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Zukunftsperspektiven der Elektromobilität

Analyse der Ressourcen-Kritikalität und Umweltproblematiken von Lithium-Ionen-Batterien

Bachelorarbeit 2013 64 Seiten

Geowissenschaften / Geographie - Sonstiges

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Entwicklung der Elektromobilität vor dem Hintergrund der politischen Rahmenbedingungen

2 Zielsetzung und Fragestellungen

3 Methodische Vorgehensweise

4 System Elektromobilität
4.1 Entwicklungsstand
4.2 Lithium-Ionen-Batterien
4.2.1 Definitionen
4.2.2 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich mit anderen Batterien
4.2.3 Bedarf an strategischen Metallen

5 Rohstoffe für Deutschland
5.1 Ressourcenstrategie Deutschland
5.2 Potentielle Risiken

6 Vergleich mit vorhandenen Kritikalitätsstudien

7 Analyse der Ressourcenkritikalität von Lithium-Ionen-Batterien
7.1 Bewertungsverfahren
7.2 Graphit
7.2.1 Geologische Verfügbarkeit
7.2.2 TechnischeVerfügbarkeit
7.2.3 Geopolitische Verfügbarkeit
7.2.4 ÖkonomischeVerfügbarkeit
7.2.5 Soziale Verfügbarkeit
7.2.6 ÖkologischeVerfügbarkeit
7.2.7 Veränderungen des Rohstoffmarktes durch Elektromobilität
7.2.8 Bewertung der Rohstoffkritikalität
7.3 Kobalt
7.3.1 Geologische Verfügbarkeit
7.3.2 TechnischeVerfügbarkeit
7.3.3 Geopolitiche Verfügbarkeit
7.3.4 Ökonomische Verfügbarkeit
7.3.5 Soziale Verfügbarkeit
7.3.6 ÖkologischeVerfügbarkeit
7.3.7 Veränderungen des Rohstoffmarktes durch Elektromobilität
7.3.8 Ressourcenkritikalität
7.4 Lithium
7.4.1 Geologische Verfügbarkeit
7.4.2 TechnischeVerfügbarkeit
7.4.3 Geopolitische Verfügbarkeit
7.4.4 ÖkonomischeVerfügbarkeit
7.4.5 Soziale Verfügbarkeit
7.4.6 Ökologische Verfügbarkeit
7.4.7 Veränderungen des Rohstoffmarktes durch Elektromobilität
7.4.8 Ressourcenkritikalität

8 Umweltproblematiken von Lithium-Ionen Batterien
8.1 Produktion der strategischen Rohstoffe
8.2 Herstellungsprozess der Lithium-Ionen-Batterien
8.3 Entsorgungskonzept der Lithium-Ionen-Batterien

9 Schlussfolgerungen und Handlungsempfehlungen
9.1 Erstellung verschiedener Szenarien
9.2 Auswertung der Szenarien

10 ZukünftigeEntwicklungen
10.1.1 Hybridfahrzeuge
10.1.2 Brennstoffzellen gestützte Elektrofahrzeuge

11 Bewertung der Ergebnisse und kritische Reflexion

12 Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: C02-Bilanzierung auf Fahrzeugebene

Abbildung 2: Darstellung des Bewertungsverfahrens zur Kritikalitätsbewertung

Abbildung 3: Kristallstruktur von Graphit

Abbildung 4: Darstellung derwichtigsten Produktionsschritte von Graphit

Abbildung 5: Darstellung derVerwendungen von Graphit 2012

Abbildung 6: Nominalpreisentwicklung von Graphit mit Darstellung der linearen Prognosetrendlinie

Abbildung 7: Darstellung derwichtigsten Produktionsschritte von Kobalt

Abbildung 8: Darstellung derVerwendungen von Kobalt2012

Abbildung 9: Produktionsmenge von Kobalt auf Länderebene (in t)

Abbildung 10: Nominalpreisentwicklung von Kobalt mit Darstellung der linearen Prognosetrendlinie

Abbildung 11: Produktionsformen von Kobalt

Abbildung 12: Darstellung derwichtigsten Produktionsschritte von Lithium

Abbildung 13: Darstellung derVerwendungen von Lithium 2011

Abbildung 14: Nominalpreisentwicklung von Lithium mit Darstellung der linearen Prognosetrendlinie

Abbildung 15: Hauptprozessschritte des pyrometallurgischen Recyclings von Lithium- lonen-Batterien

Abbildung 16: Hauptprozessschritte des hydrometallurgischen Recyclings von Lithium- lonen-Batterien

Abbildung 17: Entwicklung der Mobilitätskonzepte der Zukunft

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Indikatoren der Verfügbarkeit von Graphit

Tabelle 2 Indikatoren der Verfügbarkeitvon Kobalt auf Länderebene

Tabelle 3: Vergleich des Kobaltgehaltes in Lithium-Ionen-Batterien

Tabelle 4: Indikatoren der Verfügbarkeit von Lithium auf Länderebene

Tabelle 5: Vergleich des Lithiumgehaltes in Lithium-Ionen-Batterien

Tabelle 6: Gewichtung der Kriterien des Bewertungsverfahren für unterschiedliche Szenarien

Tabelle 7: Ergebnisse der Kritikalitätsbewertung mit unterschiedlicher Gewichtung der Kriterien

1 Entwicklung der Elektromobilität vor dem Hintergrund der politischen Rahmenbedingungen

Die heutigen Formen von Mobilität stellen eine der größten Errungenschaften der Menschheit dar und sind besonders für das durch die Globalisierung geprägte Wirtschaftssystem unersetzlich. Ressourcenknappheit und Umweltbelastungen erfordern jedoch die Entwicklung neuer Mobilitätskonzepte. Mobilität steht damit vor einer technologischen Zeitenwende. Leitbild der Verkehrsplanung der Zukunft sind möglichst umweltschonende und ressourcensparende Technologien der Fortbewegung im privaten und wirtschaftlichen Sektor.

Auch Deutschland stehen große Veränderungen bevor. Die bisher auf der Technologie eines Verbrennungsmotors basierende Fahrzeugflotte soll schrittweise durch verschiedene Formen der Elektromobilität ersetzt werden. So ist es das Ziel der Bundesregierung, eine Million Elektroautos bis 2020 auf deutschen Straßen rollen zu lassen. Durch die Elektrifizierung der Mobilität sollen bisherige Abhängigkeiten von Erdöl reduziert und Emissionen minimiert werden.

Die Marktdurchdringung der Elektromobilität ist jedoch untrennbar mit Konsequenzen für den Ressourcenbedarf verbunden. Das neue System löst zwar bisherige Abhängigkeiten von Öl und Nachwachsenden Rohstoffen, es erzeugt jedoch auch grundlegende Dependenzen in anderen Rohstoffsektoren. Elektrofahrzeuge besitzen neue, ressourcenintensive Bauteile wie Elektromotoren und Hochleistungsbatterien, die auf der Verwendung verschiedener Hauptelemente und kritischer Ressourcen basieren. Besonders die Batterie stellt einen entscheidenden Faktor für die zukünftige Verbreitung der Elektromobilität dar. Gelingt es Forschung und Entwicklung, bisherige technische Defizite weiterzuentwickeln und zu verbessern, könnte die Elektromobilität eine enorme Marktdurchdringung erfahren.

Die Vorgabe der Bundesregierung, eine Million Elektrofahrzeuge bis 2020 auf dem deutschen Markt durchzusetzen, hat demnach einige Auswirkungen auf die Rohstoffmärkte. Diese Ausgangssituation stellt die Thematik weiterer Fragestellungen im Rahmen dieser Bachelorarbeit dar.

2 Zielsetzung und Fragestellungen

Die Zielsetzung dieser Arbeit ist die Bewertung der Zukunftsperspektiven der Elektromobilität, die anhand der Kriterien Ressourcenkritikalität und Umweltproblematik ermittelt werden soll. Diese Thematik stellt einen sehr weitläufigen Bereich dar, weswegen eine Einschränkung erforderlich ist. So wird die Ressourcenkritikalität anhand von drei Rohstoffkomponenten analysiert, die für die Herstellung von Lithium-Ionen­Batterien für Elektrofahrzeuge erforderlich sind. Dazu ist eine Bestandsaufnahme des Rohstoffmärkte erforderlich. Zudem erfolgt die weitergehende Analyse vor dem Hintergrund der politischen Rahmenbedingungen in Deutschland, sodass eine weitergehende Beschränkung auf den Bezugsraum Deutschland erfolgt. Für die drei gewählten Komponenten wird anhand eines eigens entwickelten Bewertungssystems eine umfassende Markt- und Rohstoffanalyse durchgeführt, die auch die Berücksichtigung der häufigen vernachlässigten sozialen und ökologischen Dimensionen einschließt. Zielsetzung ist die Erstellung einer umfassenden Analyse der gewählten Rohstoffe. Zudem wird eine Hochrechnung des Rohstoffverbrauchs für den Bezugsraum Deutschland erstellt, um den Rohstoffbedarf der Elektromobilität abschätzen und eine Aussage über die Rohstoffkritikalität und die zukünftige Rohstoffsicherheit abgeben zu können. Ferner soll die Fragestellung der Umweltverträglichkeit der Elektromobilität untersucht werden. Dazu werden die Umweltauswirkungen anhand ausgewählter Beispiele im Produktionsprozess aufgezeigt.

Weiterhin stellt sich die Frage der Ableitung von Schlussfolgerungen aus den Analyse- und Bewertungsergebnissen. So soll eine Aussage darüber getroffen werden, ob Elektromobilität als Zukunftstechnologie betrachtet werden kann. Weiter sollen Handlungspotentiale aufgezeigt werden.

Abschließend ist eine kritische Einschätzung der Aussagekraft der gewonnenen Erkenntnisse und eine Analyse der Stärken und Schwächen der methodischen und inhaltlichen Informationen und Vorgehensweise abzugeben.

3 Methodische Vorgehensweise

Die im Rahmen dieser Bachelorarbeit verwendete Methodik bezieht sich hauptsächlich auf die Entwicklung eines Bewertungsverfahrens zur Kritikalitätsbewertung von Rohstoffen.

Die Erstellung des Bewertungsverfahrens zur Kritikalitätsbewertung von Rohstoffen wird vor dem Hintergrund bisheriger Kritikalitätsstudien als gezielte Weiterentwicklung verstanden. Die Datengrundlage wird durch eine umfassende Literatur- und

Internetrecherche gebildet. Um eine größtmögliche Aktualität der Daten zu erhalten und um der hohen Bedeutung der Thematik gerecht zu werden, stützt sich diese Arbeit weitgehend auf ausschließlich im Internet veröffentlichte Studien bekannter Institutionen oder unabhängiger Beratungsunternehmen. Ergänzend hierzu wurde soweit möglich Literatur aus dem lokalen Bibliotheksbestand sowie aus dem Bibliotheksnetz verwendet. Zusätzlich wurden Informationen bei Experten verschiedener Institutionen und Unternehmen eingeholt, die eine weitere wichtige Komponente der methodischen Vorgehensweise darstellen. Hier bestand jedoch teilweise die Problematik einer intransparenten Datenlage, da Informationen entweder nicht vorhanden waren oder nicht herausgegeben werden konnten.

4 System Elektromobilität

Die Elektromobilität soll in den zukünftigen Mobilitätskonzepten Deutschlands eine bedeutende Position einnehmen. Neben den geringeren Abhängigkeiten von fossilen Rohstoffimporten wird ein deutlicher Rückgang der C02-Emissionen aus dem Mobilitätssektor erwartet. Das System der Elektromobilität wird jedoch erst seit 2006 aufgrund des Klimawandels wieder forciert und befindet sich noch in einem Forschungs­und Entwicklungsstadium. Somit werden zunächst in einem kurzen Überblick die wichtigsten Kriterien der Elektromobilität dargestellt.

4.1 Entwicklungsstand

Der Entwicklungsstand der Elektromobilität lässt sich anhand verschiedener Kriterien der technischen, ökonomischen und politischen Rahmenbedingungen darstellen. Da sich die weitere Kritikalitätsbewertung auf Elektroautos konzentriert, beschränkt sich dieser Überblick weitgehend auf den Untersuchungsgegenstand.

Die Marktverfügbarkeit der Elektroautos zeichnet sich gegenwärtig noch durch eine geringe Anzahl und Variationsbreite auf dem deutschen wie auch weltweitem Markt aus (vgl. Döring, Aigner-Walder 2012, S.112). So waren zu Jahresbeginn 2013 erst 7.114 Elektroautos in Deutschland gemeldet (vgl. Kraftfahrtbundesamt 2013, S.1). In Zukunft ist jedoch eine deutliche Steigerung der Nachfrage zu erwarten. Neben strengeren Emissionsgesetzen und steigenden Marktpreisen fossiler Energien tragen die Subventionen des Gesetzgebers deutlich zu dieser Entwicklung bei (vgl. Sucky et al. 2011, S.400).

Im Vergleich zu herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren weisen Elektroautos noch einige Beschränkungen auf. Die Reichweite der mit Lithium-Ionen- Batterien betriebenen Fahrzeuge liegt bei 100 bis 150 Kilometern (vgl. Klima:aktiv mobil 2010, S.15). Obwohl Elektroautos damit die Anforderungen an die tägliche Nutzung der meisten Konsumenten erfüllen, wird die begrenzte Reichweite weiterhin als größter Schwachpunkt der Elektromobilität bezeichnet (vgl. Öko-Institut 2012, S.1). Die Höchstgeschwindigkeit liegt bei den, gegenwärtig am Markt erhältlichen Modellen durchschnittlich bei 150 Kilometern (vgl. Klumpp 2011, S.12). In anderen Ländern spielt dieses Kriterium durch vorhandene Geschwindigkeitsbegrenzungen jedoch nur eine eher untergeordnete Rolle. Die Ladezeiten der Akkumulatoren in Elektrofahrzeugen variieren in Abhängigkeit der Ladesysteme der Hersteller. Der Ladevorgang an haushaltsüblichen Steckdosen mit einer Spannung von 230 Volt nimmt zwischen sechs und 14 Stunden in Anspruch (vgl. Klumpp 2011, S.13). Es besteht jedoch auch ein Ladeszenario mit der Möglichkeit der Schnellladung an speziellen Ladestationen mit bis zu 400 Volt, dessen Dauer zwischen 30 Minuten und 3,5 Stunden variiert (vgl. Klumpp 2011, S.13). Für eine erfolgreiche Marktdurchdringung ist eine Standardisierung der Steckersysteme zum Aufbau einer flächendeckenden und internationalen Ladeinfrastruktur erforderlich. Der Prozess der Normung und Standardisierung wird bereits durch die Bundesregierung forciert.

Die CO2-Bilanz der Elektromobilität weist eine direkte Abhängigkeit von der Strombereitstellung auf. Für eine umfassende Elektrobilanzierung sind neben den bei der Elektromobilität verschwindend geringen direkten Emissionen auch die indirekten Emissionen zu berücksichtigen. Je nach Strombereitstellung weisen Elektroautos unterschiedliche Emissionswerte auf, die teilweise auch über den gegenwärtigen Emissionen herkömmlicher Verbrennungsmotoren liegen (vgl. Abbildung 1). Anhand verschiedener Szenarien des Ausbaus der Erneuerbaren Energien kann eine Abschätzung der CO2-Einsparung durch Elektromobilität ermittelt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: CO2-Bilanzierung auf Fahrzeugebene

Quelle: Eigene Darstellung nach Öko-Instltut2011b, S.24

Elektromobllltät weist also nur eine höhere Umweltverträglichkeit auf, wenn der für den Ladevorgang benötigte Strom durch Erneuerbare Energien produziert wird.

Elektroautos bieten weiterhin die Möglichkeit einer intelligenten Netzintegration zur Stabilisierung des deutschen Stromnetzes (Vehicle-to-Grid). Hierfür ist jedoch die Entwicklung und Umsetzung von intelligenten Netzstrukturen erforderlich (Smart Grid) (vgl. Döring, Aigner-Walder2012, S.124).

4.2 Lithium-Ionen-Batterien

Bevor eine Analyse der Ressourcenkritikalität von Lithium-Ionen-Batterien erfolgen kann, gilt es zunächst noch einige Definitionen zu geben und Vergleiche anzustellen.

4.2.1 Definitionen

Als Batterien werden elektrochemische Energiespeicher bezeichnet, die aus mehreren, in Serie geschalteten galvanischen Zellen bestehen (vgl. Linden, Reddy 2002, S.20f). Die während des Lagevorgangs zugeführte elektrische Energie wird über Redoxreaktionen in chemische Energie umgewandelt und gespeichert. Der Entladevorgang vollzieht sich nach dem umgekehrten Prinzip. Die Energieumwandlung selbst erfolgt in der galvanischen Zelle, der je nach Ladevorgang variierende Elektronenstrom fließt zwischen den unterschiedlich geladenen Elektroden (vgl. Linden, Reddy 2002, S.20ff).

Batterien können hinsichtlich ihrer Ladezyklen weiter differenziert werden. Primärzellen verfügen über irreversible elektrochemische Vorgänge, nach dem Entladen sind diese nicht wieder verwendbar (vgl. Rennhak, Nufer 2012, S.5ff). Sekundärzellen hingegen verfügen über unterschiedlich hohe Anzahlen an Ladezyklen, die elektrochemischen Vorgänge sind weitgehen reversibel (vgl. Linden, Reddy 2002, S.20ff). Im Sprachgebrauch wie auch in der Literatur werden die Begriff Batterie, Sekundärzellen und Akkumulatoren häufig synonym verwendet. Dementsprechend wird auch in dieser Arbeit verfahren.

Das System Elektromobilität stützt sich auf Sekundärzellen. Diese müssen bestimmte Anforderungen erfüllen. Um gute Fahreigenschaften wie große Reichweiten oder die Anpassung an unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten erreichen zu können, müssen die Batterien über hohe Energie- und Leistungsdichten verfügen (vgl. Linden, Reddy 2002, S.1189). Weiterhin sind für eine erfolgreiche und flächendeckende Marktdurchdringung ein guter Ladewirkungsgrad mit hoher Schnellladefähigkeit und einer langen Lebensdauer unerlässlich (vgl. Linden, Reddy 2002, S.1189).

4.2.2 Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich mit anderen Batterien

Lithium-Ionen Batterien konnten sich als die Sekundärzellen mit dem höchsten Potential für die Elektromobilität etablieren. Um deren Vorteile, aber auch deren bisherige Schwächen besser beurteilen zu können, bietet sich ein Vergleich mit anderen Batterien an.

Blei-Säure Batterien (Pb-Pb02) sind die ältesten Sekundärzellen und finden gegenwärtig in fast allen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor Verwendung (vgl. Blesl et al. 2009, S.4). Durch ihren fortgeschrittenen Entwicklungsstand und die hohe Marktverfügbarkeit sind sie zu vergleichsweise niedrigen Preisen erhältlich (vgl. Blesl et al. 2009, S.4). Für die Elektromobilität sind diese Batterien jedoch nicht geeignet. Der größte Nachteil ist ihre niedrige Energiedichte, die das Erreichen großer Reichweiten verhindert (vgl. Linden, Reddy 2002, S.1201).

Nickel-Metallhydrid Batterien (Ni-MH) hingegen finden derzeit die höchste Verwendung in verschiedenen Technologien der Elektromobilität (vgl. Blesl et al. 2009, S.4f). Sie zeichnen sich durch eine gute Energiedichte, eine lange Lebensdauer und eine ausreichende Ladefähigkeit aus (vgl. Linden, Reddy 2002, S.1201). Allerdings sind die Kosten der Batterien deutlich höherals bei Blei-Säure Batterien.

Lithium-Ionen-Batterien wird somit das größte Potential für die Zukunft zugesprochen. Diese besitzen im Vergleich zu Ni-MH Batterien eine deutlich höhere Energiedichte und können ihre Marktdurchdringung durch weitere Vorteile steigern. Lithium-Ionen-Batterien besitzen zudem gute Ladeeigenschaften sowie eine leichte und kompakte Bauweise (vgl. Blesl et al. 2009, S.17). Die Herausforderung besteht nun darin, die erforderlichen Leistungs- und Energieniveaus zu erreichen, das Sicherheitsrisiko durch Batterieexplosionen zu minimieren und Kosten zu reduzieren (vgl. Linden, Reddy 2002, S.1206f).

Eine vielversprechende Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterien stellen Lithium- Polymer-Batterlen (Li-Po) dar. Das verwendete Elektrolytmaterial befindet sich in diesen Batterien in festem Zustand und wird dadurch als ein geringeres Sicherheitsrisiko eingeschätzt (vgl. Linder, Reddy 2002, S.2107). Zudem weisen sie eine weitere Steigerung der Energie- und Leistungsdichte auf. Diese Batterien befinden sich jedoch noch in einem relativ frühen Stadium der Forschung, weswegen sich die vorliegende Abhandlung auf Lithium-Ionen-Batterien stützt.

4.2.3 Bedarf an strategischen Metallen

Die Marktdurchdringung von Lithium-Ionen-Batterien ist mit einem Anstieg des Ressourcenverbrauchs gleichzusetzen. Gerade Technologien, die unter Aspekten der Nachhaltigkeit positiv zu bewerten sind, sind durch einen hohen Verbrauch an spezifischen und mitunter kritischen Rohstoffen gekennzeichnet.

Lithium-Ionen-Batterien weisen einen diversifizierten Materialverbrauch auf. Anhand der Differenzierung der Hauptkomponenten einer Batterie lässt sich dieser veranschaulichen. Die Kathode besteht immer zu einem Teil aus Lithium und in Abhängigkeit des Batterietyps aus weiteren Übergangsmaterialien wie Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel (vgl. Rennhak, Nufer 2012, S.26). Die Anode basiert meist auf Graphit, das viele gewünschte Eigenschaften von Anodenmaterialien in sich vereint (vgl. Industrial Minerals 2012, S.258). Für die Verwendung in Anoden ist sowohl natürlicher als auch synthetischer Graphit geeignet, der Einsatz von Naturgraphit dominiert jedoch auf dem Graphitmarkt (vgl. Industrial Minerals 2012, S.259). Zusätzlich bestehen Lithium-Ionen­Batterien noch aus einem Elektrolyten, fürden ebenfalls Lithium verwendet wird.

Lithium-Ionen-Batterien weisen also eine hohe Diversität der verwendeten Rohstoffe auf. Besonders bedeutend sind in allen Batterietypen sind Lithium und Graphit. Zudem wird für diese Studie Kobalt als weiterer Rohstoff untersucht, der in Lithium-Kobalt-Anoden Verwendung findet.

5 Rohstoffe für Deutschland

Deutschland ist in Hinblick auf die modernen Technologien zu einem großen Teil auf Importe von Rohstoffen angewiesen. Die hohe Importabhängigkeit Deutschlands stellte in der Vergangenheit durch relativ stabile Marktverhältnisse keine große Unsicherheit für den Wirtschaftsraum Deutschland dar. Verschiedene Entwicklungen führten jedoch bereits zu einer Destabilisierung der Rohstoffmärkte, die sich in Zukunft wohl noch verstärken wird.

Aus diesem Grund ist es, besonders für Rohstoffimportländer wie Deutschland wichtig, eine Rohstoffstrategie zu erarbeiten, um auch zukünftig über eine sichere Rohstoffversorgung zu verfügen.

5.1 Ressourcenstrategie Deutschland

Im Wirtschaftsraum Deutschland fand bereits auf unterschiedlichen Ebenen eine Auseinandersetzung mit dieser Thematik statt.

Die Bundesregierung verabschiedete 2010 ein Energiekonzept zur Umgestaltung der deutschen Energieversorgung bis 2050. Die Zielsetzung des Energiekonzepts der Bundesregierung ist ein möglichst umweltschonendes und energieeffizientes Wirtschaftssystem (vgl. BMWi 2010, S.3). Da gerade neue und umweltschonende Energietechnologien jedoch auf der Verwendung bestimmter Rohstoffe basieren, befasst sich das Energiekonzept auch mit Aspekten der Rohstoffsicherung. Ziel ist ein hohes Maß an Versorgungssicherheit, das über verschiedene Maßnahmen erreicht werden soll (vgl. BMWi 2010, S.31). Besonders die Versorgung mit Hochtechnologie- und Energierohstoffen soll demnach über Dialoge mit den Produktionsländern sowie bilateralen und regionalen Energie- und Rohstoffpartnerschaften zu langfristiger Sicherheit geführt werden (vgl. BMWi 2010, S.31).

Auch in dem von der Bundesregierung beauftragten Fortschrittsbericht über die Nationale Nachhaltigkeitsstrategie sind Grundsätze über die Sicherung der zukünftigen Rohstoffversorgung verankert. Basierend auf der Leitinitiative „Ein ressourcenschonendes Europa“ der Europäischen Kommission verfasste die Bundesregierung einen Fahrplan für eine zielführende Rohstoffsicherung.

Ordnungspolitischer Grundsatz der Ressourcenstrategie ist die Verantwortlichkeit der Wirtschaft für eine sichere Rohstoffversorgung, die Bundesregierung greift jedoch durch vielfältige Maßnahmen unterstützend ein (vgl. Die Bundesregierung 2011, S.187ff). Zudem flankiert die Politik durch eine entsprechende Förderung die Forschung in Materialeinsparung und den Einsatz verschiedener Werkstoffe (vgl. Die Bundesregierung 2011, S.190f).

Die Untersuchung der bisherigen Strategien zur Berücksichtigung der Ressourceneffizienz zeigt, dass die Thematik auf politischer Ebene bereits berücksichtigt wird. Allerdings sind die bereits umgesetzten Maßnahmen und Leitlinien noch sehr unspezifisch und bedürfen zukünftig einer genaueren Betrachtung.

5.2 Potentielle Risiken

Vor der Analyse und der Kritikalitätsbewertung der zu untersuchenden Rohstoffe sollen zunächst das Risiko und die Auswirkungen einer unsicheren Rohstoffversorgung grundlegend behandelt werden.

Die viel diskutierte Rohstoffknappheit unterliegt weniger geologischen Risiken, denn bei den in der Erdkruste vorhandenen natürlichen Ressourcen ist zumindest bei mittelfristiger Betrachtung keine Verringerung der Rohstoffverfügbarkeit erkennbar. Die Unsicherheiten der Rohstoffversorgung lassen sich vielmehr auf verschiedene Faktoren zurückführen, die flankierend zu einer Destabilisierung der Rohstoffmärkte beitragen (vgl. Hagelüken 2013, S.21). Zusätzlich ist zu beachten, dass eine Überlagerung der verschiedenen Faktoren über verschiedene Zeiträume möglich ist (vgl. Erdmann et al. 2011, S.19).

Die potentiellen Risiken einer defizitären Rohstoffversorgung lassen sich weiter hinsichtlich Ausfällen, Engpässen und Kosten differenzieren (vgl. Achzet2010, S.5). Das Ausfallrisiko beinhaltet die Gefahr schwindender geologischer Vorkommen durch technische oder ökonomische Begrenzungen (vgl. Achzet 2010, S.5). Eine höhere Wahrscheinlichkeit, besonders in näherer Zukunft, besitzt jedoch das Ausfallrisiko, also die Gefahr, die Rohstoffnachfrage aus technischen Gründen nicht mehr abdecken zu können (vgl. Achzet 2010, S.5). Dies kann verschiedene Ursachen haben. Neben geopolitischen Unsicherheiten kann auch ein temporäres Marktungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage zu Spannungen auf den Rohstoffmärkten beitragen (vgl. Buchert 2011, S.113). Preissteigerungen sind ein Kostenrisiko für die Wirtschaft und als temporäre Unsicherheit der Rohstoffversorgung zu bewerten. Hagelüken (2013, S.20) sieht dazu noch eine weitere Art der Ressourcenknappheit, eine strukturell bedingte Destabilisierung der Rohstoffversorgung. Abhängig von der Methodik der Rohstoffgewinnung können sich weitere Risiken ergeben. Koppelprodukte werden als Nebenprodukte bei der Gewinnung wichtiger Rohstoffe abgebaut. Die Abbaumengen richten sich nach der wirtschaftlichen Bedeutung des Hauptprodukts, wodurch fehlende Angebotselastizitäten bestehen (vgl. Hagelüken 2013, 20).

Das Risiko einer unzureichenden Rohstoffversorgung lässt sich durch verschiedene Lösungsansätze minimieren. Neben der Einführung von Recycling und der Etablierung einer Kreislaufwirtschaft besteht auch die Möglichkeit der Substitution eines Rohstoffs oder, falls erforderlich, einer Technologie (vgl. Schott2010, S.14).

6 Vergleich mit vorhandenen Kritikalitätsstudien

Bevor die Analyse der gewählten Rohstoffe durchgeführt werden kann, bietet sich zunächst eine Untersuchung der bisherigen Kritikalitätsstudien zum Stand der Forschung und gängigen Untersuchungsmethoden an.

Die Rohstoffkritikalität der Europäischen Union wurde im Rahmen der Studie „Critical raw materials for the EU“ einer Analyse unterzogen (vgl. European Commission 2010). Die Kritikalität eines Rohstoffs ergibt sich aus der Matrix von Versorgungsrisiko und der wirtschaftlichen Folgen einer Versorgungsstörung (vgl. European Commission 2010, S.5ff). Zusätzlich erfolgte für jedes Land die Berechnung eines Umweltindexes zur Abschätzung derökologischen Risiken.

Die Ressourcenverfügbarkeit für den Untersuchungsraum Großbritannien wurde im Rahmen der Studie „Material Security: Ensuring resource availability for the UK Economy“ 2008 analysiert (vgl. Marley, Eatherley 2008). 69 kritische Rohstoffe wurden durch den Material Insecurity Index, der auf der Kombination von Material- und Angebotsrisiko basiert, auf ihre Verfügbarkeit untersucht (vgl. Marley, Eatherley 2008, S.20). Drei der acht gewählten Kriterien stützen sich hierbei auf die Untersuchung ökologischer Risiken und beziehen dies somit deutlich stärker in die Analyse der Kritikalität ein als die anderen, hiervorgestellten Studien.

Die von der KFW Bankengruppe beauftragte Studie „Kritische Rohstoffe für Deutschland“ beschäftigt sich mit Rohstoffengpässen für den Bezugsraum Deutschland. Hierzu wurde ein Kritikalitätsscreening für 52 Rohstoffe und eine erweiterte Untersuchung für ausgewählte, besonders interessante Rohstoffe durchgeführt (vgl. Erdmann et al. 2011, S.16). Die Analyse der Ressourcenkritikalität stützt sich hierbei überwiegend auf wirtschaftliche Untersuchungskriterien.

Auch für das Bundesland Bayern gibt es mit der Studie „Rohstoffsituation Bayern - keine Zukunft ohne Rohstoffe“ eine eigene Analyse der Ressourcenkritikalität (vgl. Vereinigung der bayerischen Wirtschaft 2011). Anhand eines Rohstoff-Risiko-Indexes erfolgt die Bewertung der Rohstoffe anhand qualitativer und quantitativer Indikatoren. Der Schwerpunkt der Auswahl der Kriterien wurde hierbei auf geologische und geopolitische Faktoren gelegt, die ökologische und soziale Verfügbarkeit erfährt hingegen nur geringere Bedeutung.

Diese verschiedenen Kritikalitätsanalysen konzentrieren sich hauptsächlich auf ökonomische, geopolitische und geologische Risiken der Rohstoffversorgung. Darauf aufbauend soll im Rahmen dieser Arbeit ökologischen Faktoren deutlich mehr Bedeutung geschenkt werden. Zudem erfolgt eine Analyse der sozialen Verfügbarkeit. Die Vergleichbarkeit der Studien untereinander und mit der in dieser Arbeit verwendeten Bewertung ist jedoch nur eingeschränkt vorhanden. Die Schwierigkeit ist in der unterschiedlichen Wahl der Kriterien und deren abschließender Bewertung zu sehen.

Zudem werden durch die unterschiedlichen Auftraggeber aus Wirtschaft und Politik die Schwerpunkte der Kritikalitätsbewertung verschieden gelegt. Dennoch wird ein Vergleich der Ergebnisse versucht, um eine grundlegende Einordnung der eigenen Bewertung mit den anderen Ergebnissen zu erhalten und so vielleicht einen Trend ablesen zu können.

7 Analyse der Ressourcenkritikalität von Lithium-Ionen­Batterien

Die Analyse der Ressourcenkritikalität von Lithium-Ionen-Batterien wird anhand der Rohstoffe Graphit, Kobalt und Lithium durchgeführt. Ein eigens für diese Arbeit entwickeltes Bewertungsverfahren soll zu einer besonders umfassenden Betrachtung der Rohstoffe beitragen.

7.1 Bewertungsverfahren

Das Bewertungsverfahren beruht auf der Kombination verschiedener Kriterien (vgl. Abbildung 2). Diese Kriterien setzen sich aus verschiedenen Indikatoren zusammen, die mit qualitativen und quantitativen Daten hinterlegt werden. Um eine möglichst hohe Vergleichbarkeit mit den bereits erwähnten Studien über Rohstoffkritikalität zu erreichen, wird die Punktvergabe des Bewertungssystems der VbW-Studie übernommen (vgl. Vereinigung der bayerischen Wirtschaft 2011). Den einzelnen Kriterien werden so 0 bis 25 Punkte zugewiesen, wobei 0 als beste und 25 als schlechteste Bewertung Verwendung findet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Darstellung des Bewertungsverfahrens zur Kritikalitätsbewertung

Quelle: Eigene Darstellung

Die Gewichtung der Kriterien erfolgt einheitlich. Da die Bedeutung der einzelnen Kriterien zur Bewertung der Rohstoffkritikalität als gleich eingeschätzt wird, erfolgt die Bewertung für eine möglichst wissenschaftliche Untersuchung zunächst ohne Schwerpunktsetzung. Im Rahmen der Handlungsempfehlungen und Schlussfolgerungen (vgl. Kapitel 9) werden einige Szenarien aus Perspektive verschiedener Akteure mit unterschiedlicher Gewichtung der Kriterien erstellt.

Die verwendeten Daten über die einzelnen Rohstoffe stammen überwiegend von dem U.S. Geological Survey. Um die Daten wissenschaftlich verwenden zu können, wurden stets Vergleichswerte aus anderen Veröffentlichungen hinzugezogen. Da die Unterschiede zwischen den einzelnen Datensätzen jedoch keine signifikanten Abweichungen aufweisen, beschränken sich folgende Ausführungen lediglich auf eine Datenquelle.

7.2 Graphit

Der zu untersuchende Rohstoff Graphit ist eines der vielseitigsten nicht-metallischen Minerale. Neben Graphit ist kristalliner Kohlenstoff noch in den allotrophen Modifikationen Diamant, Fulleren und Nanotubes vorzufinden (vgl. Industrial Minerals 2013). Zudem besteht die Möglichkeit der synthetischen Herstellung von Graphit, hierbei entsteht jedoch Graphit geringerer Reinheit (vgl. Industrial Minerals 2013). Natürlicher und synthetischer Graphit laufen unabhängig voneinander, es gibt nur kleine gemeinsame Überschneidungen in Absatzmärkten und Endverbräuchen (vgl. Industrial Minerals 2013). Graphit wird in unterschiedlichen Teilchenformen und -größen abgesetzt. Für die Herstellung von Batterien mit Graphit als hauptsächlichem Anodenmaterial wird überwiegend klumpenförmiger, natürlicher Graphit verwendet (vgl. Industrial Minerals 2013). Deswegen beschränken sich folgende Ausführungen auf das Naturprodukt Graphit.

Graphit besteht im Aufbau aus einer Kristallstruktur durch sechs hexagonal angeordnete Kohlenstoffatome, die Flächengitter bilden und miteinander in Wechselwirkung stehen (vgl. AMG Mining 2013) (vgl. Abbildung 3). Dadurch ergeben sich besondere Eigenschaften von Graphit, die von der Industrie und im Speziellen auch von der Batteriebranche geschätzt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Kristallstruktur von Graphit

Quelle: AMG Mining 2013

Der Aufbau des Graphits ermöglicht eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, gute Schmiereigenschaften, eine hohe Temperatur- und Oxidationsresistenz sowie die Fähigkeit zur Bildung von Einlagerungsverbindungen (vgl. AMG Mining 2013).

Einzelne, einlagige Kohlenstoffschichten werden als Graphene bezeichnet (vgl. Bade et al. 2012, S.21). Diese Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur weist strukturell eine enge Verwandtschaft mit Graphit auf, ist bislang jedoch erst sehr gering erforscht. 2010 erhielten Sir Konstantin Novoselov und Sir Andre Geim für ihre Forschungstätigkeit in diesem Bereich den Nobelpreis für Physik (vgl. Bade et al. 2012, S.21). Graphene weisen außerordentlich hohe Leitfähigkeiten auf, die sie zukünftig für Anwendungen wie Batterien interessant machen könnten, realistisch ist die breite Marktverfügbarkeitjedoch erst in frühestens einer Dekade (vgl. Bade et al. 2012, S.14).

7.2.1 Geologische Verfügbarkeit

Die geologische Verfügbarkeit von Graphit lässt sich anhand der Indikatoren statische Reserven- und Ressourcenreichweite analysieren. Die Reichweite der natürlichen Reserven im Verhältnis zur aktuellen Produktionsmenge betrug 2001 18 Jahre, bis zum Jahr 2011 konnte die Reichweite jedoch bereits auf 62 Jahre gesteigert werden (vgl. USGS 2013a, USGS 2013b). Die Reichweite der Ressourcen lag 2001 bei 980 Jahren, 2011 weist sie mit 696 Jahren einen leicht niedrigeren Wert auf (vgl. USGS 2013a, USGS 2013b). Die natürlichen Vorkommen von Graphit stellen also auch bei langfristiger Betrachtung keine Begrenzung des Graphitmarktes dar, als weitaus bedeutender ist die Reichweite der Reserven zu beurteilen. Gegenüber der sehr niedrigen Reichweite 2001 wurde die Exploration deutlich ausgeweitet, weswegen auch hier eine Entspannung zu verzeichnen ist.

Die meisten natürlichen Vorkommen von Graphit finden sich in metamorphen Lagerstätten, die aus synsedimentärer, organischer Substanz entstanden sind (vgl. Pohl 2005, S.262). Weiterhin gibt es noch epigenetische Graphitlagerstätten, deren Entstehung auf den fluiden Transport von Kohlenstoff zurückzuführen ist (vgl. Pohl 2005, S.262). Graphit wird für die weitere Verwendung in Korngrößen und Kohlenstoffgehalte differenziert, die unterschiedlichen Endverbräuchen zuzuführen sind. In Lithium-Ionen- Batterien ist die Verwendung hochreinen Graphits erforderlich. Dieser wird über mehrere Produktionsschritte erzeugt (vgl. Abbildung 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Darstellung der wichtigsten Produktionsschritte von Graphit

Quelle: Eigene Darstellung nach Graphit Kropfmühl AG 2012, S.7

Die Lagerstättenverteilung ist auf wenige Länder konzentriert. China dominiert den Graphitmarkt mit rund drei Vierteln der jährlichen Absatzmengen (vgl. USGS 2012, S.68). Die Lagerstätten in China befinden sich überwiegend in der Provinz Heilongjiang im Osten Chinas, nur wenige hingegen im Norden aufgrund ungünstiger klimatischer Bedingungen (vgl. Bade et al. 2012, S.10). Weitere Lithiumlagerstätten mit allerdings deutlich geringeren Produktionskapazitäten befinden sich in Indien und Brasilien.

Die Explorationsbemühungen im Graphit-Rohstoffsektor erfuhren aufgrund der Elektromobilität einen deutlichen Aufschwung zwischen 2011 und 2012 mit über 70 neuen Unternehmensgründungen überwiegend in Kanada (vgl. Industrial Minerals 2013). Gegen Ende 2012 war allerdings eine rückläufige Nachfrage zu verzeichnen (vgl. Industrial Minerals 2013). Auch China fokussiert einen Ausbau der Produktionskapazitäten.

7.2.2 Technische Verfügbarkeit

Die Nachfrage nach Graphit weist in den letzten Jahren eine signifikante Entwicklung mit einem differenzierten Endverbrauch auf (vgl. Abbildung 5). Der wachsende Markt für tragbare Energiespeicher führte bereits Ende der 1990er Jahre zu einer deutlichen Erhöhung der Nachfrage nach Graphit, die Nachfrageentwicklung ist seitdem relativ konstant (vgl. Industrial Minerals 2012, S.254). In absehbarer Zukunft könnte bei erfolgreicher Marktdurchdringung der Elektromobilität ein deutlicher Nachfrageboom nach Graphit entstehen. Geringe Möglichkeiten der Substitution in Batterien versprechen das höchste Potential in der Graphitindustrie (vgl. Industrial Minerals 2012, S.254).

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Details

Seiten
64
Jahr
2013
ISBN (eBook)
9783668000285
Dateigröße
776 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v302608
Institution / Hochschule
Universität Augsburg – Institut für Geographie
Note
1,3
Schlagworte
Elektromobilität Ressourcenkritikalität Lithium Graphit Kobalt

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Titel: Zukunftsperspektiven der Elektromobilität