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Die Energiewende nachhaltig gestalten

Wie lassen sich energieintensive Materialien ersetzen oder der Einsatz seltener Erden reduzieren? Und wie lässt sich der Wert von Produkten innerhalb der Wirtschaft so lange wie möglich erhalten und dabei möglichst wenig Abfall und Emissionen erzeugen? Die Energiewende trägt dazu bei, unsere natürlichen Ressourcen zu schützen, indem fossile Ressourcen wie Braunkohle oder Erdöl durch erneuerbare Energien ersetzt werden. Aber das ist nicht alles. Wichtig ist auch, verantwortungsvoll mit Ressourcen umzugehen und strategisch relevante, begrenzt verfügbare Rohstoffe möglichst nachhaltig einzusetzen.

Kobalt-Mine in Bou Azzer, Marokko.
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Kobalt-Mine in Bou Azzer, Marokko.

Ziel der Energiewende ist, langfristig unseren Energiebedarf mit grünem Strom und Wärme sowie sauberen Technologien decken zu können. Gleichzeitig soll die Umwelt geschont und die Natur und Artenvielfalt erhalten bleiben. Auch die Abbaubedingungen von seltenen Erden und anderen wichtigen Materialien müssen kritisch betrachtet werden.

Ob Auto, Laptop oder Smartphone – fast alle Dinge, die wir im Alltag nutzen, werden unter dem Einsatz großer Mengen natürlicher Ressourcen hergestellt. Und auch während ihrer Nutzung benötigen sie Energie, wofür wiederum Rohstoffe erforderlich sind: Energieanlagen, neue Energie- und Speichertechnologien, der Ausbau der Energieinfrastrukturen und auch die Elektromobilität haben einen erheblichen Ressourcenbedarf.

Ressourcen für den Alltag und die Energiewende

Besonders anschaulich wird das bei der Herstellung von Energiespeichern. Der Bedarf an Lithium für die Akkus in Elektrofahrzeugen, Laptops und Handys könnte laut aktuellen Studien bis 2028 auf fast das zehnfache gegenüber dem Jahr 2017 auf rund 1,6 Millionen Tonnen steigen.

SchwarzerLithium-Ionen-Akku wie er in einem Smartphone verbaut wird
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In Lithium-Ionen-Akkus sind seltene Eden wie Kobalt, Mangan und Lithium verbaut. Das macht sie so handlich und gleichzeitig leistungsfähig.

Der Bedarf an Nickel wächst laut Prognosen bis 2028 demnach sogar auf das 20-fache gegenüber 2017 an und Kobalt immerhin auf den Faktor Fünf.  Bisherige Recyclingquoten reichen nicht aus, um diesen zukünftigen Bedarf nachhaltig zu decken.

Deshalb müssen nicht nur wirtschaftsstrategische und begrenzt verfügbare Rohstoffe, sondern alle im Wirtschaftskreislauf umlaufenden Ressourcen geschützt, nachhaltig gewonnen und effizient genutzt werden.

Ein wichtiger Aspekt dafür ist die Optimierung der Produkte und Technologien. Ziel der Forschung ist daher zum Beispiel, knappe und teure Rohstoffe zu ersetzen oder den Wert von Produkten und der darin enthaltenen Ressourcen innerhalb der Wirtschaft so lange wie möglich zu erhalten, möglichst effiziente Anschlussnutzungen zu entwickeln sowie möglichst wenig Abfall und Emissionen zu erzeugen.

Elektrodenmaterialien in Stromspeichern, Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren können zum Beispiel robuster und auch effizienter gemacht werden, sodass weniger von diesen Materialien benötigt werden und sie weniger schnell ausgetauscht werden müssen. Für einige Speichertechnologien wie Redox-Flow-Batterien oder Batterien auf Natriumbasis sind weniger kritische Rohstoffe notwendig als für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus.

Recycling und zirkuläre Wirtschaft: Vom Hersteller zum Nutzer und zurück

Gerade für den Industrie- und Technologiestandort Deutschland sind Ressourceneffizienz und das zirkuläre Wirtschaften entlang der gesamten Wertschöpfungskette wichtige Faktoren für das künftige Wirtschaftswachstum. Optimal umgesetztes Recycling spart nicht nur Kosten bei der Herstellung, sondern dient auch als Absicherung gegen schwankende Rohstoffpreise.

Symbolbild für Leichbau: Glaskuppeldach
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Ressourceneffizienz im Leichtbau durch den Einsatz neuer Materialien und Verbundwerkstoffe sowie die Integration von Funktionen in Werkstoffe oder Bauteile.

Einen weiteren Forschungsansatz zur Ressourcenschonung gibt es beispielsweise im Leichtbau, indem Energieanlagen oder -bauwerke insgesamt mit weniger Gewicht konstruiert und dafür weniger Material verwendet und transportiert werden muss.

Um mitunter knappe Ressourcen zu schonen, ist eine hohe Lebensdauer von Photovoltaikanlagen ein wichtiges Ziel von Forschung und Entwicklung. Angepasste Materialien oder Wartungskonzepte tragen dazu bei. Für Anlagen, die ihre Lebenszeit überschritten haben – sogenannte End-of-Life-Module – werden geeignete Recycling-Strategien benötigt.

Eine Herausforderung hierbei: Besonders die früheren Module enthalten vergleichsweise viel Blei. Schwermetalle und andere Schadstoffe müssen beim Recycling abgetrennt und sicher entsorgt werden. Neue Zellkonzepte und Module sollen umweltunverträgliche Materialien von Anfang an minimieren bzw. vollständig ersetzen.

Produktdesign ist die Basis für Ressourceneffizienz

In der Windenergie zielt die ressourcenbezogene Energieforschung zum Beispiel auf die Entwicklung von Anlagen, die bereits in der Designphase den Aufwand für Herstellung, Betrieb, Rückbau und Recycling sowie auch die Integration von Anlagen und Windparks in das Stromnetz berücksichtigen.

Nicht zuletzt kann auch die Digitalisierung wertvolle Instrumente zur Nachverfolgung von Produkt- und Stoffkreisläufen beisteuern: Für ein optimales Recycling von Produkten fehlt am Ende der wirtschaftlichen Nutzungsdauer oft das Wissen über deren Zusammensetzung und Einzelbestandteile. Chancen und Risiken von solchen digitalen Systemen gilt es ebenso zu erforschen wie eine Verknüpfung mit dem Industriedesign. Denn schon beim Design erfolgen die wichtigsten Weichenstellungen für eine bestmögliche, nachhaltige Ressourcenverwertung.

Kobalt in mineralischer Form
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Kobalt in mineralischer Form: Der intensive Abbau kann Umweltschäden verursachen, und auch die Arbeitsbedingungen in Zuliefer-Ländern sind umstritten.

Die systemübergreifende Energieforschung zu Ressourceneffizienz im Kontext der Energiewende orientiert sich am Konzept des zirkulären Wirtschaftens (Circular Econonmy). Der Fokus liegt dabei auf technologieübergreifenden kreislauffähigen Produkten, Komponenten, (zukünftigen) Energiedienstleistungen oder auch (digitalen) Geschäftsmodellen.

In Deutschland sind die Hersteller von Batterien dazu verpflichtet, Altgeräte kostenlos zurückzunehmen. Während Gehäuse und Komponenten bereits heute wirtschaftlich recycelt werden können, kostet die Demontage und Wiederaufbereitung von Lithium, Graphit, Kobalt und anderen wertvollen Rohstoffen bislang noch sehr viel Energie.

Immerhin besteht so ein Lithium-Ionen-Akku aus bis zu 100 sehr kleinteiligen Einzelteilen. Ob durch Schmelzen, Schockwellen oder chemische Reaktionen – die Forschung und auch viele Unternehmen arbeiten bereits mit Hochdruck an Methoden, möglichst viel aus den Alt-Batterien herauszuholen.

Fast jeder Hersteller von E-Fahrzeugen hat bislang sein eigenes Rezept und einen eigenen Bauplan für „seine Speicher“. Die vielen individuell verschiedenen Technologien und Zusammensetzungen auf dem Markt machen es umständlicher, den Recyclingprozess flächendeckend zu automatisieren.

Um die Recyclingquote zu erhöhen, kann es daher sinnvoll sein, die Produkte zu standardisieren und so zu konstruieren, dass sie auch leicht auseinandergebaut und die Rohstoffe recycelt werden können.

Batterien aus Elektrofahrzeugen weiterverwenden oder verwerten

Auch modulare Baukonzepte in Stromspeichern können dazu beitragen, Ressourcen zu sparen. Einige Autohersteller bieten bereits Speicher an, bei denen einzelne Zellen bei Defekt ausgetauscht werden können.  

Einige Automobilhersteller arbeiten an einem geschlossenen Lebenszyklus der Batterien für Elektrofahrzeuge. Auch Geschäftsmodelle wie das Mieten von Batterien können die Recyclingquote erhöhen.

Zudem können ausrangierte Batterien aus Elektrofahrzeugen noch anderweitig eingesetzt werden. Zu Hunderten zusammengeschlossen reicht die Speicherkapazität oft noch aus, um als modularer Großspeicher Erzeugungsspitzen im Stromnetz auszugleichen.  So eine Weiternutzung wird „Second life“, „Second use“ oder auch „Re-use“ genannt.

Grafische Darstellung der Erde mit Lichtern, Globus
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