In den kommenden Jahren wird das Volumen von Batterien, die am Ende ihres Lebens angelangt sind, exponentiell zunehmen. Da Batterien aus kritischen Rohstoffen gefertigt werden, kommt der Demontage und dem Recycling eine entscheidende Bedeutung zu. Damit diese skalierbar sind, ist Automatisierung erforderlich. Das Swiss Battery Technology Center (SBTC) nimmt sich der Herausforderung an.
Bild: Innosuisse
Batterien sind von grundlegender Bedeutung für die digitale Wirtschaft, für eine ökologischere Mobilität und für den Ausbau erneuerbarer Energien. Allerdings hat die Batterieherstellung erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Das Recycling von Batterien könnte einen wertvollen Beitrag zu einer verbesserten Umweltbilanz von Batterien leisten. Zudem hilft es, die Lücke zwischen Rohstoffnachfrage und Angebot zu schliessen.
Eine typische Lithium-Ionen-Batterie, mit der ein Elektrofahrzeug der Mittelklasse betrieben wird, wiegt rund 400 Kilogramm und besteht zu knapp einem Drittel aus Aluminium, zu gut 15 Prozent aus Grafit, zu je zehn Prozent aus Elektrolyten und Nickel sowie zu je fünf Prozent aus Kupfer und Kunststoffen. Die seltenen Metalle Lithium und Kobalt machen je rund zwei Prozent des Gesamtgewichts aus. Die Rohstoffe in den Batterien sind Schlüsselelemente für die Energie- und Verkehrswende. Europa selbst verfügt aber nur in sehr begrenztem Ausmass über Rohstoffe und ist entsprechend auf Importe angewiesen. Die EU stuft die Mehrheit der Rohstoffe zur Batterieherstellung als kritisch ein, da die Versorgungssicherheit nicht gegeben ist. Nur schon aus letzterem Grund ist es von strategischem Interesse, diese Rohstoffe am Lebensende einer Batterie im Kreislauf zu halten. Das heisst wiederum, dass aus ausgedienten Batterien möglichst neue entstehen sollen. Allerdings bringt die dafür notwendige Demontage einige Herausforderungen mit sich.
Nur mit einer hohen Rückgewinnungsrate für die einzelnen Rohstoffe kann deren Abbau reduziert werden. Zudem müssen sie nach dem Recycling eine hohe Qualität haben, damit sie wieder der Batterieproduktion zugefügt werden können. Der Recycling- und Wiederaufbereitungsprozess soll möglichst energieeffizient gestaltet sein: Das Umgehen thermischer Prozesse wie das Einschmelzen von Materialien sorgt für eine gute Ökobilanz.
Das Volumen von Fahrzeugbatterien, die nach einer allfälligen Zweitnutzung als stationärer Speicher ihr Lebensende erreicht haben, wird in den nächsten 20 Jahren stark, wenn nicht sogar exponentiell zunehmen. Bereits 2035 werden in Europa Recyclingkapazitäten für Lithium-Ionen-Batterien aus Fahrzeugen und anderen Anwendungen von ca. 900'000 Tonnen benötigt. Entsprechend müssen Verfahren entwickelt werden, die skalierbar sind.
Das Swiss Battery Technology Center (SBTC) des Switzerland Innovation Park Biel/Bienne nimmt sich den Herausforderungen in Zusammenarbeit mit zwei weiteren Organisationen an. Im Rahmen des Eurostars-Projekts LAMBDA soll eine Anlage entwickelt werden, um Roboter mithilfe modernster KI für die Demontage von Batterien aus Elektrofahrzeugen zu trainieren. Dabei soll möglichst auf Prozesse verzichtet werden, die die Batterien zerstören. Dies ist für Automatisierung und Robotik herausfordernd: Zum einen muss der Roboter lernen, mit Batterien von unterschiedlichsten Herstellern umzugehen. Zum andern haben die Batterien und die darin verbauten Komponenten ganz verschiedene Formfaktoren, unterscheiden sich in Bezug auf ihre Festigkeit, sind oft verklebt, verschweisst oder vergossen. Nach zehn oder fünfzehn Betriebsjahren weisen sie zum Teil erhebliche Gebrauchsspuren auf, können korrodiert oder verschmutzt sein. Auch ist die Demontage von Batterien mit erheblichen Gefahren verbunden. Werden sie falsch gehandhabt, können giftige Dämpfe entweichen oder Brände entstehen. «Dank KI-unterstützter Robotik werden Menschen gefährlichen Tätigkeiten weniger ausgesetzt und gleichzeitig die wichtigen Rohstoffe energieeffizient zurückgewonnen», sagt Christian Ochsenbein, der Leiter des SBTC.
Die heutige Robotik scheitert an der Komplexität der Aufgabe. Allerdings versprechen Verfahren des maschinellen Lernens eine Verbesserung. In diesem Projekt wird zuerst in einer virtuellen, fotorealistischen und physikalisch korrekten Umgebung die Aufgabe simuliert und dem Roboter an hochdetaillierten digitalen Batteriemodellen die nötigen Schritte antrainiert. Dazu gehören das selbstständige Erkennen von Komponenten, die Navigation und das Manipulieren der einzelnen Teile. Die erlernten Aufgaben werden dann aus Sicherheitsgründen an Batterie-Attrappen in einer echten Umgebung getestet. Dies erlaubt das Verfeinern der Fertigkeiten des Roboters, bevor das SBTC demnächst Versuche zur automatischen Demontage von normalen ausgedienten Fahrzeugbatterien starten möchte.
