Ressourcennutzung E-Mobilität

E-Mobilität ist ein Baustein der Verkehrswende. Sie beschränkt sich nicht nur auf Autos und LKW, die mit Elektromotoren angetrieben werden, sondern umfasst auch E-Fahrräder, E-Roller, E-Busse, Akku-Züge, elektrische Züge und alles andere was fährt und in Zukunft elektrisch angetrieben wird.

Die meisten dieser Fahrzeuge nutzen in Zukunft auch Akkumulatoren und auf jeden Fall Elektromotoren. Wir haben deshalb hier einige Information zu den verwendeten Rohstoffen, deren Recycling und der Wiederverwendung von Bauteilen zusammengetragen in Kooperation mit dem Straßenfest Grün und Entspannt.

Rohstoffe

Für Fahrzeuge werden eine Reihe von Rohstoffen benötigt. Das ist natürlich auch für elektrische Fahrzeuge so. Immer wieder in der Diskussion sind Kupfer, Lithium, Kobalt und Neodym. Kupfer wird für Kabel und Spulen benötigt, Lithium und Kobalt kommen in Akkumulatoren vor und Neodym wird in einigen Elektromotoren eingesetzt.

Wir stellen hier kurz diese vier Rohstoffe vor, wo sie eingesetzt werden, wie sie gefördert werden und wo diese Stoffe sonst noch Anwendung finden. Als Vergleich geben wir auch an wie es um Öl und Treibstoffe für Verbrennungsmotoren aussieht.

Kupfer

Herkunft Chile, Peru, China
Fördermenge 20.6 Mio t (Bundesanstalt für Rohstoffe 2018) (19,7 Mio t ISE 2017)
Nutzung 57% Kabel und Elektro, 15% Bauwesen, 9% Automobil und 8% Maschinenbau (Statista 2020)
Verwendung Elektromotor und Kabel in Fahrzeugen

Lithium

Herkunft Australien, Chile, Argentinien
Förderung Salzsee, Bergbau
Wasserverbrauch ca. 14 000 l pro Akku, in etwa so viel wie 1 kg Rindfleisch
Anteil am Gewicht des Akkus 1.17 – 1.67%

In Zeitungsartikeln wird oft nicht zwischen Lithiumcarbonat und Lithium unterschieden was dann zu Fehlern in der Argumentation führt.

Weitere Informationen

• How much Lithium is in a Li-Ion Battery? (Paul Martin, 2017)
• Faktencheck Wasserverbrauch (Volksverpetzer, 2019)

Kobalt

Herkunft DR Kongo, Russland, Australien (BGR 2021).
Förderung Kleinbergbau (ASM) rückläufig 4000 t, Großbergbau 83 255 t (LSM)
Verwendung Kathodenmaterial in Lithium-Mangang-Kobalt (LMC) Akkus, nicht nötig für Lithiumeisenphosphat (LFP), wird ebenfalls in Katalysatoren in Erdölraffinerien zur Entschwefelung eingesetzt.
Anteil am Gewicht des Akkus 6% (LMC) , 0% (LFP)

Es gibt im wesentlichen zwei Kategorien der Kobalt-Förderung. Eine ist die Förderung von Kobalt mit minimalem Aufwand an Maschinen. Dieser nennt sich Kleinbergbau oder artisanalen Bergbau (engl. Artisanal Mining (ASM)). Im Kleinbergbau arbeiten einzelne Mineure für Unternehmen, die dort aber nicht fest angestellt sind. ASM führt zur Ausbeutung von Menschen vor Ort. Im ASM werden grob 4000 t Kobalt jährlich gefördert. Die Mengen sind aber rückläufig (BGR 2021). Dagegen steigt die Förderung im Großbergbau (engl. Large Scale Mining (LSM)) auf 83 255 t (BGR 2021).

Neodym

Herkunft China (91%), Australien
Verwendung Kernspintomographen, Festplatten, Schrittmotoren, Lautsprecher und bestimmten Elektromotoren
Förderung Große Umweltbelastung durch die eingesetzten Förder- und Herstellungsprozesse

Die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe hat hierzu weiterführende Informationen zusammengetragen (BGR 2021b).

Elektromotoren

In E-Fahrzeugen werden verschiedene Arten von Elektromotoren verbaut. Am verbreitetsten sind Synchronmotoren mit Neodym-Magneten und Asynchronmotoren. Im Tesla S werden mittlerweile beide Sorten an Motoren verbaut

Synchronmotoren

Permanent erregte Motoren (PSM)

• Vorteile
  • Sind kompakter als Asynchronmotoren (ASM)
  • Hohes Anfahrdrehmoment
• Nachteile
  • Es entsteht ein Strom beim Abschleppen
  • Benötigen Neodym für die Permanentmagnete
  • Teurer als ASM

Fremderregte Motoren (FSM)

• Vorteile
  • Kein Strom beim Abschleppen
  • Hohes Anfahrdrehmoment
• Nachteile
  • Es muss Energie für den Rotor bereitgestellt werden, dadurch etwas geringere Effizienz
  • Bei Einsatz von Bürsten mehr Verschleiß (gibt aber auch Lösungen die den Strom für den Rotor per Induktion übertragen)

Asynchronmotor

• Vorteile
  • Robust
  • Wenig Verschleiß
  • Kein Neodym
  • Kein Strom beim Abschleppen
• Nachteil
  • Sind größer als PSM
  • Hoher Anlaufstrom

In der Bahn wird für neuere Lokomotiven primär Drehstrom-Asynchronmotoren eingesetzt.

Elektromotoren-Recycling-Kreislauf

Motoren können schon heute zerlegt und vollständig wiederverwertet werden. Dies gilt besonders für das Kupfer und Eisen. Isolierungen und andere Materialien werden meist nicht recycelt. Anders ist das bei Neodym-Magenten. Für diese stehen verschiedene Vorgehensweisen zur Verfügung.

• Ausbau der Magnete und direkte Wiederverwendung
• Aufschmelzen und in neuen Magneten wiederverwenden, allerdings muss zu einem gewissen Grad neues Neodym beigemischt werden

Hinweis: Es gibt weitere Methoden, die wir hier noch ergänzen werden.

Akkumulatoren-Kreislauf

Akkus aus Autos, Zügen und Fahrrädern können nach ihrer Nutzung im Fahrzeug (ca 10-20 Jahre) weiter in Akku-Speicherwerken oder in Hausspeichern für PV-Anlagen genutzt werden (mindestens weitere 10 Jahre). Anschließend können sie recycelt werden. Neue Verfahren sollen Lithium und Kobalt vollständig wiedergewinnen können (Duesenfeld, TU Braunschweig).