Development of Instruments for a Circular Energy Economy

Potential of the Circular Economy to Reduce the Critical Resource Demand and Climate Impact of Electric Vehicle Batteries

Dissertation von Anika Regett - eingereicht am 13.11.2019 bei der Technischen Universität München, angenommen am 17.3.2020 durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik.

Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Andreas Jossen

Prüfer der Dissertation:

1. Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner

2. Prof. Dr. rer. nat. Liselotte Schebek

 

Kurzfassung:

Die Kreislaufwirtschaft wird oft als mögliche Lösung vorgeschlagen, um dem Auftreten neuer Ressourcen- und Umweltrisiken durch die Energiewende entgegenzuwirken. Neben Recycling umfasst diese auch Ansätze wie Effizienzmaßnahmen, erneuerbare Energien, Sharing-Konzepte und Second-Life (SL)-Anwendungen. Das tatsächliche Potenzial von zirkulären Ansätzen Treibhausgas (THG)-Emissionen und den kritischen Rohstoffbedarf zu reduzieren, hängt jedoch von deren technischer Machbarkeit, technologischen Entwicklungen, Wechselwirkungen mit dem zukünftigen Energiesystem sowie Umsetzungshemmnissen ab. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Methodik zu entwickeln, die eine systematische Bewertung des Potenzials von zirkulären Ansätzen zur Reduktion des kritischen Rohstoffbedarfs und der Klimawirkung von Schlüsseltechnologien ermöglicht, und diese am Beispiel Elektrofahrzeugbatterien anzuwenden.

Hierfür werden zunächst der kritische Rohstoffbedarf und die Klimawirkung von Elektrofahrzeugbatterien auf Basis aktueller Literatur identifiziert, um die Relevanz einer detaillierten Bewertung von zirkulären Ansätzen für Batterien aufzuzeigen. Daraufhin wird die technische Machbarkeit von zirkulären Ansätzen analysiert, indem die Eigenschaften von Traktionsbatterien den Anforderungen der zirkulären Ansätze gegenübergestellt werden. Anschließend werden die ausgewählten, technisch realisierbaren Ansätze hinsichtlich der Einsparung an kritischen Rohstoffen und THG-Emissionen bewertet. Aufgrund der Integration von Elektrofahrzeugen in ein immer komplexer werdendes Energiesystem, werden hierfür Bewertungsmethoden entwickelt, die sowohl zukünftige Entwicklungen als auch Energiesystemeffekte berücksichtigen. Abschließend wird das Umsetzungspotenzial eingeordnet, indem die Wirtschaftlichkeit ausgewählter zirkulärer Ansätze für Elektrofahrzeugbatterien bestimmt und weitere kritische Faktoren für die umsetzenden Akteure identifiziert werden.

Aus diesem Vorgehen resultiert ein Satz an Instrumenten, die technologische Entwicklungen und Wechselwirkungen mit dem sich wandelnden Energiesystem in die Emissions- und Ressourcenbewertung einbeziehen. Die entwickelten Instrumente umfassen Verfahren zum Umgang mit Unsicherheiten bezüglich zukünftiger Entwicklungen, Methoden zur Emissionsbilanzierung und zur Kopplung von Umweltbewertungsmethoden mit Batterie- und Energiesystemmodellen. Die quantitative Anwendung auf die ausgewählten zirkulären Ansätze zeigt, dass die Klimawirkung der Batterieproduktion durch Energieeffizienz und den Einsatz erneuerbarer Energien verbessert werden kann, da die Größe und die Art der Energieversorgung der Produktionsanlage wichtige Einflussfaktoren darstellen. Es wird weiterhin aufgezeigt, dass Elektrofahrzeuge mit dem Ausbau von erneuerbaren Energien und einem optimierten Lademanagement einhergehen müssen, um die Vorteile der Elektromobilität in der Nutzungsphase voll auszuschöpfen. Da SL-Anwendungen nicht automatisch zu kritischen Rohstoff- und Kosteneinsparungen führen, müssen bei der Umsetzung von zirkulären Konzepten am Lebensende Alterungsverhalten, Zeitabhängigkeiten und Verdrängungseffekte Berücksichtigung finden. Insgesamt bietet die Kreislaufwirtschaft, im Falle eines Abbaus aktueller Hemmnisse und einer engeren Zusammenarbeit zwischen der Energiewirtschaft und dem Verkehrssektor, Potenziale zur Reduktion der Klimawirkung und des kritischen Rohstoffbedarfs für Elektrofahrzeugbatterien. Die tatsächliche Auswirkung hängt jedoch stark von Wechselwirkungen mit dem Energiesystem und zukünftigen technologischen Entwicklungen ab. Daher ist bei der Bewertung von Klimaschutzmaßnahmen, wie beispielsweise Elektrofahrzeugen, sowie dem Einsparpotenzial durch zirkuläre Ansätze ein prospektiver Ansatz über den gesamten Lebenszyklus unbedingt erforderlich.

 

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