Der Weg zu zirkulären Geschäftsmodellen für Elektrofahrzeugbatterien

Beitrag in der et – Energiewirtschaftliche Tagesfragen im September 2019

Die Kreislaufwirtschaft (Circular Economy) erweist sich als effektiver Weg zur Erreichung der Klimaziele und zur Ressourcensicherheit wichtiger Technologien wie Batteriespeicher für Elektrofahrzeuge. Eine strukturierte Befragung wichtiger Akteure und Experten entlang der Wertschöpfungskette zeigt, dass Batterie-, Automobilhersteller, Energieunternehmen und Recycler zukünftig von einer Umsetzung zirkulärer Geschäftsmodelle ausgehen. Der Übergang zu zirkulären Ansätzen wie „Battery as a Service“, „Second-Life“ und „Recycling“ wird jedoch derzeit durch bestehende technische, organisatorische, regulatorische und wirtschaftliche Barrieren verzögert. Die Untersuchung identifiziert aus der Stakeholder-Perspektive kritische Erfolgsfaktoren für einen beschleunigten Übergang. Hierzu gehört insbesondere die Kooperation der Sektoren Energiewirtschaft und Mobilität.

Potenzial der Circular Economy für Elektrofahrzeugbatterien

Mit einem Anteil von 27 % im Jahr 2016 trägt der Verkehrssektor erheblich zu den energiebedingten CO₂-Emissionen in Deutschland bei und ist insbesondere angesichts der steigenden Emissionen im letzten Jahrzehnt zu einem Sorgenkind für die Erreichung der Klimaziele geworden [1]. In diesem Kontext gewinnen Elektrofahrzeuge zunehmend an Bedeutung, da sich diese u. a. durch eine höhere Effizienz im Vergleich zu Verbrennern auszeichnen, welche zu geringeren Treibhausgas-Emissionen und Kosten im Betrieb führt. Diese Vorteile von Elektrofahrzeugen werden jedoch momentan durch den Energieaufwand und den Bedarf an kritischen Rohstoffen (z. B. Lithium und Kobalt) für die Batterieproduktion [2, 3] sowie die höheren Anschaffungskosten geschmälert. In diesem Kontext wird die Kreislaufwirtschaft oft als ein Lösungsansatz vorgeschlagen, um den Rohstoffbedarf und die Umweltwirkung zu verringern sowie neue Wertschöpfungsmöglichkeiten zu schaffen [4, 5, 6, 7].

Die Ansätze der Circular Economy bieten Potenziale zur Verbesserung der Klimabilanz und Verringerung des kritischen Rohstoffbedarfs, wobei diese jedoch stark von den jeweiligen Rahmenbedingungen abhängen. So kann, wie in [2] und [3] gezeigt, der Einsatz erneuerbarer Energien in der Batterieproduktion bspw. den energiebedingten CO₂-Fußabdruck der Batterie um knapp die Hälfte von 106 auf 62 kg CO₂-Äquivalente je Kilowattstunde Batteriekapazität reduzieren. Zudem kann für das in [2] untersuchte Szenario der langfristige Bedarf an primärem Kobalt und Lithium im Jahr 2050 durch Recycling um 65 % bzw. 39 % vermindert werden. Des Weiteren besitzen Elektrofahrzeugbatterien trotz Alterung im Fahrzeug am Ende der dortigen Nutzungsdauer immer noch ausreichend Restkapazität, um in stationären Speicheranwendungen eingesetzt zu werden. Während die Weiternutzung gebrauchter Elektrofahrzeugbatterien in solchen „Second-Life“-Anwendungen, bedingt durch die Verdrängung stationärer Speicher mit geringerem Kobaltgehalt, für Kobalt zu einem Anstieg des primären Rohstoffbedarfs führt, können für Lithium weitere Einsparungen (ca. 1 % über den Zeitraum bis 2050) erzielt werden [2, 8].

Wie in [8] gezeigt, kann der Einsatz von Second-Life-Modulen in Hausspeichersystemen (HSS) und als Primärregelleistungsspeicher, aufgrund des mit ca. 17-54 €/kWh relativ geringen Aufbereitungsaufwandes, zu einer Einsparung der Investitionen für stationäre Speicher von jährlich bis zu 15-40 % führen. Wegen sinkender Neubatteriepreise reduziert sich diese Kosteneinsparung jedoch langfristig. Werden diese beiden Anwendungsfälle mithilfe der Kapitalwertmethode bewertet, zeigt sich zudem, dass zirkuläre Geschäftsmodelle potenziell auch aus betriebswirtschaftlicher Sicht attraktiv sein können. Mit einem Restwert der Second-Life-Module von 16‑52 % des Marktpreises (abgeleitet aus [9]), führt ein Einsatz zur Bereitstellung von Primärregelleistung zu einer Erhöhung des Kapitelwerts um bis zu 66 % gegenüber einer Neubatterie [10].

Jedoch lassen sich die beschriebenen ökologischen und ökonomischen Potenziale zirkulärer Geschäftsmodelle nicht automatisch heben, sondern sie setzen ein effektives Kreislaufmanagement voraus. Es stellt sich somit die Frage, welche Barrieren einer praktischen Umsetzung von zirkulären Geschäftsmodellen für Elektrofahrzeugbatterien derzeit entgegenstehen bzw. welche Treiber und Technologien (sog. digitale „Enabler“) den Weg für Stakeholder entlang der Wertschöpfungskette bereiten können. Aus diesem Verständnis lassen sich erste Erkenntnisse ableiten, wie der Wandel hin zu einer Circular Economy aus Stakeholder-Perspektive gestaltet werden kann.

Methodik zur Bewertung der Umsetzbarkeit aus Stakeholder-Perspektive

Um das praktische Umsetzungspotenzial zirkulärer Geschäftsmodelle für Elektrofahrzeugbatterien zu bewerten, wurde eine dreiteilige Methodik entwickelt und angewandt. Aufbauend auf einer Literaturrecherche wurden zunächst Stakeholder über die gesamte Wertschöpfungskette von Elektrofahrzeugbatterien identifiziert, zirkuläre Geschäftsmodelle klassifiziert sowie allgemeine und batteriespezifische Treiber, Barrieren und Enabler der Circular Economy ermittelt. Die Ergebnisse der Literaturübersicht wurden anschließend mithilfe von vier explorativen Experteninterviews mit Vertretern der Automobil- und Recyclingindustrie sowie der Forschung [13] validiert und ergänzt, um eine Stakeholder-Übersicht zu erstellen, zirkuläre Geschäftsmodelle für Elektrofahrzeugbatterien zu definieren und weitere Treiber und Barrieren zu identifizieren.

Diese Ergebnisse flossen schließlich in eine schriftliche Stakeholder-Befragung ein, um die vorherigen Erkenntnisse zu validieren und zu ergänzen sowie die Bedeutung der identifizierten Treiber, Hemmnisse und Enabler für die Umsetzung zirkulärer Geschäftsmodelle für Elektrofahrzeugbatterien zu bewerten. Hierfür wurde ein Fragebogen entwickelt, der aus folgenden wesentlichen inhaltlichen Teilen besteht: Bewertung der Relevanz allgemeiner Treiber und Barrieren der Circular Economy für Elektrofahrzeugbatterien, Bewertung batteriespezifischer Treiber und Barrieren, Bewertung konkreter Treiber und Barrieren je Geschäftsmodell, Evaluierung der regulatorischen Rahmenbedingungen sowie der digitalen Enabler und eine abschließende Einordnung des praktischen Umsetzungspotenzials.

Insgesamt wurde dieser Fragebogen von 26 Experten über die gesamte Wertschöpfungskette von Elektrofahrzeugbatterien beantwortet. Neben Experten aus der Wissenschaft gehören hierzu auch Experten aus der Automobil- und Recyclingbrache, Second-Life-Batterieanbieter, Hersteller von Batteriepacks und -komponenten, Batterieanalysten, Vertreter aus der Rücklauflogistik sowie Netzbetreiber.

Zur Auswertung der Umfrageergebnisse zu den Treibern und Hemmnissen der zirkulären Geschäftsmodelle wurden die Antworten in Punktwerte übersetzt (starke Barriere=-1; Barriere=-0,5; neutral=0; Treiber=0,5; starker Treiber=1) und anhand der Anteile der Antworten gewichtet. Hieraus ergibt sich für jede abgefragte Barriere bzw. Treiber ein sog. „Impact Score“. Abschließend wurde aus den am stärksten bewerteten Barrieren und den Experteninterviews die kritischen Erfolgsfaktoren für ein effektives Kreislaufmanagement abgeleitet, welche den Handlungsbedarf konsolidieren und diesen den zuständigen Akteuren entlang der Batteriewertschöpfungskette zuordnen.

Treiber, Hemmnisse und Enabler für zirkuläre Geschäftsmodelle

Ausgehend von der Klassifizierung der Ansätze der Circular Economy nach [14, 15] wurden mögliche zirkuläre Geschäftsmodelle für Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen erarbeitet, die in Abb. 1 dargestellt sind. Der Prozess des „Stakeholder-Mappings“ über die Wertschöpfungskette von Elektrofahrzeugbatterien zeigt, dass bei Umsetzung von zirkulären Geschäftsmodellen die Anzahl der involvierten Akteure insbesondere in der Nutzungs- und „End-of-Life (EoL)“-Phase der Elektrofahrzeugbatterie zunimmt. Zudem ist durch den Einsatz von Elektrofahrzeugbatterien für Energiesystemdienstleistungen im Rahmen von beispielsweise „Vehicle-to-Grid“- und Second-Life-Konzepten eine zunehmende Kopplung des Mobilitätssektors und der Energiewirtschaft zu beobachten. Dies stellt durch die neue Konkurrenzsituation zum einen eine Herausforderung dar, bietet zum anderen jedoch die Chance neuer Wertschöpfungsmöglichkeiten für zwei Branchen, die sich in Anbetracht der Energie- und Mobilitätswende im Umbruch befinden.

Für die weitere Bewertung der zirkulären Ansätze im Rahmen des Fragebogens wurde mithilfe der Erkenntnisse aus den explorativen Interviews die Vielzahl an zirkulären Geschäftsmodelle wie folgt aggregiert: Im Sinne eines „Battery as a Service (BaaS)“ ermöglichen sog. „Leasing-“, „Sharing-“ oder „Swapping-“Konzepte den Zugang zur Batterie des Elektrofahrzeugs, während der Hersteller im Besitz der Batterie und der enthaltenen Materialien bleibt. Die Haupteinnahmequelle sind in diesem Fall die Zahlungen für den Einsatz der Batterie. Für Second-Life-Anwendungen werden gebrauchte Batterien aus Elektrofahrzeugen aufbereitet und in einer zweiten Nutzungsphase für die Bereitstellung von Energiesystemdienstleistungen (z. B. als Hausspeicher, für Regelleistung, zum Spitzenlastmanagement) eingesetzt. Das Recycling beinhaltet die Demontage und Aufbereitung von Altbatterien sowie die Rückgewinnung der enthaltenen Ressourcen. Analog zu BaaS-Konzepten kann das Recycling als Dienstleistung für Batteriehersteller angeboten werden, wobei der Hersteller im Besitz der Materialien bleibt und das Recycling-Unternehmen Einnahmen durch den angebotenen Service erzielt.

Die Ergebnisse aus der Literaturrecherche und der Stakeholder-Befragung zeigen, dass einige der übergreifenden Treiber und Hemmnisse der Circular Economy auch für zirkuläre Geschäftsmodelle für Elektrofahrzeugbatterien als wichtig erachtet werden. Zu den wichtigsten Treibern gehören z. B.:

• die erhöhte Datenverfügbarkeit über die gesamte Lieferkette bedingt durch die zunehmende Digitalisierung;
• neue Geschäftsmöglichkeiten durch wachsendes Nachhaltigkeitsbewusstsein;
• die steigende Bedeutung der Verwendung von Sekundärrohstoffen aufgrund der Durchführung von Nachhaltigkeitsbewertungen (z. B. Ökobilanzen) in Unternehmen;

Weiterhin wurden u. a. folgende wesentliche Barrieren der Circular Economy auch für Elektrofahrzeugbatterien als relevant eingestuft:

• das Risiko der Kannibalisierung des aktuellen Produktportfolios durch erhöhte Konkurrenz zwischen bestehendem linearen und neuem zirkulären Produktangebot;
• mangelnde Transparenz über Ressourceninhalt und -herkunft sowie fehlende Standardisierung von Produkten;
• die unsichere Rentabilität und das finanzielle Risiko aufgrund des unsicheren Marktes für die Circular Economy, z. B. durch hohe Vorabinvestitionen sowie ungewisse Kapitalrendite.

Die Bewertungsergebnisse für batteriespezifische Hemmnisse werden in Abb. 2 anhand des Impact Scores dargestellt (Auswahlkriterium: Betrag des Impact Scores >0,25). Es zeigt sich, dass das Batteriedesign einen sehr wichtigen Faktor darstellt und sowohl die fehlende Standardisierung von Modulen und Packs als auch schwer lösbare Verbindungen große Barrieren für zirkuläre Geschäftsmodelle am Lebensende darstellen können. Zudem erachten die Experten die mangelnde Kooperation zwischen den Stakeholdern der Energiewirtschaft und des Mobilitätssektors als eine kritische Barriere für die Implementierung zirkulärer Geschäftsmodelle.

Den in Abb. 2 dargestellten Hemmnissen stehen derzeit jedoch bereits einige Treiber entgegen. So sehen fast 80 % der Befragten die Urbanisierung und die damit verbundenen neuen Mobilitätskonzepte als einen Trend, der die Nachfrage nach zirkulären Ansätzen erhöht. Mit einem Anteil von 90 % sieht ein Großteil zudem die Energiewende als einen der wichtigsten Treiber an, da mit ihr nicht nur eine steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, sondern auch nach stationären Speichern und somit potenziellen Second-Life-Anwendungen einhergeht.

Der regulatorische Rahmen wurde anschließend noch einmal separat analysiert. Dabei stellt sich die europäische „Battery Directive“ von 2006 als besonders hemmend heraus, da sie keine materialspezifischen Recyclingquoten fordert und keine Anreize setzt, die Sammel- und Recyclingraten über das Minimum zu erhöhen. Zudem werden im Rahmen der Direktive die Umsetzung innovativer Ansätze wie bspw. Second-Life und die Weiterentwicklung der Batterietechnologien nicht ausreichend berücksichtigt [16]. Mehr als die Hälfte der Befragten ordnen Gefahrstoff- und Chemikalienverordnungen wie bspw. REACH als regulatorisches Hemmnis ein, weil hierdurch der Einsatz von innovativen Materialien und Sekundärrohstoffen verhindert werden kann. Zudem stellt für ebenfalls mehr als die Hälfte die Unsicherheit bezüglich der Eigentums- und Haftungsverhältnisse von Batterien am Lebensende eine Barriere dar. Auf der anderen Seite bestehen jedoch bereits einige Treiber, die eine Umsetzung zirkulärer Aktivitäten begünstigen. Hierzu gehören die durch die europäische Kommission eingeführten „Innovation Deals on Circular Economy“, im Zuge derer regulatorische Hemmnisse z. B. für Second-Life-Ansätze und Recycling von Elektrofahrzeugbatterien durch die Akteure identifiziert und Maßnahmen eingeleitet werden.

Die Auswertungen der Detailergebnisse zu den drei Arten von zirkulären Geschäftsmodellen münden schließlich in den in der Tabelle zusammengefassten wichtigsten Barrieren. Hierbei stellt sich zudem die Relevanz von digitalen Technologien heraus, die nicht nur die Rolle von Enablern übernehmen, indem sie die Umsetzung zirkulärer Geschäftsmodelle ermöglichen, sondern in Zukunft auch selbst im Zentrum disruptiver Geschäftsmodelle stehen können. Diese neuen Geschäftsmöglichkeiten können im Rahmen eines datengetriebenen Kreislaufmanagements sowohl durch bestehende als auch durch neue Systemanbieter ergriffen werden.

Kritische Erfolgsfaktoren zur Umsetzung in der Praxis

Die Stakeholder-Befragung zeigt, dass aus der Akteursperspektive zwar zahlreiche Barrieren bestehen, diese jedoch die Umsetzung von zirkulären Geschäftsmodellen für Elektroautobatterien nicht verhindern. Denn über 90 % der Umfrageteilnehmer unterstützen die Aussage, dass Second-Life-Anwendungen sinnvoll sind. Zudem wird die Wahrscheinlichkeit der Umsetzung von Battery as a Service und Recycling von den Befragten bis 2027 um ca. 30 % höher eingestuft als bis 2023, was zeigt, dass eine Entwicklung dieser Geschäftsmodelle und ein Abbau der Barrieren erwartet wird. Nichtsdestotrotz gibt mit 3 % nur ein sehr kleiner Teil der Befragten an, dass die Umsetzung von zirkulären Geschäftsmodellen aus ihrer Sicht ohne Weiteres möglich ist.

Aus den Ergebnissen der Literaturrecherche, der Experteninterviews und der Befragung lassen sich für die erfolgreiche Umsetzung eines zirkulären Wertschöpfungsnetzwerks für Elektrofahrzeugbatterien die folgenden (in Abb. 3 dargestellten) kritischen Erfolgsfaktoren ableiten:

• Erstens, muss das Design von Traktionsbatterien von Anfang an das Lebensende berücksichtigen („Design for Disassembly“). Dafür müssen Mindeststandards eingeführt werden, die einen gemeinsamen Nenner bzgl. Batteriegehäuse und Fügeverfahren definieren, sodass die Wieder- bzw. Weiterverwendung sowie das Recycling wirtschaftlich durchgeführt werden können.
• Zweitens, muss ermöglicht werden, dass die Unternehmen entlang der Batteriewertschöpfungskette und zwischen den Sektoren Verkehr und Energiewirtschaft miteinander hinreichend kooperieren. So wird von knapp der Hälfte der Befragten die Notwendigkeit festgestellt, neue Partnerschaften und Plattformen zu etablieren, um z. B. unternehmensübergreifende, datengetriebene Geschäftschancen zu heben.
• Drittens, müssen globale Rücknahmesysteme etabliert werden, um die erforderlichen Batterievolumina für Second-Life und Recycling zu gewährleisten. Ein Weg hierfür ist die Entwicklung neuer Eigentumsmodelle, in denen die Hersteller auch über den Verkaufszeitpunkt hinaus Verantwortung für das Produkt übernehmen. Damit muss auch die Lösung der Gewährleistungsfrage in Second-Life-Anwendungen einhergehen.
• Viertens, müssen seitens des Regulators stärkere Anreize für die Wieder- und Weiterverwendung von Batterien gesetzt sowie höhere Sammel- und Recyclingraten gefördert werden. Diese Notwendigkeit wurde auch von der Europäischen Kommission erkannt, sodass sich die Batteriedirektive aktuell bereits in einem Überarbeitungsprozess befindet, wobei Expertenkreise davon ausgehen, dass die überarbeitete Version stärkere Anreize für eine Circular Economy enthält.

[1] Pichlmaier, S. et al.: Development of Application-Related Emissions in the Course of the German Energy Transition. In: IEWT 2019 11. Internationale Energiewirtschaftstagung. Wien: TU Wien, 2019.
[2] Regett, A. et al.: Environmental Impact of Electric Vehicles: Potential of the Cir-cular Economy? In: 13. Internationale MTZ-Fachtagung Zukunftsantriebe. Frankfurt am Main: ATZ live, 2019.
[3] Regett, A. et al.: Klimabilanz von Elektrofahrzeugen – Ein Plädoyer für mehr Sachlichkeit. München: FfE e.V., 2018.
[4] Report of the Commission on the implementation of the Circular Economy Action Plan. Brussels: European Commission, 2019.
[5] Olsson, L. et al.: Circular Business Models for Extended EV Battery Life. Batteries, 4(4), 57, 2018.
[6] Drabik, E. et al.: Prospects for electric vehicle batteries in a circular economy. Brussels: CEPS, 2018.
[7] Electric vehicles from life cycle and circular economy perspectives – TERM 2018: Transport and Environment Reporting Mechanism (TERM) report. Luxembourg: EEA, 2018.
[8] Regett, A. et al.: Cost and Metal Savings through a Second-Life for Electric Vehicle Batteries. In: ENERDAY 2019. Dresden: TU Dresden, 2019.
[9] Martinez-Laserna, E. et al.: Battery second life: Hype, hope or reality? A critical review of the state of the art. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 93, 701-718, 2018.
[10] Betrachtungszeitraum 20 Jahre [11] inkl. Batterieersatz bei Unterschreitung des Kriteriums eines „State-of-Health“ von 50 % [12].
[11] Thielmann, A. et al.: Technologie-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030. Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2015.
[12] Thein, S. et al.: Decision making model for lifecycle assessment of lithium-ion battery for electric vehicle – A case study for smart electric bus project in Korea. Journal of Power Sources, 249, 142-147. 2014.
[13] Die Experteninterviews wurden mit Dr. Christian Hagelüken, Umicore, Dr. Bodo Gohla-Neudecker, BMW, Prof. Dr. Armin Reller, Universität Augsburg, und einem Experten für Second-Use von Daimler durchgeführt.
[14] Rizos, V. et al.: The Role of Business in the Circular Economy: Markets, Processes and Enabling Policies. Brussels: CEPS, 2018
[15] Rizos, V. et al.: The Circular Economy: A review of definitions, processes and impacts. Brussels: CEPS, 2017.
[16] Commission Staff Working Document on the evaluation of the Directive 2006/66/EC on batteries and accumulators and waste batteries and accumulators and repealing Directive 91/157/EEC. Brussels: European Commission, 2019.
[17] Auswahlkriterium: Betrag des Impact Scores >0,4. Im Fall von BaaS-Modellen wurden die Treiber und Hemmnisse im schriftlichen Fragebogen erstmalig erfasst, wodurch die Mehrfachnennung und die Deckung mit den Erkenntnissen der explorativen Interviews als Auswahlkriterien verwendet wurden.