Hintergrund
Mit der zunehmenden Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen werden auch immer mehr Traktionsbatterien hergestellt und in Verkehr gebracht. Für die Herstellung der Batterien werden diverse Rohstoffe wie Aluminium, Kupfer, Lithium, Kobalt, Nickel und Graphit benötigt, deren Gewinnung oftmals mit unerwünschten ökologischen und sozialen Auswirkungen einhergeht. Viele Rohstoffe sind zudem nur begrenzt verfügbar und geographisch stark konzentriert. Zur Erreichung einer nachhaltigen Elektromobilität wird daher angestrebt, die Traktionsbatterien am Ende ihrer Nutzungsdauer zu recyclen und die zurückgewonnenen Rohstoffe für die Herstellung neuer Batterien einzusetzen. Bei der Umsetzung einer solchen Kreislaufwirtschaft für Traktionsbatterien und der damit verbundenen Rohstoffe ergeben sich aufgrund der ausgeprägten Dynamik des Markthochlaufs, der langen und unsicheren Nutzungsdauern sowie der sich durch technologischen Fortschritt ändernden Materialzusammensetzung zahlreiche Herausforderungen. So ist beispielsweise unklar, in welchem Umfang und in welcher Qualität welche Sekundärrohstoffe zukünftig zur Verfügung stehen werden.
In der wissenschaftlichen Literatur werden zur Analyse von Materialflüssen und -beständen innerhalb definierter Systemgrenzen Methoden der Materialflussanalyse (Material Flow Analysis) eingesetzt. Hierzu müssen die relevanten Bestands- und Flussvariablen im System definiert und ihre Beziehungen zueinander mittels mathematischer Gleichungen beschrieben werden. Durch die Lösung des resultierenden Gleichungssystems können aus den bekannten oder prognostizierten Größen des Systems die unbekannten Größen berechnet werden. Die Methodik wird bereits in vielen Bereich angewendet. Systematische Analysen zur Zirkulation von Batterierohstoffen unter Berücksichtigung der zuvor genannten Herausforderungen liegen bislang aber nur mit diversen Einschränkungen vor.
Zielsetzung
Die Zielsetzung dieser Masterarbeit besteht in der systematischen Untersuchung der Materialflüsse und -bestände im Lebenszyklus von Traktionsbatterien. Hierzu soll ein dynamisches Modell zur Materialflussanalyse entwickelt, implementiert und angewendet werden. Mit Hilfe des Modells soll insbesondere die zukünftige Verfügbarkeit von Sekundärrohstoffen für Traktionsbatterien analysiert werden. Hierbei sollen relevante Einflussfaktoren wie Markthochlauf, Nutzungsdauer und technologischer Fortschritt sowie die zugrundeliegende Dynamik und Unsicherheit angemessen berücksichtigt werden. Die Ergebnisse der Modellanwendung sollen grafisch aufbereitet und kritisch diskutiert werden um darauf aufbauend Handlungsempfehlungen zur Etablierung einer Kreislaufwirtschaft für Traktionsbatterien zu formulieren.
Teilaufgaben
- Darstellung der Rahmenbedingungen und Herausforderungen einer Kreislaufwirtschaft für Traktionsbatterien im Kontext der Elektromobilität
- Literaturrecherche zur dynamischen Materialflussanalyse und Charakterisierung der bestehenden Ansätze
- Konzeptionelle Entwicklung eines Modelles zur Analyse der Materialflüsse und -bestände von Traktionsbatterien sowie der darin enthaltenen Rohstoffe
- Implementierung des Modells in geeigneter Softwareumgebung (z.B. Open Dynamic Material Systems Model in Python)
- Zusammenstellung der erforderlichen Datenbasis zur Anwendung des Modells
- Aufbereitung, Analyse und Dokumentation der Ergebnisse sowie Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Gestaltung einer Kreislaufwirtschaft für Traktionsbatterien
- Kritische Würdigung des eigenen Vorgehens und der Ergebnisse
Kontakt
Bei Interesse an der Bearbeitung dieses Themas wenden Sie sich bitte an Prof. Dr. Christian Thies.
