02.02.2021 | Pressemitteilung

So schädlich kann ein Akku sein: Kasseler Forscher entwickeln Fußabdruck-Methode weiter

Sie sind in unseren Handys und sollen die Elektromobilität antreiben: Leistungsfähige Lithium-Ionen-Akkus sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Eine neue Methode der Universität Kassel belegt jedoch, wie umweltschädlich der Abbau des Lithiumcarbonats ist – und dass er in Zukunft die Wasserhaushalte noch stärker durcheinanderbringen könnte. Die Methode kann künftig einen „Wasserknappheits-Fußabdruck“ für weltweit gehandelte Produkte erstellen. Auch Brennpunkte der Wassernutzung werden so sichtbar.

Die Karte zeigt die Verteilung von Wasserstressgebieten auf der Erde (rot gefärbt). Die fünf größten Einzelbeiträge zum quantitativen Wasserknappheits-Fußabdruck eines 2 MWh-Lithium-Ionen-Speichers weltweit (zusammen insgesamt 43 Prozent) sind als Kreise dargestellt. Entsprechend ihrer Lage wurden dafür die Wasserverbräuche mit dem jeweiligen Faktor für den Wasserstress gewichtet. Die Größe der Kreise steht für den gewichteten Wasserverbrauch in Kubikmetern vor Ort, die Farbe der Kreise gibt das Wasserstresslevel an (www.nature.com/articles/s43247-020-00080-9).

Der Wasser-Fußabdruck ist, ebenso wie der CO₂-Fußabdruck, zu einem wichtigen Werkzeug bei der Bewertung von anthropogenen Umweltauswirkungen geworden. Doch Wasser ist nicht überall gleich kostbar. Die Kasseler Forscherinnen und Forscher entwickeln das Modell des Fußabdrucks weiter und bewerten, wie viel Wasser an einem Produktionsort vorhanden ist und welche Folgen der Verbrauch haben kann: Das ergibt den Wasserknappheits-Fußabdruck.

Beispielhaft demonstrieren Anna Schomberg und Prof. Dr. Stefan Bringezu vom Center for Environmental Systems Research (CESR) sowie Prof. Dr.-Ing. Martina Flörke von der Ruhr-Universität Bochum anhand der Herstellung eines Lithium-Ionen-Speichers, wie der Wasserknappheits-Fußabdruck umfassend als Ökobilanz erhoben werden kann.

Die Wissenschaftler klassifizierten im ersten Schritt das Risiko, das durch menschliche Wassernutzung entsteht und legten Sub-Indikatoren des Wasserknappheits-Fußabdrucks fest. „Diese beiden Schritte schaffen allgemeine Rahmenbedingungen, die es erlauben, beliebige Produkte mit Hilfe der Ökobilanz nach immer gleichem Schema zu bewerten“, erklärt Anna Schomberg, Wissenschaftliche Mitarbeiterin am CESR. „Im letzten Schritt haben wir uns damit befasst, wie wir diese Ökobilanz räumlich explizit darstellen können.“ Ihre Methode demonstrieren die Wissenschaftler anhand der Lieferkette von Lithiumcarbonat, das für die Herstellung des Speichers benötigt wird.

Der Wasserknappheits-Fußabdruck von Lithiumcarbonat

Lithiumcarbonat stammt noch vornehmlich aus Australien, China und Argentinien. 67 Prozent der Weltreserven liegen allerdings in den Hochanden in Form von salzreichem Grundwasser. Zur Gewinnung von Lithiumcarbonat wird diese Sole eingedampft, was große Mengen Wasser verbraucht. Diese Art der Förderung kann zukünftig die regionale Wasserknappheit verschärfen.

In der Studie identifizieren die Wissenschaftler als Brennpunkt der quantitativen Wassernutzung für Lithium-Ionen-Speicher insbesondere den Solenbergbau in Chile und China. In beiden Ländern ist die Wahrscheinlichkeit für Wasserknappheit ohnehin bereits hoch. Daher werden die entsprechenden Wasserverbräuche mit einem ortsspezifischen Faktor gewichtet. Die Wassernutzung in Chile und China, wo jeweils unterschiedlich viel Wasser verfügbar und damit auch die Wahrscheinlichkeit für Wasserknappheit verschieden ist, wird dadurch direkt vergleichbar gemacht. Beispiel Chile: Für einen Lithium-Speicher mit einer Leistung von 2-Megawattstunden, für den der Rohstoff aus den Atacama-Lagerstätten kommt, werden rechnerisch etwa 5.600 m³ Wasser verbraucht. Weltweit sind es entlang der gesamten Produktionskette des Speichers 33.155 m³.

Ein weiteres Ergebnis betrifft die qualitative Wassernutzung: Das zusätzliche Wasservolumen, das theoretisch benötigt würde, um die weltweite Wasserverschmutzung aus der Herstellung des Lithium-Ionen-Speichers wieder bis zu einem tolerablen Niveau zu verdünnen, beträgt etwa 23 Prozent des jährlichen Trinkwasserbedarfs in Deutschland. Beide Punkte, quantitative und qualitative Wassernutzung, fließen in das Konzept zur Bestimmung des Wasserknappheits-Fußabdrucks mit ein.

Wasserverbrauch global vergleichbar machen

Das beschriebene Konzept des Wasserknappheits-Fußabdrucks eignet sich, um Produkte zu bewerten und kritische Brennpunkte entlang von internationalen Lieferketten räumlich zu identifizieren. Ein in Chile verbrauchter Liter Wasser fällt aufgrund der geringeren Wasserverfügbarkeit stärker ins Gewicht als ein in Deutschland verbrauchter Liter. „Ein solches Vorgehen ist gerade bei der Beurteilung von neuen Technologien, die beispielsweise in der westlichen Energiewende zum Einsatz kommen sollen, dringend notwendig, um Problemverlagerungen von vornherein zu vermeiden“, sagt Bringezu.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Communications Earth and Environment“ des Nature-Verlages.

Der Artikel „Extended life cycle assessment reveals the spatially-explicit water scarcity footprint of a lithium-ion battery storage” ist unter diesem Link zu erreichen: www.nature.com/articles/s43247-020-00080-9

DOI: 10.1038/s43247-020-00080-9

Kontakt:
Prof. Stefan Bringezu
Director
Center for Environmental Systems Research CESR
Universität Kassel
Wilhelmshöher Allee 47, 34109 Kassel
Tel.: 0561 804-6115

Anna Christine Schomberg
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Center for Environmental Systems Research CESR
Universität Kassel
Wilhelmshöher Allee 47, 34109 Kassel
anna.schomberg[at]uni-kassel[dot]de