Lithiumbatterien: Zurück in den Kreislauf

Als „konsequenten Weg zur Sicherung von Rohstoffen für die steigende Batterieproduktion“ bezeichnete Jörg Zimmermann am 24. Januar 2024 in Göttingen das Recycling von Altbatterien. Der Experte von der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategien IWKS läutete mit seinem Vortrag den zweiten Tag der Fachkonferenz Lithiumbatterien ein. Der Schwerpunkt der Veranstaltung, die über drei Tage verteilt von insgesamt 270 Personen besucht wurde, lag an diesem Tag auf Rücknahme, Re-Use und Recycling von Batterien.

„Recycling ist eine Kombination aus verschiedenen Prozessschritten“, sagte Zimmermann und führte als Beispiel den hydromechanischen Prozess an, wie er im Zentrum für Demontage und Recycling – Elektromobilität (ZDR-EMIL) eingesetzt wird. Nach einer manuellen und danach automatisierten Demontage der Altbatterien werden die einzelnen Module dort maschinell geöffnet und elektrohydraulisch nach ihren einzelnen Bestandteilen fragmentiert. Die Akkugehäuse laufen dann durch einen Vier-Wellen-Zerkleinerer und schließlich erfolgt eine Sortierung per Sensor, Magnet- und Wirbelstromscheider in Nichtmetalle, Eisen und Nichteisenmetalle.

Es gebe allerdings viele unterschiedliche Ansätze für das Recycling, so der Referent. Die Firma Aurubis nutze beispielsweise einen metallurgischen Prozess, um die Schwarzmasse zu recyceln, in der sich die metallischen Inhaltsstoffe der Batterien konzentrieren. Toxco schreddere unter kryogenen Bedingungen, Umicore setze auf einen pyrometallurgischen Prozess. Spezialität der Firma Duesenfeld sei die Rückgewinnung des Elektrolyten, und bei Farasis Energy konzentriere man sich auf den Regenerierungsprozess der Materialien. „Es gibt viel Raum für die Optimierung der Kreislaufwirtschaft“, zog Zimmermann sein Fazit.

Eine Preisfrage

Firmen, die Batterien verwerten und ihre Bestandteile wieder dem Kreislauf zuführen, stehen vor einer großen Herausforderung. „Wir brauchen wirtschaftliche Prozesse, mit denen wir Batterien verarbeiten können“, forderte Lukas Block, Geschäftsführer und Mitbegründer von Battery Damage Service. Denn: „Am Ende des Tages geht es um den Preis.“ Schwankende Preise für die aus der Schwarzmasse gewonnenen Rohstoffe machten besonders kleineren Unternehmen zu schaffen, und wegen der Kapitalbindung helfe es nicht, so Block, „Material zu horten und auf bessere Preise zu warten“.

Viele Batteriehersteller verlangten zudem eine End-to-End-Recyclinglösung. Sei dies nicht in einem einzelnen Unternehmen darstellbar, müsse man sich mit anderen abstimmen, sagte der Referent. Deshalb sei sein Unternehmen einer der sechs Partner des Batterierecycling-Zentrums für Li-Ionen-Batterien im Harz, die gemeinsam die Rückführung der Bestandteile von Traktionsbatterien in den Kreislauf anbieten.

Die neue Batterieverordnung ist die erste EU-Verordnung, die den gesamten Lebensweg einer Produktgruppe umfasst. „Und die Lieferketten-Sorgfaltspflichten für Batterien sind sogar ein doppeltes Novum“, erklärte Björn Bischoff, Leiter Sachgebiet ElektroG im Umweltbundesamt (UBA). Denn damit werden den Akteuren erstmals Sorgfaltspflichten für alle Batterie-Kategorien in Bezug auf diverse Sozial- und Umweltrisiken sowie Gewinnung und Handel der Rohstoffe Kobalt, Lithium, Nickel und Grafit auferlegt.

Der in der Verordnung geforderte Batteriepass ist laut Bischoff das erste Beispiel eines digitalen Produktpasses und könne damit als Blaupause für weitere Produktgruppen dienen. „Mit der Batterieverordnung konnten wir zudem die Prüfpflicht für Online-Plattformen auf europäischer Ebene verankern“, sagte der Referent. Im Rahmen der „Secondary Legislation“ erwartet er in den kommenden Jahren die Ausgestaltung von Regelungen zu Produktanforderungen, Kennzeichnung, Konformität und End of Life der Batterien, aber auch zum elektronischen Datenaustausch, zur öffentlichen Beschaffung und zur Sorgfaltspflicht.

Der oft zitierte Stand der Technik ist keine statische Größe, sondern ein dynamischer Standard. „Der Stand der Technik fordert mehr als der Basis-Sicherheitsstandard der allgemein anerkannten Regeln der Technik“, erklärte Rüdiger Mann vom gleichnamigen Ingenieurbüro in Obernburg. Er sei ein wichtiges Mittel der Vorsorge und als Sicherheitsmaßstab die Voraussetzung dafür, dass bei Zwischenfällen „so schnell wie möglich gehandelt“ werde, wie der Referent ergänzte.

In Hinblick auf den Stand der Technik von Lithiumbatterien führte er eine ganze Reihe von Problemen an. So gebe es viele Einzeluntersuchungen, teilweise ohne praktischen Bezug, und die Ergebnisse firmeninterner Untersuchungen würden meist nicht publiziert. Wegen der vielen verschiedenen Batterietypen und Messmethoden seien die Ergebnisse zudem nur bedingt vergleichbar. „Systematisch ist das Gefährdungspotenzial von Lithium-Ionen-Akkus bislang noch nicht klassifiziert worden“, so Mann.

Risiken eindämmen

Inwieweit am Leben eines Messgeräts auch das Gefahrgut-Team des Herstellers beteiligt ist, erklärte Werner Monschau vom Energietechnik-Spezialisten Ista. Es beginne schon bei der Produktplanung: Welche Batterietypen stehen für die Spannungsversorgung des Geräts zur Wahl, welche gefahrgutrechtlichen Restriktionen müssen dabei berücksichtigt werden und was ist bei der Entsorgung nach zehn bis 15 Jahren zu beachten? Soll der Artikel weitere Gefahrgüter enthalten? Kann das Gehäuse die Batterie ausreichend schützen? Und kann idealerweise während der Betriebsdauer ein Batterietausch vermieden werden? Schließlich sollte laut Monschau das Ziel sein, gefahrgutrechtliche Anforderungen auf ein Mindestmaß zu beschränken.

In späteren Phasen gehe es um das korrekte Handling von Prototypen und Feldtestgeräten, um Versand und Beförderung der fertigen Geräte auch durch Handwerker und, zum Ende der Verwendung, um die vorschriftsmäßige Beförderung von Geräten mit defekter Batterie, von demontierten Geräten und von Geräten auf dem Weg zum Recycling. Das Fazit des Experten: „Fachkräfte für Gefahrgut müssen alle Prozessschritte des Lebenszyklus eines Messgeräts mit Lithiumbatterie begleiten.“

Einige große Herausforderungen für die Sammlung von Elektro- und Elektronik-Altgeräten (EAG) sieht Oliver Friedrichs, Geschäftsführer des Beraters und Rücknahme-Dienstleisters Take-e-way. So gelte es etwa, das Brandrisiko durch Lithiumbatterien in den Griff zu bekommen. Zudem würden elektrifizierte Produkte wie Kleidung mit Batterien vom Verbraucher nicht als EAG verstanden und daher nicht vorschriftsgemäß zurückgegeben. Zitat Friedrichs: „Wir müssen den Endnutzer mitnehmen.“ Darüber hinaus konterkariere der steigende Anteil des Fernabsatzhandels die Bemühungen um Langlebigkeit und Reparierbarkeit. Und schließlich müssen die Recyclingtechniken auf seltene Rohstoffe ausgerichtet werden. „Lassen wir die alten Handys in der Schublade des Verbrauchers, bis wir Verfahren entwickelt haben, um die seltenen Erden wirklich effektiv herauszuholen“, formulierte es Friedrichs provokativ.

Neue Nummern für Natrium

Einen Ausblick auf den künftigen Umgang mit Natrium-Ionen-Batterien gab Norbert Müller, Welt-Gefahrgutbeauftragter von DB Schenker, der der Konferenz per Videochat zugeschaltet war. Ab 2025 werden diese Akkumulatoren der neuen UN-Nummer 3551 zugeordnet. In oder mit Ausrüstung verpackt, erhalten sie die Nummer 3552. Und als Batterie in einem Fahrzeug laufen sie dann unter UN 3558. Für Ausnahmeregelungen zu UN 3551 und 3552 wird es im Land- und Seeverkehr die Sondervorschrift SV 400 geben, zu UN 3558 die SV 404, die als A231 auch für den Luftverkehr gelten wird.

Bis 2025 ist der Transport von UN 3551 und 3552 nur aufgrund einer Ausnahme zulässig, da die von Deutschland vorgeschlagene Multilaterale Vereinbarung M354 noch von keinem anderen Staat gegengezeichnet wurde (Stand: 4.3.24). „Für eine innerdeutsche Beförderung kann und muss eine Ausnahme nach Paragraf 5 GGVSEB beantragt werden“, sagte Müller. Dies gelte sowohl für den Straßen- als auch für den Binnenschiffsverkehr. Beim Transport auf der Schiene kann hingegen die Vereinbarung RID 2/2023 angewendet werden, die im November 2023 von Tschechien unterzeichnet wurde. Für den Luft- wie für den Seetransport der Akkus müssen Ausnahmen gemäß IATA-DGR und IMDG-Codes beantragt werden. Müller empfiehlt allerdings, vorab zu klären, ob die betroffenen Staaten und Airlines dazu bereit sind beziehungsweise ob eine Reederei den Auftrag übernehmen würde.

Im Übrigen verwies der Referent auf die zwei englischsprachigen Broschüren „Transport of Sodium Ion Batteries: A Multi Modal Guide“ und „Transport and Storage of Lithium Batteries. A Multi Modal Guide“, die er im Verlag Heinrich Vogel veröffentlicht hat. Zudem will er im Oktober alle Neuerungen in den kommenden Vorschriften der verschiedenen Verkehrsträger im Rahmen eines halbtägigen Onlineforums vorstellen, veranstaltet ebenfalls vom Verlag Heinrich Vogel.

Wichtiges Thema Brandschutz

An den meisten Bränden auf Seeschiffen sind Lithiumbatterien beteiligt. Das zeigte Uwe Peter Schieder vom Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft (GDV) anhand einer Statistik des Cargo Incident Notification Systems (CINS) über Brandfälle von 1998 bis 2023. Der Referent stimmte mit seinem Vortrag über die Brandbekämpfung auf Car-Carriern die Tagungsteilnehmer auf das Thema Brandschutz ein, den Schwerpunkt des dritten Konferenztages.

Zwar brennen nach seinen Worten Elektrofahrzeuge seltener als Verbrenner und es werde auch nicht mehr Energie freigesetzt, doch seien sie schwer löschbar und es könnten Stichflammen entstehen. Außerdem vergingen heutzutage von dem Moment, in dem Rauch entdeckt werde, bis zur kompletten Flutung eines Decks mit CO2 immer noch mindestens 25 Minuten. Schieder schlug deshalb vor, die Detektion auf Wärme umzustellen und den ersten Löschangriff mit Hochdruck-Wasser-Nebel-Anlagen in kleinen Sektionen zu starten. Deren Einsatz sei sofort möglich, habe eine hohe Kühlwirkung und könne von der Besatzung durchgeführt werden. Der Brand würde sich dadurch nicht weiter ausbreiten, Zeit für den folgenden CO2-Einsatz wäre gewonnen und die Crew nicht mehr von Lebensgefahr bedroht. Derzeit, so Schieder, arbeite der GDV an einem Positionspapier zum Problemfeld Lithiumbatterien.

Stickstoff statt Sauerstoff

Zu hohe oder niedrige Temperaturen, mechanische Schäden, Kurzschlüsse oder Überladung: Durch diese Stressfaktoren kann es bei Lithiumbatterien zu unkontrollierter Energiefreisetzung kommen. „Wir können den Thermal Run­away weder verhindern noch stoppen, aber wir können vermeiden, dass sich der Brand ausbreitet“, stellte Dirk Band vom Brandschutz-Spezialisten Wagner fest.

Umgesetzt hat sein Unternehmen dieses Ziel bei einem Hochregallager der Firma Kettler Alu-Rad mithilfe des OxyReduct-Systems. Es verringert den Sauerstoffgehalt der Luft im Lagergebäude durch Stickstoffzufuhr von 20 auf 13,7 Volumenprozent. Wie mehrere Brandversuche gezeigt hätten, seien Kartons neben einem absichtlich gezündeten Akku zwar beschädigt worden, aber die Temperatur im Akkukarton sei deutlich geringer geblieben als bei höheren Sauerstoff-Konzentrationen und es habe sich auch keine Flamme gebildet. Sekundärbrände würden also erfolgreich verhindert, so Band, zumal im Kettler-Lager auch eine Sprinkleranlage installiert ist.

Sensorbasierte Sortierung kann nach Ansicht von Johannes Leisner eine Lösung sein, um Batterien im Abfallstrom zu erkennen und auszusteuern. Der Referent vom Fraunhofer-Institut für integrierte Schaltungen IIS stellte per Videochat den Prototypen einer Sortieranlage mit Röntgenkamera und KI-gestützter Objektdetektion vor. „Selbst Lithiumbatterien und Elektroaltgeräte, die von anderen Objekten verdeckt sind, werden im Röntgenbild sichtbar“, sagte Leisner. Derzeit werde die künstliche Intelligenz anhand von echten Abfallbildern darauf trainiert, Altgeräte und Batterien zu erkennen. „Aktuell wird eine Detektionsrate von 87 Prozent erreicht“, erklärte der Referent und ergänzte: „Wir planen, dass die Anlage bis Mitte des Jahres einsatzbereit ist.“

Unter Kontrolle halten

„Eine Sprinkleranlage ist keine Löschanlage“, konstatierte Frank Bieber, Leiter Produktmanagement bei VdS Schadenverhütung. Sie soll den Brand detektieren und unter Kontrolle halten, bis er mit anderen Mitteln gelöscht werden kann. Deshalb müssten bei Hochregalanlagen und mehrreihigen Regalen Havariekonzepte erstellt werden, wie es in den Richtlinien VdS CEA 4001 gefordert wird. Außerdem seien diese Konzepte auch baurechtlich zu verankern und der Betreiber müsse sich unbedingt mit seinem Versicherer abstimmen. „Denn es gibt nicht die eine Versicherungsmeinung“, gab Bieber zu bedenken.

Lithium-Ionen-Batterien werden immer leistungsfähiger und damit potenziell auch gefährlicher. „Und je später ich Gegenmaßnahmen einleite, desto schwieriger wird es, einen Brand zu vermeiden“, sagte Ralf Benger vom Forschungszentrum Energiespeichertechnologien EST der TU Clausthal, der den Konferenzteilnehmern das Projekt VentBatt vorstellte. Kernidee sind laut Benger die Verringerung der Menge des brennbaren Materials, der Druckabbau sowie die Absenkung der Temperatur der Zelle durch gezielte Zellöffnung über ein Ventil. Ist dies erreicht, schließt sich das Ventil wieder, sodass die Funktion grundsätzlich erhalten bleibt und nicht mehr Elektrolyt austritt als notwendig. Im Rahmen des Projekts sollen nun unter anderem Versuche mit unterschiedlichen Ladezuständen, Temperaturänderungs-Raten, Wärmeleistungen und Öffnungsdrücken unternommen werden. Auch verschiedene Ventiltypen, andere Auslöser und schließlich die Übertragung auf Module sollen getestet werden.

Brände von Elektro-Pkw verlaufen auch bei baugleichen Fahrzeugen unterschiedlich, alle Einsatzmittel haben Besonderheiten und zum Zeitpunkt eines Löschangriffs liegen zudem unterschiedliche Brandzustände vor. Das ist das Ergebnis mehrerer Brand- und Löschversuche mit Elektro-Pkw des In­stituts für Brand- und Katastrophenschutz Heyrothsberge. „Einsatzkräfte müssen sich deshalb auf verschiedene Brandphasen einstellen“, erklärte Institutsmitarbeiter Daniel Butscher.

Ob das Batteriesystem eines Fahrzeugs am Brand beteiligt ist, lasse sich nach seinen Worten erkennen am Auslösen der Überdruckventile einzelner Zellen, an einer Rauchfreisetzung mit Wechsel zwischen hell- und dunkelgrau, einem untypischen aromatischen Geruch, Funkenflug und zyklischen Stichflammen sowie einer Temperaturerhöhung der Batterie. „Deshalb wird die Wärmebildkamera bei den Feuerwehren immer wichtiger“, sagte Butscher. Als nächste Schritte des Projekts benannte er Untersuchungen zu Schwermetall-Kontaminationen der Schutzausrüstung, die Erstellung von Lehrvideos sowie die Untersuchung von E-Fahrzeugen der neuen Generation mit höheren Sicherheitsanforderungen.

Normen und Löschsysteme

Die Arbeit an der Norm DIN SPEC 91489 zu Brandbegrenzungsdecken stellte Jürgen E. Peitz vom VDA-/VDIK-Arbeitskreis Retten vor. In ihr sollen Mindestanforderungen, Eigenschaften und Ausführungen von Brandbegrenzungsdecken definiert werden. Voraussichtlich im Mai 2024, so Peitz, ist die Verabschiedung der fertigen Norm geplant.

Zum Abschluss der Fachkonferenz sprach Rajko Rothe, IFAB Ingenieure für angewandte Brandschutzforschung, über Löschsysteme und Havariekonzepte für den sicheren Umgang mit Batteriebränden über den gesamten Produktlebenszyklus. Das dazu aufgesetzte Projekt „SUVEREN2Use“ erstelle derzeit die Ziele, Bedingungen und Spezifikationen der Versuche und erarbeite entsprechende Versuchs-, Mess- und Sicherheitskonzepte. Im weiteren Verlauf dieses Jahres sollen die Versuche durchgeführt werden, die Präsentation der Ergebnisse ist Ende 2024 geplant.

Rudolf Gebhardt

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