ROHSTOFFRÜCKGEWINNUNG 6
ROHSTOFFRÜCKGEWINNUNG 6 UmweltJournal /November 2017 Forschung zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien in Leoben Sicherheitsrisiko: Lithium-Ionen-Batterien in Abfallströmen Lithium-Ionen-Batterien stellen die Entsorgungs- und Recyclingwirtschaft sowohl aus Sicht des Recyclings als auch aus sicherheitstechnischer Perspektive vor neue Herausforderungen. Die Montanuniversität Leoben forscht derzeit in den zwei Projekten „BAT-SAFE“ und „eMPROVE“ an diesen Themen. Autoren: Thomas Nigl, Therese Schwarz Montanuniversität Leoben Durch den rasanten Anstieg an Lithium-Ionen-Batterien in unterschiedlichsten elektrischen und elektronischen Anwendungen steigt auch das Aufkommen beziehungsweise der Anteil dieser Batterien im Abfall. In Österreich liegt die Sammelquote für getrennt gesammelte Gerätebatterien derzeit bei etwa 50 Prozent (im Vergleich zur in Verkehr gesetzten Menge der letzten drei Jahre). Leider werden Gerätebatterien immer noch zu einem großen Anteil nicht fachgerecht entsorgt, etwa über den Restmüll oder andere Abfallströme. Gerade dort sind Lithium-Ionen-Batterien ein Sicherheitsrisiko und verursachen immer häufiger Stör- und Brandfälle. Diese sicherheitstechnischen Aspekte abfallwirtschaftlicher Systeme werden im Projekt BAT-SAFE am Lehrstuhl für Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft erforscht. Dabei geht es unter anderem darum, herauszufinden, welche kausalen Gründe hinter Stör- und Brandfällen stecken und welche Prozesse und Risikofaktoren das Brandverhalten beeinflussen. In Brandversuchen werden die gewonnenen Erkenntnisse praktisch überprüft und mit Industrie- und Systempartnern erarbeitete Lösungskonzepte, wie zum Beispiel ein geeignetes Lager- und Transportgebinde, getestet. Außerdem werden der Anteil und der Zustand der Batterien in verschiedenen Abfallströmen erhoben und das daraus resultierende Risikopotenzial (für die betroffenen Stoffströme beziehungsweise Recyclinganlagen) bewertet. Vielzahl an unterschiedlichen Batteriesystemen In den letzten Jahren kam es darüber hinaus auch zu einer starken Diversifikation von Lithium-Ionen-Batterien hinsichtlich deren chemischer Zusammensetzung und der verarbeiteten Bauformen. So lässt sich mittlerweile eine Vielzahl an unterschiedlichen Batteriesystemen, wie Lithium-Eisenphosphat, Lithium- Titanat, Lithium-Manganoxid oder Lithium-Cobaltdioxid, unterscheiden. Im Recycling ergibt sich daraus die Problematik, dass in ihrer optischen Erscheinung idente Lithium-Ionen- Batterien und deren Zellen zu Beginn eines Aufbereitungsprozesses hinsichtlich deren chemischer Zusammensetzung sortiert werden müssen, um marktfähige Outputqualitäten zu erzielen und den gesetzlichen Recyclingquoten gerecht zu werden. Eine einheitliche Kennzeichnung der Batteriesysteme nach deren Zellchemie würde diese Aufgabe wesentlich erleichtern; ein international gültiger Standard fehlt aber leider bisher. Neues Recyclingverfahren erforscht Immer mehr Lithium-Ionen-Batterien landen im Abfall. Ein Sicherheitsrisiko. Foto: Uni Leoben In industriellem Maßstab gibt es eine Handvoll existierender Recyclingverfahren von Lithium-Ionen-Batterien. Diese sind aktuell aber zumeist von pyro- beziehungsweise hydrometallurgischen Verfahrensschritten geprägt. Aus diesem Grund wird im Projekt eMP- ROVE in Zusammenarbeit mit Industriepartnern ein neues mechanisch orientiertes Recyclingverfahren erforscht, in dem die Lithium-Ionen-Batterien nach einer Sortier- und Entladephase anschließend thermisch deaktiviert und in weiterer Folge in verschiedenen mechanischen Verfahrensschritten aufbereitet werden. Die Herausforderungen des Konzeptes sind einerseits Optimierung der Kosten, des Energieverbrauches und besonders der Materialqualität. Des Weiteren sollen die Outputfraktionen neuen Verwertungswegen zugeführt werden, darum wird ein Konzept für die Aufbereitung des Feinmaterials aus dem Prozess gesucht. Da die einzelnen Batteriesysteme aber unterschiedliche Materialzusammensetzungen haben und die derzeitigen und zukünftigen Rücklaufmengen schwer vorauszusagen sind, ist es wichtig alle Prozesse möglichst flexibel zu gestalten. Somit betrachtet das Projekt nicht nur die Gesamtkonzeptentwicklung des Recyclingverfahrens, sondern darüber hinaus noch einzelne Parameter der Lebenszyklusphasen. Die funktionale Sicherheit und das recyclinggerechte Design sind ebenso bedeutend wie die Einschätzung eines Second Life, also einer Wiederverwendung von Batterien in einer anderen, meist stationären Nutzung. Im Batteriesektor sind somit zukünftig technologisch, organisatorisch aber auch abfallwirtschaftlich einige Herausforderungen zu meistern. Die Forschung des Lehrstuhls für Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben beschäftigt sich mit diesen und versucht hierfür Konzepte zu finden und den Blickwinkel auf Batterien im Alltag weiter zu schärfen, um einerseits die Gefahren zu reduzieren und andererseits eine umweltschonende und kosteneffiziente Recyclingmöglichkeit zu ermöglichen. WWW Besuchen Sie uns jetzt auf www.umweltjournal-online.at Intelligente Lösungen für eine saubere Umwelt Kommunikation mit Ihren Containern Das Salzburger Unternehmen SHOP2WIN GesmbH ist führender Hersteller und Innovationsschmiede im Bereich der Elektronik für Echtzeit-Datenübertragung. Mit dem System I WIN (Intelligentes- Wertstoff-Informations-Netzwerk) haben wir hochwertige und zuverlässige Lösungen entwickelt. 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November 2017/ UmweltJournal ENERGIETECHNIK 7 Photovoltaik für Gewerbeunternehmen zunehmend interessant „Haben Sie bereits über eine Photovoltaikanlage in Ihrem Betrieb nachgedacht?“ Diese Frage kennen mittlerweile viele Unternehmen und beantworten diese auch zunehmend mit „Ja“. Eine gewerbliche Photovoltaikanlage hat einige nicht von der Hand zu weisende Vorteile, die Anlage ist nahezu wartungsfrei, senkt die Betriebskosten, reduziert den Leistungsbezug vom Stromnetz und hebt zudem die ökologische Ausrichtung des Unternehmens hervor. Ein kurzer Überblick über die aktuelle Marktsituation. Fotos: privat Autor: DI Matthias Humpeler, ConPlusUltra GmbH matthias.humpeler@conplusultra.com In Österreich wurden kumuliert bis Ende 2016 rund 1.096 Megawatt-Peak (MWp) Photovoltaikleistung installiert, bei einem jährlichen Zuwachs von rund 155 MWp. Somit hatte die Photovoltaik einen Anteil am Gesamtstromaufkommen von circa 1,63 Prozent (Quelle: PV- Austria). Insgesamt fristet die PV noch ein Nischendasein in Österreich, jedoch mit deutlichem Potenzial nach oben. So gehen mehrere Studien bis 2020 von einer Steigerung des Anteiles auf bis zu drei bis sechs Prozent am Strommix aus. Gewerbliche Anlagen Neben den zahlreichen Kleinanlagen in Einfamilienhäusern ist mittlerweile auch ein Trend bei der Integration von Eigenstromanlagen in Kleinunternehmen und Gewerbebetrieben zu erkennen. Die Technologie ist ausgereift und aufgrund der sinkenden Investitionskosten für Unternehmen durchaus interessant, was eine größere Nachfrage sowie zahlreiche umgesetzte Beispiele in Unternehmen zeigt. In der Regel stehen Dachflächen auf Bürogebäuden, Lager- oder Produktionshallen zur Verfügung und bieten ausreichend Platz für die Installation von PV Anlagen. Die Investitionskosten für Aufdachanlagen erreichen je nach technischer Ausführung und Baugröße bereits mittlerweile ein Niveau von 1.000 Euro je KilowattstundePeak (kWp) – ab einer Größe von 100 kWp. Neben den technischen Fragen rund um die Statik der Dachflächen, Sicherheitsabständen, Abschattungen und dem erwarteten Ertrag ist eine geeignete Anlagengröße zu wählen. Geringe Einspeisetarife und der Vorzug bei Fördermittel (ab 2018) motivieren die Unternehmer Ihre Anlagen auf einen möglichst hohen Eigenverbrauch auszulegen. Typische Anlagengrößen variieren im Bereich 50 kWp bis 200 kWp. Oft stehen mehr Flächen zur Verfügung als für eine hohe Eigenverbrauchsanlage benötigt werden, in der Praxis bleiben daher Dachflächen ungenutzt. Herausforderungen bestehen in der Praxis in den komplexen Genehmigungsverfahren. Für gewerbliche Anlagen über 50 kWp sind je nach Bundesland gewerberechtliche Verfahren durchzuführen beziehungsweise eine elektrizitätswirtschaftsrechtliche Genehmigung einzuholen. Unsicherheiten bei den Mehrkosten für Umbaumaßnahmen am Gebäude oder auch an den elektronischen Einrichtungen stellen hierbei ein potenzielles Kostenrisiko dar. Anlagenförderungen im Unklaren, Stand Oktober Aktuell sind zwei Förderregime parallel gültig, die alte „Tarifförderung“ und „Investitionszuschüsse für Photovoltaikanlagen und Stromspeicher 2017“ neu. Die Tarifförderung alt umfasst ein Fördervolumen von acht Millionen Euro und besteht aus einer Investitionsförderung von voraussichtlich 375 Euro je kWp und Tarifförderung 7,27 Cent pro kWh für 13 Jahre. Der Investitionszuschuss ist auf maximal 40 Prozent gedeckelt. Der Fördereinreichzeitpunkt (vermutlich Jänner 2018) als auch die genaue Förderhöhe werden erst bekannt gegeben. Die Investitionszuschüsse für Photovoltaikanlagen und Stromspeicher 2017“ wurden durch die „kleine Ökostromnovelle“ ins Leben gerufen, die von der Bundesregierung im Juli 2017 abgesegnet wurde. Das zusätzliche Fördervolumen beträgt 15 Mio. € pro Jahr. Die Förderung besteht aus einer Investitionsförderung von 250 Euro pro kWp bei einer Anlagengröße von bis zu 100 kWp und ab 100 bis 500 kWp von 200 Euro je kWp. Der Investitionszuschuss ist auf maximal 30 Prozent gedeckelt. Diese Förderung beinhaltet keine Tarifförderung. Erleichterungen in der Antragstellung sind der Wegfall des Ökostrombescheids und die Abänderung des Einreichprinzips. Das „first come – first served“ Prinzip, wurde um Qualitätskriterien ergänzt: So werden beispielsweise Anlagen mit Stromspeicher oder einem hohen Eigenverbrauchsanteil bevorzugt. Erstmalig bietet das Gesetz auch eine Speicherförderung in der Höhe von 500 Euro je kWp (maximal zehn kWh je kWp installierter Leistung) an. Es sind nur Speicher in Kombination mit bestehenden oder neuen Photovoltaikanlagen förderfähig. Die neue Förderung tritt Anfang 2018 in Kraft, der Förderzeitpunkt (vermutlich März 2018) wird vom Bmwfw per Verordnung bekannt gegeben. (siehe Tabelle) Innovationen für die Zukunft Bei den PV-Modulen liegt ein hohes Innovationspotenzial neben den Wirkungsgradverbesserungen vor allem bei der Gewichtsreduktion der Module bzw. der Aufbauten selbst. Ein Modul mit Glasverbund samt Aluminiumrahmen wiegt ca. 20 Kilogramm pro Modul (ohne Montagesystem). Ein neuer österreichischer Anbieter, die Firma DAS Energy in Wiener Neustadt, sucht neue Wege um Dachflächen, welche aus statischen Gründen für konventionelle Module/Montagesysteme nicht ausreichend dimensioniert sind, zu erschließen. Die flexiblen Module bestehen aus konventionellen Siliziumzellen, die in Glasfaserverbundwerkstoffen einlaminiert sind. Damit wir ein ähnlicher Wirkungsgrad wie in konventionellen Modulen erreicht. Die Module wiegen aber deutlich weniger, nur mehr rund 3,3 Kilogramm pro Quadratmeter, was bei einer Standardmodulgröße 5,5 Kilogramm je Modul entspricht. Das relative hohe Gewicht für das Montagesystem (inklusive etwaiger Ballastierung) fällt weg. Für die Montage werden die Module mit dem Unterboden verklebt. Ob sich die Klebetechnik langfristig bewährt und der Kostenvorteil durch den Wegfall des Montagesystems die höheren Modulkosten ausgleicht wird sich dabei noch herausstellen. Durch ihre leichte Formbarkeit und Farbgestaltungsmöglichkeiten lassen Tarifförderung Fördervolumen 8 Mio. € 15 Mio. € Investitionszuschuss 375 €* / kWp (5 bis 200 kWp) Deckelung 40%* 30% Tarifförderung 7,27Cent/kWh* auf 13 Jahre keine Einreichzeitpunkt Jan 2018* März 2018* *Wird per Verordnung bekannt gegeben. Die Firma DAS Energy in Wiener Neustadt, sucht neue Wege um Dachflächen, welche aus statischen Gründen für konventionelle Module nicht ausreichend dimensioniert sind, zu erschließen sich diese Anlagen aber sehr gut mit architektonischen Anforderungen kombinieren. Weiters ist zukünftig ist zu erwarten, dass kostengünstige Batteriespeicher das Potenzial der energetischen Nutzung von Dachflächen erhöhen werden. Mit gewerblichen Batteriespeichern sollen die solaren Deckungsanteile von durchschnittlich zehn bis 20 Prozent auf 30 bis 40 Prozent gesteigert werden und den Eigennutzungsgrad erhöhen. Aktuell sind diese Lösungen aber wirtschaftlich noch nicht interessant. Investitionszuschüsse für PV und Stromspeicher 250 € / kWp bis 100 kWp, ab 100 bis 500kWp 200€/kWp Quelle: PV-Austria Entwicklung PV in Österreich
