Recycling von Leistungselektronik aus Elektrofahrzeugen

Fahren künftig mehr Elektrofahrzeuge auf den Straßen, müssen zeitversetzt mehr E-Mobile recycelt werden. Hierbei liegt das Augenmerk neben Batterien und Elektromotoren auf der Leistungselektronik, denn sie enthält zum Teil wertvolle Metalle. Diese sollten in spezialisierten Elektronikrecyclinganlagen rückgewonnen werden. So lassen sich strategisch wichtige Metalle, insbesondere Edelmetalle wie Gold, Silber und Palladium, mit über 90 % zurückerhalten. Das zeigt der Vergleich mit dem herkömmlichen Recycling im Autoshredder, bei dem ein Großteil der Edelmetalle verloren geht.


Die Zukunft der individuellen Mobilität mittels Pkw in Deutschland hat seit der UN-Klimakonferenz 2015 in Paris und dem im November 2016 vorgestellten Klimaschutzplan 2050 eine feste Zielrichtung. Um die bis 2030 vorgegebenen ambitionierten Treibhausgasreduktionsziele im Mobilitätssektor von 42 % zu erreichen, müssen treibhausgasneutrale Technologien ausgebaut werden. Eine tragende Rolle wird hierbei die Elektromobilität spielen, ein deutlicher Anstieg des Absatzes an Elektrofahrzeugen ist zu erwarten. Damit verbunden wird zeitversetzt das Aufkommen an zu recycelnden Elektrofahrzeugen ansteigen. Dies beinhaltet auch die Leistungselektronik, die in jedem Elektrofahrzeug als wichtiges Bindeglied zwischen Batterie und Motor fungiert und für das Energiemanagement eingesetzt wird.

Rückgewinnung durch Demontage

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Gläserner e-up! mit Leistungselektronik.

In der Vergangenheit ist bereits die Anzahl der Elektronikkomponenten in Fahrzeugen durch den zunehmenden Einsatz von Unterhaltungselektronik, Bordcomputern und anderen Komponenten angestiegen. Da die Zunahme der Elektronik in Pkw bei den derzeitigen Verwertungsrouten mittels Auto- und Post-Shredder mit zunehmenden absoluten Verlusten an strategischen Metallen verbunden ist, wurden bereits Forschungsvorhaben mit Demontageversuchen durchgeführt [1].
Doch stellt sich die Frage, ob eine Demontage der Elektronik, verbunden mit der weiteren Verwertung in speziellen Elektronikrecyclinganlagen, zu höheren Rückgewinnungsquoten von strategischen Metallen führt, und ob dies auch ökonomisch darstellbar ist. Ein wesentliches Hindernis sind oft die hohen Kosten für den Ausbau der kleinen, an verschiedenen Stellen verbauten Komponenten. Mit der Leistungselektronik wird eine zusätzliche Elektronikkomponente in Fahrzeugen verbaut, die sich im Gegensatz zu vielen kleineren Elektronikbauteilen durch ein höheres Gewicht sowie durch einen besseren Zugang für eine spätere Demontage auszeichnet.

Forschungsprojekt „Elektrofahrzeugrecycling 2020“

Aus diesem Grund untersuchte das vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit geförderte Projekt „Elektrofahrzeugrecycling 2020 – Schlüsselkomponente Leistungselektronik (ElmoReL 2020)“ die Optimierung des Recyclings der Leistungselektronik mittels Demontage und abgestimmter mechanischer und chemischer Aufbereitungstechniken, welche hohe Rückgewinnungsquoten auch für strategische Metalle ermöglichen.
Neben dem Recycling der in der Leistungselektronik enthaltenen Massenmetalle wie Aluminium, Eisen und Kupfer standen vor allem Verfahren zur Rückgewinnung von Edel- und Sondermetallen für die Elektromobilität im Vordergrund. Das Projekt wurde zwischen Dezember 2013 und November 2016 unter der Koordination des Öko-Instituts mit den Verbundpartnern Electrocycling GmbH, TU Clausthal, Volkswagen AG und PPM Pure Metals GmbH durchgeführt.
Nach den Vorgängerprojekten zum Recycling von Elektrofahrzeugkomponenten, die sich zum einen mit dem Recycling von Batterien und zum anderen mit elektrischen Fahrantrieben beschäftigt haben, beleuchtete ElmoReL 2020 die dritte wichtige Komponente von Elektrofahrzeugen.
Zur Bewertung der ökologischen Auswirkungen der verschiedenen Verwertungsrouten und möglicher Optimierungspotenziale wurden für die Behandlungswege Autoshredder, Elektrorecyclingroute sowie Elektrorecyclingroute mit chemischer Platinenentstückung Ökobilanzen erstellt. Darauf aufbauend ließ sich das ökologische Potenzial der Elektrorecyclingroute für ein Aufkommen von einer Million Leistungselektronikmodulen jährlich abschätzen.

Goldgrube Leistungselektronik

Die Leistungselektronik, die in Elektrofahrzeugen als wichtiges Bauteil für das Energiemanagement eingesetzt wird, transformiert die aus der Batterie kommende Energie und stellt diese dem Motor in der benötigten Form zur Verfügung. Sie hat aufgrund ihres Metallgehalts einen hohen Wert. Sie enthält zu rund 60 % Aluminium im Gehäuse sowie zu 12 % Kupfer in Kabeln und Platinen. Dazu in geringeren Mengen Edelmetalle wie Gold, Silber und Palladium, die in verschiedenen Bauteilen auf den Platinen vorkommen. Hochgerechnet auf eine Tonne Leistungselektronik ließen sich durch das gezielte Elektrorecycling schätzungsweise rund 7 g Gold, 23 g Silber, 1 g Palladium und 500 g Zinn mehr rückgewinnen als beim Recycling über den Autoshredder. Denn dieser arbeitet gröber, so dass diese Metalle als Stäube verloren gehen, wohingegen sich beim spezifischen Elektronikrecycling die Staubanteile deutlich reduzieren lassen.
Werden die Platinen mit den elektronischen Bauteilen der Leistungselektronik zusätzlich chemisch behandelt, können darüber hinaus Tantal und ein höherer Anteil des Zinns in den Platinen rückgewonnen werden. Dies hat jedoch einen hohen Behandlungsaufwand zur Folge und ist in der Gesamtbilanz mit keinen nennenswerten ökologischen Vorteilen verbunden. Es führt zudem zu Mehrkosten, die nicht durch den Erlös der rückgewonnenen Metalle gedeckt werden können.

Analyse der Leistungselektronik

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden Leistungselektronikeinheiten demontiert, um ihre stoffliche Zusammensetzung und den Demontageaufwand zu bestimmen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine manuelle Demontage prinzipiell möglich, aber zu zeitaufwendig für eine wirtschaftliche Umsetzung ist. Der Aufbau und die stoffliche Zusammensetzung der Einheiten sind ähnlich, allerdings variierten die Gewichte zwischen knapp 10 und gut 20 kg. Die größte Masse weist das Aluminiumgehäuse auf. Der Folienkondensator, welcher in einigen Leistungselektroniken zu finden ist, hat einen weiteren großen Gewichtsanteil und ist das größte Bauteil innerhalb der Leistungselektronik. Die wertvollen Metalle wie Gold, Silber und Palladium, sowie die Sondermetalle Zinn und Tantal finden sich in den 5 % der Platinen, wobei nur ein Teil Tantalkondensatoren enthält, und einige Hersteller auf diese vollständig verzichten. Die zuvor genannten Platinen wurden in einem separaten Schritt auf ihren Metallgehalt hin untersucht. Kupfer stellt dabei die Hauptfraktion dar, während Zinn im einstelligen Prozentbereich vorhanden ist. Das Hauptaugenmerk für das Recycling liegt aber auf den Edelmetallen Gold, Silber und Palladium, die nur in geringem Maß vorhanden sind.

Geöffnete Leistungselektronik eines VW e-up!.

Geöffnete Leistungselektronik eines VW e-up!.


Kombiniert man die durchschnittliche Zusammensetzung der Leistungselektronik mit dem durchschnittlichen Metallgehalt der Platinen, erhält man die durchschnittliche stoffliche Zusammensetzung der Leistungselektronik, auf deren Basis die ökologischen und ökonomischen Betrachtungen zur Rückgewinnung durchgeführt wurden.

Aktuelle Recyclingroute

Der derzeitige Stand der Technik beim Recycling von Altfahrzeugen ist der Autoshredder mit nachgeschaltetem Post-Shredder. Dies gilt auch für Elektrofahrzeuge, die nach dem Freischalten des Fahrzeugs und dem Ausbau bestimmter Komponenten, allen voran der Batterie, ebenfalls dem Shredder zugeführt werden. Ein Ausbau der Leistungselektronik erfolgt derzeit nicht unbedingt, da dieses Bauteil mit einem Gewicht von 10 kg oder mehr auch gemeinsam mit dem gesamten Fahrzeug verwertet werden kann.
In der Vorbehandlung – dem ersten Schritt des Recyclings – werden alle Betriebsflüssigkeiten wie etwa Motoröl, Kraftstoff und Bremsflüssigkeit entfernt, die Pyrotechnik der Airbags entschärft und bestimmte Bauteile wie etwa die Batterie entnommen. Im nächsten Schritt, der Demontage, werden Teile zur Wiederverwendung und Teile mit besonders wertvollen Werkstoffen wie etwa Katalysatoren ausgebaut. Die übrig bleibende Restkarosse wird gepresst und anschließend geshreddert. Es folgt eine Sortierung über verschiedene Trennstufen. Hieraus resultieren Eisenschrott sowie eine Aluminium- und eine Kupferfraktion, welche in die Metallverwertung kommen. Die übrigen Fraktionen, die Shredderleicht- und die Schredderschwerfraktion sowie die Stäube gelangen in eine Post-Shredderanlage. Dort werden die Eingangsströme über weitere Sortier- und Trennstufen immer feiner aufgetrennt und schließlich dem Recycling zugeführt.
Die einzelnen Teile der Leistungselektronik gelangen ebenfalls in die zuvor genannten Fraktionen. Beispielsweise kommt das Aluminiumgehäuse in die korrespondierende NE-Metallfraktion. Die Edelmetalle, welche sich überwiegend auf den Platinen finden, verteilen sich über die verschiedenen Fraktionen, reichern sich aber vor allem in der Shredderleichtfraktion an [2], von wo sie sich nur schwer zurückgewinnen lassen.

Verglichene Recyclingrouten

Der Ausbau und die Behandlung der Leistungselektronik mittels Prallmühle stellt den großen Unterschied zwischen der Autoshredderroute und den beiden Elektrorecyclingrouten dar. Die chemische Platinenentstückung, welche mittels Salzsäure und Wasserstoffperoxid durchgeführt wird, dient zur Separation der Bauteile auf den Platinen und ermöglicht deren selektives Recycling. Sie beschreibt den Unterschied zur konventionellen Elektrorecyclingroute.

Relevante Rohstoffrückgewinnung in der Zukunft

Für die Zukunft wird abgeschätzt, dass bei einem jährlichen Recycling von einer Million Elektrofahrzeugen etwa folgende Metallmengen über die Elektrorecyclingroute wiedergewonnen werden können: 7 t Zinn, 85 kg Gold, 300 kg Silber, 17 kg Palladium und 70 t Kupfer.
Zum Vergleich: Heute kommen im gesamten Elektrik- und Elektronikbereich in Deutschland 12 t Gold zum Einsatz [3]. Die Zahlen machen deutlich, dass bei einem künftigen Durchbruch der Elektromobilität – also bei einer jährlichen Neuzulassung von mehreren Millionen Fahrzeugen – ein optimiertes Recycling zu relevanten Ressourceneinsparungen führen kann. Und auch wirtschaftlich ist das Elektrorecycling realisierbar.

Rückgewinnungsquoten

Von entscheidender Bedeutung für das Forschungsvorhaben ElmoReL 2020 und die Bewertung der zu entwickelnden Verfahren sind die ökologischen Potenziale der Elektrorecyclingroute im Vergleich zur Autoshredderroute. Bei den Massenmetallen Eisen und Aluminium erreichen beide sehr hohe Rückgewinnungsquoten, so dass hier kein Zusatznutzen zu erzielen ist. Das ökologische Potenzial der Elektrorecyclingroute liegt vielmehr bei höheren Rückgewinnungsquoten für die Edelmetalle und Zinn.
Für diese Metalle wurde abgeschätzt, dass im Auto- und Post-Shredder rund 20 bis 25 % wiedergewonnen werden, während es bei der Aufbereitung beim Elektroaltgeräterecycler rund 98 % sind. Diese Abschätzung beruht darauf, dass bei der Autoshredderroute ein Großteil der Edelmetalle über fein verteilte Staubausträge für die Rückgewinnung verloren geht. In der Elektrorecyclingroute gelingt es, mit einer Prallmühle, welche die Leistungselektronik mit hoher Geschwindigkeit gegen Prallplatten fliegen lässt, die Staubentwicklung deutlich zu reduzieren, und die Leiterplatten zu einem sehr hohen Anteil in die Fraktion zu überführen, die in eine Kupfer- und Edelmetallverhüttung gelangt. Die abgeschätzten Rückgewinnungsquoten stellen Expertenabschätzungen dar, die für die orientierenden Berechnungen in der Ökobilanz getroffen wurden, und eine entsprechende hohe Unsicherheit aufweisen.

Für die zusätzliche chemische Platinenentstückung wurde veranschlagt, dass in der mechanischen und chemischen Aufbereitung rund 90 % des Tantals und 93 % des Zinns rückgewonnen werden. Zinn fällt hierbei jedoch im Gegensatz zu den anderen Metallen nicht metallisch, sondern in sulfidischer Form an.

Fazit

Das Projekt zeigt, dass eine verbesserte Recyclingroute für die Verwertung von Leistungselektronikmodulen aus E-Fahrzeugen auch im Serienbetrieb gut anwendbar und mit standardisierter Technologie umzusetzen ist. Diese Route sieht einen Ausbau der Leistungselektronik aus dem Fahrzeug und eine nachfolgende Verwertung bei einem Elektroaltgeräterecycler vor. Die Zerkleinerung des Leistungselektronikmoduls mit einem robusten Aluminiumgehäuse erfolgt in einer Prallmühle, mit der es gelingt, neben anderen Fraktionen große und weitgehend intakte Leiterplattenstücke zu erzeugen, die dann in die standardmäßige Aufbereitungstechnologie von Elektroaltgeräterecyclern eingespeist werden können.
Vorteilhaft ist, dass die Prallmühle wenig Staub erzeugt, in dem strategische Metalle für eine weitere wirtschaftliche Verwertung möglicherweise verloren gehen würden. Im Vergleich zum Autoshredder lassen sich mit dieser Recyclingroute hohe Rückgewinnungsquoten für Gold, Silber und Palladium realisieren. Zudem ist es möglich, die Rückgewinnungsquoten von Zinn und Kupfer anzuheben.
Versuche zur chemischen Platinenentstückung, die die Tantal haltigen Kondensatoren abtrennen und auch das Tantal, das bisher nicht verwertet wird, einer Verwertung zuführt, zeigen allerdings, dass dieser Verfahrensweg nicht empfehlenswert ist. Aus ökobilanzieller Sicht verspricht die chemische Platinenentstückung keine relevanten Vorteile, da einer zusätzlichen Tantalrückgewinnung entsprechende Aufwendungen für die eingesetzten Chemikalien gegenüberstehen. Die Kostenschätzungen zeigen zwar ein leicht positives Ergebnis, sind aber mit sehr hohen Unsicherheiten belegt.
 ElmoReL 2020 macht deutlich, dass das Verwertungsverfahren bei den jetzigen Rahmenbedingungen und Rohstoffpreisen wirtschaftlich ist – auch wenn sie mit deutlich höheren Kosten als die Verwertung über den Autoshredder verbunden ist. Die Ökobilanz zeigt grundsätzlich gute Ergebnisse sowohl für die Autoshredder- als auch die Elektrorecyclingroute. Bei letzterer kommen durch partiell höheren Rückgewinnungsquoten jedoch noch Vorteile durch entsprechende Gutschriften hinzu.

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Literatur
[1] Kohlmeyer, R.; Groke, M.; Sander, K.; Bergamos, M.: Perspektiven der zunehmenden Fahrzeugelektronik für das Altfahrzeugrecycling. In: Thomé-Kozmiensky, K. J.; Goldmann, D.: Recycling und Rohstoffe – Band 8. Neuruppin 2015.
[2] Widmer, R.; Du, X.; Haag, O.; Restrepo, E.; Wäger, P. A.: Scarce Metals in Conventional Passenger Vehicles and End-of-Life Vehicle Shredder Output. Environ. Sci. Technol., 2015, 49 (7), S. 4591-4599.
[3] Huy, D.; Andruleit, H.; Babies, H.-G.; Elsner, H.; Homberg-Heumann, D.; Meßner, J.; Röhling, S.; Schauer, M.; Schmidt, S.; Schmitz, M.; Szurlies, M.; Wehenpohl, B.; Hofrichter, W.; Tallig, A.: Deutschland – Rohstoffsituation 2014, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover, November 2015.