Claas Hoyer

A Strategic Framework for the Design of Recycling Networks for Lithium-Ion Batteries from Electric Vehicles

In this paper, we develop a strategic framework for the design of recycling networks for spent lithium-ion batteries from electric vehicles. The framework provides an overview of possible configuration alternatives and an integrated approach for network planning and process configuration tasks. It describes requirements on a network as well as on a process level. For that purpose, we analyse general framework conditions concerning battery return, materials, and recycling processes. On that basis, it is possible to develop a mathematical optimisation model which enables decision support concerning the optimal evolvement of recycling sites, capacities, and processes over time.

Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien

Im vorigen Kapitel wurden die Grundlagen des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien in Deutschland diskutiert und die damit verbundenen Herausforderungen, Chancen und Risiken identifiziert. Dieses Kapitel dient der Herausarbeitung von Planungsaufgaben zur Gestaltung eines entsprechenden Recyclingnetzwerks und der Ergrundung der Notwendigkeit zur Entwicklung eines Modells zur Entscheidungsunterstutzung, welches zur Beantwortung der eingangs gestellten Leitfragen eingesetzt werden kann.

Impact of Mandatory Rates on the Recycling of Lithium-Ion Batteries from Electric Vehicles in Germany

We analyse the impact of mandatory recycling rates on the recycling of lithium-ion batteries from electric vehicles in Germany. For that, economically efficient network structures, determined by an optimisation model, are compared with and without mandatory recycling rates. The model determines number, technology, and capacities of recycling facilities to be deployed and volume and mix of batteries to be recycled. Different scenarios depict possible developments of the vehicle market, the battery technology, the material and energy prices, and the capital investment for the technologies. We show that a mandatory recycling rate of 50% results only in minor advancements in the achieved recycling rates, but in higher risk and lower financial attractiveness for investors.

Economic Assessment of the LithoRec Process

The successful implementation of an industrial-scale recycling process depends strongly on its economic feasibility. Thereby, the economics are influenced by many drivers such as the amount of returned batteries, the prices that can be obtained from selling the recycled material fractions, and investments and operating costs resulting from the process configuration. In this chapter, an analysis of the economic feasibility of the LithoRec process is carried out using an optimization model for technology and capacity planning. The model is applied to different scenarios describing the development of the amount of spent batteries and factor prices for the European market. From this, optimal investment plans and financial performance indicators are determined. Overall, the results indicate that the process can be operated economically in the long run. In most scenarios, the operation pays off by selling the recycled materials. Only when the amount of returned batteries is low, moderate gate fees or economic incentives by policy makers would be required.

Planung von Technologien und Kapazitäten für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien – Produktionstheoretische Einordung und Modellentwicklung

Die deutsche Bundesregierung verfolgt mit ihrem Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilitat das Ziel, die Markteinfuhrung von Elektrofahrzeugen zu beschleunigen und bis zum Jahr 2020 einen Bestand von einer Million Fahrzeugen zu erreichen (Deutsche Bundesregierung 2009, S. 46f.). Bei Realisierung des Plans ist bis Ende 2025 mit einem Aufkommen von mehr als hunderttausend Tonnen gealterter Lithium-Ionen-Traktionsbatterien zu rechnen (Hoyer/Kieckhafer/Spengler 2011, S. 413). Aufgrund der beinhalteten Metalle Lithium, Cobalt, Nickel, Mangan und Kupfer bietet das Recycling der Batterien okonomisches und okologisches Potential.

Kritische Würdigung und Ausblick

Zur kritischen Wurdigung dieser Arbeit wird zunachst uberpruft, ob die in Abschnitt 1.2 gesetzten und genannten Ziele tatsachlich erreicht wurden (Abschnitt 7.1). Dies vorausgesetzt, werden die Ergebnisse bezuglich ihres Fortschritts gegenuber dem Stand der Forschung eingeordnet (7.2) und Grenzen bezuglich des entwickelten Modells und seiner Anwendung werden aufgezeigt (7.3). Das Kapitel schliest mit dem Ausblick auf zukunftige Entwicklungen und offene Forschungsthemen (7.4).

Analysen zur strategischen Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Traktionsbatterien

Wahrend ein Teil der in der Einleitung gestellten Leitfragen bereits durch Ausfuhrungen in den vorherigen Kapiteln beantwortet wurden, erfordern andere quantitative, okonomisch fundierte Analysen und setzen teilweise die Anwendung des Optimierungsmodells zur Technologie- und Kapazitatsplanung voraus. Gegenstand dieses Kapitels ist die Durchfuhrung dieser Analysen. Hierzu wird zunachst das jeweilige Untersuchungsdesign fur die Analysen vorgestellt (Abschnitt 5.1). Als gemeinsame Grundlage der Analysen werden anschliesend die zur Parametrierung des Modells benotigten Daten und Szenarien (5.2) sowie die daraus generierten, szenariospezifisch optimalen Investitionsplane fur ein zentrales Recyclingnetzwerk in Deutschland dargelegt (5.3). Daraufhin werden zur Beantwortung der Fragestellungen potentieller Investoren, der Politik und der Automobilindustrie verschiedene Analysen durchgefuhrt (5.4).

Grundlagen des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen

Fur die strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen ist ein umfassendes Verstandnis der Fahrzeug-, Batterie- und Recyclingtechnologien sowie der Bedeutung des Recyclings fur betroffene Akteure erforderlich. Eine wesentliche Rolle kommt hierbei den vorherrschenden Unsicherheiten zu. Zur Erarbeitung des Verstandnisses werden in diesem Kapitel die Grundlagen fur das Recycling der Batterien dargelegt sowie in die Nomenklatur und Systematik eingefuhrt. Zunachst werden in Abschnitt 2.1 die technischen Eigenschaften und der Aufbau von Lithium-Ionen-Batteriesystemen fur Elektrofahrzeuge im Allgemeinen sowie die stoffliche Zusammensetzung von Technologievarianten im Speziellen dargestellt.

Modell zur strategischen Technologie- und Kapazitätsplanung in Recyclingnetzwerken

Die vorangegangene Analyse der Planungssituation, der Literatur und vorhandener Planungsansatze zeigt den Bedarf zur Entwicklung eines spezifischen Modells auf, das zur Entscheidungsunterstutzung im Rahmen der strategischen Planung von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen eingesetzt werden kann und mit dessen Hilfe die eingangs gestellten Leitfragen beantwortet werden konnen. Die Entwicklung eines solchen Modells ist Gegenstand dieses Kapitels. Zunachst wird der konzeptionelle Ansatz vorgestellt, indem die verfolgte Methodik fur jede der herausgearbeiteten Anforderungen beschrieben wird (Abschnitt 4.1). Hieraus folgt die formelle Beschreibung eines mathematischen Optimierungsmodells (4.2), das im Anschluss strukturell validiert (4.3) und hinsichtlich Implementierung, resultierender Problemgrose sowie typischer Losungszeiten charakterisiert (4.4) wird. Anschliesend werden Erweiterungen des Modells zur Verringerung der Losungszeit vorgestellt (4.5). Das Kapitel wird in einem Fazit (4.6) zusammengefasst.

Ableitung von Handlungsempfehlungen

Auf Grundlage der Ergebnisse der Analysen konnen verschiedene Handlungsempfehlungen an potentielle Investoren und Betreiber, an Batterie- und Automobilhersteller sowie an politische Entscheidungstrager abgeleitet werden. Zur Vorbereitung dient die folgende, zusammenfassende Beantwortung der in der Einleitung gestellten Leitfragen.