Critical raw materials for electric vehicles : economic and environmental assessment

Abstract

Innerhalb der Europäischen Union und vieler Länder weltweit gibt es Bestrebungen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und so den Auswirkungen des Klimawandels entgegenzuwirken. Die Umstellung auf Elektrofahrzeuge stellt einen wichtigen Schritt in diese Richtung dar, hängt jedoch stark von der Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit kritischer Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel und Seltenerdelementen ab, die für die Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien und anderen Komponenten benötigt werden. Daher ist es wichtig, die kritischen Rohstoffe für die Elektrofahrzeugproduktion zu identifizieren und ihre Wirtschaftlichkeit und Umweltauswirkungen zu bewerten. Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist die Bewertung der wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen der Verwendung kritischer Rohstoffe bei der Produktion von Elektropersonenkraftwägen mit einem Schwerpunkt auf der Batterietechnologie. Die Bearbeitung des Ziels erfolgt dabei mittels einer Literaturrecherche, um einen Überblick über bestehende Literatur zu erhalten, Berechnungen der Herstellungskosten der Batteriechemien sowie einer Prognose der Produktionskosten für Elektrofahrzeuge, um den wirtschaftlichen Einfluss von kritischen Rohstoffen zu bewerten. Zusätzlich werden eine Life Cycle Analyse ohne die Nutzungsphase, um die Umweltauswirkungen der betrachteten Batterierohstoffe zu quantifizieren und Szenarioanalysen, um den Einfluss der Variation von Parametern festzustellen, durchgeführt. Generell sind bei der Produktion von Elektrofahrzeugen in der Arbeit nur Komponenten betrachtet worden, die sich bei ihren Materialien fundamental von Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen unterscheiden, wobei ein Fokus auf die Traktionsbatterie gelegt worden ist. Anfangs sind anhand der Kritikalitätsanalyse sowie der aktuellen Marktanteile der unterschiedlichen Kathoden- und Anodenzusammensetzungen von Lithium-Ionen-Batterien die Materialien Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt, Aluminium, Phosphor, Eisen, Graphit und Silizium als äußerst wichtig für die Produktion von Traktionsbatterien identifiziert worden. In Zukunft wird Natrium aufgrund von Natrium-Ionen-Batterien voraussichtlich ebenfalls eine wichtige Rolle hierfür spielen. Unter den Annahmen, dass keine Lagerbestände oder langfristige Verträge für Rohstofflieferungen existieren, würden sich Preisvolatilitäten durch Änderungen von Rohstoffpreisen bei der Batterieherstellung direkt auf die Herstellungskosten von Traktionsbatterien und in weiterer Folge jenen der batteriebetriebenen Elektropersonenkraftwägen auswirken. Sinkende Batterierohmaterialpreise würden also die Produktionskosten des Fahrzeuges senken, während steigende Rohstoffpreise das Gegenteil zur Folge hätten. Die anschließend durchgeführte Life Cycle Analyse zeigt, dass die bei der Batterieherstellung notwendigen Materialien bei ihrer Gewinnung, Verarbeitung oder ihrem Recycling signifikante Umweltauswirkungen wie abiotischen Ressourcenverbrauch, Wasserverbrauch, den Verbrauch von Primärenergie, den Ausstoß von Treibhausgasen sowie Versauerung und Eutrophierung verursachen. Der Großteil dieser Umweltauswirkungen tritt tendenziell bei der Verarbeitung der Erze zu den Batterierohmaterialien auf, und fällt je nach Batteriechemie bzw. dem betrachteten Indikator, anhand dem die Umweltlasten bewertet werden, sehr unterschiedlich aus. Bei der Analyse von Strategien zur Minderung wirtschaftlicher sowie umweltbezogener Risiken ist festzustellen, dass die Substitution von kritischen Materialien durch weniger kritische sowohl die Herstellungskosten senken kann, als auch in einigen Fällen eine Reduktion der Umweltlasten der Batterieherstellung ermöglicht. Das Recycling bzw. die Hinzunahme von vorgeschriebenen Mengen an Sekundärmaterial zeigt tendenziell ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Produktionskosten sowie das Treibhausgaspotential (GWP), da Sekundärmaterial aus dem Recycling, mit Ausnahme von Eisen beim GWP, niedrigere Kosten bzw. ein geringeres Treibhausgaspotential aufweist, als dasselbe Material bei Gewinnung sowie Verarbeitung aus dem Bergbau. Die wichtigsten Schlussfolgerungen dieser Arbeit sind daher, dass eine Durchführung des Recyclings von Traktionsbatterien im großen Maßstab für die Elektrifizierung des Transportsektors wichtig ist, um die Umweltauswirkungen der Batterieherstellung zu senken und, um durch die Verfügbarkeit von Sekundärmaterial signifikante wirtschaftliche und geopolitische Risiken zu mindern. Weitere Möglichkeiten, um die Umweltlasten der Elektrifizierung des Transportsektors zu senken sind unter anderem eine Steigerung der Materialeffizienz bei der Produktion bzw. die Verwendung kleinerer Akkus sowie eine Erhöhung der Verfügbarkeit von Sekundärmaterial durch eine hohe, gesetzlich vorgeschriebene Sammelquote von Altbatterien oder eine Steigerung der Recyclingeffizienz.

There are efforts within the European Union, as well as in many countries around the world, to reduce greenhouse gas emissions to combat the effects of climate change. A switch to electric vehicles represents an important step in this direction, but it is heavily dependent on both the availability and the sustainability of critical raw materials such as lithium, cobalt, nickel, and rare earth elements, for example, which are necessary for the production of the batteries for electric vehicles and other components. Therefore, it is essential to identify all critical raw materials for electric vehicle production and assess their economic viability and environmental impact. The core objective of this master's thesis is the evaluation of the economic and environmental impacts of the use of critical raw materials in the production of electric passenger cars with a focus on battery technology. The objective is addressed through a literature review to obtain an overview of existing literature, calculations of the manufacturing costs of battery chemistries and a forecast of production costs for electric vehicles to evaluate the economic impact of critical raw materials. In addition, a life cycle analysis excluding the use phase to quantify the environmental impacts of the most important battery materials, and scenario analyses to determine the influence of parameter variations are performed. In general, this work only considers components in the production of electric passenger cars whose materials differ fundamentally from those of vehicles with internal combustion engines, with a focus on the traction battery. Initially, based on the criticality analysis and the current market shares of the different cathode and anode compositions of lithium-ion batteries, the materials lithium, nickel, manganese, cobalt, aluminum, phosphorus, iron, graphite, and silicon were identified as relevant for the production of traction batteries. Sodium is also expected to play an important role for traction battery manufacturing in the future due to sodium-ion batteries. Under the assumptions that no inventory levels or long-term contracts for raw material supplies exist, price volatility due to changes in raw material prices in battery production would have a direct impact on the manufacturing costs of traction batteries and subsequently on those of battery-powered electric passenger cars. Falling battery raw material prices would therefore reduce the production costs of the vehicle, while rising raw material prices would have the opposite effect. The subsequent life cycle analysis shows that the materials required for battery production cause significant environmental impacts during extraction, processing or recycling, such as abiotic resource consumption, water consumption, primary energy consumption, greenhouse gas emissions, acidification and eutrophication. The majority of these environmental impacts tend to occur during the processing of ores into battery raw materials, and vary considerably depending on the battery chemistry or the indicator used to assess the ecological impacts. When analyzing strategies to mitigate economic and environmental risks, it can be seen that the substitution of critical materials with less critical ones can reduce production costs and, in some cases, enable a reduction in the environmental impact of battery production. Recycling or the addition of mandated amounts of secondary material also tends to have a positive effect on production costs and global warming potential (GWP), since secondary material from recycling, with the exception of iron in terms of GWP, has lower costs and a lower greenhouse gas potential than the same material when extracted and processed from mining. The main conclusions of this work are therefore that large-scale recycling of traction batteries is essential for the electrification of the transport sector, to reduce the environmental impacts of battery production, and to mitigate the significant economic and geopolitical risks through the availability of secondary material. Other options for reducing the ecological impact of electrification in the transport sector include increasing material efficiency in production or using smaller batteries, as well as increasing the availability of secondary materials through a high, legally mandated collection rate for used batteries or increasing recycling efficiency.