm) ​Kalium Ø (ppm) ​Natrium Ø (ppm)
​Salar de Atacama (Chile)​1.570​23.600​91.000
​Salar de Uyuni (Bolivien) ​349​7.200​87.200
​Salar des tres Quebradas (Argentinien)​858​7.682​78.782

Tabelle 1: Alkali-Metall-Vorkommen in ppm (parts per million) . Daten: Deutsche Rohstoffagentur (2017, S.17).

 

Ein Vorteil von Natrium- und Kalium-Ionen-Batterien ist ihre hohe Lebensdauer. Dennoch stehen sie den LIA in der Speicherfähigkeit und der Energiedichte nach. Deswegen arbeiten Forscher an Möglichkeiten, die Energiedichte zu erhöhen. Ein weiteres Argument für den Ersatz von Lithium durch Natrium wäre, dass in diesen Batterien Aluminium das ebenfalls seltene Kupfer ersetzen könnte. Das würde dazu führen, dass der Preis dieser Batterien deutlich unter dem der LIA läge.

 

Neben der Forschung zum Ersatz von Lithium wird auch an alternativen Akku-Systemen geforscht, darunter zu denen aus Abbildung 5. Der Blei-Säure-Akku (BSA) war als kostengünstiger Starterakku (zum Starten des Autos) von Bedeutung, weil er ein gutes Tieftemperaturverhalten hat und in kurzer Zeit viel Energie abgegeben kann. Das Problem liegt in der geringen Energiedichte (30Wh/kg; LIA: 140Wh/kg). Aufgrund dieser ist der BSA zu schwer, um als Antriebsakku verwendet zu werden. Auch Nickel-Cadmium-Akkus sind keine Alternative, da sie giftig sind und deshalb vom Markt genommen wurden. Der Nickel-Metallhydrid-Akku ist aufgrund des „Memoryeffektes” keine Alternative zu LIA.

 

Eine andere Alternative wäre ein Nickel-Zink-Akku, der genauso leistungsstark wie ein LIA ist, jedoch leichter und sicherer. Nichtsdestotrotz erreicht ein Nickel-Zink-Akku nicht die Energiedichte und die lange Lebensdauer eines LIA.

 

Eine weitere Hoffnung besteht in den Lithium-Sauerstoff-Akkus. Sie sind nicht nur leichter als vergleichbare LIA, sondern haben auch mit 2.000 Ladezyklen eine deutlich höhere Lebensdauer. Das Problem liegt jedoch beim Sauerstoff. Dieser muss separat mitgeführt werden, weil die Feuchtigkeit des in der Luft befindlichen Sauerstoffs den Akkus schadet.

 

Redox-Flow-Batterien (RFB) sind elektrochemische Energiespeicher mit einem flüssigem Speichermedium, deren Energieumwandlung der von Brennstoffzellen ähnelt. Ihre Energiedichte ist mit der von Blei-Säure-Batterien (30kW/kg) vergleichbar, RFB sind jedoch deutlich langlebiger. Aufgrund ihres externen Speichers findet praktisch keine Selbstentladung statt. Deshalb können RFB als unterbrechungsfreie Stromversorger angewendet werden. Das Problem im Hinblick auf die Elektromobilität besteht darin, dass die Batterien einen externen Speicher benötigen, der separat mitgeführt werden muss. Das bedeutet zusätzliches Gewicht und zusätzlichen Platzbedarf.


Schließlich wird auch an der Optimierung von Lithium-Ionen-Akkus geforscht, insbesondere an der Verhinderung der Bildung von Dendriten, die den Akku schwächen. Zudem an der Sicherheit und der industriellen Fertigung, um diese kostengünstiger zu machen.

 

Als weiteres Zwischenfazit ist festzuhalten, dass es durchaus technologische Optionen gibt, deren weitere Entwicklung zu verfolgen ist. Aktuell bleibt jedoch der LIA die beste Alternative, was zur Frage führt, ob die Batterien oder insbesondere das Lithium im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft genutzt werden können.


Recyclingmöglichkeiten

In Deutschland ist der Bürger gesetzlich dazu verpflichtet, LIA in Batterien-Sammelboxen zu entsorgen, denn aus den Akkus können schließlich Lithium, Kobalt, Mangan, Silber, Kupfer, Stahl, Zink und Nickel zurückgewonnen werden. Zudem sind laut der Europäischen-Batterierichtlinie 2006/66/EG Vertreiber von Batterien dazu verpflichtet, gebrauchte Batterien und Akkus kosten- und bedingungslos zurück zu nehmen. Ergo sind die rechtlichen Rahmenbedingungen bereits geschaffen.

 

Jedoch werden derzeit nur ca. 1% des verwendeten Lithiums recycelt. Ursächlich sind hierfür zum einen die großen Reserven sowie die relativ kostengünstige Gewinnung. Zum anderen ist der Recycling-Prozess von LIA aktuell noch teurer als die Materialkosten der recycelten Materialen. Ein weiterer Faktor ist, dass die Mehrheit des gewonnen Lithiums momentan im Umlauf ist. Dementsprechend gibt es nicht genügend Lithium-Abfall, der eine Recyclingindustrie rechtfertigen würde. Mit zunehmendem Bedarf an Lithium, wird jedoch ein Recyclingprozess angestoßen, denn die Wiederverwertung von Lithium ist nicht aufwändig. Aufgrund des niedrigen Schmelzpunktes (180°C) und der leichten Lösbarkeit der Fluoride, Phosphate und Carbonate lässt sich Lithium mit Hilfe von Auslaugen oder Ionentausch aus technischer Sicht leicht recyceln. Es ist demnach nur eine Frage der Zeit bzw. der wirtschaftlichen Entwicklung, bis sich eine Recyclingindustrie für Lithium etabliert. Eine weitere Recycling-Alternative ist die Zweitnutzung (second use) der Akkus als Heimspeicher.

 

Fazit

Mit zunehmender Elektromobilität und der Verwendung von LIA in elektronischen Geräten und Heimspeichern wird auch der Bedarf an Lithium steigen. Es ist zweifellos wichtig, dass der Abbau sowohl sozial als auch ökologisch nachhaltig erfolgt. Da dies momentan nicht der Fall ist, der Rohstoff sehr stark nachgefragt ist, der Recycling-Prozess noch nicht im Gange ist und die Batterie von Elektroautos noch einen sehr großen Anteil des Gesamtpreises einnimmt, wird intensiv nach Alternativen zu LIA geforscht. Die Recherche für diesen Artikel zeigte noch keine echten Alternativen zu LIA, weswegen Lithium in den kommenden Jahren weiterhin das Rückgrat für Elektromobilität und stationäre Speicher darstellen wird. Der technische Optimierungsprozess, den LIA momentan durchlaufen und der abzusehende Durchbruch in der Recycling-Industrie wird die Rolle von Lithium weiter stärken.

 

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1 Kairies, Kai-Philipp: Auswirkungen dezentraler Solarstromspeicher auf Netzbetreiber und Energieversorger. Öffentlicher Vortrag zur Dissertation an der Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik und Technische Informatik an der RWTH Aachen. URL: https://ei.uni-paderborn.de/fileadmin/elektrotechnik/fg/nek/Kairies/2019_Kairies_Heimspeicher_TU_Paderborn.pdf (12.08.2019). Folie 25.

2 Abbildung 4: Eigene Darstellung, nach: Deutsche Rohstoffagentur (2017, S.36), Statista (2018; https://www.statista.com/statistics/606350/battery-grade-lithium-carbonate-price/) und Metallbulletin (2019; https://www.metalbulletin.com/lithium-prices-update).

3 ZDF, Der wahre Preis der Elektroautos, 2018

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