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Ein regionaler Kreislauf: Von seltenen Erden bis zum Batterie-Recycling

Zwei Arbeiter am Zerkleinerer betrachten schwarzes Pulver unter einer Presse. (Bildrechte: TU Clausthal)

Die Transformation zur E-Mobilität schont fossile Rohstoffe und damit auch das Klima. Damit die Motoren trotzdem laufen, kommen vor allem Batterien zum Einsatz. Unsere Region spielt bei dieser Zukunftstechnologie eine wichtige Rolle: Von strategischen Rohstoffvorkommen wie Kobalt über die Batterieproduktion und Sicherheitsüberprüfung bis zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien bildet unsere Region den gesamten Lebenszyklus ab.

Der Bergbau im Harz war über Jahrhunderte das Rückgrat unserer Region. Während zu früheren Zeiten unter anderem Erz und Silber die wichtigsten Schätze waren, die aus dem Mittelgebirge gewonnen wurden, sind es heute eine Reihe anderer strategisch wichtiger Rohstoffe, die aus Absetzbecken und Teichen geborgen werden, die beim Anlegen von Bergwerken entstanden.

Seltene Metalle schlummern im Schlamm

Im Schlamm der Seen am Rammelsberg stöberten Rohstoff-Experten aus der Region unter anderem mehr als tausend Tonnen Kobalt auf – ein für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien unverzichtbares Metall.

Im „Recyclingcluster Wirtschaftsstrategischer Metalle“, dem REWIMET e.V. aus Clausthal-Zellerfeld, haben sich Industrieunternehmen, wissenschaftliche Institutionen und Gebietskörperschaften aus der Region zusammengeschlossen, um wichtige Rohstoffe wie Kobalt durch Recycling verfügbar zu machen und gleichzeitig die Umweltbelastung zu vermindern.

Im Kern geht es darum, Forschungsergebnisse durch Technologietransfer in Innovationen und in industrielle Praxis umzusetzen.
„Dieser kontinuierliche Transfer hat sich im Laufe der Jahre immer weiterentwickelt“, sagt Professor Daniel Goldmann vom Lehrstuhl für Rohstoffaufbereitung und Recycling am Institut für Aufbereitung, Deponietechnik und Geomechanik am Clausthaler Umwelttechnik Forschungszentrum (CUTEC).
Er schränkt aber auch ein: „Bergbauliche Aktivitäten von der Erkundung bis zur Erschließung und dem operativen Betrieb dauern in der Regel eher Jahrzehnte. Die Herausforderungen und Chancen, die die Bergeteiche bieten, sind sehr komplex.“

Ein Mann im dunklem Anzug.
Professor Daniel Goldmann von der TU Clausthal ist Vorstandsvorsitzender des Clausthaler Umwelttechnik Forschungszentrums und ein wichtiger Kopf im Harzer Recycling-Cluster. (Foto: TU Clausthal)

„Die Herausforderungen und Chancen, die die Bergeteiche bieten, sind sehr komplex.“

Prof. Daniel Goldmann

Bei optimalem Ablauf, schätzt der Experte, wird es noch etwa bis 2024 dauern, das Projekt einleiten zu können – und bis 2030, bis mit dem Abbau- und Aufbereitungsbetrieb begonnen werden könnte.
Im Bergbau, das wusste man schon immer, muss man eben einen langen Atem haben.

Dennoch glaubt auch die niedersächsische Landesregierung an das Potenzial. Mit rund vier Millionen Euro werden die Aktivitäten des „Sekundärrohstoffzentrums" gefördert. Das Projekt zur Rohstoffrückgewinnung und -Aufbereitung wird von regionalen Spezialunternehmen und dem REWIMET getragen.
Nun also wird die rund 1000-jährige Tradition der Metallgewinnung aus dem Harz also fortgesetzt – mit den technischen Mitteln der 2020er-Jahre.

Rekordversuch bei VW

Batterieherstellung und Sicherheit – Gigafabriken und Schock-Tests

Wenn seltene Metalle wie Kobalt zum Einsatz kommen, dann zunehmend in Akku-Batterien für E-Autos, für diese Zwecke sind sie kaum ersetzbar. Der größte Entwickler und Anwender von Batteriesystemen in unserer Region und in Deutschland insgesamt ist die Volkswagen AG.

Im Zuge der Umstellung auf die E-Mobilität erhöht das Volkswagen Group Components Werk in Braunschweig die jährliche Produktion auf eine halbe Million Batterien für Modelle wie den ID.3, den ID.4 und den ŠKODA ENYAQ iV.
Ab 2023 soll an dem Standort die Herstellung von Hybrid-Batteriesystemen ebenfalls ausgeweitet werden. Thomas Schmall ist der verantwortliche CEO und sieht die Transformation bei Volkswagen bereits in vollem Gang: „Die starke Nachfrage nach E-Modellen lastet unsere Anlagen voll aus“, sagt er.

Eine zentrale Rolle dabei spielt die Batteriezelle, meist auf Lithium-Ionen-Basis. Sie ist das Herzstück des alternativen Antriebs und dessen kleinste Einheit. Die Zelle speichert Energie und gibt sie wieder ab.
Ein Herzstück des regionalen Batterie-Kosmos wiederum ist Salzgitter. Hier tüftelt das Center of Excellence der Volkswagen Group Components an innovativen Konzepten für Batteriezellen und betreiben eine Pilotfertigung. In ganz großem Stil soll in Salzgitter ab 2024 die Einheitszelle für die VW-Massenmodelle produziert werden, in einer sehr großen, einer so genannten Giga-Fabrik.

Perspektivisch sollen hier 40 Gigawattstunden produziert werden, das sind Batteriezellen für 40 Milliarden Wattstunden Energieverbrauch. Eine kaum einzuordnende Zahl, aber ein markanter Schritt in Richtung CO2-neutraler Mobilität.   

Eine Batterie-Grafik.
Einmal aufgeschnitten: Die Batterie in ihren Einzelkomponenten. (Foto: Volkswagen AG)

Hier knallt und zischt es

Wer hat nicht schon davon gehört: Smartphone-Akkus, die in Flammen aufgehen und fast eine Katastrophe auslösen.
Um einen solchen Fall in den E-Modellen von Volkswagen von vorneherein auszuschließen, unterzieht der Konzern seine Batteriesysteme einer Serie von akribischen Sicherheitstests. In Braunschweig testet das Batterieentwicklungszentrum seine Energieträger auf Herz und Nieren. Unter anderem werden Batterien auf mechanische Schocks wie das Auffahren auf Bordsteinkanten und verschiedenen Temperaturen ausgesetzt. 

Ein Testschild leuchtet rot.
Ein Testschild leuchtet rot. In Braunschweig werden die Batteriesysteme von Volkswagen auf ihre Sicherheit überprüft. (Foto: Volkswagen AG)

Während E-Autos eine relativ neue Entwicklung sind, ist das Einsatzgebiet von Batterien fast unerschöpflich: Sie sitzen in Taschenlampen und Fahrrädern, im Kinderspielzeug oder in Laptop-Computern, aber auch in großen stationären Anlagen.
In all diesen Geräten muss die Sicherheit natürlich stets gewahrt werden.

Die Antwort auf diese enorm vielfältige Herausforderung ist der Batterie-Sicherheitscampus Deutschland in Goslar. An dieser bundesweit einmaligen Forschungseinrichtung sind unter anderem die TU Clausthal, das Fraunhofer Heinrich Hertz-Institut, das Energie-Forschungszentrum Niedersachsen, die CUTEC-Institut GmbH und die Allianz für die Region beteiligt.  

Da Lithium als Metall, erst einmal in Brand geraten, nur sehr schwer zu löschen sei, bedarf es zuverlässiger und sicherer Lösungen.
Dabei sollen Sensoren helfen, um heraufziehende Gefahren gar nicht erst akut werden zu lassen. Professor Wolfgang Schade und sein Team entwickeln neuartige Konzepte zur Batteriesicherheit und testen diese anschließend vor Ort in so genannten Großöfen.
Eine wichtige und gleichzeitig etwas ungewöhnliche Aufgabe, so der Professor: „Bei uns knallt es auch ab und zu.“

„Unsere Sensorik soll früh erkennen, wenn Batterien in einen kritischen Zustand geraten.“

Professor Wolfgang Schade vom Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut
Aus Alt mach Neu

Batterierecycling - Neues Leben aus zerkleinertem Metall-Granulat

Irgendwann gibt auch der stärkste Akku den Geist auf, so ist der Lauf der Dinge. Wenn es soweit ist, landet das Produkt aber nicht im Müll, sondern beginnt einen neuen Lebenszyklus – es lebt in anderer Form und unterschiedlichen technischen Komponenten weiter.

Eine Pilotanlage bei Volkswagen in Salzgitter erforscht seit diesem Jahr, wie wertvolle Rohstoffe, etwa Nickel, Kobalt oder Lithium, zurückgewonnen und in neuen Batteriesystemen wiederverwertet werden können – oder aber in Laderobotern und Schnellladesäulen.
Ist dies der Fall, werden nach der Tiefenentladung und Demontage die Einzelteile zu Granulat zerkleinert. Dieses wiederum enthält die wichtigen Stoffe in konzentrierter Form. Ein spannender Vorgang, der hier genau erklärt wird.

Am Ende des Kreislaufs steht schließlich wieder Daniel Goldmann. Der TU-Professor betreut mit REWIMET nicht nur die Projekte zur zukünftigen Bergung von seltenen Metallen, sondern auch eine Vielzahl an Aktivitäten, die das Ziel haben, Batterien, Elektronikschrotte und Mineralien zu recyceln. Das Innovationsforum Recyclingregion Harz versammelt dazu Experten und spezialisierte Unternehmen aus der Region, die überregional bedeutende Innovationstreiber sind.

Die Bedeutung des Harzes als Cluster für Recycling-Technologien könne gar nicht hoch genug eingeschätzt werden, sagt Goldmann: „Der Harz ist das Silicon Valley des Recyclings“, sagt der Wissenschaftler. Und er weiß genau, welchen Vergleich er damit anstellt.

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