Der Rohstoffbedarf der Elektromobilität

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Der Bedarf an Schlüsselrohstoffen für Lithium-Ionen-Batterien ist ein viel diskutiertes Thema. Doch sind bei zunehmender Elektromobilität wirklich Engpässe zu erwarten?Das Öko-Institut fasst in einer Gesamtschau die wesentlichen aktuellen ­Erkenntnisse und Entwicklungen zusammen und gibt sieben Handlungsempfehlungen an die Hand, um eine nachhaltige Rohstoffversorgung langfristig sicherzustellen.

Dieser Beitrag ist zuerst in eMobilJournal 03/2018 erschienen.

Im 2-Grad-Ziel-­Szenario (nach IEA) steigt der Gesamtbedarf an Lithium im Jahr 2030 auf rund 160.000 Tonnen und im Jahr 2050 auf einen Jahresbedarf von rund 500.000 Tonnen an. Eine physische Verknappung von ­Lithium ist dennoch auf absehbare Zeit nicht zu befürchten. Für Kobalt ergeben sich aus den ­Szenarien vergleichbare Ergebnisse. Dennoch bestehen Herausforderungen hinsichtlich der Roh­stoffversorgung für Elektromobilität.

1.1. Einleitung

Mit dem Einstieg in das Elektromobilitäts­zeitalter werden Fragen zur Veränderung des Rohstoffbedarfs oder gar von Rohstoffver­knappungen immer häufiger gestellt. Unbe­stritten ist, dass bei einem globalen Wandel weg vom Verbrennungsmotor hin zu elektri­schen Antrieben fossile Rohstoffe (in erster Linie Erdöl) für die Nutzungsphase der Fahr­zeuge massiv an Bedeutung verlieren werden. Wenn gleichzeitig in den nächsten Jahren und Jahrzehnten regenerative Energieträger weltweit ihren Siegeszug fortsetzen, werden ebenso die fossilen Energieträger zur Erzeu­gung elektrischer Energie – für Elektromobi­lität und andere Sektoren – nach und nach zurückgedrängt.

Kritische Aufmerksamkeit haben in den letzten Jahren jedoch die Technologiemetalle erregt, die für die Batterien, Elektromotoren usw. der Elektrofahrzeuge benötigt werden. Debatten über Seltene Erden, Lithium, Kobalt etc. werden zu Recht geführt und Fragen zu deren Rohstoffversorgung und -sicherheit, den sozialen und ökologischen Auswirkungen der Rohstoffförderung sowie zum Recycling dieser Metalle gestellt.

2. 2. Relevante Komponenten und Rohstoffe

Wesentliche neue Komponenten in Elektro­fahrzeugen im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor sind die Antriebsbatterie, der Elektromotor und die Leistungselektronik.

Für die Antriebsbatterien sind aller Vor­aussicht nach Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ­zumindest bis 2030 die klar dominierende Technologie [1]. Hierunter erlangen die LIB mit Nickel-Mangan-Kobalt (abgekürzt NMC) im Kathodenmaterial aufgrund günstiger Eigen­schaften wie Energiedichte usw. mehr und mehr Marktanteile. Wesentliche Schlüsselroh­stoffe für diesen Batterietyp sind Lithium, Ko­balt, Nickel sowie Grafit. Die Entwicklungen in der Batterietechnik nach 2030 sind schwer vorherzusehen bzw. zeitlich zu verorten. Neue, für die weitere Zukunft denkbare Systeme wie ­Natrium-Ionen-Batterien, Lithium-­Schwefel-Batterien usw. (siehe ausführlich [2]) werden daher in diesem Beitrag nicht weiter behandelt.

Im Bereich der Elektromotoren sind perma­nent erregte Synchronmotoren mit Neodym-­Eisen-Bor-Magneten zurzeit die erste Wahl auf­grund einer Reihe technologischer Vorzüge wie geringes Gewicht und Volumen bei gleichzeitig hoher Energieeffizienz. Für die Permanent­magnete dieser Elektromotoren werden rund 30 % Seltenerdmetalle wie Neodym, Praseo­dym, Dysprosium und Terbium eingesetzt. Vor allem bei den Elektromotoren für vollelek­trische Pkw existieren allerdings bereits sehr unterschiedliche Motorkonzepte, die gänzlich ohne Seltene Erden auskommen. Alternativen wie Asynchronmotoren (ASM) und der Electri­cally/Externally-excited-Synchronmotor (EESM) sind in einzelnen vollelektrischen Modellen be­reits schon auf dem Markt. Vor allem für Hyb­ridfahrzeuge wird ein Umstieg auf Alternativen zu permanent erregten Synchronmotoren mit Neodym-Eisen-Bor-Magneten am schwierigs­ten eingeschätzt, da hier die Gewichts- und Volumen­vorteile dieses Motorentyps besonders zum Tragen kommen. Allerdings gibt es neuer­dings Teillösungen wie Elektromotoren mit Neodym-Eisen-Bor-Magneten, die ohne den Einsatz der schweren Seltenen Erden Dyspro­sium und Terbium (in vielen natürlichen Lager­stätten für Seltene Erden nicht relevant enthal­ten und daher tendenziell kritischer hinsichtlich Preis und Versorgung) auskommen.

Zu den Materialien bzw. Rohstoffen, die für die Komponente Leistungselektronik wichtig sind, liegen aus einem Verbundvorhaben mit Beteiligung des Öko-Instituts dezidierte Daten vor [3]. Neben Basismetallen wie Aluminium und Kupfer sind hier vor allem wertvolle Edel­metalle wie Gold, Silber und Palladium sowie Zinn zu nennen, die für die Platinen benötigt werden. Eine Demontage dieser Komponente aus Altfahrzeugen und eine effiziente Verwer­tung der unterschiedlichen Metalle ist eine rea­listische Perspektive [3].

Da die Rohstoffnachfrage bezüglich der Komponente Antriebsbatterie aktuell und vor allem mit Perspektive auf die nächsten Jahre besonders relevant ist, werden sich die folgen­den Ausführungen auf die Schlüsselrohstoffe der Lithium-Ionen-Batterien fokussieren.

Ungeachtet dessen ist hinsichtlich der ­Gesamtentwicklung der Elektromobilität in­klusive der notwendigen Infrastruktur an­zumerken, dass das Basismetall Kupfer auf ­breiter Front starke Nachfrageimpulse bekom­men wird. Kupfer ist wichtiger Bestandteil für alle drei genannten Fahrzeugkomponenten (Antriebsbatterie, Elektromotor, Leistungs­elektronik), ist aber zusätzlich relevant im Be­reich der Ladeinfrastruktur, der Verteilnetze in den Stadtquartieren und perspektivisch auch für Oberleitungen auf Autobahnen und aus­gewählten Bundesstraßen zur Elektrifizierung des Schwerlastverkehrs. Es ist aber mit Nach­druck darauf hinzuweisen, dass die Abkehr von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor auch zu spezifischen Rohstoffeinsparungen führen wird: Wichtige Beispiele sind Blei für Starter­batterien oder Platingruppenmetalle für die Autoabgas-Katalysatoren.

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