DAS WEISSE GOLD

Der Startschuss ist längst gefallen. Angetrieben vom Wissen, dass Erdöl – und damit auch Benzin und Dieselkraftstoff – immer teurer und knapper wird, und befeuert durch teils üppige staatliche Subventionen, liefern sich Forscher und Ingenieure bei den Automobilherstellern weltweit ein Rennen um die Markteinführung von Elektrofahrzeugen. Der Pariser Autosalon, wo E-Mobile die Stars unter den neuen Modellen waren, zeigte im Oktober den enormen Aufwand, mit dem die Unternehmen sich den Weg in eine elektrisch angetriebene automobile Zukunft bahnen.

Nach einer optimistischen Prognose des CAR Center Automotive Research an der Universität Duisburg-Essen werden 2025 von den dann schätzungsweise fast 90 Millionen weltweit verkauften Pkw rund 55 Millionen – und damit weit mehr als die Hälfte – Hybridfahrzeuge oder ausschließlich elektrische betriebene Fahrzeuge sein. Heute sind Elektroautos noch exotische Raritäten auf den Straßen. Daran hat auch der Erfolg des Toyota Prius mit Hybridantrieb in den USA nichts geändert.

Der von den CAR-Forschern vorhergesagte Elektro-Boom kann nur stattfinden, wenn sich in den nächsten 10 bis 20 Jahren Autokonzerne und Zulieferunternehmen grundlegend wandeln und wenn ganz andere Rohstoffe als heute zur Verfügung stehen. Denn praxistaugliche Elektroautos benötigen leistungsfähige, leichte und preiswerte Batterien. Die elektrochemischen Stromspeicher spielen eine Schlüsselrolle bei der Markteinführung von Elektrofahrzeugen – und für ihre Herstellung sind kostbare Materialien erforderlich. Aus den Prognosen des CAR resultiert in 15 Jahren ein globaler Markt für Hochleistungs-Stromspeicher zum Einsatz in Elektroautos von jährlich rund 130 Milliarden Euro. Voraussichtlich werden unter der Haube der meisten E-Mobile dann Lithium-Ionen-Akkus sitzen.

Zwei Kilogramm pro Auto-Akku

Bislang waren Nickel-Metallhybrid-Akkus der Standard für Batterien in Elektro- und Hybridfahrzeugen. Sie haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: die geringe Energiedichte. Das heißt: Um genug Energie für eine ausreichend große Reichweite des Wagens zu speichern, ist eine voluminöse und schwere Batterie erforderlich. Lithium-Ionen-Akkus, die schon seit etlichen Jahren in den meisten Laptops, Digitalkameras und Handys stecken, bieten eine deutlich höhere Energiedichte. Das senkt bei gleicher Reichweite das Gewicht – und damit auch die Kosten – der benötigten Batterie.

Der Bedarf an Lithium, einem der wichtigsten Grundstoffe für die Hochleistungsakkus, ist jedoch gewaltig: Pro Kilowattstunde gespeicherter Energie werden um die 100 Gramm reines Lithium benötigt. Eine Elektroauto-Batterie mit rund 20 Kilowattstunden Kapazität birgt damit etwa 2 Kilogramm metallisches Lithium. Analysten der Bank Credit Suisse gehen aufgrund der steigenden Nachfrage von Elektrofahrzeugen für die nächsten Jahre von einem Wachstum des Marktvolumens für Lithium von zehn Prozent pro Jahr aus.

Das für die Entwicklung von Batterien für Elektroautos vorerst unverzichtbare Alkalimetall Lithium ist zwar im Prinzip überall auf der Erde zu finden: in Gesteinen, Salzen und gelöst im Meerwasser. Doch die Konzentrationen sind meist zu gering, als dass sich der Aufwand für die Gewinnung lohnen würde. Rund 70 Prozent der wirtschaftlich förderbaren Vorkommen des Rohstoffs konzentrieren sich im sogenannten Lithium-Dreieck: in der südamerikanischen Andenregion zwischen Bolivien, Argentinien und Chile. In diesem kargen und dünn besiedelten Gebiet lagern insgesamt rund 10 Millionen Tonnen Lithium.

Kommerziell abgebaut wird Lithium bislang hauptsächlich in Form von Mineralien oder Solen in Minen und auf der verkrusteten Oberfläche von Salzseen. Dort reißen Arbeiter das Salz auf, das anschließend mit Wasser und Soda vermischt wird. Die Mischflüssigkeit durchströmt danach einen Filter und wird verdunstet. Übrig bleibt das begehrte weiße Lithiumkarbonat – eine chemische Verbindung aus Lithium, Kohlenstoff und Sauerstoff, die als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien dient.

Schatzkammer auf dem Altiplano

Der Salar de Uyuni im Hochland von Bolivien ist die größte Salzfläche der Erde. Das vor etlichen Jahrmillionen vertrocknete einstige Binnenmeer auf dem Altiplano liegt rund 3650 Meter hoch über dem Meeresniveau und ist 13 Mal so groß wie das Stadtgebiet von Berlin. Der Salar de Uyuni enthält fast 40 Prozent der bekannten Weltreserven an Lithium – laut Daten des Geologischen Dienstes der Vereinigten Staaten (USGS) 5,4 Millionen Tonnen. Bislang schlummern sie noch unangetastet in der salzigen Kruste. 2013 will die bolivianische Regierung mit den Abbau des „weißen Goldes“ Lithiumkarbonat beginnen. Erste Pilotanlagen existieren bereits. Weitere 3 Millionen Tonnen Lithium birgt der chilenische Salzsee Salar de Atacama. Den Rohstoff dort fördert schon heute der weltweit größte Lithium-Produzent Sociedad Quimica y Minera de Chile (SQM), der einen Marktanteil von 30 Prozent hält. Auch die US-amerikanischen Unternehmen Rockwood und FCM holen in den Anden Lithium aus dem Boden. Das drittgrößte Lithium-Reservoir der Welt befindet sich in einem tibetanischen Salzsee unweit des Mount Everest, wo der chinesische Citic-Konzern nach dem Material schürft. Ein weiteres Zentrum der globalen Lithium-Reserven sind nach Schätzungen von Experten des USGS Salzseen und Gebirgsregionen in Afghanistan. Die USA, Kanada und Australien besitzen kleinere Lagerstätten. Europa steht jedoch weitgehend ohne wirtschaftlich bedeutsame Lithium-Vorkommen da.

Das silbrig glänzende und weiche Leichtmetall ist der Grundstoff für die Elektrifizierung der Automobile – und könnte zum „Erdöl von morgen“ werden, zu einem neuen Treibstoff für die Industriegesellschaft. Kein Wunder, dass bei Rohstoffproduzenten und Explorationsunternehmen bereits das Lithium-Fieber ausgebrochen ist. Die Frage bei etlichen potenziellen Abnehmern lautet: Steht Lithium in ausreichender Menge zur Verfügung – oder droht schon bald eine Verknappung?

„Die Gefahr von Lieferengpässen hängt davon ab, in welchem Maß und wie schnell sich Hybrid- und Elektroautos am Markt durchsetzen werden“, sagt Lukas Rüttinger, Projektmanager bei adelphi, einem Institut für Politikanalyse und Strategieberatung. „Die meisten Prognosen gehen im Moment von einem rasch zunehmenden Nachfragewachstum bis 2020 aus.“ Eine stark steigende Nachfrage müsste mit einem entsprechenden Ausbau der Förder- und Produktionskapazitäten einhergehen. Boliviens riesige Lithium-Vorräte, die noch unangetastet sind, wird künftig eine große Bedeutung zukommen. Zu Lieferengpässen könnte es kommen, wenn die Nachfrage zu schnell wächst. In den nächsten fünf Jahren hält Rüttinger eine Knappheit allerdings für unwahrscheinlich, denn momentan herrscht auf dem Markt eher ein Lithium-Überangebot.

Pro Jahr werden weltweit über 21 000 Tonnen Lithium produziert. 2600 Tonnen, rund ein Achtel davon, braucht man als Material für Batterien. Doch den größten Teil benötigen die Hersteller von Glas- und Keramikware. „Voraussichtlich wird sich der Bedarf an Lithium für Batterien und Akkus bis 2030 auf etwa 7500 Tonnen pro Jahr verdreifachen“, meint Frank Marscheider-Weidemann, Wissenschaftler am Karlsruher Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI. Bei einer stark wachsenden Nachfrage könnte der Markt etwa ab 2015 auf einen Engpass stoßen, meint adelphi-Experte Rüttinger. Die Gewinnung des Rohstoffs aus bestehenden Förderanlagen lässt sich vermutlich nur langsam steigern. Befürchtungen, dass das Lithium daher knapp werden könnte, scheinen auch einige Unternehmen aus dem Automobilbereich zu hegen. So haben die japanischen Autokonzerne Mitsubishi und Toyota sowie der kanadisch-österreichische Zulieferer Magna angekündigt, sich an verschiedenen Lithium-Abbauprojekten zu beteiligen.

Metall als Machtfaktor

Falls die Marktanteile von Hybrid- und Elektrofahrzeugen so schnell wachsen wie von den CAR-Forschern in Duisburg und Essen erwartet und falls die Mehrzahl der Autos künftig elektrisch angetrieben wird, könnten auch geopolitische Risiken die Abnehmer in Europa, Nordamerika und Ostasien gefährden. Rüttinger warnt: Lithium könnte in diesem Fall das Öl als strategisch wichtigen Rohstoff ablösen. Anlass zur Sorge sieht er in der Tastsache, dass sich die bislang bekannten Lithium-Reserven in wenigen Ländern konzentrieren. Jeder dieser Staaten hätte eine enorme Marktmacht, die er zur Durchsetzung seiner Interessen nutzen könnte – ähnlich wie heute die Erdöl produzierenden Nationen und das Rohöl-Kartell der OPEC. Eine Chance, diese Situation zu umgehen, sieht Rüttinger in der Idee, die Lithium-Gewinnung aus Meerwasser als wirtschaftliche Alternative zu etablieren (siehe Kasten unten „Der Ozean als Alternative“). Möglicherweise wären neue politische Abhängigkeiten, die aus der rasch wachsenden Bedeutung des Rohstoffs Lithium erwachsen könnten, der größte Nachteil eines Booms von Elektroautos. Dass das weiße Gold nicht in ausreichender Menge verfügbar sein wird, glauben die Karlsruher ISI-Forscher dagegen nicht. Im Rahmen des vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts „Systemforschung Elektromobilität“ der Fraunhofer-Gesellschaft sowie des Projekts „ Lithium-Ionen Batterie LIB 015″ haben sie die voraussichtliche Lithium-Nachfrage analysiert und dem zu erwartenden Angebot gegenübergestellt. Sie geben Entwarnung: Selbst unter sehr zurückhaltenden Annahmen für die noch nicht im Detail explorierten Vorkommen an Lithium und auch bei einer stark steigenden Nachfrage werden die Reserven bis 2050 ausreichen. Effiziente Recyclingprogramme für Lithium aus ausgedienten Fahrzeugbatterien und neue Batterietechnologien werden außerdem dazu beitragen, die Rohstoffbasis zu schonen, davon sind die Fraunhofer-Forscher überzeugt.

„Wenn wir von einem Szenario der Marktdurchdringung ausgehen, bei dem E-Fahrzeuge bis 2050 weltweit 50 Prozent der Pkw-Neuzulassungen erreichen, werden dann erst rund 20 Prozent der global vorhandenen Lithium-Ressourcen verbraucht sein – unter Berücksichtigung der Verwendung von recyceltem Material und des Lithium-Bedarfs für andere Anwendungen“, sagt Martin Wietschel, einer der beiden Projektleiter am ISI. „Die eingesetzte Menge von Sekundär-Lithium, das durch Recycling gewonnen wird, deckt bei unseren Berechnungen 25 Prozent des Gesamtbedarfs, was dem Recycling von Lithium einen hohen Stellenwert gibt“, betont sein Institutskollege Gerhard Angerer.

Preisanstieg wie beim Öl

Falls die Zahl von Elektroautos noch deutlich schneller wachsen sollte, haben die Karlsruher Fraunhofer-Forscher ein alternatives Szenario mit einem 85-prozentigen Marktanteil von E-Fahrzeugen bei den Neuzulassungen im Jahr 2050 analysiert. Auch in diesem Szenario werden die Vorräte an Lithium in 40 Jahren noch längst nicht erschöpft sein. Allerdings werden die zu moderaten Kosten und mit heute genutzten Technologien abbaubaren Lithium-Reserven dann aufgebraucht sein. Neue Vorkommen müssen erschlossen werden – und die Preise für das Metall werden wohl kräftig steigen. Das erinnert an die derzeit absehbare Entwicklung beim Erdöl.

Auch der Bedarf an anderen Werkstoffen für Automobile wird durch den Trend weg von Verbrennungs- und hin zu Elektromotoren steigen. Zum Beispiel Kupfer: Benötigte man bislang zur Fertigung eines Mittelklassewagens maximal etwa 25 Kilogramm davon, erreicht der Kupferanteil bei einem Elektroauto durch den hohen Bedarf in den Elektromotoren bis zu 65 Kilogramm.

Ein weiterer kritischer Punkt ist das Kobalt. „Für den Bedarf an diesem Element ist ein ähnlicher Zuwachs zu erwarten wie für das Lithium“, sagt ISI-Wissenschaftler Frank Marscheider-Weidemann. Kobalt steckt in einer Lithium-Verbindung, die bei den meisten Lithium-Ionen-Akkus als Material für die Anode dient. „Zur Herstellung der Batterien wird sogar mehr Kobalt benötigt als Lithium“, betont Marscheider-Weidemann. Fast ein Fünftel der Weltproduktion dieses chemischen Elements fließt heute schon in die Fertigung von Batterien. Und auch bei Kobalt drohen politische Abhängigkeiten: Der größte Teil der Vorkommen konzentriert sich auf wenige Staaten in Zentralafrika.

Ernsthafte Sorgen machen sich die Fraunhofer-Forscher im Hinblick auf die Seltenen Erden – eine Gruppe von 17 Metallen, zu denen Stoffe mit exotisch klingenden Namen wie Ytterbium, Neodym, Samarium, Holmium und Europium gehören. Da sie sich kaum durch andere Stoffe gleichwertig ersetzen lassen, sind die Seltenen Erden heiß begehrt. Viele Hightech-Produkte sind ohne sie undenkbar. So würden sich die Rotoren von Windkraftanlagen ohne Neodym und Dysprosium in den Magneten ihrer Elektromotoren nicht drehen. Daneben kommen Metalle der Seltenen Erden in Katalysatoren, Leuchtdioden und als Beschichtung von Werkstoffen wie Stahl zum Einsatz – und eben auch in Batterien, die sie effizienter und robuster machen.

Sorge um Seltene Erden

„Die Seltenen Erden sind weltweit knapp, obwohl sie gar nicht so selten sind“, erklärt Harald Elsner, Geologe bei der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover. Denn es gibt nur rund ein Dutzend Lagerstätten, in denen sich der Abbau lohnt. Die Erschließung anderer Vorkommen wäre zu aufwendig, da die Erze dort nur in geringer Konzentration zu finden sind. Auch in den Elektromotoren von Hybrid- und Elektrofahrzeugen stecken Neodym-Magnete. Eine steigende Nachfrage könnte bei diesem Werkstoff schon bald zu Lieferengpässen führen, zumal heute 97 Prozent der weltweiten Produktion aus chinesischen Bergwerken stammt. Und China setzt für die nächsten Jahre voll auf die Karte Elektromobilität. Die chinesische Automobilindustrie baut mit staatlicher Unterstützung große Fertigungsanlagen für die Produktion von Elektroautos auf. Bei dem steigenden Bedarf im eigenen Land ist vorauszusehen, dass für den Export wenig übrig bleibt. ■

Heike Stüvel ist Technikjournalistin in Timmendorfer Strand. Für bdw berichtete sie schon mehrfach über Automobil- und Verkehrsthemen.

von Heike Stüvel