Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen in Deutschland PDF
Preview Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen in Deutschland
Produktion und Logistik Herausgegeben von C. Bierwirth, Halle, Deutschland B. Fleischmann, Augsburg, Deutschland M. Fleischmann, Mannheim, Deutschland M. Grunow, München, Deutschland H.-O. Günther, Berlin, Deutschland S. Helber, Hannover, Deutschland K. Inderfurth, Magdeburg, Deutschland H. Kopfer, Bremen, Deutschland H. Meyr, Stuttgart, Deutschland K. Schimmelpfeng, Stuttgart, Deutschland Th . S. Spengler, Braunschweig, Deutschland H. Stadtler, Hamburg, Deutschland H. Tempelmeier, Köln, Deutschland G. Wäscher, Magdeburg, Deutschland Diese Reihe dient der Veröff entlichung neuer Forschungsergebnisse auf den Gebie- ten der Produktion und Logistik. Aufgenommen werden vor allem herausragende quantitativ orientierte Dissertationen und Habilitationsschrift en. Die Publikatio- nen vermitteln innovative Beiträge zur Lösung praktischer Anwendungsprobleme der Produktion und Logistik unter Einsatz quantitativer Methoden und moderner Informationstechnologie. Herausgegeben von Professor Dr. Christian Bierwirth Professor Dr. Herbert Kopfer Universität Halle Universität Bremen Professor Dr. Bernhard Fleischmann Professor Dr. Herbert Meyr Universität Augsburg Universität Hohenheim Professor Dr. Moritz Fleischmann Professor Dr. Katja Schimmelpfeng Universität Mannheim Universität Hohenheim Professor Dr. Martin Grunow Professor Dr. Th omas S. Spengler Technische Universität München Technische Universität Braunschweig Professor Dr. Hans-Otto Günther Professor Dr. Hartmut Stadtler Technische Universität Berlin Universität Hamburg Professor Dr. Stefan Helber Professor Dr. Horst Tempelmeier Universität Hannover Universität Köln Professor Dr. Karl Inderfurth Professor Dr. Gerhard Wäscher Universität Magdeburg Universität Magdeburg Kontakt Professor Dr. Th omas S. Spengler Technische Universität Braunschweig Institut für Automobilwirtschaft und Industrielle Produktion Mühlenpfordtstraße 23 38106 Braunschweig Claas Hoyer Strategische Planung des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen in Deutschland Mit einem Geleitwort von Prof. Dr. Thomas S. Spengler Claas Hoyer Braunschweig, Deutschland Dissertation Technische Universität Braunschweig, 2015 Produktion und Logistik ISBN 978-3-658-10273-9 ISBN 978-3-658-10274-6 (eBook) DOI 10.1007/978-3-658-10274-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbi- bliogra(cid:191) e; detaillierte bibliogra(cid:191) sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Gabler © Springer Fachmedien Wiesbaden 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikrover(cid:191) lmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa- tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Fachmedien Wiesbaden ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com) Meiner Familie Geleitwort Elektrofahrzeuge werden weltweit als Lösungen für eine Reihe von Herausforderungen des motorisierten Individualverkehrs gesehen, wie z. B. die Senkung von Lärm-, Schad- stoff- und Treibhausgasemissionen. Vor diesem Hintergrund verfolgt die Bundesregie- rung mit dem Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität das Ziel, Deutschland zum „Leitmarkt“ und „Leitanbieter“ für Elektromobilität zu entwickeln und bis zum Jahr 2020 einen Bestand von einer Million Elektrofahrzeugen mit externer Lademöglichkeit in Deutschland zu erreichen. Das Erreichen dieser Zielsetzung vorausgesetzt, ist bis Ende 2025 mit einem Aufkommen von mehr als hunderttausend Tonnen gealterter Li- thium-Ionen-Batterien zu rechnen, die zur Energiespeicherung in Elektrofahrzeugen Einsatz finden. Prozesse und Anlagen zu deren effizienter Rückführung und Behand- lung befinden sich derzeit in der Entwicklung, ein geeignetes Recyclingnetzwerk fehlt allerdings bislang. Automobilhersteller, Recyclingunternehmen und Politik stehen so- mit vor der strategischen Planungsaufgabe, Rücknahme- und Sammelsysteme zu errich- ten, Standorte, Kapazitäten und Verfahren für Recyclinganlagen festzulegen sowie ge- eignete Rahmenbedingungen für ein effizientes Recycling zu schaffen. Die damit ein- hergehenden Entscheidungen werden durch vielfältige technische, marktseitige, ökono- mische und rechtliche Unsicherheiten erschwert. Dieser Herausforderung stellt sich Herr Hoyer mit der von ihm vorgelegten Disserta- tion, deren Ziel in der Unterstützung der strategischen Planung des Recyclings von Li- thium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen besteht und die Unternehmen der Batte- rie- und Automobilindustrie, potentielle Investoren und politische Entscheidungsträger adressiert. Zur Operationalisierung seiner Zielsetzung formuliert er ausgewählte Leit- fragen für die einzelnen Akteursgruppen, die auf Basis von Recherchen, qualitativen Analysen und insbesondere mit Hilfe eines von ihm entwickelten Entscheidungsmo- dells beantwortet werden. Aufbauend auf der Darstellung technischer Grundlagen von Elektrofahrzeugen und Traktionsbatterien geht Herr Hoyer auf Rohstoffe, Altbatterie- aufkommen, Abfallrecht sowie auf Recyclingprozesse ein und arbeitet Herausforderun- gen, Chancen und Risiken des Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien heraus. Nach der Identifikation der wesentlichen Planungsaufgaben zur Gestaltung eines Recycling- netzwerks leitet er Anforderungen an einen entsprechenden Planungsansatz ab, ordnet VIII Geleitwort die Planungsaufgaben in die Betriebswirtschaftslehre ein und diskutiert, inwiefern vor- handene Modelle zur Gestaltung von Recyclingnetzwerken und zur Wahl von Techno- logien und Kapazitäten zur Entwicklung eines spezifischen Entscheidungsmodells bei- tragen können. Das folglich entwickelte gemischt-ganzzahlige mathematische Optimie- rungsmodell ermöglicht, simultan eine Investitionsplanung über die Anzahl der zu er- richtenden Anlagen, deren Kapazitäten und der dort einzusetzenden Verfahren sowie eine Recyclingprogrammplanung über die Art und Menge der zu behandelnden Batte- rien aus der Sicht eines zentralen Entscheiders durchzuführen. Hierbei berücksichtigt es dynamische Zahlungsströme, gesetzliche Sammel- und Recyclingquoten, mehrere Produkte und Technologien, Größendegressions- und Dezentralisationseffekte sowie den Stofffluss der Prozesse. Das Modell wird im Anschluss genutzt, um umfangreiche Analysen anzustellen, die zur Beantwortung seiner in der Einleitung definierten Leitfra- gen dienen, und um Handlungsempfehlungen an die Adressaten abzuleiten. Herr Hoyer deckt mit seiner Dissertation eine sowohl unter methodischen als auch pra- xisorientierten Gesichtspunkten äußerst aktuelle und anspruchsvolle Thematik ab. Mit dem von ihm entwickelten Modell liegt ein neuartiges Werkzeug zur Technologie- und Kapazitätsplanung in Recyclingnetzwerken vor, das der anspruchsvollen Problemstel- lung gerecht wird. Besonders eindrucksvoll ist die gekonnte Verknüpfung der für die Thematik relevanten Themengebiete aus den Ingenieurwissenschaften, der Betriebs- wirtschaftslehre und dem Operations Research. Gleichermaßen sind die von Herrn Ho- yer mit Hilfe des Entscheidungsmodells durchgeführten Analysen besonders zu würdi- gen. Die von ihm erzielten Resultate und abgeleiteten Handlungsempfehlungen stellen einen bedeutenden Beitrag zur erfolgreichen Planung von Recyclingnetzwerken dar, die ohne Zweifel in den kommenden Jahren nicht nur in Deutschland, sondern weltweit in allen wichtigen Automobilmärkten etabliert werden müssen. Herr Hoyer hat seine Ideen, die durchgeführten Modellierungsarbeiten und die erzielten Ergebnisse regel- mäßig mit industriellen Entscheidungsträgern diskutiert und deren Belange berück- sichtigt. Mit seiner Dissertation ist es Herrn Hoyer gelungen, den Stand der Wissen- schaft und Praxis auf dem Gebiet der strategischen Planung des Recyclings einen ent- scheidenden Schritt voranzubringen. Univ.-Prof. Dr. Thomas Stefan Spengler Vorwort Im September 2009 kam ich zurück in meine Heimatstadt Braunschweig, um an der Technischen Universität eine Stelle als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Produktion und Logistik des Instituts für Automobilwirtschaft und Industrielle Produk- tion anzutreten. Auf dem folgenden Weg, an dessen Ende diese Dissertation steht, hat mich mein Doktorvater Professor Dr. Thomas Spengler begleitet, gefordert und geför- dert. In einer äußerst angenehmen Arbeitsatmosphäre förderte er meine Qualifikation und Selbstständigkeit, übertrug mir vertrauensvoll Verantwortung und ermöglichte mir vielseitige berufliche Erfahrungen – hauptsächliche Gründe für die große Freude, die mir die Arbeit bereitet hat, und für das Gelingen dieser Dissertation. Herzlich bedanken möchte ich mich auch bei Professor Dr. Heinz Ahn für die Übernahme des Zweitgut- achtens. Für die Bereitschaft, den Vorsitz der Prüfungskommission zu übernehmen, so- wie für die stets freundliche Zusammenarbeit danke ich Professor Dr. David Woiset- schläger. Die begünstigende Arbeitsatmosphäre ist nicht zuletzt auf meine Kollegen zurückzu- führen, denen ich danken möchte für die gemeinsam verbrachte Zeit. In erster Linie geht mein Dank an Dr. Karsten Kieckhäfer für die großartige Unterstützung in allen Belangen. Anfangs Sprecher, später Leiter meines Teams, haben wir geschrieben und gelesen, diskutiert und gestritten, und sind darüber Freunde geworden. Für die vielen wertvollen Diskussionen auf dem Weg zur Promotion danke ich auch Professor Dr. Thomas Volling, Dr. Matthias Wichmann, Kerstin Schmidt sowie meinen Teamkollegen Katharina Wachter, Anna Diener und Christian Thies, letzterem außerdem für die Zu- sammenarbeit im Projekt. Ich danke darüber hinaus meinen Kollegen und ehemaligen Kollegen Maren Gäde, Dr. Martin Grunewald, Dr. André Hintsches, Isa von Hoesslin, Dr. Christian Huth, Christoph Johannes, Dr. Jenny Kranich, Dr. Niklas Labitzke, An- dreas Matzke, Christoph Meyer, Christoph Müller, Ina Schlei-Peters, Karen Puttkam- mer, Natalia Stepien, Dr. Anne Strauß, Professor Dr. Grit Walther, Dr. Jörg Wansart, Dr. Kai Wittek und Philipp Zeise. Birgit Haupt danke ich für die administrative Unterstüt- zung und die vielen wertvollen Tipps. X Vorwort Die Forschungsprojekte LithoRec, mit dem ich anfangs betraut wurde, und LithoRec II, das ich mitbeantragte und bearbeitete, waren vorrangig technisch motiviert. Die The- men Elektromobilität, Lithium-Ionen-Batterien und Recycling gewannen schnell mein Interesse; die Zusammenarbeit mit über dreißig Ingenieuren, Chemikern und Physi- kern aus Universität und Wirtschaft bereitete mir viel Freude. Ihnen und Euch allen möchte ich herzlich danken – die in vielzähligen Arbeitstreffen gewonnenen Erkennt- nisse legten den Grundstein für diese Dissertation. Hervorheben möchte ich Christian Hanisch, Jan Diekmann und Dr.-Ing. Gunnar Bärwaldt für ihren Elan im Projektma- nagement und für die Diskussionen zu jeder Tages- und Nachtzeit. Darüber hinaus wa- ren es Stefan Andrew, Christian Bradtmöller, Dr.-Ing. Tina Dettmer und Hannes Haupt, mit denen ich Arbeitstreffen organisierte, fachlich zusammenarbeitete und studentische Arbeiten betreute. Ikuko Akatsu, Dr. Rainer Aul, Dr. Martin Bomkamp, Dr. Marko Gernuks, Christian Gröber, Dr. André Hartmann, Uwe Heil, Kai Kramer, Peter Kunze, Jörg Pankratz, Guido Sellin, Martin Steinbild, Dr. Markus Weinmann und Lutz Zur-Lage von den Unternehmen Audi, Electrocycling, Rockwood Lithium, Solvay Fluor und Volkswagen danke ich für ihr Engagement im Rahmen der Erhebung und Plausibilitäts- kontrolle benötigter Daten. Meine Familie und meine Freunde trugen für alles weitere Sorge. Dankbar bin ich vor allem meinen Eltern Frank und Sybill Hoyer, dass sie mich während meines Studiums unterstützt und später zur Promotion ermutigt haben. Durch unzählige Feste gab es Ge- legenheit zur Zerstreuung, für die ich auch meinen Geschwistern Kristin, Carsten, Kai und Kristian und ihren Partnern, meinen Neffen und Nichten, Bernd Pesditschek, Clau- dia Hurtig und Andreas Renke danke. Christian Grösche danke ich für seine Freund- schaft seit nunmehr zwanzig Jahren und für viele unvergessliche gemeinsame Erleb- nisse. In diesem Sinne danke ich auch Kevin Indelicato, Tim Aster, Alexander Reslan, Katharina Meier, Maike Diedicke, Hendrik Jung, Timo Meisner und Dominic Groß. Ein ganz besonderer Dank gilt meiner Partnerin Katharina Renke – für ihre Zuneigung, für ihre Geduld, für ihre großartige Unterstützung und für die Zukunft. Claas Hoyer
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