Critical Raw Materials for Electric Vehicles: Economic and Environmental Assessment

Innerhalb der Europäischen Union und vieler Länder weltweit gibt es Bestrebungen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und so den Auswirkungen des Klimawandels entgegenzuwirken. Die Umstellung auf Elektrofahrzeuge stellt einen wichtigen Schritt in diese Richtung dar, hängt jedoch stark von der Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit kritischer Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel und Seltenerdelementen ab, die für die Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien und anderen Komponenten benötigt werden. Daher ist es wichtig, die kritischen Rohstoffe für die Elektrofahrzeugproduktion zu identifizieren und ihre Wirtschaftlichkeit und Umweltauswirkungen zu bewerten. Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist die Bewertung der wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen der Verwendung kritischer Rohstoffe bei der Produktion von Elektropersonenkraftwägen mit einem Schwerpunkt auf der Batterietechnologie. Die Bearbeitung des Ziels erfolgt dabei mittels einer Literaturrecherche, um einen Überblick über bestehende Literatur zu erhalten, Berechnungen der Herstellungskosten der Batteriechemien sowie einer Prognose der Produktionskosten für Elektrofahrzeuge, um den wirtschaftlichen Einfluss von kritischen Rohstoffen zu bewerten. Zusätzlich werden eine Life Cycle Analyse ohne die Nutzungsphase, um die Umweltauswirkungen der betrachteten Batterierohstoffe zu quantifizieren und Szenarioanalysen, um den Einfluss der Variation von Parametern festzustellen, durchgeführt. Generell sind bei der Produktion von Elektrofahrzeugen in der Arbeit nur Komponenten betrachtet worden, die sich bei ihren Materialien fundamental von Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen unterscheiden, wobei ein Fokus auf die Traktionsbatterie gelegt worden ist. Anfangs sind anhand der Kritikalitätsanalyse sowie der aktuellen Marktanteile der unterschiedlichen Kathoden- und Anodenzusammensetzungen von Lithium-Ionen-Batterien die Materialien Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt, Aluminium, Phosphor, Eisen, Graphit und Silizium als äußerst wichtig für die Produktion von Traktionsbatterien identifiziert worden. In Zukunft wird Natrium aufgrund von Natrium-Ionen-Batterien voraussichtlich ebenfalls eine wichtige Rolle hierfür spielen. Unter den Annahmen, dass keine Lagerbestände oder langfristige Verträge für Rohstofflieferungen existieren, würden sich Preisvolatilitäten durch Änderungen von Rohstoffpreisen bei der Batterieherstellung direkt auf die Herstellungskosten von Traktionsbatterien und in weiterer Folge jenen der batteriebetriebenen Elektropersonenkraftwägen auswirken. Sinkende Batterierohmaterialpreise würden also die Produktionskosten des Fahrzeuges senken, während steigende Rohstoffpreise das Gegenteil zur Folge hätten. Die anschließend durchgeführte Life Cycle Analyse zeigt, dass die bei der Batterieherstellung notwendigen Materialien bei ihrer Gewinnung, Verarbeitung oder ihrem Recycling signifikante Umweltauswirkungen wie abiotischen Ressourcenverbrauch, Wasserverbrauch, den Verbrauch von Primärenergie, den Ausstoß von Treibhausgasen sowie Versauerung und Eutrophierung verursachen. Der Großteil dieser Umweltauswirkungen tritt tendenziell bei der Verarbeitung der Erze zu den Batterierohmaterialien auf, und fällt je nach Batteriechemie bzw. dem betrachteten Indikator, anhand dem die Umweltlasten bewertet werden, sehr unterschiedlich aus. Bei der Analyse von Strategien zur Minderung wirtschaftlicher sowie umweltbezogener Risiken ist festzustellen, dass die Substitution von kritischen Materialien durch weniger kritische sowohl die Herstellungskosten senken kann, als auch in einigen Fällen eine Reduktion der Umweltlasten der Batterieherstellung ermöglicht. Das Recycling bzw. die Hinzunahme von vorgeschriebenen Mengen an Sekundärmaterial zeigt tendenziell ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Produktionskosten sowie das Treibhausgaspotential (GWP), da Sekundärmaterial aus dem Recycling, mit Ausnahme von Eisen beim GWP, niedrigere Kosten bzw. ein geringeres Treibhausgaspotential aufweist, als dasselbe Material bei Gewinnung sowie Verarbeitung aus dem Bergbau. Die wichtigsten Schlussfolgerungen dieser Arbeit sind daher, dass eine Durchführung des Recyclings von Traktionsbatterien im großen Maßstab für die Elektrifizierung des Transportsektors wichtig ist, um die Umweltauswirkungen der Batterieherstellung zu senken und, um durch die Verfügbarkeit von Sekundärmaterial signifikante wirtschaftliche und geopolitische Risiken zu mindern. Weitere Möglichkeiten, um die Umweltlasten der Elektrifizierung des Transportsektors zu senken sind unter anderem eine Steigerung der Materialeffizienz bei der Produktion bzw. die Verwendung kleinerer Akkus sowie eine Erhöhung der Verfügbarkeit von Sekundärmaterial durch eine hohe, gesetzlich vorgeschriebene Sammelquote von Altbatterien oder eine Steigerung der Recyclingeffizienz.