Die Energiewende nachhaltig gestalten

Wie lassen sich energieintensive Materialien ersetzen oder der Einsatz seltener Rohstoffe senken? Und wie lässt sich der Wert von Produkten innerhalb der Wirtschaft so lange wie möglich erhalten und dabei möglichst wenig Abfall und Abgase erzeugen? Die Energiewende trägt dazu bei, unsere natürlichen Grundlagen zu schützen, indem fossile Ressourcen wie Braunkohle oder Erdöl durch erneuerbare Energien ersetzt werden. Aber das ist nicht alles. Wichtig ist auch, verantwortungsvoll mit Ressourcen umzugehen und strategisch wichtige, begrenzt verfügbare Rohstoffe möglichst nachhaltig einzusetzen.

Ziel der Energiewende ist, langfristig unseren Energiebedarf mit grünem Strom und Wärme sowie sauberen Technologien zu decken. Gleichzeitig soll die Umwelt geschont und die Natur und Artenvielfalt erhalten bleiben. Auch die Abbaubedingungen von Rohstoffen, wie seltenen Erden, und anderen wichtigen Materialien müssen kritisch betrachtet werden.

Ob Auto, Laptop oder Smartphone – fast alle Dinge, die wir im Alltag nutzen, werden unter dem Einsatz großer Mengen natürlicher Ressourcen hergestellt. Und auch während ihrer Nutzung benötigen sie Energie, wofür wiederum Rohstoffe erforderlich sind: Energieanlagen, neue Energie- und Speichertechnologien, der Ausbau der Energieinfrastrukturen und auch die Elektromobilität haben einen erheblichen Ressourcenbedarf.

Wir benötigen täglich Rohstoffe – auch für die Energiewende

Besonders anschaulich wird das bei der Herstellung von Energiespeichern. Der Bedarf an Lithium für die Akkus in Elektrofahrzeugen, Laptops und Handys könnte laut aktueller Studien bis 2028 auf fast das zehnfache gegenüber dem Jahr 2017 auf rund 1,6 Millionen Tonnen steigen.

Der Bedarf an Nickel wächst laut Prognosen bis 2028 demnach sogar auf das 20-fache gegenüber 2017 und Kobalt immerhin auf den Faktor Fünf.  Bisherige Recycling-Quoten reichen nicht aus, um diesen zukünftigen Bedarf nachhaltig zu decken.

Deshalb müssen nicht nur wirtschaftsstrategische und begrenzt verfügbare Rohstoffe, sondern alle im Wirtschaftskreislauf umlaufenden Ressourcen geschützt, nachhaltig gewonnen und bestmöglich genutzt werden.

Eine wichtige Rolle spielt es dabei, Produkte und Technologien zu verbessern. Ziel der Forschenden ist daher zum Beispiel, knappe und teure Rohstoffe zu ersetzen oder den Wert von Produkten und der darin enthaltenen Ressourcen innerhalb der Wirtschaft so lange wie möglich zu erhalten, möglichst effiziente Anschlussnutzungen zu entwickeln sowie möglichst wenig Abfall und Abgase zu erzeugen.

Elektrodenmaterialien in Stromspeichern, Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren können beispielsweise robuster und auch wirksamer gemacht werden, sodass weniger von diesen Materialien benötigt und sie weniger schnell ausgetauscht werden müssen. Für einige Speichertechnologien wie Redox-Flow-Batterien oder Batterien auf Natriumbasis sind weniger seltene Rohstoffe notwendig als für die Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus.

Recycling und Kreislaufwirtschaft: Wegschmeißen war gestern

Gerade für den Industrie- und Technologiestandort Deutschland sind Ressourceneffizienz und das zirkuläre Wirtschaften entlang der gesamten Wertschöpfungskette wichtig, damit die Wirtschaft künftig weiter wächst. Optimal umgesetztes Recycling spart nicht nur Kosten bei der Herstellung, sondern dient auch als Absicherung gegen schwankende Rohstoffpreise.

Einen weiteren Forschungsansatz zur Ressourcenschonung gibt es beispielsweise im Leichtbau, indem Energieanlagen oder -bauwerke insgesamt mit weniger Gewicht entworfen werden. Dann muss für ihren Bau auch weniger Material verwendet und transportiert werden.

Um mitunter knappe Rohstoffe zu schonen, ist eine hohe Lebensdauer von Photovoltaikanlagen ein wichtiges Ziel von Forschung und Entwicklung. Angepasste Materialien oder Wartungskonzepte tragen dazu bei. Für Anlagen, die ihre Lebenszeit überschritten haben – sogenannte End-of-Life-Module – werden geeignete Recycling-Strategien benötigt.

Eine Herausforderung hierbei: Besonders die früheren Module enthalten vergleichsweise viel Blei. Schwermetalle und andere Schadstoffe müssen beim Recycling abgetrennt und sicher entsorgt werden. Neue Zellkonzepte und Module sollen umweltunverträgliche Materialien von Anfang an minimieren beziehungsweise vollständig ersetzen.

Ressourceneffizienz schon beim Produktdesign mitdenken

In der Windenergie zielt die ressourcenbezogene Energieforschung zum Beispiel auf die Entwicklung von Anlagen, die bereits in der Design-Phase den Aufwand für Herstellung, Betrieb, Rückbau und Recycling sowie auch die Anbindung von Anlagen und Windparks an das Stromnetz berücksichtigen.

Nicht zuletzt kann die Digitalisierung dazu beitragen, dass Fachleute Produkt- und Stoffkreisläufe besser nachverfolgen können: Ist ein Produkt kaputt, fehlt ihnen oft das Wissen darüber, wie es zusammengesetzt ist und aus welchen Einzelteilen es besteht. Chancen und Risiken von solchen digitalen Systemen und Instrumenten gilt es ebenso zu erforschen wie eine Verknüpfung mit dem Industriedesign. Denn schon beim Design erfolgen die wichtigsten Weichenstellungen für eine bestmögliche, nachhaltige Ressourcenverwertung.

Die systemübergreifende Energieforschung zu Ressourceneffizienz im Kontext der Energiewende orientiert sich am Konzept des zirkulären Wirtschaftens (Circular Economy, deutsch: Kreislaufwirtschaft). Der Fokus liegt dabei auf technologieübergreifenden kreislauffähigen Produkten, Komponenten, (zukünftigen) Energiedienstleistungen oder auch (digitalen) Geschäftsmodellen.

In Deutschland sind die Hersteller von Batterien dazu verpflichtet, Altgeräte kostenlos zurückzunehmen. Während Gehäuse und Komponenten bereits heute wirtschaftlich recycelt werden können, kostet die Demontage und Wiederaufbereitung von Lithium, Graphit, Kobalt und anderen wertvollen Rohstoffen bislang noch sehr viel Energie.

Immerhin besteht ein Lithium-Ionen-Akku aus bis zu 100 sehr kleinteiligen Einzelteilen. Ob durch Schmelzen, Schockwellen oder chemische Reaktionen – Forschungsteams und  Unternehmen arbeiten bereits mit Hochdruck an Methoden, möglichst viel aus den Alt-Batterien herauszuholen.

Fast jeder Hersteller von Elektro-Fahrzeugen hat bislang sein eigenes Rezept und einen eigenen Bauplan für Speicher. Die vielen individuell verschiedenen Technologien und Zusammensetzungen auf dem Markt machen es umständlicher, den Recycling-Prozess flächendeckend zu automatisieren.

Um die Recycling-Quote zu erhöhen, kann es daher sinnvoll sein, die Produkte zu standardisieren und so zu entwickeln, dass sie auch leicht auseinandergebaut und die Rohstoffe recycelt werden können.

Zweites Leben für ausrangierte Batterien aus Elektrofahrzeugen

Auch modulare Baukonzepte in Stromspeichern können dazu beitragen, Ressourcen zu sparen. Einige Fahrzeughersteller bieten bereits Speicher an, bei denen einzelne Zellen ausgetauscht werden können, wenn sie kaputt sind.  

Einige Automobilhersteller arbeiten an einem geschlossenen Lebenszyklus der Batterien für Elektrofahrzeuge. Auch Geschäftsmodelle wie das Mieten von Batterien können die Recycling-Quote erhöhen.

Zudem können ausrangierte Batterien aus Elektrofahrzeugen anderweitig eingesetzt werden. Zu Hunderten zusammengeschlossen reicht die Speicherkapazität oft noch aus, um als modularer Großspeicher Erzeugungsspitzen im Stromnetz auszugleichen.  So eine Weiternutzung wird „Second life“, „Second use“ oder auch „Re-use“ genannt.