F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R S y ste m - un d I nno v ationsfors c hun g I S I
Gesamt-Roadmap
Lithium-Ionen-Batterien 2030
1
Vorwort
bildet damit eine Klammer um alle weiteren ­Roadmaps und zeigt
ein umfassendes und konsistentes Bild auf, von der Entwicklung der Batterietechnologie für elektromobile und ­stationäre
Anwendungen über die Marktentwicklung bis hin zu Treibern
für die weitere Entwicklung und Implikationen, welche sich bis
2030 sowie in einem langfristigen Ausblick bis 2050 ergeben.
Ausgehend von einer Beschreibung der in den kommenden
15 Jahren erwarteten Technologieentwicklungen von Energiespeichern für die Elektromobilität und stationäre Anwendungen
werden abhängige Entwicklungspfade aufgezeigt und schließlich
Die Vision einer emissionsarmen bzw. -freien und damit nach-
Marktpotenziale der Lithium-Ionen-Batterien in den wichtigsten
haltigen Mobilität geht einher mit dem Ausbau der Erneuerba-
Anwendungen wie den unterschiedlichen Arten von Elektrofahr-
ren Energien. Energie- und Klimapolitik sind zentrale Treiber für
zeugen (z. B. Elektroautos, Elektrozweiräder, Busse, LKW etc.)
die Realisierung dieser Vision. Dabei wird die zukünftige Weiter-
und stationären Energiespeicheranwendungen (z. B. dezentrale
entwicklung einer optimierten Lithium-Ionen-Batterietechnologie
PV-Hausbatterien oder große Speicher zur Integration Erneuer-
entscheidend für die zeitliche Umsetzung sein. Denn alternative
barer Energien) quantifiziert. Eine batteriegebundene Elektromo-
Technologien zur Ablösung der fossilen Ära im Transportsektor,
bilität wird sich demnach zwischen 2020 und 2030 etablieren
welche zu einer klimaneutralen, energieeffizienten und flächen-
und schließlich sukzessive verbreiten, mit enormen langfristi-
deckend wirtschaftlichen Mobilität führen können, sind ­praktisch
gen Marktchancen für Lithium-Ionen-Batterien. Fragen nach der
nicht in Sichtweite. Die Lithium-Ionen-Batterie hat seit ihrer Ein-
Reichweite möglicherweise kritischer Rohstoffe wie Lithium oder
führung Anfang der 1990er Jahre in der Konsum­elektronik eine
Kobalt sowie sonstiger ggf. limitierender Rahmenbedingungen
ca. 25-jährige Entwicklung hinter sich, welche derzeit auf groß-
sind daher wichtig und frühzeitig zu beantworten. Langzeit-­
formatige Batterien übertragen und weiter optimiert wird. In den
Szenarien bis 2050 erlauben es in der Roadmap solche Fragen
nächsten 15 Jahren und darüber hinaus versprechen die Entwick-
der Rohstoffverfügbarkeit zu adressieren und dabei z. B. den
lungspotenziale dieser Technologie, dass Kosten, Reichweiten,
Einfluss des technischen Fortschritts der Lithium-Ionen-Batterie
Tank-/Ladedauern von Elektrofahrzeugen in den Bereich konven-
sowie Marktveränderungen zu berücksichtigen.
tioneller Fahrzeuge kommen ­können. Ein vollständiger Wechsel
in eine rein elektrifizierte Mobilität kann also mit dieser Techno-
Die Roadmap gibt damit eine Orientierung, in welchem Techno-
logie gelingen. Gleichzeitig eröffnet eine damit einhergehende
logieumfeld sich die Lithium-Ionen-Batterie je nach Anwendung
Kostenreduktion weitere Markteintritts- sowie -diffusionspoten-
bewegt, in welchem Verhältnis und mit welchen Entwicklungs-
ziale jenseits der Elektro­mobilität, z. B. im Bereich der gleichzeitig
potenzialen Anwendungen und Märkte zueinander stehen und
wichtiger ­werdenden stationären Energiespeicherung.
welche rahmensetzenden Maßnahmen die Entwicklung der Batterietechnologie aber auch der Elektromobilität und stationäre
Die vorliegende „Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien
Energiespeicherung voranbringen können.
2030“ des Fraunhofer ISI zeigt diese E­ ntwicklungsperspektiven
auf und fasst die zentralen Ergebnisse von neun Roadmaps zusam-
Prof. Dr. Jens Tübke
men, welche im Rahmen der BMBF g
­ eförderten Innovations­
Abteilungsleiter Angewandte Elektrochemie
allianz LIB2015 unter Beteiligung zahlreicher ­nationaler Experten
Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT
aus Wissenschaft und Industrie entstanden sind. Die Roadmap
Sprecher der Fraunhofer-Allianz Batterien
1
Einleitung
Gesa m t - R O A DM A P L ithiu m - I onen -
V O R G E H E N un d Metho d i k
B atterien 2 0 3 0
Die „Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen Batterien 2030“ aktuali-
Der Erstellung aller Roadmaps liegt ein methodisch g
­ estütztes
siert und integriert die in 2010 erschienene „Technologie-Road-
Vorgehensmodell zugrunde. Hierbei werden qualitative und
map Lithium-Ionen Batterien 2030“ und die in 2012 erschie-
quantitative Forschungsmethoden kombiniert. Ebenso erfolgt
nene „Produkt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030“. Die
jeweils (soweit möglich) ein Abgleich der nationalen (teilweise
Roadmap gibt einen umfassenden Überblick über den Stand und
EU) Perspektive der Roadmap mit internationalen ­Entwicklungen,
die Entwicklungspotenziale von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) für
wodurch das Roadmapping durch ein Monitoring ergänzt und
­elektromobile und stationäre Anwendungen und ­bildet somit
gestützt wird.
eine Klammer um die parallel erscheinenden Roadmaps „Energiespeicher für die Elektromobilität“ und „Stationäre Energie­
Das Vorgehen folgt den in der Grafik angedeuteten vier ­Schritten:
speicher“.
In einem ersten Schritt wird auf Basis von Desk Recherchen und
Es werden die bis 2030 erwarteten Entwicklungen der LIB-Tech-
disch vorbereitet, welcher die Roadmap-Architektur darstellt und
Studienanalysen ein Rahmen für einen Zukunftsentwurf methonologie und alternativer bzw. konkurrierender Energiespeicher-
in Expertenworkshops (mit typischerweise 10 bis 20 für den
lösungen skizziert und Abhängigkeiten zwischen Technologien
Abdeckungsbereich der Roadmap einschlägigen Experten aus
für elektromobile und stationäre Anwendungen aufgezeigt.
Wissenschaft und Industrie) inhaltlich erarbeitet wird. Hierdurch
Das breite Spektrum heutiger und sich künftig entwickelnder
wird eine interaktive Diskussion und Konsensbildung ermöglicht.
Geschäftsmodelle und Marktsegmente wird bis ins Jahr 2030
Vertiefende Expertengespräche gehen der Roadmap-Entwick-
quantifiziert. Langzeit-Szenarien bis 2050 erlauben es, technolo-
lung teilweise voraus oder werden bei offenen Fragen im Nach-
giespezifische bzw. -abhängige Fragen der Rohstoffverfügbarkeit,
gang geführt. In einem zweiten Schritt wird die Roadmap erstellt
des Einflusses des technischen Fortschritts der LIB sowie Markt-
und visualisiert. Handlungsoptionen können schließlich akteurs-
veränderungen modellgestützt zu berücksichtigen.
spezifisch abgeleitet werden. In einem dritten Schritt folgt eine
Zukunftsentwurf
Expertenworkshops
Interviews/Befragung
(Primärdaten)
methodische
Vorbereitung
Handlungsoptionen
inhaltliche
Aufbereitung
qualitativ
Monitoring
international
national
Roadmapping
quantitativ
Schlussfolgerung
Empfehlung
Realitätscheck
2
Analyse &
Konsistenzprüfung
Daten-/Faktenanalyse
(Desk, Sekundärdaten)
Modellierung
Szenarienbildung
­Analyse und Konsistenzprüfung (z. B. durch Publikations-, Patent­
stoff betriebene Elektromobilität mit Brennstoffzellenfahrzeugen
analysen, Technologie- und Marktstudien etc.) sowie ggf. eigene
nicht nur technisch sondern auch wirtschaftlich darstellbar wird,
Modellberechnungen, um die Aussagen der Roadmap über eine
wird zukünftig jeweils anhand regionaler Begebenheiten und
Szenarienbildung quer zu prüfen bzw. neben der qualitativen
im Kontext der jeweiligen Mobilitätskonzepte im Einzelnen zu
Experteneinschätzung auch quantitative abzustützen und mög-
­prüfen sein. Zudem ist aber auch die vergleichsweise schlechte
lichst zu bestätigen. In einem vierten Schritt erfolgt schließlich
Effizienz bei der Umwandlung von Strom zu Wasserstoff als
der Abgleich realer/aktueller Entwicklungen (z. B. erreichte Leis-
hinder­lich zu berücksichtigen.
tungsparameter, Beobachtung der Marktentwicklung) mit den
aus der Roadmap abgeleiteten Handlungsoptionen. Die Ver-
Mit der Kostenoptimierung sowie dem langfristigen ­parallelen
knüpfung mit dem (internationalen) Monitoring ist wichtig, um
Ausbau fluktuierender Erneuerbarer Energien eröffnen sich sogar
für Deutschland bzw. akteursspezifisch zugeschnittene Schluss­
bis 2030 und später auch breite Marktpotenziale für die LIB-Tech-
folgerungen und Handlungsoptionen ableiten zu können.
nologie in neuen Bereichen stationärer Anwendungen.
Dennoch können neben der LIB potenziell disruptive Techno-
Kernaussa g en
logien wie die Lithium-Schwefel- (Li-S) oder Lithium-Feststoff-­
Batterie (Li-Feststoff) evtl. noch bessere Energiedichten und
Die LIB hat seit ihrer Einführung Anfang der 1990er Jahre in
damit Reichweiten erzielen. Ihre (groß)produktionstechnische
der Konsumelektronik eine rund 25-jährige Entwicklung hinter
Realisierung unter den sich bis 2030 entwickelnden Anforde-
sich, welche aktuell auf großformatige Batterien unter intensiver
rungen an höhere Reichweiten, weiterhin reduzierte Kosten und
Weiter­entwicklung vom Material bis zum System und der Integ-
andere Parameter könnten jenseits 2030 gelingen und den Ein-
ration in spezifischen Anwendungen übertragen wird und in den
satz der LIB anschließend sukzessive ablösen. Hierzu sind aber
kommenden 15 bis 25 Jahren zur völligen Reife entwickelt sein
kontinuier­liche Anstrengungen in Forschung und Entwicklung
dürfte. Somit ergeben sich für die nächsten zwei Dekaden noch
(FuE) unter besonderer Berücksichtigung der anwendungsspe-
große Entwicklungspotenziale dieser Technologie, insbesondere
zifischen Anforderungen notwendig. Dies beinhaltet auch ein
mit Blick auf die Energiedichte (und damit Reichweite von Elek­
fortlaufendes Monitoring und die Bewertung von sich abzeich-
trofahrzeugen) sowie die Kostenreduktion. Die Verbreitung und
nenden Entwicklungsmöglichkeiten bis 2030 und darüber hin-
Diffusion batteriegebundener Elektrofahrzeuge scheitert heute
aus die Analyse daraus folgender Implikationen.
noch an höheren Kosten, zu niedrigen Reichweiten und weiteren Rahmenbedingungen, welche den vollwertigen Ersatz und
Die Marktaussichten für die in vieler Hinsicht als Plattformtech-
damit Umstieg von herkömmlichen Automobilen mit Verbren-
nologie geltende LIB sind enorm: Die Nachfrage in 2015 liegt bei
nungsmotor für die gesamte Bevölkerung verhindern. ­Sukzessive
ca. 55–70 GWh, davon rund 40 GWh nach k­ leinformatigen Z­ ellen
können in den kommenden 5 bis 15 Jahren diese Kostennach-
in Konsumelektronikanwendungen, Power Tools etc. („mobile
teile verringert werden, bis 2030 Reichweiten denen eines heu-
Elektronik“). Bereits heute stellen Elektrofahrzeuge (BEV, PHEV,
tigen Automobils mit Verbrennungsmotor nahekommen und
LKW, Busse, 2-Räder etc.) einen Markt von 15–30 GWh dar (je
bis jenseits 2030 parallel infrastrukturelle Herausforderungen
nach Abgrenzung der „Elektromobilität“ und unter Berücksich-
gelöst werden. Ein vollständiger Wechsel in eine rein elektro-
tigung von Unsicherheiten der Markteinschätzung), welcher sich
mobile Zukunft kann somit nach einem Markthochlauf bis 2030
bis 2020 in etwa verdreifachen und bis 2030 um den Faktor 10
schließlich zwischen 2030 und 2050 aus technischer Sicht gelin-
bis max. 30 (0,3–1 Terrawattstunden (TWh)-Bereich) a­ nsteigen
gen, und dies bereits auf Basis einer optimierten LIB-Technologie.
könnte. Bei gleichzeitiger Reduktion der Zellkosten um den Faktor 2 oder mehr in diesen Zeiträumen könnte der globale Markt
Die Brennstoffzellentechnologie mit Wasserstoff als Energiespei-
bis 2030 kostenmäßig um den Faktor 5 bis 10 gegenüber 2015
cher ist ebenso vor diesem Zeithorizont zu betrachten und wird
steigen. Für LIB in stationären Energiespeichermärkten wird
sich daher von einer heutigen komplementären ­Technologie
gegenüber heute rund 1–2 GWh Nachfrage ebenso eine Ver-
(heute geringe Reichweiten der Batteriefahrzeuge vs. hohe Reich-
vielfachung erwartet, jedoch auf Grund eines breiten Techno-
weiten von Brennstoffzellenfahrzeugen) zu einer klaren Konkur-
logieangebots für diverse und unterschiedlich große Teilmärkte
renztechnologie entwickeln. Diese zunehmende Konkurrenzsitua­
auf im Vergleich deutlich niedrigerem Niveau als LIB für elektro-
tion erschwert auch trotz des Ausbaus Erneuerbarer Energien
mobile Anwendungen. Bei einem tatsächlichen Gelingen einer
und Möglichkeiten einer „grünen“ Wasserstofferzeugung den
elektromobilen Zukunft würde die Nachfrage nach Batterien für
kostenintensiven und bislang unwirtschaftlichen Aufbau einer
Elektrofahrzeuge mit mindestens 90 Prozent alle weiteren Seg-
Wasserstoff- und Tankstelleninfrastruktur. Ob eine mit Wasser-
mente dominieren.
3
Gesamt-Roadmap
Lithium-Ionen-Batterien 2030
ZEIT
2015
Anwendung
(mobil, stationär)
Referenztechnologie
aktuelle/kurzfristige
Alternativtechnologie(n)
LIB-Markt (global)*
~10-30 GWh
2-Rad: Benzin, Mensch
e-Rad: Pb, LIB
Pb (CN!), LIB (NMC)
~5 Mio, ~ kWh,
~10 GWh
PKW (HEV)
PKW: Benzin/Diesel
HEV: NiMH, LIB
NiMH/
LIB (LFP, NCA, NMC)
~1,5 Mio, ~1 kWh,
Marktanteil LIB 10-50 % (NiMH dominiert),
1-1,5 GWh (NiMH + LIB)
Beginn der Marktsättigung
PKW (PHEV)
PKW: Benzin/Diesel
PHEV: LIB
LIB (NMC, NCA, LFP)
~200-250 Tsd., ~10 kWh,
2-3 GWh
Breiteres Fahrzeug-Angebot, (für DE/EU
PHEV <0,5 % bis >1 % der Neuzul. Welt
PKW: Benzin/Diesel
BEV: LIB
LIB (NMC, NCA, LFP)
~200-250 Tsd., ~25 kWh,
5-7 GWh
Technische Ausdifferenzierung (Kosten-,
BEV <0,5 % bis >1 % der Neuzul. Welt
Nutzfahrzeuge: Diesel
eFzg.: LIB, BZ
LIB (LFP, NMC, NCA), BZ
~x Tsd., ~50-250 kWh,
~ GWh
LIB (50-70 %),
Pb (50-30 %)
LIB (LFP/LTO, kostenopt.)
~10-100 Tsd., <10 kWh,
~0,1-0,5 GWh
Multi-Purpose Eigenbed.opt.
und Peak Shaving
LIB (~70 %),
Pb (~30 %)
LIB (LFP/LTO, kostenopt.)
begrenzte Stückzahlen
0,1-x GWh
Direktvermarktung
eneuerbarer Energien
PV: LIB,
Wind: (HT)
Adiabat. Druckluftspeicher
LIB (LFP/LTO, kostenopt.)
PV-Windparks
Rot. Massen (<sec),
Prozessst. (s),
Pumpsp. (m)
Superc. (<s), Schwungrad (s),
Li-cap (<s), LIB (<s,s,m)
einzelne LIB
PKW (BEV)
Innovationstreiber
2-Räder (ebikes, scooter,
pedelecs, motorbikes etc.)
ANWENDUNGEN & PRODUKTE
KURZFRISTIG
Nutzfahrzeuge
(LV, Busse, LKW)
Dezentrale PV BatterieSysteme
TECHNOLOGIEN xEV
LIB
(NMC, NCA, LFP etc.)
(„Generation 2“)
Elektrochemisch:
Li-basiert
TECHNOLOGIEBEZOGENE TECHNOLOGIEN ESS
RAHMENBEDINGUNGEN
Regelleistung
Elektrochemisch:
Li-basiert
LIB
(LFP/Graphit, LFP/LTO, Li-Polymer etc.)
Elektrochemisch:
Nicht Li-basiert
Pb, NaS (HT), ZEBRA (HT), NiMH,
Redox Flow Batterie (RFB, MWh Speicher)
Brennstoffzelle
Li-Polymer
PEM-FC
Nafion/Pt
700 barTank
Stack +
System +
H2-Tank
140 kWh
Technologien, Wachstum,
30-100 Mio Elektro-2-Räder (2015-2030),
(ebikes ~0,3-0,6 kWh, scooter ~2-3 kWh,
Übergang von Demoprojekten, Beschaff.,
von <<1 bis ~1 % der Neuzul. Welt
Markthochlauf und -diff.: LIB wird wirtGrid parity bei PV mit Energiespeicher,
Markteinführung:
Markthochlauf:
Markthochlauf und
adiabat. Druckl ggf.
Markthochlauf mit State of Art und
LIB Diffusion sowie Einführung
4,3 V
LIB
LIB
4,4 V
LIB
PEM-H2
Hunderte
DemoFahrzeuge
HE-(NMC)
SOFC
Nutzfahrzeuge
(z. B. LKW-APU)
(Pb)
Nicht Li-basiert
Chemisch/elektrisch/
mechanisch/sonstige
Rohstoffbedarf
(Rohstoffkritikalität)
Materialeffizienz
(Recyclingfähigkeit)
Energiebedarf (LCA)
(CO2-Footprint)
Technologische Synergien
(HT-Systeme
Na/NiCl2 u. a.)
NiMH
LIB Diffusion sowie Einführung
4,3 V
LIB
Nächste Generation Supercaps/Li-Caps,
Adiabatische CAES, unkonventionelle
Kobalt hat signifikanten Anteil
an Batteriekosten
Technologieplattform für LIB
HE-(NMC)
Bedingte Weiterentwicklungsmöglichkeiten der
bzgl. RFB Kostenbewertung nach GF-Modellen und Unsicherheiten
PHES, CAES, Schwungrad, H2/BZ, Supercaps
Pilotanlagen für
LIB-Recycling:
Batterie-Recycling von
Co, Ni, Cu Al
Co und Ni
Hoher Energiebedarf und schlechte
Umweltbilanz bei Produktion von
Kobalt und Graphit
optimierte LIB
4,4 V
LIB
Kobaltbedarf sinkt,
Nickelbedarf steigt
Batteriedesign für
Recycling auf
Systemebene
Kostengünstige LIBProduktion durch
geringe Materialreinheit?
Mechanische Inkompatibilität
von RFB zu Standard-Zellen
Angaben/Märkte (Stückzahlen, Batteriegröße, Zellnachfrage)
bezogen auf LIB und Welt sofern nicht DE explizit benannt
4
2020
LANGFRISTIG
2030
>2030
LIB-Markt (global)*
~50-100 GWh
Technologien, Wachstum, Diffusionsgrad
LIB-Markt (global)*
~0,3-1 TWh
Diffusonsgrad,
Trend
~10 Mio, ~ kWh,
>10 GWh
zunehmende Verbreitung
~x*10 Mio, ~ kWh,
~x*10 GWh
Diffusion
~1 Mio, je ~1 kWh,
~1 GWh (NiMH + LIB)
Marktanteil LIB 50-90 %
Sättigung bzw. Rückgang HEV (~1 % d. Neuzul.)
<1 Mio, je ~1 kWh,
<GWh LIB Markt
~100 % LIB
HEV verschw.
relevanter Übergangsmarkt)
(EU ~1/3, DE ~5 %)
~0,5-1,5 Mio, je ~10 kWh,
5-15 GWh
Diffusion (mit HE-LIB) und Beginn der Sättigung
PHEV ~1-5 % der Neuzul. Welt
~1,5 Mio, je ~10 kWh,
<100 GWh
Sättigung,
Rückgang
Reichw.optimiert), Zukunftsmarkt!
(EU ~1/3, DE ~5 %)
~0,5-1,5 Mio, 25-40 kWh,
20-60 GWh
Technologiereifung (HE-LIB), Diffusionsbeginn
BEV ~1-10 % der Neuzul. Welt
~5-10 Mio, 25-60 kWh,
0,1-1 TWh
Diffusion
(globaler Wandel)
Flotten zu breiterem Einsatz
~x*10 Tsd., ~50-250 kWh, ~1-5 % der Neuzul. Welt mit Elektro-Nutzfahrzeugen
BSZ tendenziell Nische (Busse, LKW)
~x GWh
~1 Mio?, ~50-250 kWh,
~100 GWh
Diffusion
(folgt BEV)
MITTELFRISTIG
Diffusionsgrad
LIB Penetration 15-30 %
(emotorbikes ~8-15 kWh)
~2 % HEV an Neuzul. Welt
(für DE/EU kaum relevanter Markt)
~100 Tsd., <10 kWh,
~ GWh
Diffusion: Kostenvorteil opt. LIB, HE-LIB aus xEV
Neubewertung: RFB, NaS (NT)?
~1 Mio, <10 kWh,
~10 GWh
Diffusion
>5 MW (LIB)
0,1-1 MW (LIB)
begrenzte Stückzahlen
0,1-x GWh
Diffusion: Kostenvorteil opt. LIB, HE-LIB aus xEV
Neubewertung: RFB, NaS (NT)?
Tausende? * MWh
= x GWh Level?
begrenzte
Stückzahlen
Beginn der Diffusion,
zeitnaher Game changer?
Kompetitiv für LIB
aber wachsender Markt
Diffusion: Kostenvorteil ad. Druckl., opt. LIB, RFB
Neubewertung: NaS (NT), H2 aus übers. Energie?
LIB Markt
~ x GWh Level?
Diffusion
LIB?
Diffusion,
LIB als Alternative ggf. zu spät wirtsch.
LIB Marktanteil aber
ggf. sehr klein
Marktsättigung
schaftlicher (LIB dominiert Pb)
DE: ~40 Tsd. Niveau ab 2016
ggf. alternative Technologien
„Generation 2-3“
LIB Diffusion sowie (ggf.) Einführung
PEM-FC-H2
Pt-reduziert
(z. B. LFP/LTO)
HE-LIB (Kostenvorteil)
Li-Legierung/
C-Komposit
Li-S
Li-Polymer
(Elektrolyt)
REFC mit
Flüssigbrennstoff
PEM-H2
Kleinserien
LIB „Generation 3-4“ (LIB und post-LIB)
5V
LIB
Li-Feststoff
H2-speichernde
organische
Materialien
BZ (PEM-FC, SOFC)
Pumpspeicher
PEM-FC-H2
Pt-reduziert
HE-LIB (Diff.(Nachfr.)
Technologien
bzgl. Lebensdauer
PEM-H2
Komplementär- oder
Konkurrenztechn.
Zn-Luft
Al-Luft/Al Mg-Luft/Mg
(wieder
(wieder
(wieder
aufladbar) aufladbar) aufladbar)
Diffusion opt. LIB (stationär), HE-LIB (xEV) sowie (ggf.) Einführung
Li-Legierung/
C-Komposit
Li-Luft
Li-S
Li-Polymer
(Elektrolyt)
LIB „Generation 3-4“ (LIB und post-LIB)
5V
LIB
Li-Feststoff
Li-Luft
Na-basierte Niedrig-Temperatur-Systeme
RFB
Neubewertung für kleine kWh
Zn-Luft
Al-Luft/Al Mg-Luft/Mg
(wieder
(wieder
(wieder
aufladbar) aufladbar) aufladbar)
Nachfrage große RFB?
~ GWh Bereich
Synthetisches
Erdgas
H2-speichernde
organische
Materialien
H2-Speicher
Li, Co, Ni,
Produktion und
Nachfrage
Batteriedesign für
Recycling auf
Zellebene
Seltene Erden
H2-Infrastruktur
Edelmetalle
Bewertung & Strategien Co, Li etc.
kritisch für
kritisch für
für BZ kritisch
(post-NMC, post-LIB?)
Elektromotoren
Brennstoffzellen
Günstiges „post production“
Infrastruktur für Recycling
Recycling
Konsumer-Material und günstige
und mehrere große
weiterer
Recycling und Trennverfahren
Recycling-Anlagen in der EU
Metalle
Optimistisches Szenario:
Pessimistisches Szenario:
Verbesserung der Umweltbilanz durch
Schlechte Umweltbilanz durch Verknappung von
diverse positive Einflussfaktoren
Kobalt und hohen Energieaufwand beim Recycling
Mobile
Anwendungsfälle
Stationäre
Anwendungsfälle
Stand der Technik
Referenztechnologie
Zeitnahe (5 Jahre)
Alternativtechnologien
Technologien
Mobil (xEV)
Technologien
stationär (ESS)
Technologiespezifische Rahmenbedingungen
5
Energiespeichertechnologien
E ner g iespei c herte c hnolo g ien für
ele k tro m obile A n w en d un g en
Für inkrementell bzw. evolutionär verbesserte großformatige
LIB-Systeme wie Hochenergie (HE)-LIB (z. B. NMC oder NCA
Kathoden und SiC Komposit-Anoden) oder Hochvolt (HV)-Ent-
Für zukünftige Anwendungen in der Elektromobilität und statio-
wicklungen mit 4,2/4,3/4,4 Volt sind Verbesserungen in der Ener-
nären Energiespeicherung kommen auf Grund unterschiedlicher
giedichte (gravimetrisch und volumetrisch) sowie eine Kosten­
spezifischer Vorteile und Reifegrade unterschiedliche (elektro­
reduktion (z. T. durch reduzierten Materialeinsatz, Senkung in
chemische) Energiespeichertechnologien in Frage. In den „Tech-
Produktionskosten durch Lerneffekte und Hochskalierung etc.)
nologie- und Gesamt-Roadmaps Energiespeicher für die Elektro­
zu erwarten. Diese Entwicklungen werden als LIB der Genera-
mobilität und stationäre Energiespeicher“ wurden bis auf der
tion 3 zusammengefasst und werden neben den aktuell in Elek-
Systemebene (Technologie-Angebotsseite und noch nicht für
trofahrzeugen verbauten Systemen in den kommenden (ggf.
die anwendungsspezifischen Anforderungen optimiert) zent-
sogar mindestens) 10 bis 20 Jahren sukzessive in den Markt
rale Entwicklungen von Energiespeichertechnologien betrach-
kommen und gegenüber früheren Generationen breiter diffun-
tet, welche aktuell (Stand der Technik) bzw. potenziell zukünftig
dieren (d. h. es gibt aber eine Ko-Existenz und die Marktanteile
in Elektrofahrzeugen und stationären Speichersystemen einge-
in den jeweiligen Anwendungen steigen.
setzt ­werden können. Dabei kann es je nach Technologie(reife)
für die Vorbereitung der spezifischen Anwendung bzw. Erfüllung
HV (4,4 bis 5 Volt)-LIB, Li-Feststoff-, Li-S bis Lithium-Luft (Li-Luft)-
des spezifischen Anforderungsprofils, der produktionstechni-
Batterien stellen Zukunftstechnologien dar, welche je nach Anfor-
schen Um­setzung in Serie und der Integration in der Anwendung
derungsprofil einer konkreten Anwendung (z. B. an die kalenda-
noch zu weiteren Verschiebungen um 2 bis 3 Jahre ­(existierende
rische und zyklische Lebensdauer, Energie- und Leistungsdichte
Produktionsplattform), 5 bis 8 Jahre oder länger (ohne heute
etc.) für die Elektromobilität als relevant einzustufen, jedoch prin-
­existierende Produktionsplattform) kommen. Für beide Anwen-
zipiell vor einer langfristigen Zeitskala (eher jenseits 2030 in kon-
dungsbereiche werden hier die wesentlichen abhängigen und
kreten Anwendungen) zu sehen sind. Beispielsweise sind produk-
unabhängigen/spezifischen Entwicklungslinien zusammenge-
tionstechnische Fragen und Entwicklungen bei Li-Feststoff oder
fasst.
die begrenzte Lebensdauer von Li-S noch Herausforderungen,
jedoch können auch begrenzte volumetrische Energiedichten,
Li-basiert
begrenzte Leistungsdichten etc. Parameter darstellen, welche
den Einsatz einer Li-S in einem Elektrofahrzeug sogar gänzlich
Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mit NMC-, NCA-, oder LFP-Kathode
verhindern. In Elektrofahrzeugen sind diese Technologien (mit
und Graphit-Anode (teilweise auch LMO-NMC mit Blends oder
Ausnahme der HV-LIB als Post-LIB oder Generation 4 bezeich-
vereinzelt LFP/LTO etc.) aber auch Lithium-Polymer-Batterien (Li-
net) vor 2030 prinzipiell nicht im Einsatz zu erwarten.
Polymer) stellen den Stand der Technik und die Referenztechnologie für xEV (HEV, PHEV und BEV) in PKW sowie zahlreiche wei-
Brennstoffzelle
tere elektromobile Anwendungen (z. B. ebikes, Busse, Transporter
etc.) dar. Dies sind die in den bis 2015 über 1 Million Elektro­
Die PEM-Brennstoffzelle mit 700 bar-Tank (Wasserstoffspeicher)
autos (BEV/PHEV) verbauten Batterien. Sie werden (siehe „Tech-
ist Referenztechnologie für Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV)
nologie-Roadmap Energiepseicher für die Elektromobilität 2030“
mit typischerweise rund 140 kWh Systemgröße. Sie stellt aus
sowie Studien der Nationalen Plattform Elektromobilität (NPE))
­heutiger Sicht durch das Erreichen hoher Reichweiten eine Kom-
als LIB der Generation 2 bezeichnet (Generation 1 bezeichnet
plementärtechnologie zu LIB-basierten Elektrofahrzeugen mit in
in der Regel kleinformatige Gerätezellen für Konsumelektronik-
der Regel geringer Reichweite dar.
anwendungen, z. B. in Laptops).
6
Neben einigen hundert Pilot- und Demonstrationsfahrzeugen (in
anwendungen (z. B. in Entwicklungsländern, dort NICHT als
Europa, Japan, Korea, USA)1 stehen der Verbreitung von FCEV
­Starter-Batterie).
jedoch noch größere Herausforderungen im Weg. Hierzu zählen
u. a. die hohen Herstellungskosten für die Brennstoffzellen(-sys-
Bei Nicht-Lithium-basierten Batterietechnologien sind auch die
teme) (z. B. die Platinreduktion ist daher weiterhin FuE-Gegen-
Hochtemperatur-Systeme erfasst, z. B. NaNiCl2- bzw. die ZEBRA-
stand) und schließlich Kosten der FCEV, geringe Wirkungsgrade
Batterie. In Nutzfahrzeugen bzw. Bussen werden sie teilweise ein-
in der Wasserstoffherstellung (z. B. PEM-Elektrolyse heute bei
gesetzt. Redox-Flow-Batterien (RFB) waren einmal für den Einsatz
65 bis 67 Prozent und bis 2050 ggf. bis 80 Prozent)2 sowie
in der Elektromobilität in der Diskussion, sind aber besser für die
Rückverstromung (z. B. bis 60 Prozent PEM-FC, 50 bis 70 Pro-
stationäre Energiespeicherung geeignet. Vor allem Vanadium-
zent SOFC)3, Optimierungspotenziale bzgl. der Brennstoffzellen-
basierte RFB (VRFB) bringen nicht die geforderte Energiedichte.
Lebensdauer sowie die noch fehlende „grüne“ Wasserstoffinfra-
Spielt die Energiedichte allerdings keine Rolle, hat das Batteriesys-
struktur (gekoppelt an den Ausbau der Erneuerbaren Energien
tem den großen Vorteil der einfachen Betankung und Sicherheit.
(EE)) und auch die kostenintensive Wasserstofftankstelleninfrastruktur. Damit liegen Herausforderungen auf allen Bereichen
Es ist zu erwarten, dass diese (Nicht-Li-basierten) Batterietypen in
von der Wasserstoffherstellung (z. B. Elektrolyse), Wasserstoff-
Anwendungen der Elektromobilität bald verschwinden bzw. ggf.
speicherung (z. B. neben Druckgasbehältern könnten künftig
in Nischenanwendungen verbleiben. Langfristig (jenseits 2030)
auch H2-speichernde organische Materialien weiter entwickelt
bleibt es aber offen, ob sich neben den hier skizzierten LIB-Ent-
sein) sowie der Rückverstromung vor.
wicklungen (Generation 2 und 3) und Brennstoffzellen/Wasserstoffspeicher-basierten Komplementär bzw. Konkurrenztech-
Kosten können (ebenso wie für LIB) durch Skaleneffekte und
nologien jenseits 2030 Batterien (Generation 4) oder Antriebe/
hohe verkaufte Stückzahlen (FCEV) reduziert werden, jedoch
Technologien anderer Art entwickeln und durchsetzen können,
bleibt die Entwicklung einer Wasserstoff/Brennstoffzellen-basier-
um das Zeitalter der „fossilen“ Mobilität abzulösen.
ten Mobilität kontrovers diskutiert und ist ganz klar im Kontext
der Entwicklungspotenziale der batteriebasierten E­ lektromobilität
In dem Zeitraum bis 2030 jedoch werden auch Optionen wie
und dem Ausbau der EE neben den anderen genannten Heraus-
LKW mit Oberleitung, Supercaps für Stop and go-Anwendungen
forderungen zu bewerten. Die Zukunftschance der FCEV wird
etc. diskutiert bzw. realisiert. Jedoch werden diese Lösungen als
sich daher vermutlich spätestens zwischen 2020 und 2030 ent-
singuläre bzw. für einzelne Konzepte und Anwendungen spe-
scheiden.
zifische Optionen in dieser Roadmap nicht vertiefend diskutiert.
Denn mit der Entwicklung von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen hoher Reichweite ist zudem zu erwarten, dass sich mit
E ner g iespei c herte c hnolo g ien für
Verzögerung einer FCEV-Verbreitung die LIB zu einer klaren Kon-
station ä re A n w en d un g en
kurrenztechnologie zu FCEV entwickeln werden. Dabei könnten Brennstoffzellenfahrzeuge aber auch neben PKWs in Nutz-
Mit Blick auf Energiespeichertechnologien für stationäre An-
fahrzeugen wie Bussen und LKWs weitere Verbreitung finden.
wendungen ist ein deutlich breiteres Technologieportfolio zu
Mögliche Entwicklungen neben reinen FCEV sind z. B. auch
betrachten. Anders als für die Elektromobilität mit besonderen
SOFC-basierte Nutzfahrzeuge (z. B. LKW-APU) oder auch Range-
Anforderungen an höchste Energiedichten können hier je nach
extender fuel cell-Elektrofahrzeuge (REFC). Als F­ lüssigbrennstoffe
Anwendungsfall ganz unterschiedliche Parameter im Vorder-
4
kommen dafür neben Wasserstoff auch Methanol oder andere
grund stehen (in der Regel ist dies neben Kosten ganz beson-
Alkohole in Frage.
ders die Lebensdauer, sowohl kalendarisch als auch zyklisch).
Insgesamt werden bis 2020 bestenfalls FCEV in Kleinserien (ggf.
Weiterhin muss sich eine breitere Marktnachfrage (wie bei
einige Tausend bis max. 100 000 im weltweiten Bestand) erwar-
Elektro­fahrzeugen gegenüber konventionellen Fahrzeugen mit
tet. Dokumentierte (eher politisch motivierte) Planungen5 stellen
Verbrennungsmotor) für eine stationäre Energiespeicherung erst
rund 0,5 Millionen FCEV bis 2020 (Bestand) in Aussicht.
ergeben. Heute können ganz unterschiedliche Flexibilisierungsoptionen wie Energiemanagement, Netzausbau etc. aber auch
Nicht-Li-basiert
eine für viele Anwendungen noch vorliegende Unwirtschaftlichkeit der Energiespeicherung (d. h. es ist evtl. günstiger erzeugten
NiMH werden weiterhin in HEV eingesetzt, dort jedoch zuneh-
Strom zu verlieren und nicht zu speichern) einer breiten Nach-
mend durch kostenreduzierte LIB subsituiert. Blei-Säure-­Batterien
frage im Weg stehen. Die steigende Nachfrage nach ­stationärer
(Pb) sind heute und kurzfristig weiterhin im Einsatz in Traktions­
Energiespeicherung ist daher eng mit dem Ausbau fluktuieren7
ZEIT
2015
TECHNOLOGIEN xEV
TECHNOLOGIEN ESS
LIB
(NMC, NCA, LFP etc.)
(„Generation 2“)
Elektrochemisch:
Li-basiert
Elektrochemisch:
Li-basiert
LIB
(LFP/Graphit, LFP/LTO, Li-Polymer etc.)
Elektrochemisch:
Nicht Li-basiert
Pb, NaS (HT), ZEBRA (HT), NiMH,
Redox Flow Batterie (RFB, MWh Speicher)
Brennstoffzelle
Li-Polymer
PEM-FC
Nafion/Pt
700 barTank
Stack +
System +
H2-Tank
140 kWh
KURZFRISTIG
LIB Diffusion sowie Einführung
4,3 V
LIB
LIB
4,4 V
LIB
PEM-H2
Hunderte
DemoFahrzeuge
HE-(NMC)
SOFC
Nutzfahrzeuge
(z. B. LKW-APU)
(Pb)
Nicht Li-basiert
Chemisch/elektrisch/
mechanisch/sonstige
(HT-Systeme
Na/NiCl2 u. a.)
NiMH
LIB Diffusion sowie Einführung
4,3 V
LIB
optimierte LIB
4,4 V
LIB
HE-(NMC)
Bedingte Weiterentwicklungsmöglichkeiten der
bzgl. RFB Kostenbewertung nach GF-Modellen und Unsicherheiten
PHES, CAES, Schwungrad, H2/BZ, Supercaps
Nächste Generation Supercaps/Li-Caps,
Adiabatische CAES, unkonventionelle
der Erneuerbarer Energien verbunden, da eine Speicherung der
Durch die Verwendung von Lithium-Titanat (LTO)-Anoden
Energie bei sehr hohen Anteilen an Überschussstrom wirtschaft-
anstelle Graphit können mit LFP/LTO-Batterien deutlich höhere
licher bzw. wahrscheinlicher nachgefragt wird, und auf einer
kalendarische und zyklische Lebensdauern erreicht werden, so-
langfristigen Zeitskala zu sehen.
dass sich über die Lebensdauer hinweg bzw. mit Bezug auf die
Da sowohl Klimapolitik (z. B. Gesetzgebung bzgl. CO2-Emissions-
Potenziale einer in Bezug auf Kosten und Lebensdauer optimier-
reduktion) als auch Energiepolitik (z. B. Ausbau „grüner“ Erneu-
ten LIB ergeben.
in einer Anwendung ausgespeicherte Energie in kWh deutliche
erbarer Energien) Treiber für die Entwicklung und Nachfrage
elektromobiler und stationärer Energiespeicher und zudem hoch-
Eine Diffusion dieser LIB-Technologie ergibt sich gerade in
gradig zeitlich und hinsichtlich der Anreize voneinander a­ bhängig
­kleineren dezentralen Speichersystemen in den kommenden
sind, ergeben sich auch bei den technischen Entwicklungspo-
Jahren gegenüber einer heute in der Regel wegen der geringen
tenzialen und Lösungen klare Abhängigkeiten bzw. Synergien:
Investitionen noch attraktiveren Pb.
Li-basiert
Für andere Li-basierte Batterien (der Generation 3 und 4) gelten
Heute stellen in erster Linie günstige LIB-Zellchemien ohne hohe
Treiber. Nur wenn hier Technologien mit stark reduzierten Kos-
die Entwicklungen im Bereich der Elektromobilität als ganz klarer
Energiedichte wie beispielsweise Lithium-Eisenphosphat (LFP)
ten (die Energiedichte ist bei stationären Anwendungen in der
(günstig und zyklenstabil) oder aber auch Lithium-Mangan-
Regel weniger kritisch bzw. relevant) verfügbar werden, sowie
Oxid (LMO) Referenztechnologien dar. Auf teure Materialien
weitere anwendungsspezifische Anforderungen erfüllt sind
wie Kobalt, Nickel und entsprechend NMC- oder NCA-basierte
(z. B. an die Lebensdauer), werden diese zunehmend für den
Kathoden wird in der Regel noch eher verzichtet. Jedoch gewin-
­stationären Einsatz attraktiv.
nen auch diese Zellchemien – sofern günstig und mit hoher
garantierter Lebensdauer von Zellherstellern angeboten – bereits
Auf Basis der in der Elektromobilität erwarteten Kostensenkungs-
an Bedeutung. In dezentralen Anwendungen (z. B. <10 kWh-
potenziale großformatiger LIB-Zellen auf unter 200 €/kWh um
Hausspeicher) werden (neben Pb) aber hauptsächlich LIB auf Basis
2020 und unter 100 €/kWh um 2030 wird angenommen, dass
von LFP/Graphit eingesetzt (siehe „Gesamt-Roadmap ­stationäre
Hochenergie (NMC- oder NCA-basierte)-LIB in diesem Zeitraum
Energiespeicher 2030“).
auch für stationäre Anwendungen zunehmend wirtschaftlich
und damit nachgefragt werden.
8
MITTELFRISTIG
„Generation 2-3“
LANGFRISTIG
LIB Diffusion sowie (ggf.) Einführung
PEM-FC-H2
Pt-reduziert
(z. B. LFP/LTO)
HE-LIB (Kostenvorteil)
Li-Legierung/
C-Komposit
Li-S
Li-Polymer
(Elektrolyt)
REFC mit
Flüssigbrennstoff
PEM-H2
Kleinserien
PEM-FC-H2
Pt-reduziert
HE-LIB (Diff.(Nachfr.)
Technologien
bzgl. Lebensdauer
>2030
2030
LIB „Generation 3-4“ (LIB und post-LIB)
5V
LIB
Li-Feststoff
Li-Luft
H2-speichernde
organische
Materialien
PEM-H2
Komplementär- oder
Konkurrenztechn.
Zn-Luft
Al-Luft/Al Mg-Luft/Mg
(wieder
(wieder
(wieder
aufladbar) aufladbar) aufladbar)
Diffusion opt. LIB (stationär), HE-LIB (xEV) sowie (ggf.) Einführung
Li-Legierung/
C-Komposit
BZ (PEM-FC, SOFC)
Pumpspeicher
2020
Li-S
Li-Polymer
(Elektrolyt)
LIB „Generation 3-4“ (LIB und post-LIB)
5V
LIB
Li-Feststoff
Li-Luft
Na-basierte Niedrig-Temperatur-Systeme
RFB
Neubewertung für kleine kWh
Zn-Luft
Al-Luft/Al Mg-Luft/Mg
(wieder
(wieder
(wieder
aufladbar) aufladbar) aufladbar)
Nachfrage große RFB?
~ GWh Bereich
Synthetisches
Erdgas
H2-speichernde
organische
Materialien
H2-Speicher
Technologien
Mobil (xEV)
Nicht Li-basiert
Technologien
stationär (ESS)
speicher 2030“ aufgezeigten) spezifischen Anwendungen in
entsprechenden Speicherklassen haben werden, mit Ausnahme
Heute ist das Portfolio nicht-Li-basierter Batterien in stationären
der LIB, welche getrieben durch Fortschritte in der Elektromobili-
Anwendungen groß (siehe „Technologie-Roadmap stationäre
tät einzelne dieser Technologien bzw. ihrer Märkte substituieren
Energiespeicher 2030“). Pb sind für kleinere (kWh) PV-Haus-
könnte und ein breiteres Anwendungspotenzial erwarten lässt.
batterien aber besonders in der Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), Stand-by und Telekom Anwendungen auf
Chemisch/Elektrisch/Mechanisch/Sonstiges
Grund geringer Zell/ Systemkosten (pro kWh Investition) weiterhin attraktiv, Hochtemperatur (NaS, ZEBRA)- und RFB werden in
Jenseits der elektrochemischen Energiespeicher gelten heute und
Anwendungen größerer (MWh-)Speicherklassen eingesetzt und
sicherlich auch künftig Kurzzeitspeicher wie Schwungräder und
rechnen sich bei längeren Entladezeiten (ab mehreren Stunden).
Supercaps sowie Großspeicher (u. a. PHES und CAES) und Langzeitspeicher wie Wasserstoff zu dem weiteren Portfolio statio-
Jedoch sind bei diesen Technologien die künftigen Entwicklungs-
närer Speichertechnologien (z. B. auch thermische und weitere
potenziale entweder gering (z. B. Pb mit geringen Potenzialen
hier nicht vertiefte Energiespeichertechnologien).
der Optimierung von Kosten und Zyklenzahl) oder eine Bewertung fällt schwer (z. B. Unsicherheiten in der Langzeitstabilität
Entwicklungspotenziale ergeben sich bei kommenden Gene-
und damit Risiko bzgl. der Eignung für Anwendungen im kWh-
rationen von Supercaps bzw. Li-Caps (Hybridkonzept zwischen
Bereich sowie Bewertung der Wirtschaftlichkeit bei RFB) etc.
Supercaps und LIB) mit hoher Energiedichte, Brennstoffzellen
Daher sind die technische Entwicklung ebenso wie die B
­ ewertung
(z. B. PEM, SOFC wie für elektromobile Anwendungen diskutiert)
der Wirtschaftlichkeit von RFB oder auch Na-basierten Niedrig-
für BHKW- Anwendungen, kostengünstige adiabatische CAES,
Temperatur-Systemen langfristig im Auge zu behalten und bei
unkonventionelle Pumpspeicher, etc. Die Anwendungsbereiche
veränderten Erkenntnissen neu zu bewerten. Gleiches gilt für
dieser Technologien liegen oftmals jedoch auch außerhalb der
nicht-Li-basierte Metall-Luft-Batterien.
Einsatzbereiche von LIB und sind daher eher als Ergänzung und
weniger direkte Konkurrenztechnologie zu sehen (siehe „Tech-
Neben LIB gelten somit aber Pb, RFB, und Na-basierte Hochtem-
nologie-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030“).
peratur (HT)-Batterien als die heute zentralen elektrochemischen
Speichertechnologien für stationäre Anwendungen. Es wäre
Die Speicherung von synthetischem Erdgas (im Erdgasnetz) oder
durchaus zu erwarten, dass auch langfristig alle diese Technolo-
Wasserstoff (in geologischen Formationen) sind langfristig (2020
gien ihre (wie in der „Technologie-Roadmap stationäre Energie­
oder gar 2030) zu erwarten.
9
FuE-Aktivitäten zu
Lithium-Ionen-Batterien
Die FuE-Aktivitäten zu stationären Energiespeichertechnologien
auf 100 normiert. Für die Abbildung zu LIB-Komponenten gilt
wurden in der „Technologie-Roadmap Stationäre E­ nergiespeicher
die Normierung auf LIB insgesamt (= 100), für Kathoden, Anoden,
2030“ anhand von Publikations- und Patentanalysen verglei-
Elektrolytforschung gilt die Normierung in Bezug auf die jeweili-
chend betrachtet und geben im Wesentlichen die Entwicklungs-
gen Komponenten (siehe Abbildungen rechte Seite).
potenziale (Dynamik) aber auch den aktuellen Stellenwert (relative Größe/Aktivität der Publikationen und Patentanmeldungen)
Im Bereich der Batterieforschung dominiert die FuE an LIB mit
der genannten Technologien wieder. Die Analysen bestätigen die
60 bis 70 Prozent der Publikationen sowie einem dynamischen
Entwicklungspotenziale eines breiteren Technologieportfolios für
Wachstum von 30 Prozent (Welt) bzw. 40 Prozent (Deutschland).
stationäre Anwendungen wie zuvor beschrieben.
Li-S und Li-Luft waren in den letzten Jahren internationaler FuEGegenstand. In Deutschland lag dabei ein vergleichsweise ­starker
Da LIB sowohl mit Blick auf die Elektromobilität als auch in vielen
Fokus auf der FuE an HV-LIB. Li-Polymer und Li-Feststoff haben
Speicherklassen und Anwendungsfeldern stationärer (dezentraler,
(auf entsprechend geringem Niveau) eine mit LIB i­nsgesamt ver-
lokaler sowie klein bis mittelgroßer) Energiespeicher vom kWh-
gleichbare Dynamik gezeigt. Dies könnte sich durch den aktuel-
bis in den MWh-Bereich eine ganz zentrale Rolle spielen, sollen
len Fokus auf Li-Feststoff-Batterien in den kommenden ­Jahren
in dieser Roadmap die FuE-Aktivitäten in Deutschland sowie im
ändern.
weltweiten Vergleich anhand von Publikationsanalysen näher
betrachtet werden. Die in der „Technologie-Roadmap Lithium-
Mit Blick auf LIB-Komponenten ist international ein starker Fokus
Ionen-Batterien 2030“ beschriebenen hierarchisch aufgebauten
auf die Kathoden- und Anodenforschung aber auch die Zell-
Suchstrategien (Datenabfrage im Web of Science (WoS) für die
und Elektrolytforschung zu beobachten. Im Vergleich jedoch
letzten fünf Jahre) erlauben einen direkten Vergleich der Bat-
weniger auf die Systemebene und Separatoren (diese aber mit
terietypen, LIB-Komponenten sowie Materialentwicklungen im
hoher Dynamik). In Deutschland ist dabei eine konzentrierte
Bereich einzelner Zellkomponenten. Die Forschungsintensität
Forschung mit hoher Dynamik und Fokus auf die Zellforschung
(Anzahl der Publikationen in diesem Zeitraum) ist für Batterien
zu beobachten.
FuE zu
Batterietechnologien
Jährliches Wachstum 2009-2014 in %
140
Welt
DE
Li-S
120
Li-Luft
100
HV-LIB
80
Me-Luft
60
LIB
40
Li-Feststoff
Li-Polymer
20
Batterien
0
1
10
100
Forschungsintensität relativ zur gesamten Batterieforschung (%, logarithmisch)
10
Im Bereich der Kathodenforschung (nicht zwingend reine Mate-
Für die Elektrolytforschung wird das bei Betrachtung der Batterie­
rialforschung) nehmen Publikationen zu LFP noch vor anderen
typen gewonnenen Bild verstetigt: Neben organischen Karbo-
Kathoden den größten Raum ein. Deutlich heraus sticht der
naten (mit Lithium-Hexafluorophosphat, LiPF6) als „klassischem“
viel höhere Anteil ebenso wie die Dynamik der NMC Forschung
Elektrolyt sowie Polymerelektrolyten (diese sind sogar internatio­
in Deutschland im Vergleich der weltweiten Aktivitäten. Dies
nal stärker betont) nehmen Festelektrolyte in den letzten Jahren
bestätigt genau die in der Roadmap aufgezeigten FuE-Schwer-
eine deutlich geringere Rolle ein, was sich in den kommenden
punkte besonders aus deutscher Sicht. Der hohe Anteil der LFP
Jahren ändern könnte. Der Fokus jüngster Forschung zeigt sich
Forschung kann sich durchaus durch starke Akteure im Bereich
wieder gerade in Deutschland mit einer extrem hohen Dyna-
von LIB für stationäre Anwendungen und Bereiche jenseits der
mik bei HV-Elektrolyten, Additiven (zu organischen Karbonaten)
Zellfertigung für elektromobile Anwendungen erklären und ist
sowie Gelpolymerelektrolyten.
zudem nicht auf die reine Materialforschung zu beziehen.
Für die kommenden Jahre dürfte eine wie in der Roadmap geIm Bereich der Anodenforschung dominieren weiterhin Publika-
zeigte Konsolidierung und weitere Konzentration auf HE (NMC)-
tionen zu Graphit (bzw. Anoden auf Graphitbasis), besonders in
Kathoden, Legierung/Komposit-Anoden, sichere (Fest-)Elektro-
Deutschland in Bezug auf Anteil und Dynamik. Neben LTO (Bezug
lyte und LIB-Zellforschung zu erwarten sein. Auch die Forschung
wieder zu stationären Speichern und Akteuren in Deutschland)
an Post-LIB (z. B. Li-S, Li-Luft) dürfte und sollte sich verstetigen. Im
nimmt die Forschung an Anoden mit Kompositmaterialien und
internationalen Vergleich hat Deutschland in den hier gezeigten
Legierungen eine in Deutschland besonders hohe Dynamik ein.
Bereichen die Chance sich weiter zu etablieren und FuE-Ergebnisse in die Anwendung zu bringen.
FuE zu Lithium-Ionen-Batterien (LIB)
Wachstum (letzte 5 Jahre) in %
140
Welt
DE
Separator
120
FuE zu LIB-Kathoden
100
Wachstum (letzte 5 Jahre) in %
160
120
80
100
Zelle
60
System
Separator
40
0
80
Elektrolyt
Kathode
Anode
Zelle
Kathode
Anode
Elektrolyt
System
Rest
20
60
LNO
NCA
NMC
NCA
40
20
Rest
-20
0
20
30
40
50
Anteil innerhalb der LIB-Publikationen in %
LCO
LCO
0
10
20
30
40
50
Anteil innerhalb der Kathoden-Publikationen in %
FuE zu LIB-Elektrolyten
Wachstum (letzte 5 Jahre) in %
100
Wachstum (letzte 5 Jahre) in %
160
Welt
DE
Legierungen
80
140
LFP
LFP
LMO
LNO
0
10
LMO
FuE zu LIB-Anoden
Welt
DE
Gelelektrolyte
120
Komposite
100
60
Additive
Hard carbon
Si/C
40
Legierungen
Graphit
Komposite
Si/C
80
HV Elektrolyte
60
LTO
LTO
20
Graphit
Polymerelektrolyte
40
HV Additive
20
Hard carbon
0
Welt
DE
NMC
140
0
10
20
30
40
50
Anteil innerhalb der Anoden-Publikationen in %
Elektrolyte
0
0
org. carb.
Festelektrolyte
Festelektrolyte
Gelelektrolyte
10
org. carb.
Polymerelektrolyte
20
30
40
50
Anteil innerhalb der Elektrolyte-Publikationen in %
11
Anwendungen und Produkte
Großformatige Lithium-Ionen-Batterien (LIB) spielen sowohl für
vorgelagerte Forschung und Zulieferer/Anbieter die Notwen-
elektromobile als auch für stationäre Anwendungen eine zen-
digkeit des Zugangs zu Know-how in der Zellfertigung sowie
trale Rolle, da sie mit ihrem technischen (insbesondere Ener-
der FuE und sich hierbei ergebender konkreter Fragestellungen
giedichte, Lebensdauer) sowie ökonomischen (Kostensenkung)
und Bedarfe.
Entwicklungspotenzial als Plattformtechnologie breit einsetzbar
sind. Wenn LIB aber, wie zuvor anhand der Technologieentwick-
Um nun die Marktentwicklung für Anwendungen und Produkte
lungspfade gezeigt, noch in den nächsten 15 und mehr Jahren
mit zentraler Bedeutung für LIB besser einschätzen zu können,
derartige Entwicklungspotenziale aufweisen, dann sind fokus-
werden (ebenso wie zuvor die Technologiepfade auf Basis der
sierte und anwendungsnahe FuE Anstrengungen aber auch mit
Erkenntnisse der drei Technologie-Roadmaps für Lithium-Ionen-
Blick auf die sich zukünftig ergebenden Marktchancen eine ver-
Batterien, Energiespeicher für die Elektromobilität und Stationäre
stärkte Produktionsforschung und ein Aufgreifen der Entwick-
Energiespeicher) die in den Produkt-Roadmaps für Lithium-Ionen-
lungen durch die Industrie notwendig, wenn sich Deutschland
Batterien sowie Produkt- und Gesamt-Roadmaps Energiespeicher
in diesen Zukunftsmärkten wettbewerbsfähig positionieren will.
für die Elektromobilität und Stationäre Energiespeicher als z­ entral
Die heute schwache Position Deutschlands in der Zellfertigung
mobilität werden neben xEV (HEV, PHEV, BEV) auch 2-Räder
für LIB diskutierten Anwendungen betrachtet: Für die Elektroist bekannt, hier dominieren asiatische Hersteller wie LG Chem
und Nutzfahrzeuge betrachtet. Die gesamte Breite von Anwen-
Ltd., Samsung SDI, Panasonic Corp. und Weitere. Jedoch ist
dungen wird in einer nachfolgenden Marktübersicht dargestellt.
Deutschland stark in den vorgelagerten Wertschöpfungsstufen/
Für stationäre Anwendungen werden dezentrale PV Batteriesys-
-bereichen (wie dem Anlagen- und Maschinenbau, der Chemie-
teme (<10 kWh), gewerbliche Speicher für die Eigenbedarfsop-
industrie) sowie der Systemintegration (Pack-, Modul-, System-
timierung (>100 kWh–1 MWh), die Direktvermarktung Erneuer-
herstellung) und anderen nachgelagerten Dienstleistungen. Mit
barer Energien (EE) und die Regelleistung betrachtet. Auch hier
sich weiter entwickelnden Märkten wird sich daher zunehmend
wird die gesamte Breite von Anwendungen anschließend in eine
die Frage stellen, wie stark Deutschland oder Europa künftig von
Marktübersicht einsortiert
einer Zellproduktion abhängig sein wird. Denn Wertschöpfung
lässt sich zunächst auf allen Ebenen vom Material bis zum Pro-
2-Räder (Elektrofahrräder bzw. Ebikes)
dukt erzielen.
Zu unterscheiden sind z. B. Pedelecs, Scooter, E-Motorbikes etc.
Für die LIB-Zelle wird eine Wertschöpfung mit der Kostenreduk-
Diese haben ein unterschiedliches Anforderungsprofil sowie Bat-
tion abnehmen, weshalb es zunehmend wichtig sein wird, die
teriegrößen. In China werden heute schon 30 Millionen oder
jeweiligen Anwendungen und Produkte, ihre Marktentwicklun-
mehr Roller und Pedelecs jährlich gekauft (der Bestand weltweit
gen, die Diffusion der LIB innerhalb der Anwendungen sowie ihre
liegt bei über 200 Millionen). Meistens werden in China aber
Wertschöpfung in den Produkten abzusehen und zu ­verstehen.
günstige Blei-Säure-Batterien (Pb) verwendet. Mit der Kosten­
Auch die strategische Bedeutung der Märkte und Zugang für
senkung verbreiten sich aber auch LIB mit Anteilen von 15 Pro-
Marktteilnehmer in Deutschland sind wichtige Fragen, die es zu
zent in 2015 (rund 4,5 Millionen) bis ggf. auf 30 Prozent in 2030
beantworten gilt. Nur so können diese nachhaltig unterstützt
(rund 15 bis 30 Millionen der dann rund 50 bis 100 Millionen
werden und neben dem deutschen Markt auch Exportchancen
oder mehr Elektrofahrräder)6,7.
auf- und ausbauen.
Unter den heute nur etwa 10 Prozent jenseits Chinas verkaufHinsichtlich der FuE an zukünftigen LIB sowie Energiespeicher-
ten Elektrofahrrädern (rund 3 Millionen, d. h. in China werden
technologien insgesamt bleibt jedoch für die der Zellfertigung
rund 1,5 Millionen Elektrofahrräder mit LIB eingesetzt) ist ­weiter
12
­zwischen Standard- und Premium-Segment zu differenzieren.
Da bereits heute eine Sättigung der Verkaufszahlen von HEV
Das Premium-Segment betrifft hauptsächlich Mountainbikes und
(aktuell rund 1,5 bis maximal 2 Millionen HEV) zu beobachten
Sportfahrräder mit höherer Lebensdauer, Reichweite und Ener-
ist, dürften diese jedoch bis 2030 rückläufig sein. Insbesondere
giedichte. Hier kommen gegenüber LIB auf z. B. LFP- oder LMO-
auf dem vergleichsweise kleinen europäischen Markt dürften
Basis vielmehr Hochenergie (HE)-NMC- oder NCA-LIB in Frage.
HEV den PHEV und BEV weichen und schließlich verschwinden.
Der Automobil-Sektor dient hierbei als Treiber zur Kostensen-
Der LIB-Markt für HEV liegt (wegen der Dominanz der NiMH)
kung und kann die Attraktivität der HE-LIB für Elektrofahrräder
heute bei rund 0,15 GWh (10 Prozent von 1,5 Millionen mit rund
daher in den kommenden Jahren noch steigern.
1 kWh), bei Diffusion der LIB jedoch Sättigung der HEV Verkäufe
künftig irgendwo unterhalb des 1 GWh-Bereichs.
Mittelfristig werden in Pedelecs/Elektrofahrrädern LIB mit mindestens 6 bis 8 Jahren kalendarischer Lebensdauer eingesetzt.
Entwicklungen wie Stop and go-Systeme hingegen dürfte es
Treiber hierfür sind Kundenanforderungen, da durch die hohen
weiterhin separat von Hybrid-Batterien geben, sie stellen jedoch
Investitionen ein längerer Produktlebenszyklus besonders im Pre-
eine Nische (eher jenseits von PKW) dar. Für Busse gibt es solche
mium-Bereich gefordert wird. Auch handelt es sich bei Pedelecs
Möglichkeiten z. B. bereits an den Haltestationen, und so liegt
um einen Massenmarkt. Bereits 12 Prozent der Neuverkäufe bei
dort der Fokus auf Hochleistungsbatterien, ein hoher/höherer
Fahrrädern in Deutschland sind Elektrofahrräder.8 In Deutsch-
Energieinhalt ist nicht mehr notwendig.
land wurden 2014 rund 480 000 Elektrofahrräder (95 Prozent
davon Pedelecs) verkauft, mit einer Wachstumsrate von 17 Pro-
PKW (PHEV, BEV)
zent gegenüber dem Vorjahr (gegenüber China stellt Deutschland somit einen Elektrofahrrad-Markt von rund 1,5 Prozent
PHEV und BEV sind klare Innovationstreiber für die Energiespei-
dar, bezogen auf Elektrofahrräder mit LIB liegt der Weltanteil in
chertechnologien auch in anderen Anwendungsfeldern. Heute
Deutschland hingegen bei über 10 Prozent). Dies schließt sich
noch werden sowohl LFP-basierte LIB (in China und von chine-
in Fortführung der „Produkt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien
sischen Zell-, Modul-, Fahrzeugherstellern mit Verkauf im chine-
2030“ an, in welcher Elektrofahrräder in Deutschland um 2012
sischen Markt) sowie NCA (insbesondere im Tesla Model S) und
bereits auf eine Anzahl von 350 000 Stück geschätzt wurden.
NMC-Batterien eingesetzt. Ebenfalls verbaut wird bislang noch
Pedelecs befinden sich demnach aktuell in der Markthochlauf-
LMO (z. B. als engl. „blend“, NMC-LMO oder LMO-NMC), bei-
phase bzw. sogar in der Diffusion und stellen in Deutschland
spielsweise in Verbindung mit einer Graphit-Anode.
einen wichtigen Markt dar.
Da Automobile für die kommenden Jahre bereits in der PlanungsBereits heute liegt der globale Markt für Elektrofahrräder (inkl.
phase und daher die Auslegung für die Zellen jeweils schon aktu-
E-Motorbikes) mit LIB bei über 5 Millionen pro Jahr. Durch die
ell entwickelt sein müssen, wird sich an Zellchemien, welche in
unterschiedliche Batteriegröße je nach Konzept ergibt sich ins-
Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, immer erst mit entspre-
gesamt ein Markt für Pedelecs um 2 GWh und für E-Motorbikes
chendem Verzug etwas ändern.
(mit geringerem Wachstum) um 10 GWh (bis 2030 ggf. mehrere 10 GWh).
Künftig wird bei großformatigen LIB (siehe auch „Gesamt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030“) ein Fokus
Der Bereich der 2-Räder insgesamt wird sich zukünftig als
besonders durch europäische OEM auf die HE-NMC-Techno-
­Follower an den Entwicklungen der im Automotive Bereich ver-
logie gelegt, welche z. B. mit einer ebenfalls guten Lade- bzw.
fügbaren HE-LIB orientieren.
C-Rate von mindestens 3 einen guten Ausgangspunkt für das
Erreichen höherer Reichweiten und Schnelladefähigkeit darstellt.
PKW (HEV)
­Langfristig sind aber auch Entwicklungspotenziale der NCA-Technologie im Auge zu behalten.
Für HEV stellen Nickel-Metallhydrid-Batterien (NiMH) den Stand
der Technik dar. Der Marktanteil der LIB wird von heute rund
Mit diesen optimierten LIB dürften zunehmend in Kosten und
10 Prozent bis 2020 vermutlich auf 50 Prozent und bis 2030
Reichweite verbesserte Elektrofahrzeuge steigenden Absatz fin-
auf 90 Prozent oder gar 100 Prozent wachsen (möglicherweise
den, von jeweils rund 200 000 bis 250 000 PHEV und BEV aktu-
sogar früher). Prinzipiell hat sich unter den LIB aber noch keine
ell (der Anteil weltweiter PHEV/BEV-Verkäufe liegt in Deutsch-
führende Zellchemie herausgebildet. Die existierenden Systeme
land bei rund 5 Prozent) bis rund 1 Million PHEV und BEV um
besitzen die favorisierten Zellchemien der jeweiligen Produzen-
2020. Langfristig werden PHEV als Übergangstechnologie jedoch
ten. Mit der Entwicklung von kostenreduzierten LIB dürfte der
vermutlich auch den sich weiter entwickelnden BEV weichen.
Marktanteil der NiMH-Batterie entsprechend sinken.
BEV werden dann mit deutlich höherer Reichweite (und damit
13
ZEIT
2015
Anwendung
(mobil, stationär)
Referenztechnologie
aktuelle/kurzfristige
Alternativtechnologie(n)
LIB-Markt (global)*
~10-30 GWh
2-Rad: Benzin, Mensch
e-Rad: Pb, LIB
Pb (CN!), LIB (NMC)
~5 Mio, ~ kWh,
~10 GWh
PKW (HEV)
PKW: Benzin/Diesel
HEV: NiMH, LIB
NiMH/
LIB (LFP, NCA, NMC)
~1,5 Mio, ~1 kWh,
Marktanteil LIB 10-50 % (NiMH dominiert),
1-1,5 GWh (NiMH + LIB)
Beginn der Marktsättigung
PKW (PHEV)
PKW: Benzin/Diesel
PHEV: LIB
LIB (NMC, NCA, LFP)
~200-250 Tsd., ~10 kWh,
2-3 GWh
Breiteres Fahrzeug-Angebot, (für DE/EU
PHEV <0,5 % bis >1 % der Neuzul. Welt
PKW: Benzin/Diesel
BEV: LIB
LIB (NMC, NCA, LFP)
~200-250 Tsd., ~25 kWh,
5-7 GWh
Technische Ausdifferenzierung (Kosten-,
BEV <0,5 % bis >1 % der Neuzul. Welt
Nutzfahrzeuge: Diesel
eFzg.: LIB, BZ
LIB (LFP, NMC, NCA), BZ
~x Tsd., ~50-250 kWh,
~ GWh
LIB (50-70 %),
Pb (50-30 %)
LIB (LFP/LTO, kostenopt.)
~10-100 Tsd., <10 kWh,
~0,1-0,5 GWh
Multi-Purpose Eigenbed.opt.
und Peak Shaving
LIB (~70 %),
Pb (~30 %)
LIB (LFP/LTO, kostenopt.)
begrenzte Stückzahlen
0,1-x GWh
Direktvermarktung
eneuerbarer Energien
PV: LIB,
Wind: (HT)
Adiabat. Druckluftspeicher
LIB (LFP/LTO, kostenopt.)
PV-Windparks
Rot. Massen (<sec),
Prozessst. (s),
Pumpsp. (m)
Superc. (<s), Schwungrad (s),
Li-cap (<s), LIB (<s,s,m)
einzelne LIB
PKW (BEV)
Innovationstreiber
2-Räder (ebikes, scooter,
pedelecs, motorbikes etc.)
ANWENDUNGEN & PRODUKTE
KURZFRISTIG
Nutzfahrzeuge
(LV, Busse, LKW)
Dezentrale PV BatterieSysteme
Regelleistung
Technologien, Wachstum,
30-100 Mio Elektro-2-Räder (2015-2030),
(ebikes ~0,3-0,6 kWh, scooter ~2-3 kWh,
Übergang von Demoprojekten, Beschaff.,
von <<1 bis ~1 % der Neuzul. Welt
Markthochlauf und -diff.: LIB wird wirtGrid parity bei PV mit Energiespeicher,
Markteinführung:
Markthochlauf:
Markthochlauf und
adiabat. Druckl ggf.
Markthochlauf mit State of Art und
­größeren Batterien bis z. B. durchschnittlich 60 kWh, im PKW-
der Neuzulassungen batterieelektrischer Nutzfahrzeuge im Ver-
Bereich insgesamt jedoch nicht über 100 kWh), Schnelladefähig-
gleich zu PKW heute und vermutlich auch zukünftig geringer
keit und zu Kosten, welche sich denen von herkömmlichen Auto-
­ausfallen wird, so ist dennoch eine ähnliche Dynamik und damit
mobilen mit Verbrennungsmotor weiter annähern, verfügbar
die Erschließung eines ebenso attraktiven Wachstumsmarkts für
werden. Der Markt für LIB durch BEV (PKW) ist der mit Abstand
LIB wie im PKW-Bereich zu erwarten.
wichtigste Markt, sollte sich die Elektromobilität entsprechend
durchsetzen. Entsprechend ist es bis 2030 (und später) ratsam,
Die Spannbreite der in Nutzfahrzeugen verbauten Batterien kann
grundsätzlich in Szenarien zu rechnen, da neben der Entwicklung
hier zwischen 50 kWh bis 250 kWh (oder größer) liegen, wodurch
der Verkaufszahlen (Neuzulassungen) auch die Entwicklung der
ein dreimal so kleiner Markt (vgl. PKW) durch zwei- bis dreimal
verbauten Batteriegrößen zu berücksichtigen sind (in der „Pro-
so große eingesetzte LIB-Kapazitäten ähnlich groß sein könnte.
dukt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030“
als kosten- und reichweiteoptimierte Szenarien dargestellt). Die
Auch hier wird sich die Entwicklung als Follower an der Batterie-
Terawattstunden (TWh)-Grenze (LIB-Zellnachfrage) könnte um
und PHEV/BEV-Entwicklung im PKW-Bereich orientieren. Jedoch
2030 für BEV im optimistischen Szenario erreicht werden.
ist die Situation komplexer: LIB eignen sich für den mobilen Einsatz auch langfristig nur bis zu einer begrenzten Gewichtsklasse
Nutzfahrzeuge (LV, Busse, LKW)
für eine Traktion.
Unter den rund 90 Millionen in 2014 weltweit produzierten
So sind sie heute auch in der Luftfahrt beispielsweise nur in
Fahrzeugen (davon rund 67,5 Mio. Millionen PKW) lag die Pro-
­leichten Flugzeugen/Fliegern und z. B. keinesfalls in Passagier-
duktion von Nutzfahrzeugen bei über 22 Millionen (darunter
flugzeugen für den Antrieb denkbar und bleiben dort auch in
rund 18 Millionen leichte Nutzfahrzeuge (LV), rund 3,8 Millio-
Zukunft noch eine Vision.
nen LKW und über 0,3 Millionen Busse).9 Auch wenn der Anteil
14
2020
LANGFRISTIG
2030
>2030
LIB-Markt (global)*
~50-100 GWh
Technologien, Wachstum, Diffusionsgrad
LIB-Markt (global)*
~0,3-1 TWh
Diffusonsgrad,
Trend
~10 Mio, ~ kWh,
>10 GWh
zunehmende Verbreitung
~x*10 Mio, ~ kWh,
~x*10 GWh
Diffusion
~1 Mio, je ~1 kWh,
~1 GWh (NiMH + LIB)
Marktanteil LIB 50-90 %
Sättigung bzw. Rückgang HEV (~1 % d. Neuzul.)
<1 Mio, je ~1 kWh,
<GWh LIB Markt
~100 % LIB
HEV verschw.
relevanter Übergangsmarkt)
(EU ~1/3, DE ~5 %)
~0,5-1,5 Mio, je ~10 kWh,
5-15 GWh
Diffusion (mit HE-LIB) und Beginn der Sättigung
PHEV ~1-5 % der Neuzul. Welt
~1,5 Mio, je ~10 kWh,
<100 GWh
Sättigung,
Rückgang
Reichw.optimiert), Zukunftsmarkt!
(EU ~1/3, DE ~5 %)
~0,5-1,5 Mio, 25-40 kWh,
20-60 GWh
Technologiereifung (HE-LIB), Diffusionsbeginn
BEV ~1-10 % der Neuzul. Welt
~5-10 Mio, 25-60 kWh,
0,1-1 TWh
Diffusion
(globaler Wandel)
Flotten zu breiterem Einsatz
~x*10 Tsd., ~50-250 kWh, ~1-5 % der Neuzul. Welt mit Elektro-Nutzfahrzeugen
BSZ tendenziell Nische (Busse, LKW)
~x GWh
~1 Mio?, ~50-250 kWh,
~100 GWh
Diffusion
(folgt BEV)
MITTELFRISTIG
Diffusionsgrad
LIB Penetration 15-30 %
(emotorbikes ~8-15 kWh)
~2 % HEV an Neuzul. Welt
(für DE/EU kaum relevanter Markt)
~100 Tsd., <10 kWh,
~ GWh
Diffusion: Kostenvorteil opt. LIB, HE-LIB aus xEV
Neubewertung: RFB, NaS (NT)?
~1 Mio, <10 kWh,
~10 GWh
Diffusion
>5 MW (LIB)
0,1-1 MW (LIB)
begrenzte Stückzahlen
0,1-x GWh
Diffusion: Kostenvorteil opt. LIB, HE-LIB aus xEV
Neubewertung: RFB, NaS (NT)?
Tausende? * MWh
= x GWh Level?
begrenzte
Stückzahlen
Beginn der Diffusion,
zeitnaher Game changer?
Kompetitiv für LIB
aber wachsender Markt
Diffusion: Kostenvorteil ad. Druckl., opt. LIB, RFB
Neubewertung: NaS (NT), H2 aus übers. Energie?
LIB Markt
~ x GWh Level?
Diffusion
LIB?
Diffusion,
LIB als Alternative ggf. zu spät wirtsch.
LIB Marktanteil aber
ggf. sehr klein
Marktsättigung
schaftlicher (LIB dominiert Pb)
DE: ~40 Tsd. Niveau ab 2016
ggf. alternative Technologien
Angaben/Märkte (Stückzahlen, Batteriegröße, Zellnachfrage)
bezogen auf LIB und Welt sofern nicht DE explizit benannt
Mobile
Anwendungsfälle
Stationäre
Anwendungsfälle
Stand der Technik
Referenztechnologie
Zeitnahe (5 Jahre)
Alternativtechnologien
Für den Einsatz in leichten Nutzfahrzeugen (<100 kWh) sind LIB
Im Anwendungsfeld der Busse und LKW (insbesondere Fern-
daher durchaus eine gute bzw. die beste Option. So w
­ erden
verkehr) ist und bleibt der Stand der Technik daher vermutlich
sie bereits vielfältig in Fahrzeugflotten (Post, Lieferdienste etc.)
auch noch langfristig der Dieselmotor. Dennoch können hier
eingesetzt und dürften ähnlich wie bei PKW weitere Verbrei-
gerade Brennstoffzellenfahrzeuge einen Markt finden (als Pri-
tung finden.
märantrieb, Range-extended fuell cell (REFC) oder auch APU).
Aber auch Oberleitungs-LKW11 stehen zur Diskussion, um das
Für Busse und LKW jedoch stellen selbst große Batterien keine
­Reichweiten-Problem zumindest teilweise zu lösen und den LKW
Lösung mehr dar, um hohe Reichweiten zu erreichen. Während
Güterverkehr umweltfreundlicher zu machen.
der Verbrauch bei BEV (PKW) bei 5–8 km/kWh liegt, bei FCEV bei
rund 4 km/kWh System (vgl. „Produkt-Roadmap Energie­speicher
Für die Nachfrage nach LIB-Zellen ist festzustellen, dass Batte-
für die Elektromobilität 2030“) werden mit Bussen und LKW nur
rien in reinen batterieelektrischen Nutzfahrzeugen ebenso wie in
noch rund 1 km/kWh10 (ggf. etwas mehr) erreicht. Somit sind
Brennstoffzellenfahrzeugen, Brennstoffzellen-Range-extendern,
selbst die derzeit größten Anwendungen mit rund 250 kWh in
Oberleitungs-Fahrzeugen etc. verwendet werden und damit in
der Reichweite auf unter 300 km begrenzt.
jedem Fall ein attraktiver Zukunftsmarkt gesehen werden kann.
Jedoch kann dies für viele Anwendungsbereiche ausreichend
Auf Basis der Anzahl von Nutzfahrzeugen, typischer Batterie­
sein, z. B. Stadtbusse, regionale LKW-Fahrten etc. In dem ­Kontext
größen in den jeweiligen Größenklassen der Nutzfahrzeuge
kurzer und definierter Fahrten (beispielsweise Bus-/Bahnstatio-
und einer zwar geringeren, aber den BEV folgenden Diffusion
nen) sind neben Batterien dann z. B. auch Supercaps eine Option
­könnten LIB in Nutzfahrzeugen bis 2030 einen rund 100 GWh
für den Stop-and-go-Verkehr. Für Fahrten, welche über einen
großen Markt ausmachen.
Umkreis von 100 Kilometer hinausgehen sowie den Fernverkehr insgesamt sind batterieelektrische LKW und Busse jedoch
keine Option mehr.
15
Kleinspeicher (Dezentrale PV Batterie Systeme)
Gewerbliche Energiespeicher
Dezentrale PV-Batterie-Systeme (<10 kWh) stellen im privaten
LIB (LFP/Graphit, zukünftig LFP/LTO, längerfristig LIB-xEV-Zellen)
Bereich eine erste bereits existierende und attraktive ­Anwendung
und Pb stellen auch für größere gewerbliche Energiespeicher
für LIB dar.
(>100 kWh) die Referenztechnologie dar, jedoch zukünftig eventuell mit Erweiterung durch Natrium-Schwefel (NaS)- (heute z. B.
Die Pb und LIB auf Basis von LFP/Graphit (bzw. das Stromnetz)
schon in Japan) und Redox-Flow-Batterien (RFB). Im g
­ ewerblichen
stellen den Stand der Technik dar. Zukünftig könnten LFP/LTO ein-
Bereich ergeben sich andere Nutzungs- und Anwendungsmög-
gesetzt werden. Die Vorteile von LFP und LTO liegen darin, dass
lichkeiten, so dass ein Multi purpose-Design (Auslegung z. B. zur
es sich einerseits um kostengünstige LIB-Zellchemien h
­ andelt,
Eigenbedarfsoptimierung und Peak Shaving) interessant w
­ erden
und sie andererseits über eine lange Lebensdauer verfügen. Die
kann.
Schlüsselparameter sind für diese stationären Speicher Sicherheit, Lebensdauer und Kosten. Die volumetrische oder gravime-
Auch wenn bei großen LIB-Zellen eine starke Kostendegression
trische Energiedichte spielt zunächst eine untergeordnete Rolle,
durch Fahrzeugzellen und damit wachsende Attraktivität auch
weshalb xEV-Zellen erst mit zunehmender Kostenreduktion im
für den stationären Bereich erwartet werden, bedeutet das nicht,
stationären Energiespeichermarkt attraktiver werden.
dass bei RFB mit gleichen Anstrengungen nicht ähnliche Ver­
besserungen erzielt werden könnten.
Bereits heute ist die LIB wirtschaftlich und die sogenannte
Netzparität (engl. „grid parity“) bei PV mit Energiespeichern ist
Der Charme der RFB liegt hauptsächlich in der Entkoppelung von
erreicht. Dabei sollten die Energiespeicher mit 20 Jahren in etwa
Leistung und Energie. Die Batterie ist daher nicht starr, sondern
so lange halten wie die PV-Anlagen. Für PV-Anlagen, für ­welche
kann individuell an die geforderte Leistung bzw. Energie ange-
das EEG ausläuft, wird es zudem sinnvoll sein, einen Energie-
passt werden. Auch die chemische Zyklenstabilität ist ein Vorteil.
speicher zu kaufen, was ab dem Jahr 2020 zu einem weiteren
Außerdem ist die Energiedichte zwar vergleichsweise gering, aber
Anstieg des Marktes und Diffusion führen dürfte. Bei dieser Ent-
sehr gut skalierbar. Ein weiterer Vorteil ist die gute Wartbarkeit.
wicklung spielt sowohl die Verärgerung der Kunden über die
Preispolitik der Netzbetreiber als auch ihr Autonomiegedanke
Erste Prototypen der RFB existieren bereits seit Jahren. Des Weite-
eine große Rolle. Ebenfalls relevant sind Nachhaltigkeitsmotive.
ren hat es viele Projekte gegeben, in denen Energie und Leistung
Allerdings würde dieses Modell zusammenbrechen, sobald es
hochskaliert wurden. Trotzdem hat sich im MW-Bereich die RFB
sich um ein Massenphänomen handelt, da das Verteilnetz sehr
noch nicht wirklich durchgesetzt, da die Kosten teilweise doch zu
teuer ist und ein Fixbetrag für die Stromleitung zu zahlen ist. Die
hoch lagen. Es ist fraglich, ob sie sich bis 2020 durchsetzen kann,
Entwicklung könnte aber zu neuen Geschäftsmodellen führen,
weshalb sie (ebenso wie eine NaS-Niedrig-Temperatur-­Batterie
wobei z. B. die Energieversorger als Versicherer auftreten, ­welche
oder zukünftig andere Konzepte, z. B. auch ZnBr-RFB) langfristig
die Stromleitung bauen und bezahlt bekommen. Die Selbstver-
neu zu bewerten wäre. Dies müsste stark anwendungsabhängig
sorgung ist demnach jedoch kein beliebig großes Geschäfts-
erfolgen und die Lebenszyklus-Kosten bzw. die Kosten pro kWh
modell.
Durchsatz einbeziehen (auch die Kopplung mehrerer Anwendungsfälle, also dem Multi purpose-Design wäre zu bewerten).
Auf Basis der in Deutschland (vgl. „Gesamt-Roadmap Statio-
Langfristig müsste die RFB ebenso wie die Pb und NaS mit der
näre Energiespeicher 2030“) rund 10 000 PV-Batterien (darunter
Kostenentwicklung der LIB mithalten.
rund 70 Prozent LIB mit 5–10 kWh) dürfte der Markt in Deutschland auf dem Niveau von rund 50 MWh liegen. Aber auch welt-
Die obigen Argumente gelten noch viel mehr, wenn sich eines
weit (vgl. z. B. mit Marktstudien von avicenne Energy) wird der
der Systeme im Bereich von <10 kWh halten bzw. durchsetzen
Markt aktuell auf nicht mehr als 0,5 GWh eingeschätzt. Zwischen
will. Dieser Markt wird für LIB zwar als begrenzt gesehen, jedoch
12
2020 und 2030 könnte dieser auf 1–10 GWh ansteigen. Solide
handelt es sich um große Kapazitäten (0,1–5 MWh und mehr).
Markteinschätzungen gibt es hierzu jedoch noch nicht, zumal
Der Markt könnte heute im MWh-Bereich liegen und sich bis
der Markt sehr stark durch Entscheidungen von Einzelkunden
2030 evtl. auf ein >GWh-Niveau entwickeln. Aber auch dies
abhängt. Weiterhin wird in Marktstudien oder ­existierenden
hängt von Entscheidern im gewerblichen Bereich ab und lässt
Datenbanken
sich heute noch nicht differenzierter abschätzen.
13
nach netzgebundenen/On-Grid- und Off-Grid
Anwendungen differenziert. Beides wäre hier im Bereich der
PV-Batterien gemeint.
16
Direktvermarktung Erneuerbarer Energien
Weiterhin ergeben sich für LIB aber auch stationäre Märkte jenseits der netzgebundenen Anwendungen, in welchen heute
Es wird zwischen EE-Erzeugung mit PV- (LIB ist Referenztechno­
beispielsweise auch Pb schon breiten Einsatz finden (z. B. USV),
logie) und Windkraftanlagen (NaS ist Referenztechnologie) unter-
sowie als kleine bis große Speicher für Inselanlagen jenseits der
schieden. Für die mit über 1 MW ausgelegten Anlagen sind LIB
Stromnetze.
im Minuten- bis Viertelstunden-Bereich für PV und NaS, ZEBRA,
RFB im Stunden- bis Tage-Bereich in Windkraftanlagen geeignet.
Für die betrachteten Beispiele ergeben sich bereits jährliche
Mittel- bis langfristig können auch Wasserstoffspeicher für Kraft-
Marktpotenziale für LIB-Zellen von derzeit über 20 GWh im
werke mit mehreren MW an Bedeutung gewinnen.
Bereich der Elektromobilität sowie vermutlich rund 1–2 GWh
im Bereich der stationären Anwendungen. Eine genauere Ein-
Adiabatische Druckluftspeicher könnten kurzfristig hinsicht-
schätzung wäre nur durch eine breite Befragung aller Zellherstel-
lich der Investitionen und mittelfristig unter Betrachtung der
ler und Anwendern von LIB-Systemen machbar und jenseits der
­Kosten pro ausgespeicherter kWh attraktiv werden und einen
Durchführbarkeit in heutigen Marktstudien. Allerdings ergeben
engl. „Game changer“ darstellen, also das Potenzial besitzen,
sich aus heute existierenden LIB-Produktionskapazitäten Ober-
andere Technologien zu verdrängen.
grenzen, in welche Prognosen und Angaben aus Marktstudien
und Datenbanken einsortiert werden können. Demnach dürf-
LIB könnten schon kurzfristig wirtschaftlich für diese Anwen-
ten in 2015 nach Angaben diverser Marktanalysten sowie der
dung werden, befinden sich aber im Kontext der Windkraftan-
bekannten weltweiten Zellfabriken zwischen 55 und 70 GWh LIB-
lagen in einem kompetitiven Umfeld. Der Markt im PV-Bereich
Zellen produziert worden sein, wovon 40 GWh kleinformatige
wächst jedoch zugleich mit dem Ausbau der Anlagen und der
Zellen für die mobile Elektronik (Konsumanwendungen, Power
Kostendegression der LIB.
Tools etc.) hergestellt wurden. Die für Elektromobilität und stationäre Anwendungen ermittelten bzw. abgeschätzten Zahlen
Regelleistung
liegen in dem Bereich der 15 bis 30 weiteren GWh.
Als Stand der Technik gelten rotierende Massen, Prozess­steuerung,
Davon ausgehend können LIB-Märkte zukünftig durch die
Pumpspeicher. Auch Supercaps, Li-Caps, und Schwungräder
• Substitution bestehender und bereits gut einschätzbarer
dürften auf der extremen Leistungsseite (High power-Anwen-
Märkte (z. B. Diffusion in Anwendungen, in welchen heute
dungen) Verwendung finden. RFB und NaS beispielsweise sind
Pb oder sonstige Energiespeicher eingesetzt werden),
hingegen keine Hochleistungstechnologien. Für diesen Anwen- • Erschließung neuer Märkte (wie der Elektromobilität und ­vieler
dungsfall wäre eine extreme Überinstallation nötig, um eine
stationären Anwendungen) sowie das
­entsprechende Leistung zu bekommen. Sie sind daher gegen- • Wachstum dieser Märkte selbst entstehen.
über dem Stand der Technik im Nachteil.
Wie sich die Märkte für LIB in den Bereichen mobiler Elektronik
Für Energiespeicher wie LIB sind erste Ansätze in der Diskussion,
(im Wesentlichen Konsumelektronik aber auch weitere tragbare
Leistung im Millisekunden-Bereich aufzunehmen oder abzu-
Anwendungen, welche i. d. R. eine Batteriegröße bis zu 1 kWh
geben. Heute sind zur Stabilisierung der Netze schon einige
haben), Elektromobilität (alle Batterien zur Traktion, dies kann
100 MWh weltweit installiert, diese Entwicklung wird weiterhin
z. B. bei Elektrorädern auch unterhalb 1 kWh beginnen und bis in
voranschreiten. Jedoch wird dieser Markt insgesamt begrenzt
den Bereich mehrerer 100 kWh reichen) und s­ tationärer Anwen-
sein und langfristig eine Marktsättigung erwartet.
dungen (von Speichern <10 kWh bis >MWh) in den k­ ommenden
Jahren entwickeln dürften, wird daher im Folgenden in einer
Marktentwicklung für LIB
vertieften Marktanalyse sowie über den Vergleich mehrerer
Marktstudien (sogenannte Meta-Marktanalyse) ­diskutiert. Für
Mit den vier betrachteten Anwendungsbeispielen für LIB im
langfristige Entwicklungstrends werden Szenarien (konservativ,
­stationären Bereich ergeben sich vermutlich ähnliche Märkte im
optimistisch und Trend) betrachtet.
Bereich kleiner Speicher (<10 kWh) durch die großen verkauften Stückzahlen wie im Bereich großer Speicher (>10 kWh bzw.
jenseits 0,1–1 MWh) durch die Größe der Speicher (dabei aber
begrenzte Zubauten).
17
Batteriemärkte – Prognosen und
Langfristszenarien
L I B - M ä r k te ( na c h Kapa z it ä t )
Der Bereich der Konsumelektronikbatterien bzw. der hier noch
Jeder der LIB-Teilmärkte bzw. jede Anwendung ist durch ver-
rem Wachstumsraten um die 8 bis 10 Prozent auf, was auch mit
kaufte Stückzahlen des Produkts sowie die für die Anwendung
sich dynamisch fortentwickelnden „smarten“ Produkten zusam-
typische Batteriegröße des darin eingesetzten Energiespeichers
menhängt. In Zukunft sollten daher z. B. auch Entwicklungen,
breiter gefassten „mobilen Elektronik“ weist bereits seit Länge-
(in kWh) gekennzeichnet.
welche unter dem Stichwort engl. „Energy Harvesting“ sowie
sogenannte „wearables“ (d. h. smarte Funktionskleidung) ver-
Trägt man daher Stückzahlen und Batteriegröße doppel-logarith-
standen werden, berücksichtigt werden. Auch hier könnten sich
misch gegeneinander auf (siehe Abbildung), so stellen die dia-
zukünftige Marktpotenziale für LIB ergeben und die Nachfrage
gonal verlaufenden Linien das Produkt aus Anzahl und Batte-
nach LIB für „mobile Elektronik“ weiter dynamisch anwachsen.
riegröße und daher den Markt einer jeweiligen Anwendung dar
Die Anwendungsbereiche für elektromobile und stationäre Ener-
(hier eingezeichnet: 1, 10, 100 und 1000 GWh-Linien). Für die
giespeicher durchmischen sich, wobei die netzgebundenen Ener-
in heutigen Marktstudien, Datenbanken und sonstigen Quellen
giespeicher mit LIB (>10 kWh) bei Stückzahlen von 100 bis 1000
dokumentierten Märkte von LIB in den jeweiligen Anwendungen
im MWh-Bereich sowie die über 4 Millionen Elektrofahrräder mit
wurden für 2015 sowie unter Einbezug der Wachstumsraten für
300–600 Wh LIB Größe jeweilige Grenzen bzgl. Stückzahlen und
2025 die prognostizierten Verkaufszahlen (also nur die verkauf-
Batteriegröße setzen.
ten Produkte mit LIB, nicht zwingend die Gesamtverkäufe eines
Produkts, falls z. B. auch andere Batterietypen alternativ einge-
Das Beispiel der Elektrofahrräder (inkl. Pedelecs, Scooter) zeigt
setzt werden) sowie durchnittlich zu erwartenden Batterie­größen
beispielsweise, dass neben dem Wachstum der Verkaufszah-
ermittelt und eingetragen.
len an sich auch eine Diffusion der LIB gegenüber der in China
dominierenden Pb in dieser Anwendung zu dynamischen Wachs-
Das Gesamtbild zeigt eine große Anzahl von Produkten mit LIB
tumsmärkten führt (gezeigt sind ja nur die LIB-basierten Elektro-
im Bereich kleiner 100 Wh, welche in Stückzahlen von 10 Mil­
fahrrad-Verkäufe). Auch in Gabelstaplern, Marineanwendungen
lionen bis einige Milliarden pro Jahr verkauft werden. Hierzu
(z. B. Boote, U-Boote) sowie stationären Märkten für Telekom,
zählen besonders Handys (100 Prozent LIB-Einsatz), Tablets
USV und zum Teil Energiespeichern (<10 kWh) beispielsweise in
(100 Prozent LIB-Einsatz), Laptops (100 Prozent LIB-Einsatz), wel-
PV-Hausbatteriesystemen dominieren oder koexisiteren heute
che bereits heute 10 GWh-Märkte ausmachen. Diese entwickeln
noch Pb neben LIB. Hier ergeben sich für LIB auch ohne ein
sich für Tablets und Handys weiterhin dynamisch.
Wachstum der Produktverkäufe interessante Märkte durch eine
Substitution der Pb in diesen Anwendungen.
Weitere Produkte in dem hier als „mobile Elektronik“ zusammengefassten Bereich für kleinformatige Batterien mit Märkten
Die mit Abstand interessantesten Wachstumsmärkte für LIB-
bis in den GWh-Bereich sind: Power Tools (50 bis 70 Prozent
Zellen stellen BEV und PHEV (weniger HEV) im PKW-Markt
LIB-Einsatz, daneben auch NiCd, jedoch weitere Tendenz zu LIB)
sowie leichte und schwere Nutzfahrzeuge (z. B. LKW, Busse)
sowie schnurlose Telefone (15 bis 35 Prozent LIB-Einsatz, dane-
dar. Selbst bei schweren Nutzfahrzeugen mit Brennstoffzellen-
ben NiMH), Camcorder und Videospiele (100 Prozent LIB-Einsatz),
technologie oder z. B. Oberleitungs-LKW würden immer auch
Digitalkameras und MP3-Player (90 bis 100 Prozent LIB-Einsatz,
LIB unter­stützend eingesetzt werden, weshalb sich hier in jedem
daneben Primärbatterien), Spiele mit Elektronik (40 bis 60 Pro-
Fall ein relevanter Markt ergeben dürfte. Deutlich klarer bzw.
zent LIB, ansonsten NiMH und Primärbatterien) sowie Haushalts-
­eindeutiger abschätzbar ist hier jedoch sicherlich der Bereich von
geräte, aber auch medizintechnische Geräte.
­Fahrzeugen mit 10–100 kWh Batteriegröße, in welchen LIB als
Energie­speicher zur Traktion die besten Vorteile mit sich b
­ ringen.
18
LIB-Zellmarkt (global): Anwendungsspezifische (typische) Batteriegröße vs. Nachfrage in Stückzahlen14
TWh
2015
2025
TW
hL
ini
10
e
0G
GWh
W
10
h
GW
h
1G
W
Elektromobilität &
stationäre Anwendungen
h
ESS (optimistisch,
gesamt)
MWh
ESS >10kWh
LKW
Busse
Marine
Gabelstapler
ESS <10kWh
BEV/PHEV
(optim.)
E-Motorräder
PHEV
E-Scooter
Telekom
Rollstuhl
kWh
BEV
LV
USV
Medizin
(Gerätewagen)
HEV
Elektrofahrräder
Seismik
Power Tools
Laptops
Tablets
„mobile
Elektronik“
Handys
Wh
1
Tsd
Mio
Mrd
1000 Mrd
Marktgröße vs. Wachstum für LIB-Zellen14
Wachstum in %
50
2015
2025
45
Rollstuhl
40
BEV/PHEV (optimistisch)
ESS (optimistisch, gesamt)
35
PHEV
USV
PHEV/BEV (konservativ)
Telekom HEV
30
Busse
LKW
ESS <10kWh
Marine
BEV
Gabelstapler
25
20
LV
ESS >10kWh
Elektrofahrräder
Medizintechnik (Kleingeräte)
15
Schnurlose
Telefone
Videospiele
Handys
Power Tools
Medizin
(Gerätewagen)
10
Tablets
Spielzeug
Seismik
Haushaltsgeräte
5
E-Scooter
E-Motorräder
Kamerarecorder
Digitalkameras
Laptops
0
0,1
1
10
100
1000
Nachfrage nach LIB-Zellen in GWh
19
Gegenüber einem Markt von rund 10 GWh in 2015 wird für
L I B - M ä r k te ( na c h U m sat z ) 1 5
2025 ein Markt von 100 bis ggf. 300 GWh für BEV und PHEV
erwartet. Die TWh-Grenze jährlicher Nachfrage nach LIB-Zellen
Insgesamt ergibt sich aus den zahlreichen Einzelanwendungen
könnte eventuell bis 2030 erreicht sein.
für LIB im Bereich der „mobilen Elektronik“ (rund 40 GWh in
2015), Elektromobilität (von 2-Rädern bis PKW, Nutzfahrzeuge,
Eine Darstellung der jährlichen Nachfrage nach LIB-Zellen gegen-
etc. rund 15–25 GWh in 2015) und stationären Anwendungen
über dem mittleren jährlichen Wachstum für alle Anwendungen
(rund 1–2 oder mehr GWh in 2015) ein LIB-Markt von rund
ermöglicht eine Art Portfolioanalyse. Sie zeigt wieder für 2015
55–70 GWh in 2015.
sowie prognostiziert für 2025 (in logarithmischer Auf­tragung) die
Zellnachfrage in GWh, wobei die Anwendungen mit der ­größten
Bezieht man die Zellpreise von LIB sowie deren Entwicklung in der
Nachfrage in 2015 bei rund 10 GWh liegen und die Wachstums-
Vergangenheit sowie eine Prognose bis 2020 mit ein, lassen sich
raten bis über 40 Prozent reichen.
für diese Anwendungen die potenziellen Märkte nach Umsatz
ermitteln. Eine große Anzahl verfügbarer Marktstudien ist in den
Bis 2025 können sich demnach BEV und PHEV sowie Elektro-­ Abbildungen auf Seite 21 nach Marktgröße (in Mrd US$, logaNutzfahrzeuge (ggf. auch der Gesamtmarkt für stationäre Ener-
rithmisch) sowie Wachstum (jährliches durchschnittliches Wachs-
giespeicher) zu den größten und weiterhin dynamischsten Märk-
tum zwischen 2015 und 2020 in Prozent) verortet. Hierzu wurden
ten entwickeln (sog. Stars), während die Entwicklung von LIB
Marktgrößen und Wachstum (sofern nicht für 2015 und 2020
in weiteren elektromobilen (LIB zur Traktion) und stationären
verfügbar) auf diese beiden Zeitpunkte umgerechnet.
Märkten mit noch geringerer Nachfrage oder Diffusion aber
hoher Dynamik die Marktpotenzialeinschätzung noch schwieri-
Es zeigt sich zunächst, dass für den LIB-Gesamtmarkt die Markt-
ger gestaltet (sog. Question Marks).
größe (15–45 Mrd US$) und das Wachstum (10 bis 30 Prozent)
insgesamt eine durchaus große Spannbreite ergeben, wobei
Die Anwendungen der mobilen Elektronik (wie Tablets, Handys,
neben der Abschätzung der Zellnachfrage in GWh die zusätz-
Laptops) aber auch die heute bereits etablierten Elektro-2-­Räder
lichen Preisannahmen (in US$/kWh) hier je nach Marktstudie
(bzw. darunter E-Motorbikes etc.) lassen sich mit geringerem,
sehr unterschiedlich sein können und eine zusätzliche Unsi-
dafür aber solidem Wachstum als große und eher zuverlässige
cherheit ­ergeben. Auch ist aus den Marktstudien nicht immer
Märkte (sog. Cash Cows) einstufen. Gerade ein Reihe Konsum-
direkt ersichtlich, ob ein Markt für LIB Zellen, Packs, Systeme
elektronikanwendungen wie Camcorder, Digitalkameras etc. zäh-
etc. angenommen ist usw. Dennoch ergibt sich unter Annahme
len sicherlich zu den stagnierenden Märkten (sog. Poor Dogs).
des 55–70 GWh-LIB-Marktes in 2015 in Kombination eine Preisspanne von 200–800 US$/kWh. Dies ist durchaus der Bereich, in
Somit stellen die in den vertiefenden Roadmaps zu stationären
welchem Preise für klein- und großformatige LIB-Zellen bis -Sys-
Energiespeichern und Energiespeichern für die Elektromobilität
teme liegen und somit konsistent zu den bisherigen Recherchen.
ausgewählten Anwendungen tatsächlich die zentralen Zukunftsmärkte aus Perspektive der Lithium-Ionen-Batterie dar.
Für den Bereich der mobilen Elektronik bzw. Konsumelektronik­
anwendungen ergibt sich ein Markt von 10–15 Mrd US$ und
Wachstumsraten um 5 bis 10 Prozent. Umgerechnet aus dem
(maximal) 40 GWh-Gesamtmarkt für mobile Elektronik ergeben
sich LIB-Preise von 200–400 US$/kWh. Auch hier sind die niedrigeren Preise für kleinformatige LIB-Zellen und Systeme plausibel.
Große Unterschiede ergeben sich in der Einschätzung der Märkte
für LIB in der Elektromobilität. Für Batterien in PHEV wird kurzfristig ein größter Wachstumsmarkt gesehen (70 bis über 100 Prozent), für BEV wird die Marktgröße (durch die größere Batterie­
kapazität im Vergleich zu einer PHEV-Batterie) attraktiver, das
Wachstum jedoch mit 50 bis 70 Prozent im Vergleich zu PHEV
geringer eingestuft. Für HEV liegen Marktgröße und Wachstum
entsprechend nochmals geringer. Dies passt zunächst in das
Gesamtbild, dass PHEV eine mittelfristig attraktive Übergangstechnologie darstellen und BEV dennoch mit Bezug auf die Zellnachfrage den deutlich größeren Markt darstellen. Für die drei
20
LIB-Märkte in 2015 nach Segmenten15
Wachstum in %
160
PHEV Zellen (Pillot 2013)
LIB
Gesamtmarkt
mobile
Elektronik
(Konsum)
Elektromobil
xEV
stationär
ESS
140
PHEV Zellen (Anderman 2013)
120
PHEV Pack (Anderman 2013)
xEV (F & S 2010)
PHEV
100
xEV
80
xEV Zellen (Yano 2011)
xEV Zellen (Pillot 2013)
PHEV (F & S 2012)
BEV Zellen (Pillot 2013)
BEV
HEV Zellen (Pillot 2013)
60
Netz und ESS (F&S 2014) xEV (F & S 2012)
xEV Materialien (F & S 2014)
xEV Zellen (Anderman 2013)
BEV Zellen (Anderman 2013)
BEV (F & S 2012)
xEV Pack (Anderman 2013)
HEV Zellen (Anderman 2013)
HEV Pack (Anderman 2013) BEV Pack (Anderman 2013)
HEV (F & S 2012)
40
HEV
Adv. LiB (Wind+Solar,
Navigant 2015)
20
xEV (F & S 2014)
Adv. Lib
(Lux 2013)
Adv. Lib
(Navigant 2011)
e-Bikes, Scooter Zellen (Pillot 2013)
LIB (ISI 2012)
xEV (Global Data 2013)
LIB (Yano 2011) LIB (F&S 2014)
xEV (Navigant 2014)
LIB (F&S 2010)
LIB (TMR 2013)
LIB (IHS 2011)
xEV (BCC 2015)
LIB (ISI 2012)
BEV/PHEV (BCC 2015)
Industriell (F&S 2010)
Industriell (F&S 2014)
ESS
Medizin (F&S 2014)
LIB (Statista 2015)
LIB (Pillot 2013)
Portable (Yano 2011)
Portable (BCC 2015)
Consumer Zellen (Pillot 2013)
Klein-/mittlere Anw. (Yano 2011)
0
0,1
1
Consumer (F&S 2010)
Consumer (F&S 2014)
10
100
Marktgröße in Mrd US$ (logarithmisch)
LIB-Märkte in 2020 nach Segmenten15
Wachstum in %
160
LIB
Gesamtmarkt
mobile
Elektronik
(Konsum)
Elektromobil
xEV
stationär
ESS
PHEV Zellen (Pillot 2013)
140
PHEV Zellen (Anderman 2013)
120
PHEV Pack (Anderman 2013)
PHEV
100
xEV (F & S 2010)
xEV
80
xEV Zellen (Pillot 2013)
BEV Zellen (Pillot 2013)
60
HEV Zellen (Pillot 2013)
HEV Zellen (Anderman 2013)
HEV
40
20
BEV
xEV (F & S 2012)
(F & S 2012)
xEV Materialien (F & S 2014)
BEV Pack
(Anderman 2013)
Netz und ESS (F&S 2014)
xEV Pack (Anderman 2013)
xEV Zellen
(Anderman 2013)
HEV Pack (Anderman 2013)
LIB (Statista 2015)
Adv. LiB (Wind+Solar, Adv. Lib
(Lux 2013)
Navigant 2015)
Adv. Lib
(Navigant 2011)
ESS
0
1
xEV (F & S 2014)
LIB (F&S 2014)
xEV (Global Data 2013) LIB (F&S 2010)
LIB (Yano 2011)
xEV (Navigant 2014)
e-Bikes, Scooter Zellen (Pillot 2013)
Industriell (F&S 2010)
Industriell (F&S 2014)
Klein-/mittlere Anw. (Yano 2011)
Portable (Yano 2011)
Portable (BCC 2015)
Consumer Zellen (Pillot 2013)
Medizin (F&S 2014)
0,1
PHEV (F & S 2012)
BEV
BEV Zellen
(Anderman 2013)
HEV (F & S 2012)
xEV Zellen (Yano 2011)
10
xEV (BCC 2015)
BEV/PHEV (BCC 2015)
LIB (TMR 2013)
LIB (IHS 2011)
LIB (ISI 2012)
LIB (Pillot 2013)
Consumer (F&S 2010)
Consumer (F&S 2014)
100
Marktgröße in Mrd US$ (logarithmisch)
21
xEV-Fahrzeugkonzepte insgesamt ergibt sich ein abgeschätzter
B atterie m ä r k te bis 2 0 2 5 ( g lobal )
Markt von 4 bis etwa 15 Mrd US$ (mit einem Wachstum von 20
bis 100 Prozent). Bei einer Zellnachfrage von rund 10 GWh für
Lithium-Ionen-Batterien weisen somit als Energiespeicher neben
BEV, PHEV und HEV in 2015 ergibt sich eine Spanne für die ange-
etablierten Anwendungen in der „mobilen Elektronik“ mit durch-
nommenen Batteriekosten zwischen 400 bis 1500 US$/kWh. Tat-
schnittlich 8 bis 9 Prozent Wachstum die größten Wachstum-
sächlich variieren die Kosten für LIB (Module, Packs, Systeme) in
spotenziale bei der Erschließung neuer Märkte in der Elektro-
HEV mit 800–1500 USD/kWh , PHEV mit 400–1000 US$/kWh
mobilität auf mit aktuellen Wachstumsmärkten jenseits der 20
und BEV mit 300–600 US$/kWh bereits untereinander, so dass
Prozent. Aber auch in neuen (z. B. Energiespeicher zur Integra-
die ermittelte Preisspanne auch hier plausibel ist.
tion EE) ebenso wie etablierten stationären Anwendungen (z. B.
16
USV), in welchen teilweise alternative Energiespeicher wie Pb
Die aus den Marktstudien für 2015 abgeschätzten Märkte für
dominieren, ergeben sich mit zunehmender Kostenreduktion
xEV liegen trotz aller Unsicherheiten im Wachstum damit bereits
hohe Wachstumspotenziale von 10 bis 20 Prozent oder mehr.
in 2015 im Bereich des Konsumerzellmarktes. Auch dies ist
­plausibel, da die noch höheren Kosten der LIB im xEV-Bereich sich
Daher sollen auf Basis der bisherigen Marktabschätzungen der
mit der noch höheren Zellnachfrage im Konsumelektronik­bereich
weltweite Batteriemarkt auch neben LIB sowie die Rolle der LIB
etwa ausgleichen. Bis 2020 oder spätestens 2025 ist daher ziem-
darin analysiert werden, um neben neuen Märkten und deren
lich sicher von einem größeren Markt durch Fahrzeugbatterien
Wachstum auch die Diffusionspotenziale der LIB in etablierten
im Vergleich zu Batterien für Konsumeranwendungen auszuge-
Märkten abschätzen zu können. Hierzu werden ausgehend von
hen. Die Wachstumsraten dürften sich aber ebenso sicher auf
dem in 2015 rund 450 GWh Batterieweltmarkt drei Szenarien
einem deutlich geringeren Niveau zwischen ggf. 20-30 Prozent
aus der Perspektive der LIB betrachtet:
einpendeln (siehe „Produkt-Roadmap Energie­speicher für die
Elektromobilität 2030“). Auch fallen die Batteriepreise weiter.
Das „Contra LIB“-Szenario geht von einem geringen Wachs-
Für stationäre Anwendungen ergeben sich Marktabschätzungen
die Elektro­mobilität) aus. Gleichzeitig ist dies mit einer weniger
von 150–300 Mio bis über 3 Mrd. US$ und Wachstumsraten von
rasch fallenden Kostenentwicklung der LIB verbunden und dem
rund 10 bis 30 Prozent. Dabei ist zu unterscheiden, dass sich die
Effekt, dass alternative Technologien wie Pb in ihren Märkten die
tum in der Elektromobilität (auch „Contra EV“ mit Bezug auf
unteren Markteinschätzungen nur auf den Markt der Integra-
Kostenvorteile und damit Marktposition beibehalten. In diesem
tion der Erneuerbaren Energien und daher eng auf netzgekop-
für die LIB-Märkte eher konservativen Szenario (vgl. avicenne
pelte stationäre Speicher beziehen.17 Die oberen Markteinschät-
Energy)19 liegt das jährliche Wachstum des Batteriemarktes bei
zungen sind dabei sicherlich breiter und auf alle Arten stationärer
nur rund 5 Prozent (für Pb um 4 Prozent, für LIB über 10 Prozent,
und industrieller Anwendungen zu beziehen. Auch hier ergibt
für LIB in der Elektromobilität bei 10 bis 20 Prozent).
sich im Abgleich mit den vermutlich rund 1–2 oder mehr GWh
Nachfrage nach LIB-Zellen in 2015 ein Preis von 150 bis über
Das „Pro LIB“-Szenario geht von einem sehr positiven, dyna-
1500 US$/kWh. Wieder zeigt sich, dass neben der großen Unsi-
mischen Wachstum in der Elektromobilität aus (auch „Pro EV“
cherheit der Markteinschätzung an sich auch eine unterschied-
mit Bezug auf die Elektromobilität). Die LIB-Kosten lassen sich
liche Abgrenzung (Zelle, System etc.) sowie unterschiedliche
in ­diesem Szenario so stark reduzieren, dass sich LIB auch in
Annahmen über die Preisentwicklung (diese hat sich zwischen
Anwendungsbereichen der Pb deutlich durchsetzen können. In
2010 und 2015 sehr dynamisch entwickelt) der jeweiligen Markt-
diesem für LIB-Märkte sehr optimistischen Szenario liegt das jähr-
studien festzustellen ist. Dennoch ist auch für den Markt von LIB
liche Wachstum bei bis zu 10 Prozent (für Pb nur noch um 1 bis
in stationären A
­ nwendungen als Ergebnis festzustellen, dass es
2 Prozent, für LIB bei 25 bis zu 30 Prozent, für LIB in der Elektro­
sich hier um einen heute noch schwer einschätzbaren Zukunfts-
mobilität sogar bei 25 bis 40 Prozent).
markt handelt und (wie die Wachstumsraten ­zeigen) mit einer
eher langfristigen Marktentwicklung auf zunächst überschaubarem Niveau zu rechnen ist.
Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass es angesichts der sehr
schwierig einzuschätzenden Preisentwicklung von LIB-Zellen bzw.
Systemen leichter und verlässlicher ist, bei der Marktentwicklung
in Batteriekapazität (GWh) zu rechnen. Auch lassen sich dadurch
unterschiedliche Energiespeicher bzw. Batteriesysteme (wie insbesondere LIB und Pb) besser in Kontext setzen.
22
Erläuterung zu Abbildungen rechts – Batterieweltgesamtmarkt
Contra LIB: geringes Wachstum der Elektromobilität, kaum Konkurrenz
zu Pb (Kostenvorteil Pb)
Trend Szenario: positive Entwicklung der Elektromobilität, Konkurrenz
der LIB zu Pb (vgl. Kosten), LIB greift vermehrt in Pb Märkte ein
Pro LIB: hohes Wachstum der Elektromobilität, starke Konkurrenz der
LIB zu Pb (Kosten- und Technologievorteil LIB)
Stationär: (On- und Off-Grid, <10 kWh und >10 kWh bis MWh)
Elektromobilität: (Traktion: BEV, PHEV, HEV, Ebikes, LKW, Gabelstabler etc.)
Mobile Elektronik: (keine Traktion: Konsumer, Starter, Power Tools etc.)
Andere Batterien: (NiMH, NiCd, RFB, NaS, ..) <5 %, hier vernachlässigt
Batterieweltgesamtmarkt (in GWh) in drei Szenarien
Contra LIB Szenario
Contra LIB Szenario
GWh
1000
100 %
900
90 %
800
80 %
700
70 %
600
60 %
500
50 %
400
40 %
300
30 %
200
20 %
100
10 %
0
0%
2015
2020
2015
2025
Trend Szenario
Trend Szenario
GWh
1000
100 %
900
90 %
800
80 %
700
70 %
600
60 %
500
50 %
400
40 %
300
30 %
200
20 %
100
10 %
0
2020
2025
2020
2025
2020
2025
0%
2015
2020
2015
2025
Pro LIB Szenario
Pro LIB Szenario
GWh
1000
100 %
900
90 %
800
80 %
700
70 %
600
60 %
500
50 %
400
40 %
300
30 %
200
20 %
100
10 %
0
0%
2015
2020
2025
2015
LIB – stationäre Speicher
LIB – Elektromobilität
LIB – mobile Elektronik
Pb – stationäre Speicher
Pb – Elektromobilität
Pb – mobile Elektronik
23
Im „Trend-Szenario“ wird entsprechend von einer zwar positiven
L an g frist - S z enarien bis 2 0 5 0
Entwicklung der Elektromobilität ausgegangen, jedoch werden
weitere Märkte weniger stark erschlossen und auch die Pb ver-
Die langfristige Entwicklung der Märkte für Lithium-Ionen-­
liert weniger an Marktanteilen gegenüber der LIB), da z. B. die
Batterien ist aus mehreren Gründen wichtig abzuschätzen: Für
LIB technische und Kostenvorteile nur bedingt und in einzelnen
die Elektromobilität sind Entwicklungen in der Energiedichte
Bereichen ausspielen kann. In diesem als eher realistisch einge-
(mit Blick auf die Reichweite) und Kosten (mit Blick auf eine für
schätzten Szenario liegt das jährliche Wachstum bei 7 bis 8 Pro-
die breite Bevölkerung erschwingliche Mobilität der Zukunft)
zent (für Pb bei 2 bis 3 Prozent und für LIB bei rund 20 Prozent
zentral. Heute sind neben der LIB keine vergleichbaren alter-
sowie für LIB in der Elektromobilität bei sogar 20 bis 30 Prozent).
nativen Technologien bekannt, welche den Weg hin zu einer
emissionsarmen/-freien Mobilität weisen können. Wenn sich
In den Abbildungen auf Seite 23 sind die drei Szenarien mit
ein Systemwandel Elektromobilität vollziehen lässt, dann wird
­globalen Märkten für LIB und Pb in GWh sowie prozentual nach
dies aus heutiger Sicht mit LIB sein (zumindest beginnen) und
Anteilen für Anwendungen in „mobiler Elektronik“, Elektro­
im Laufe der kommenden 20 bis 40 Jahre realisierbar sein. Dies
mobilität und stationären Anwendungen dargestellt. In diesen
könnte aber auch eine langfristige Abhängigkeit von nur einer
drei Bereichen sind die zahlreich zuvor diskutierten Einzelanwen-
Technologie bedeuten und Implikationen müssten gut verstan-
dungen einsortiert. Da LIB und Pb gegenüber weiteren elektro-
den werden.
chemischen Energiespeichern wie NiMH, NiCd, RFB, NaS bereits
heute mit zusammen rund 98 Prozent dominieren und nur für
Daher müssen Marktentwicklungen bis 2025 oder 2030 auch bis
RFB und NaS ein Wachstum für stationäre Anwendungen zu
2050 und weiter gedacht werden, um realistisch a­ bzuschätzen,
erwarten ist, dürfte sich in dem Betrachtungszeitraum durch
in welchem Kontext und in welcher Dimension sich eine LIB-
weitere Batterietechnologien nichts Wesentliches an dem Bild
Nachfrage der Zukunft ergeben kann. Gleichzeitig müssen mög­
ändern. Somit wird hier der Einfachheit halber nur auf LIB und
liche langfristige Konsequenzen frühzeitig einsortiert werden,
Pb eingegangen.
z. B. mit Blick auf eine Rohstoffnachfrage und -verfügbarkeit in
der Zukunft, den Bedarf von Material- und/oder Technologie­
Die Einsatzbereiche der LIB in den hier abgegrenzten drei Seg-
substitutionen, den Bedarf neuer Produktionstechniken, die Mög-
menten sind bereits erläutert worden. Für die Pb sind im Bereich
lichkeiten des Recyclings, Gefahren nicht nur von Rohstoffeng-
der „mobilen Elektronik“ alle Anwendungen zusammengefasst,
pässen, Technologieanhängigkeiten etc. sondern auch wieder
in welchen die Batterien weder stationär (z. B. On- und Off-Grid-
steigenden Preisentwicklungen usw.
Anwendungen) noch als Traktionsbatterie (z. B. xEV, Elektrofahrräder, Gabelstapler etc.) genutzt werden. Dies können z. B. alle
Für die zuvor vorgestellten Szenarien „Pro LIB“ und „Contra LIB“
Konsumelektronikanwendungen aber auch Starter-Batterien,
werden die potenziellen Marktnachfragen nach LIB daher über
Power Tools etc. sein.
2025 hinaus bis 2050 fortgeschrieben:
Pb haben heute den größten Markt als Starter-Batterien in
Im „Contra LIB“-Szenario (rund 10 Prozent Wachstum) würde
z. B. PKW, Nutzfahrzeugen, Booten, usw. (aber auch Märkte
sich vor allem die Elektromobilität (auch „Contra EV“) mit einer
in medizin­technischen Geräten etc.). Daneben werden sie zur
begrenzten Diffusion (z. B. 10 bis 30 Millionen Elektrofahrzeuge-
Traktion in Elektrofahrzeugen eingesetzt, z. B. Elektrofahrräder
Neuzulassungen pro Jahr) weniger durchsetzen (rund 10 bis
in China, ältere Elektroautos, aber besonders noch in Gabel-
maximal 15 Prozent Wachstum, was sich nach Annahme auch
staplern. Als stationäre Energiespeicher werden sie für den Ein-
hinderlich auf LIB in stationären Anwendungen auswirken würde
satz in Telekom/Mobilfunk, USV (zusammen rund 80 Prozent am
mit z. B. auch nur rund 15 Prozent Wachstum (Argument der
­stationären Markt) sowie Stand-by, Kontroll- und weitere Anwen-
Kosten). Für Anwendungen in der mobilen Elektronik würde das
dungen im Umfeld stationärer Anwendungen verwendet (siehe
weiterhin stabile Wachstum von rund 9 Prozent auch in 2015 zu
auch „Gesamt-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030“).19,20
einem dennoch ähnlichen Marktanteil wie LIB für Elektromobile
Pb werden durch LIB vermutlich kurzfristig am schnellsten in
und stationäre Anwendungen führen.
elektromobilen Anwendungen verdrängt, mittel- bis langfristig
ggf. auch in den stationären Anwendungen und evtl. auch einmal als Starterbatterien.
24
Im „Pro LIB“-Szenario (bis zu 30 Prozent kurzfristiges und über
über einem dann entstehenden Markt für Fahrzeugbatterien
15 Prozent langfristiges Wachstum) bleibt das Wachstum für
gemessen an der Batterienachfrage vernachlässigt werden,
LIB in mobiler Elektronik mit rund 8 Prozent auf einem gleichen
­welcher dann auf einem Niveau von 10 TWh pro Jahr liegen
Niveau, jedoch dominieren LIB in der Elektromobilität (bis zu 20
würde.
Prozent Wachstum) auch gegenüber stationären Anwendungen (ca. 18 Prozent Wachstum). Die Substitution von Pb z. B. im
Die in der „Produkt-Roadmap Energiespeicher für die Elektro­
Bereich der Starterbatterien ist hier nicht angenommen, jedoch
mobilität 2030“ abgeleiteten Szenarien („Contra EV“ und „Pro
macht selbst dies bis 2050 betrachtet keinen großen Unterschied
EV“) entsprechen hier in den „Pro LIB“/“Contra LIB“-Szena-
im Ergebnis. Es ergibt sich ein um das 10-fache größerer Markt
rien bis 2025/2030 den Entwicklungen der LIB-Nachfrage durch
als im „Contra LIB“-Szenario mit einer globalen Elektrifizierung
Elektrofahrzeuge. Die Produkt-Roadmap zeigt einen Trend der
des Transportsektors (PKW und weitestgehend Nutzfahrzeuge
OEM von kostenoptimierten (Annahme: 25 kWh Batteriegröße)
sowie weitere Elektrofahrzeuge) und über 90 Prozent Nachfrage
hin zu reichweitenoptimierten (Annahme: Entwicklung von
nach LIB nur durch Elektromobilität.
25 kWh zu 60 kWh oder mehr) Elektrofahrzeugen, wodurch sich
neben den Fahrzeugneuzulassungen auch die LIB Nachfrage mit
Wie das „Pro LIB“-Szenario zeigt, können bei einem tatsäch­
erhöht. Dabei ergibt sich das Bild, dass sich trotz der heute noch
lichen Gelingen der batteriebasierten Elektromobilität l­angfristig
zögerlich startenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen lang­
die Märkte für LIB in Anwendungen der „mobilen Elektronik“
fristig eine Entwicklung weg vom „Contra EV“- hin zu einem
und für die stationäre Energiespeicherung größtenteils gegen- „Pro EV“-Szenario vollziehen dürfte.
Langfristszenarien für die LIB Zellnachfrage
Contra LIB
100 %
Contra LIB
TWh
2
80 %
60 %
GWh
1
20152025
Stationäre Speicher
1
5
Elektromobilität
15
50
Mobile Elektronik
40
100
0
40 %
20 %
0%
2015
2025
2050
2015
2025
2050
2015
2025
2050
Pro LIB
100 %
Pro LIB
10 TWh
2
80 %
60 %
GWh
1
0
20152025
Stationäre Speicher
3
40
Elektromobilität
25
400
Mobile Elektronik
40
100
40 %
20 %
0%
2015
2025
2050
25
Die Neuzulassungen von Elektrofahrzeugen, welche sich heute
Vor diesem langfristigen Hintergrund würde eine reichweiten­
noch entlang des 2008 vom Fraunhofer ISI definierten Plura-
optimierte Elektromobilität eine deutlich höhere Nachfrage mit
lismus-Szenarios21 bewegen, könnten sich bis 2025 (mit 2 bis
sich bringen als eine kostenoptimierte Elektromobilität. Jedoch
4 Millionen Neuzulassungen), 2030 (mit 4 bis 12 Millionen Neu-
steht auch offen, wie sich eine Brennstoffzellentechnologie als
zulassungen) schließlich zwischen 2040 (frühe Diffusion, Wachs-
Alternative zu batterieelektrischen Fahrzeugen, zukünftige Lade­
tum ca. 25 Prozent) und 2050 (späte Diffusion, Wachstum rund
infrastrukturen, Nutzungsmodelle etc. entwickeln.
18 Prozent) hin zu einer globalen und ggf. vollständigen Verbreitung von Elektrofahrzeugen entwickeln (Trendszenario in der
Für die weiter hinten folgenden Berechnungen einer l­angfristigen
„Produkt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030“
Rohstoffnachfrage wird von dem für 2050 extremeren Szenario
mit unter 20 bis 25 Prozent Wachstumsraten, höhere Raten
(reichweitenoptimiert) ausgegangen und der Effekt einer frühe-
­würden weit vor 2040 zu einer vollständigen Diffusion führen).
ren oder späteren Diffusion gezeigt.
Neuzulassungen von Elektrofahrzeugen (global)
Anteil der Neuzulassungen von Elektrofahrzeugen
Mio Elektrofahrzeuge
160
Anteil Elektrofahrzeuge in %
100
(global)
140
80
120
100
60
80
40
60
40
20
20
0
2015
2020
2025
2030
2035
EV Szenario (frühe Diffusion) 2045
2050
0
2015
EV Szenario (späte Diffusion) 2020
2025
2030
2035
Dominanz (Fraunhofer ISI) 2040
2045
Bedarfsentwicklung für Elektrofahrzeugbatterien
(global) langfristig
(global) 2015 bis 2030
TWh
10
GWh
500
9
450
8
400
7
350
6
300
5
250
4
200
3
150
2
100
1
50
2020
2025
2030
2035
2040
2045
2050
0
2015
2020
Pro EV Szenario (frühe Diffusion, Reichweite) Pro EV Reichweite (25-60 kWh je Elektrofahrzeug)
Pro EV Szenario (frühe Diffusion, Kostenoptimiert) Contra EV Kostenoptimiert (25 kWh je Elektrofahrzeug)
Pro EV Szenario (späte Diffusion, Reichweite) ISI Dominanz-Szenario 2008 (Reichweite) Pro EV Szenario (späte Diffusion, Kostenoptimiert ISI Pluralismus-Szenario 2008 (Kosten) 2050
Pluralismus (Fraunhofer ISI)
Bedarfsentwicklung für Elektrofahrzeugbatterien
0
2015
26
2040
2025
2030
Allgemeine Rahmenbedingungen
Für Energiespeicher
Sowohl für die Entwicklung von Energiespeichern für elektro­
­europäischen Markt. Langfristig und angesichts des fortschrei-
mobile als auch stationäre Anwendungen können sich nicht-­ tenden Klimawandels ist eine weitere Verschärfung der europätechnische Rahmenbedingungen förderlich (in der Roadmap
ischen CO2-Flottengrenzwerte für PKW zu erwarten.
grün), hemmend (rot) oder auch neutral (gelb) auf eine Nachfrage
und folglich Verbreitung auswirken. Diese R
­ ahmenbedingungen
Im Kontext der „Zero Emission Vehicle“-Gesetzgebung wie im
lassen sich typischerweise nach den Bereichen Regulierung/
US-amerikanischen Kalifornien24 wurde in Europa das Instru-
Gesetzgebung/ Förderung, Infrastruktur und Gesellschaft/Kunden
ment der „Super credits“ für weitgehend schadstofffreie Fahr-
differenzieren und durch Politik und Markt (Industrie) steuern
zeuge mit unter 50g CO2/km in der flottenweiten Anrechnung
bzw. beeinflussen.
von Elektromobilen auf die CO2-Zielwerte insgesamt eingerichtet.
Solche Elektromobile wurden auf die Flottengrenzwerte in einer
In der Regulierung, Gesetzgebung und Förderung von Ener­
Übergangsphase gleich mehrfach gezählt und ihre Herstellung
giespeichern für die Elektromobilität sind nationale Bestim-
hätte damit als Ausgleichsmaßnahme für die Herstellung anderer
mungen (z. B. Sonderrechte für Elektromobile im Verkehr) von
Fahrzeuge mit höheren Emissionen dienen können.25 Weil dieses
internationalen Bestimmungen auf EU-Ebene (z. B. CO2-Emissio-
Angebot in seiner ersten Phase allerdings nicht besonders stark
nen) und im globalen Umfeld (z. B. Batterietransporte) zu unter-
durch die Automobilhersteller in Anspruch genommen wurde,
scheiden. Dabei zeigen gerade die europäischen CO2-Flotten-
wird es auch in einer zweiten Phase von 2020 bis 2023 wieder
grenzwerte für PKW bereits heute/2015 Auswirkungen auf die
gelten. Diese Maßnahme sollte eigentlich einen stark förder­lichen
Entwicklung des Fahrzeugangebotes.
Aspekt für die Elektromobilität z. B. zur Bereitstellung eines breiten Fahrzeugangebotes darstellen.
Im Rahmen der im April 2009 verabschiedeten Verordnung stellt
der Neuwagen-Flottendurchschnitt von 130g CO2/km in 2015
Die Preisentwicklungen von Benzin, Strom und Batterien sor-
die Ausgangssituation dar und gibt den Automobilherstellern
gen im Idealfall dafür, dass sich sowohl die Kaufpreise als auch
in Europa einige Jahre Zeit, sich auf den Neuwagen-Flotten-
Betriebskosten von Elektrofahrzeugen und herkömmlichen Fahr-
durchschnitt von 95g CO2/km in 2021 vorzubereiten. Für jedes
zeugen mit Verbrennungsmotor immer weiter annähern bzw.
­weitere Gramm über den jährlich zulässigen spezifischen CO2-
Elektrofahrzeuge attraktiver werden lassen. Hohe Benzinpreise,
Emissionen werden Strafzahlungen fällig, der Verkauf von z. B.
niedrige Strom und Batteriepreise wirken dabei förderlich für die
als Sport Utility Vehicle (SUV) bezeichneten Fahrzeugen mit eher
Elektromobilität. Konkreter wären aber bei diesen Betrachtun-
22
überdurchschnittlichem Verbrauch kann aber mit dem Verkauf
gen jeweils der Verbrauch (l/100km bzw. kWh/km) sowie die
von z. B. Elektromobilen mit eher unterdurchschnittlichem Ver-
Anteile der Batteriekosten am Elektrofahrzeug einzubeziehen
brauch aufgewogen werden. Für die Nichteinhaltung des Flot-
(siehe vertiefend hierzu die „Produkt-Roadmap Energiespeicher
tengrenzwertes werden bereits seit dem Jahr 2012 jedes Jahr
für die Elektromobilität 2030“).
Strafzahlungen fällig, welche abhängig von der Abweichung
vom Zielwert unterschiedlich hoch gestaffelt sind.23 Ab dem
Eine standardisierte, flächendeckenden Ladeinfrastruktur aber
Jahr 2019 wird der volle Satz von 95 €/g pro g CO2/km Über-
auch begleitende bzw. unterstützende Normen/Standards (für
schreitung fällig. Weil die Automobilindustrie praktisch vollstän-
das Laden, für Batterien etc.) sind wichtig für den breiten Markt-
dig globalisiert ist, muss natürlich auch die Gesetzgebung auf
hochlauf jenseits erster Kunden/Fahrzeugkäufer. Dazu wird es
anderen Kontinenten beachtet werden und dort gesetzte, ggf.
notwendig sein, den Aufbau (mittelfristig) und Ausbau (lang-
noch stärkere Anreize zur Produktion emissionsarmer bzw. elek-
fristig) einer halböffentlichen und öffentlichen Ladeinfrastruktur
tromobiler Fahrzeuge beeinflussen auch die Forschung und Ent-
voranzutreiben (inkl. Schnellladestationen für höhere Reichwei-
wicklung in Europa sowie letztlich das Fahrzeugangebot auf dem
ten, Komfortladen und langfristig ggf. auch induktivem Laden).
27
RAHMENBEDINGUNGEN FÜR ESS
RAHMENBEDINGUNGEN FÜR xEV
ZEIT
2015
Regulierung/
Gesetzgebung
Regulierung,
Gesetzgebung,
Förderung
Preise
Ladeinfrastruktur
CO2-Gesetzgebung EU:
Neuwagen-Flottendurchschnitt
von 130g CO2/km in 2015
Benzinpreis:
1,30-1,60 €/l
Haushaltsstrom:
0,29 €/kWh
(2015, Mittelwert)
KURZFRISTIG
Bestimmungen für
Batterietransport
auf Straße
Sonderrechte
(kommunal,
Leuchttürme)
Batteriepreise:
>300 €/kWh (Endunde)
< 300 €/kWh (OEM, Überkap.)
CO2-Gesetzgebung EU:
„Super credits“ für schadstofffreie
Fahrzeuge (unter 50g CO2/km)
Preise für Batterien und
Standardisierte Ladeinfrastruktur
Aufbau der Ladeinfrastruktur
für PHEV/BEV (privat)
Netzintegration/dyn. Stromtarife
Ladestecker-/Sicherheits-Norm
Genormte Zellen für
HEV-/PHEV-/BEV-Batteriemodule
Harmonisierung der Gesetzgebung
Infrastruktur
Normen/
Standards
Gesellschaft/
Kunden
Akzeptanz &
Kosten
Angebot/
Geschäftsmodelle
EEFörderung
Regulierung,
Gesetzgebung,
Förderung
Anreize für
Speicher
Sicherheit des
Fahrzeugs
Sicherstellung,
dass Strom aus
Ern. Energien
Monetäre
Nicht-mon. KaufKaufanreize
anreize (z. B. Bus(z. B. über Steuern)
spurnutzung)
Eigene xEV Plattformen und „purpose
Design“ (auch für gewerbl. Anwend.)
Fahrspaß/Design/
Alltagstauglichkeit
Entfall der Netzentgelte für eigene
Erzeugung und eigenen Verbrauch
Marktanreizprogramm (MAP) für
PV-Energiespeicher und
Investitionszuschüsse
Regierung
beschließt Smart
meter-Rollout
EEG-Novellierung für
Energiespeicher im
Stromnetz (NS/MS)
Novellierung Niederspannungsrichtlinien und EEG
Energiemanagement zur
Erhöhung der Betriebsflexibilität
von Kraftwerken
Vereinfachte
Reservebereitstellung
(aus Verteilernetz)
Ausbau MAP für
große stationäre
Speicher
Stromnetz
Infrastruktur
Kraftwerkspark
Gesellschaft/
Kunden
Akzeptanz &
Kosten
Geschäftsmodelle
Neue Mobilitätskonzepte, breitere
Begrenzung der vergütungsfähigen
Erzeugung (PV)
Eigensichere Hausbatterie
für Privatkunden
PV-Kostendegression
(anhaltend)
Spektakuläre Unfälle, vor allem
in Privathaushalten
Zunehmende Breite des
Standard.
Kommunikationssystem
Konkurrenztechn.
(z. B. Latent-/
Abwärmespeicher,
Anstoß zur Normung
Brennstoffzelle/
von stationären
Elektrolyse)
Speichern
Regierung
beschließt Smart
meter-Rollout
Endkundenkompatible Anf. an Betriebsstätte und Logistik
Neue Geschäftsmodelle für
Speicher“Bewirtschafter“
Für die gesellschaftliche/Kundenakzeptanz sind die Sicherheit
zunehmend breiteren Fahrzeugangebot auch die Entwicklung
des Fahrzeugs bzw. der Batterien Voraussetzung. Monetäre und
entsprechender Vermarktungs- und Geschäftsmodelle wich-
nicht-monetäre Anreize können heute erste Kundengruppen und
tig, um breite Kundengruppen und Käuferschichten zur Elekt-
zukünftig auch der breiteren Gesellschaft den Ein- bzw. Umstieg
romobilität zu führen.
auf Elektrofahrzeuge erleichtern. Diese dürften aber zunehmend
wirksam werden, wenn sich das Fahrzeugangebot verbreitert hat,
Hinsichtlich Regulierung, Gesetzgebung und Förderung für
Preise und Reichweiten der Elektrofahrzeuge zunehmend heu-
elektrochemische Energiespeicher in stationären Anwen­
tigen „konventionellen“ Fahrzeugen annähern und schließlich
dungen stellte der jüngste Entfall der Netzentgelte für eigene
das Laden (Schnelladen, Komfortladen etc.) schneller, einfacher
Erzeugung und eigenen Verbrauch sowie das Marktanreizpro-
und flächendeckend möglich wird.
gramm (MAP) für dezentrale Stromspeicher für PV-Strom26 und
Investitionszuschüsse eine Maßnahme zur Förderung dar. Zum
Während heute für erste Kunden der mittlerweile (technisch) all-
einen verringerten sich die Betriebskosten für die „Bewirtschaf-
tagstauglich gewordenen Elektroautos der Fahrspaß oder auch
ter“ von Energiespeichern mit Netzkoppelung und zum anderen
der ökonomische Aspekt im Vordergrund stehen, wird mit einem
galt das rückwirkend zum 1. Januar 2013 eingerichtete und zum
28
MITTELFRISTIG
Neue CO2-Grenzwerte
Elektrofahrzeuge sinken
2020
Recycling von
Batterien/
Entsorgung
LANGFRISTIG
CO2-Gesetzgebung EU:
Neuwagen-Flottendurchschnitt
von 95g CO2/km in 2021
2030
Sonderrechte
(kommunal,
Leuchttürme)
„Second life“ von FZG Bat.
Ressourcenstrategie
Benzin: >1,80 €/l
Strom: <0,3 €/kWh
Batteriepreise fallen stark
Benzin: ähnlich 2015
Strom: >0,3 €/kWh
Batteriepreise sinken nicht weiter
Aufbau (mittelfr.) und Ausbau (langfr.) halböffentliche und öffentliche Ladeinfrastruktur
Öffentliche Ladestationen
Öffentliche Schnellladestat.
Komfortladen
Verschärfte Testbedingungen
Angebote, sinkende xEV-Preise
Fahrzeug-Angebots
Anpassung v. RedispatchSpeicher im
Regul. für
Systemdienstl. Verteilnetz
Speicher-/
Kraftwerksallokation
Gesetzliche Regelungen für Erzeuger/
Verbraucher zur Verstetigung von
Erzeugung/Verbrauch (Peak shaving)
Ladeinfrastruktur (privat)
indukt. Laden?
Erhöhte Reichweite,
Lebensdauer, verb.
Ladeinfrastruktur
Restwertkalkulation
(u. a. Batterie)
Kosten, Reichweite, Ladeinfrastruktur deutlich
verbessert (Annäherung an Verbrenner)
Beginn wirtsch. für Massenmarkt
Neue Geschäftsmodelle
Recyclingprozess
und Rücknahme läuft
problemlos
Zunehmende Konsolidierung von Fahrzeug-,
Nutzungs- und Geschäftsmodellen
Mehr als 35 % EE-Anteil
Regelzonen-Ausweitung
Netzausbau
2nd use vs. Recycling
(Konzepte)
Steigerung des
industriellen
Strompreises
intel. Ladeinfrastruktur (V2G)
Anpassung Batterienormen
Finanzierung des Netzausbaus/-umbaus
Allgemeine Strompreissteigerung
>2030
Leistungsbezogene
Netznutzungsentgelte
Aufbau einer
flächendeckenden
Ladeinfrastruktur
Fortschritte bei Elektromobilität
(z. B. Kosten)
1. April 2015 sogar schon novellierte MAP als guter erster Schritt,
hoher CO2-Preis
Mehr als 50 % EE-Anteil
(in Deutschland bzw.
EU insgesamt)
Reduktion des Must-run
Akzeptanz H2-basierter Technologien
(Speicher, Verteilung)
Akzeptanz H2-basierter Technologien
(Speicher, Verteilung)
stand die vorrangige Einspeisung des „grünen“ Stroms in das
der jedoch nicht ausreichend ist, um das Potenzial von Batterie-
Stromnetz im Vordergrund. Die nächste Novelle wird für das
speichern zur Systemdienlichkeit zu erschließen. Ein ­besonderer
Jahr 2016 erwartet.
Akzent wird auch durch die Förderung von Forschung und
­Entwicklung dezentral eingesetzter Energiespeicher durch das
Die weitere Förderung erneuerbarer Energien soll dafür sor-
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rah-
gen, dass der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeu-
men des 6. Energieforschungsprogramms „Forschung für eine
gung auf mehr als 35 Prozent im Jahr 2020 und mehr als 50 Pro-
umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversor-
zent im Jahr 2030 in Deutschland bzw. Europa ansteigt. Diese
gung“ gesetzt.27 Es gibt aber auch Gegenstimmen, denen zu
Entwicklung ist als absolut förderlicher Aspekt für die stationäre
Folge der Strompreis Marktanreiz genug darstellt bzw. über ihn
Energiespeicherung anzusehen, weil damit auch die F­ örderung
Marktanreize geschaffen werden sollten, damit es ggf. zum
dezentraler Energieversorgung einhergeht, welche eine Umkehr
­flächendeckenden Einsatz von Energiespeichern kommen kann.
von der klassischen Energieversorgung mit zentralen z. B. Atom-
Eine EEG-Novellierung trat zum 1. August 2014 in Kraft, berück-
kraftwerken bedeutet. Hinsichtlich der Regulierung besteht
sichtigt „Energiespeicher“ allerdings nicht. Ganz im Gegenteil
­großer Regelungsbedarf im Wiederaufbau des europäischen
28
29
Treibhausgas-Emissionshandels (hohe CO2-Preise). Ein hoher
V2G) in einer bidirektionalen flächendeckenden ­Ladeinfrastruktur,
CO2-Preis hat langfristig einen positiven Einfluss auf die Ener-
etc. zwischen beiden Bereichen zunehmend verschränken (auch
giespeicherentwicklung. Mittelfristig, mit einem großen Anteil
„Smart Mobility“).
an konventioneller Erzeugung im Netz bzw. der ­Verstetigung des
Speichereinsatzes entsteht allerdings noch kein CO2-Benefit für
Für die gesellschaftliche/Kundenakzeptanz ist es dabei w
­ ieder
bzw. durch stationäre Energiespeicher. Eine Ersparnis würde erst
zentral die Sicherheit der Technologie/ Batterie zu k­ ommunizieren
dann resultieren, wenn der Anteil an erneuerbaren Energien im
(spektakuläre Unfälle vor allem in Privathaushalten wären prob-
Gesamtsystem signifikant steigt.
lematisch). Mittel- bis Langfristig wirkt sich eine zu erwartende
allgemeine Strompreissteigerung bei gleichzeitigem Sinken der
Aus Infrastruktur Perspektive wird mittelfristig ein langsamer
Batteriepreise (wieder auch durch die Entwicklung in der Elektro­
Ausbau des deutschen und europäischen Stromnetzes ­stattfinden
mobilität) förderlich auf die Marktentwicklung von Energiespei-
und damit auch die Verbreitung von stationären Energiespei-
chern aus. Dezentrale Speicher für die Eigenbedarfsoptimierung
chern zunehmen. Die Finanzierung des Netzausbaus/-umbaus
bzw. einer zunehmenden Autarkie des Verbrauchers gewinnen
wird dabei voraussichtlich hohe öffentliche Mittel in Anspruch
an Bedeutung.
nehmen, für den Bedarf von Energiespeichern ist der Netzausbau dabei zunächst als hemmender Faktor einzustufen. Wich-
Gerade die parallelen und voneinander abhängigen Entwick­
tig ist die Unterscheidung, welche Stromnetze in den nächsten
lungen der Energiespeichertechnologien und der ihre künftige
Jahren gebaut werden sollten: Sollte es mehr dezentrale Ener-
Nachfrage beeinflussenden Rahmenbedingungen zeigen die
gieversorgung geben, so wird sich die Entwicklung letztlich doch
komplexen aber sich künftig noch deutlich weiter verschränken-
förderlich für Energiespeicher auswirken.
den Verbindungen zwischen Mobilität bzw. dem Transportsektor,
der Energiewirtschaft und dem Stromnetz etc. Förderliche Maß-
Langfristig können Energiespeicher Teil einer „smarten“ Infra-
nahmen für eine Technologie können hinderlich für andere wir-
struktur (Smart Grid) werden, wobei sich nicht nur technisch auf
ken und daher ist zunehmend ein breites, umfassendes ebenso
Basis der in Elektrofahrzeugen und stationären Speichern einge-
wie tiefes Gesamtsystemverständnis wichtig, um zur richtigen
setzten Technologien Überschneidungen bzw. Synergien e­ rgeben
Zeit die richtigen Rahmenbedingungen zu setzen und die
sondern auch Geschäftsmodelle wie 2nd use von Fahrzeugbat-
­Entwicklung einer nachhaltigen Mobilität ebenso wie einem
terien in stationären Anwendungen, die Ein-/Anbindung der
intelligenten Energiesystem und vernetzten Infrastrukturen zu
Elektrofahrzeuge ans Netz (engl. „vehicle to grid“, ­Abkürzung
schaffen.
30
Technologiebezogene Rahmenbedingungen Für Energiespeicher
Neben allgemeinen politischen, markt- und gesellschaftlich rele-
die Produktion der anderen steigt – d. h. es ­können technologie­
vanten Rahmenbedingungen ist es auch wichtig die für spezifi-
übergreifende Austauscheffekte stattfinden). Weiterhin hat
sche elektrochemische Energiespeichertechnologien relevanten
Kobalt einen hohen Energiebedarf bei der Förderung und Auf-
Rahmenbedingungen (abseits der reinen Leistungsparameter
bereitung und daher einen hohen Marktpreis (zwischen 2010
und Kosten) zu betrachten, um festzustellen, in wie fern im
bis 2014 bei 20-30 USD$/kg)29. Gerade für Kobalt ist wegen
Fall der Lithium-Ionen-Batterien (LIB) z. B. technologieabhängige
des ­Preises davon auszugehen, dass es langfristig durch Recy-
Einflussfaktoren förderlich oder hinderlich auf die gezeigten
cling eine gute Kreislaufführung geben wird. Zum Vergleich
Entwicklung wirken können. Solche technologiespezifischen
lagen die Preise für Nickel bei 17–20 US$/kg und für Lithium-
­Faktoren können eingesetzte Rohstoffe, Substitutionsmöglich-
carbonat (chemische Summenformel Li2CO3) oder Lithiumhyd-
keiten auf Material- bis Technologieebene, Recycling, Energie-
roxid bei 6–8 US$/kg in diesem Zeitraum.30 Somit stellt sich für
bedarf und CO2-Footprints bei der Herstellung, im Einsatz bis
einige der in LIB aber auch insgesamt in Elektrofahrzeugen ein-
zum Recycling (engl. „life cycle assessment“ bzw. -Lebens­
gesetzten Rohstoffe die Frage der zukünftigen Verfügbarkeit, des
zyklusbewertung, Abkürzung LCA) ebenso wie Fragen techno­
Zugangs sowie der Preisentwicklung bei einer deutlich anstei-
logischer Synergien betreffen. Solche Rahmenbedingungen wer-
genden Nachfrage.
den zusammengefasst für die folgenden Aspekte diskutiert:
Generell lässt sich bei der Rohstoffversorgung eine große Abhän• Rohstoffbedarf (Rohstoffkritikalität),
gigkeit von politischen Rahmenbedingungen feststellen. So hat
• Materialeinsatz (Recyclingfähigkeit),
z. B. die europäische Rohstoffversorgungsstrategie bzw. die High-
• Energiebedarf (LCA, CO2-Footprint),
Tech-Strategie zum Ziel, internationale Rechte an Rohstoffen zu
• Technologische Synergien.
sichern, um erfolgreich den Rohstoffbedarf decken zu können.
Wenn aber ein Hauptproduzenten-Land plötzlich den Export
beschränkt, kann es schnell zu einer Rohstoffknappheit kom-
R ohstoffbe d arf
( R ohstoff k riti k alit ä t )
men (z. B. die Diskussion um die Seltenen Erden in China in den
letzten Jahren). Hier könnte man überlegen, technologisch entgegenzusteuern und auf Basis der Zellchemie versuchen, diese
Die Roadmap zeigt die zentrale Rolle von Hochenergie NMC und
Rohstoffe nicht mehr so stark einzusetzen, bei welchen eine
NCA und damit Nickel- sowie Kobalt-basierten LIB-Technologien
starke Importabhängigkeit besteht und die Förderländer bei-
für die Elektromobilität auf. Mit dem erwarteten Markthoch-
spielsweise politisch instabil sind, sofern sich dies in der Techno-
lauf ist daher dringend die Frage des künftigen Bedarfs und der
logieentwicklung berücksichtigen lässt. Diese Aspekte der Inte­
Verfügbarkeit möglicherweise kritischer Rohstoffe ­anzugehen.
gration von Rohstoffstrategien in der FuE sind bereits zunehmend
Kobalt wurde z. B. in die Liste der kritischen Materialien aufge-
in Forschung und Industrie zu beobachten und stellen oftmals
nommen, da die überwiegende Produktion in Krisenge­bieten wie
bereits einen weiteren „Schlüssel- bzw. Leistungsparameter“ dar.
z. B. dem Kongo stattfindet (großer Lieferant mit ca. 50 Prozent
Dies zeigt aber auch, dass die zunehmend komplexen Abhän-
der aktuellen Weltproduktion), und daher ggf. nicht von einer
gigkeiten von Rohstoffproduktion und -verfügbarkeit, Möglich-
langfristigen und sicheren Versorgung ausgegangen werden
keiten der Rohstoff- oder Technologiesubstitution, Technologie-
kann. Zusätzlich ist Kobalt als Rohstoff (gemessen an a­ nderen
und Marktnachfrage bis zum Recycling künftig deutlich besser
Rohstoffen) selten. Auch tritt Kobalt als K
­ uppelprodukt mit Nickel
bewertet und verstanden werden müssen, um nachhaltige Stra-
und Kupfer auf (d.h., dass egal welche Technologie sich durch-
tegien abzuleiten und zu entwickeln. Dies soll am Beispiel Kobalt
setzt, bei der Erhöhung der Produktion des einen R
­ ohstoffes auch
weiter verdeutlicht werden.
31
TECHNOLOGIEBEZOGENE
RAHMENBEDINGUNGEN
ZEIT
Rohstoffbedarf
(Rohstoffkritikalität)
Materialeffizienz
(Recyclingfähigkeit)
Energiebedarf (LCA)
(CO2-Footprint)
Technologische Synergien
2015
KURZFRISTIG
Kobalt hat signifikanten Anteil
an Batteriekosten
Kobaltbedarf sinkt,
Nickelbedarf steigt
Pilotanlagen für
LIB-Recycling:
Batterie-Recycling von
Co, Ni, Cu Al
Co und Ni
Hoher Energiebedarf und schlechte
Umweltbilanz bei Produktion von
Kobalt und Graphit
Batteriedesign für
Recycling auf
Systemebene
Mechanische Inkompatibilität
von RFB zu Standard-Zellen
Technologieplattform für LIB
Kobalt hat heute noch einen signifikanten Anteil an den Batte­
Kostengünstige LIBProduktion durch
geringe Materialreinheit?
Konsumelektronik). Die Nachfrage aus dem gerade a­ nsteigenden
riekosten (bei den oben genannten Preisen und typischen BEV
xEV-Markt lag geschätzt bzw. umgerechnet bei rund 2500 Ton-
mit 25 kWh rund 400 USD$/Fahrzeugbatterie und damit 5 bis
nen und damit gerade 3 Prozent der globalen Nachfrage. Dies
10 Prozent an den System- bzw. Zellkosten). Zudem könnten
bedeutet, dass innerhalb der kommenden 10 Jahre der Kobalt-
sich langfristig durch einen höheren Rohstoffbedarf von Kobalt
bedarf alleine für Elektrofahrzeuge auf das Niveau der heutigen
die Kosten für diesen Rohstoff noch erhöhen, daher werden
Weltproduktion anwachsen würde.
auch weiterhin Substitute gesucht: Durch den technischen
Wandel und die Kathodenentwicklung hin zu Co-reduzierten
Durch Co-reduzierte Batterien kann diese Nachfrage nun bis
HE-NMC-Materialien (NMC:111 bis hin zu NMC:811) wird der
2020 bzw. 2025 auf wenige Tausend bis 20 000 Tonnen gesenkt
Kobaltbedarf in den kommenden Batteriegenerationen deut-
werden. Jedoch werden die ab 2020 angekündigten Elektro-
lich s­ inken, der Nickelbedarf hingegen weiter steigen. Hierbei
fahrzeuge mit zunehmend längeren Reichweiten und höherer
hilft also der technische Wandel durch Co-reduzierte Batterien
Batteriekapazität diesem Effekt ein Stück weit entgegenstehen.
den Rohstoff­einsatz deutlich zu reduzieren. Reine Schichtoxide
Andererseits bleibt zu beobachten, wie stark und schnell genau
(Lithium-Nickel-Mangan-Oxide) sind ganz ohne die Verwendung
Co-reduzierte Batterien in den Markt kommen und in Elektro-
von Kobalt beispielsweise nicht in Sicht. Andererseits ist auch
fahrzeugen diffundieren.
nicht auszuschließen, dass längerfristig Materialien wie LithiumKobalt-Phosphate interessant werden, da sie durch die Verwen-
Aus der Perspektive der Rohstoffproduktion wird es für Batte-
dung von Kobalt mit deutlich höheren Zellspannungen arbeiten
riehersteller daher notwendig sein, entsprechende Rohstoffe
können. Dies könnte wiederum zu einem steigenden Kobalt­
in ­solchen Mengen kurz- bis mittelfristig verfügbar zu haben
einsatz führen. FuE kann somit aber zu Materialinnovationen
(neben Kobalt wären z. B. auch Naturgraphit und Lithium zu
führen, welche deutliche Auswirkungen auf den Rohstoffbe-
­beobachten; die Nachfrage nach Nickel wird z. B. weiterhin aus
darf der Zukunft haben.
anderen Anwendungen dominiert).
In 2014 lag die Jahres(minen)produktion von Kobalt bei 112 000 Langfristig stellen sich jedoch für eine Bewertung und Rohstoff­
Tonnen31 (mit 56 000 Tonnen = 50 Prozent aus dem Kongo). Die
strategien ganz andere bzw. vielfältigere Fragen:
Kobalt-Raffinade-Produktion lag dabei bei rund 92 000 Tonnen32
weltweit. Würden die Zellchemien mit reinem Kobalt (NMC:111)
• Wie entwickeln sich die Verwendungen einzelner Rohstoffe
weiterhin Anwendung finden, so würde dies eine jährliche Nach-
innerhalb der LIB-Technologien (technischer Wandel wie bzgl.
frage von einer Millionen Elektrofahrzeugen (BEV/PHEV) über
NMC diskutiert)? Ist eine Reduktion, Substitution oder ein
10 000 Tonnen (dies ist für ca. 2020 wahrscheinlich) und ab
Technologiewechsel (auch auf Post-LIB) überhaupt möglich?
8 Millionen Elektroautos rund 100 000 Tonnen (dies wird ab
• Wie verändert sich die Nutzung der LIB in den Anwendun-
2025 bis 2030 wahrscheinlich) Kobaltnachfrage mit sich bringen.
gen (z. B. Trend zu größeren Batteriekapazitäten)?
• Wie entwickelt sich die Marktnachfrage, d. h. in Elektroautos
Die Nachfrage nach Kobalt lag in 2014 bei 81 000 Tonnen, wovon
aber auch anderen Fahrzeugen, stationären Anwendungen
rund 41 Prozent (33 000 Tonnen) durch Batterien n
­ achgefragt
sowie die Diffusion der LIB innerhalb dieser Anwendungen
wurden (LIB-Zellproduktion, insbesondere Gerätezellen für die
und damit Rohstoffnachfrage nach diesen Technologien?
32
MITTELFRISTIG
2020
LANGFRISTIG
>2030
2030
Li, Co, Ni,
Produktion und
Nachfrage
Batteriedesign für
Recycling auf
Zellebene
Seltene Erden
H2-Infrastruktur
Edelmetalle
Bewertung & Strategien Co, Li etc.
kritisch für
kritisch für
für BZ kritisch
(post-NMC, post-LIB?)
Elektromotoren
Brennstoffzellen
Günstiges „post production“
Infrastruktur für Recycling
Recycling
Konsumer-Material und günstige
und mehrere große
weiterer
Recycling und Trennverfahren
Recycling-Anlagen in der EU
Metalle
Optimistisches Szenario:
Pessimistisches Szenario:
Verbesserung der Umweltbilanz durch
Schlechte Umweltbilanz durch Verknappung von
diverse positive Einflussfaktoren
Kobalt und hohen Energieaufwand beim Recycling
Technologiespezifische Rahmenbedingungen
• Wann greift ein Recycling, ist eine Kreislaufführung wirt-
Andererseits werden keine Fahrzeuge gekauft bzw. produ-
schaftlich? Wie stehen Second use-Anwendungen einer Rück­
ziert wegen der zu gering ausgebauten Infrastruktur (Wasser-
führung entgegen?
stoff, Tankstellen). Der Aufbau einer H2-Infrastruktur ist damit
• Reichen die Rohstoffreserven und -ressourcen, welche für LIB
ein ­kritischer und limitierender Faktor. Auch Edelmetalle für
in elektromobilen und stationären Anwendungen genutzt
Brennstoffzellen sind dabei als kritische Rohstoffe zu betrachten.
werden für eine globale Elektrifizierung und die in dieser
Roadmap skizzierte mögliche Nachfrage?
Materialeffi z ien z
Auf all diesen Ebenen können sich dabei enorme Änderungen
( R e c y c lin g f ä hi g k eit )
(teilweise viele 100 Prozent) in einer Nachfrage ergeben. Auf
Basis der in dieser Roadmap eingeschätzten Marktentwicklung
Das Recycling von Batterien ist bereits aktuell durch die Batterie­
für LIB, der in den Produkt- und Gesamt-Roadmaps zu Energie-
direktive vorgeschrieben (es müssen ca. 50 Massenprozent
speichern für die Elektromobilität analysierten Entwicklungen
recycelt werden). Daher existieren heute schon Pilotanlagen
von Fahrzeugkonzepten und der darin verwendeten Batterien
für Batterie-Recycling von Kobalt und Nickel, allerdings ist
sowie weiteren Studien der letzten Jahre können diese Fragen
das Recycling ein sehr energieintensiver Prozess. Mit heutigen
zumindest in Szenarien adressiert und entsprechende Effekte
Verfahren können bei Aktivmaterialien daher nur Nickel und
abgeschätzt werden.
Kobalt wirtschaftlich zurückgewonnen werden, Lithium verbleibt
Langfristszenarien des Rohstoffbedarfs für Lithium und Kobalt
tig wirtschaftlich recycelbares Aktivmaterial wird auch Mangan
werden daher ab Seite 36 vertiefend betrachtet.
­gesehen. Obwohl durch die weltweite Düngemittelproduktion
­hingegen (heute noch) in der Schlacke. Als weiteres zukünf-
auch ­Phosphat langfristig knapp zu werden droht, ist aktuell kein
Neben den Batterien müssen aber auch andere Komponenten
wirtschaftliches Recycling von Eisenphosphat abzusehen, da die
der Elektromobilität für deren Entwicklung berücksichtigt wer-
Rohstoffe zu günstig sind. Entscheidend für die Wirtschaftlich-
den. 2011 hat China den Export von Seltenen Erden um 20 bis
keit des Recyclings von Kobalt, Nickel und Mangan ist, dass die
30 Prozent reduziert und damit weltweit für Knappheit gesorgt.
Materialien weiterhin mit relativ hohen Anteilen in den Zellche-
Seltene Erden wurden für Elektromotoren als kritisch beur-
mien verbaut werden. Durch eine Substitution dieser M
­ aterialien
teilt. Dementsprechend gab es hohe Entwicklungstätigkeiten,
und eine entsprechende Bedarfsreduktion kann das Recycling im
um ­Seltene Erden in Elektromotoren zu substituieren. Neodym,
Umkehrschluss sogar wieder unwirtschaftlich werden.
Dysprosium und Terbium sind die wichtigsten Seltenen Erden.
Neodym wird aktuell in neuen Förderstätten gefördert. Dyspro-
Ein Wiederverwenden der Aktivmaterialien durch Waschen
sium und Terbium, die schweren Seltenen Erden, können welt-
­scheitert aktuell an der nicht gegebenen Wirtschaftlichkeit,
weit nur in China sinnvoll gefördert werden (Dysprosium wird
es lassen sich jedoch prinzipiell bestimmte Kathodenmateria-
z. B. für die Temperaturbeständigkeit benötigt).
lien sowie sphärische Graphite zurückgewinnen und stofflich
Die Wasserstoffinfrastruktur hingegen ist ein entscheiden-
notwendigen Reinheit nicht wiederzuerlangen.
­wiederverwerten. Lithium-Eisenphosphat (LFP) ist jedoch in der
der Punkt für die Verbreitung von Brennstoffzellenfahrzeugen.
33
Für das Recycling gilt zu beachten: Während billige Materialien
Zellebene. Ein integratives Vorgehen des Batteriedesigns für
für eine wirtschaftliche Produktion benötigt werden, lohnt es
Recycling auf Zellebene könnte mittelfristig angegangen
sich jedoch nicht, günstige Materialien für Batterien zu recyceln.
­werden.
Politische Rahmenbedingungen können jedoch die Wirtschaftlichkeit von Recycling erhöhen. Wegen der geringen Reserven
Nach den Automobilrichtlinien muss die Batterie zu einem be-
der für ein LIB-Recycling relevanten Materialien in Europa wird
stimmten Prozentsatz stofflich wiederverwertet werden. Es ist
es daher (gerade künftig) sinnvoll sein, die einmal aus den Her-
daher nur eine Frage der Zeit, bis auch das Recycling weiterer
kunftsländern bezogenen Rohstoffe durch Recycling in Deutsch-
Metalle wie Aluminium, Lithium, Mangan oder Kupfer erfolgt.
land bzw. der EU zu behalten, da sonst eine Abhängigkeit von
Dies geschieht zwar teilweise schon auf Systemebene, aller-
Rohstoffimporten besteht. In Deutschland und in der EU sind
dings noch nicht auf Zellebene. Ansonsten bietet sich nur noch
besonders Kobalt, Nickel, Kupfer und Aluminium wirtschaftlich
eine thermische Verwertung an. Das Recycling dieser Stoffe wird
zurückzugewinnen. Aluminium wird z. B. für Batterien mit metal-
mittel­fristig bis 2020 erwartet.
lischem Gehäuse verwendet.
Um 2020 werden auch günstigere Recycling- und Trenn­
Bereits heute wird das Batteriedesign für Recycling auf
verfahren erwartet. Da häufig nicht die Rohstoffe, sondern
­Systemebene in der Produktion mitgedacht und entsprechend
die ­Prozesse teuer sind, macht es Sinn, die Elektroden bzw. das
angepasst. Dies ist nicht nur eine Frage des Recyclings, sondern
Aktivmaterial zu waschen und auf der letzten Stufe wiederzu-
auch eine Frage der Wartungsfreundlichkeit, schließlich muss
verwenden, anstatt die Ausgangsrohstoffe zu recyceln.
ein Austausch von Modulen möglich sein.
In den heutigen Pilotanlagen werden kleine LIB pyrolytisch oder
Anstelle der momentan sehr reinen Materialien, welche für LIB
metallothermisch zerstört und recycelt, beispielsweise in einer
verwendet werden, könnte mittelfristig über eine kostengüns­
Anlage von Umicore. Anders geht das Unternehmen Accurec
tige LIB-Produktion durch geringere Materialreinheit und somit
Recycling GmbH vor, hier werden in einer kleinen Anlage die
auch weniger energieintensive Produktion nachgedacht werden.
Batterien vor dem Recycling zunächst auseinander gebaut und
Dies ist ein wichtiger Punkt bei Lithium-Eisenphosphat. Eisen
das Lithium wird aus dem Staub der Rauchgasanlage zurückge-
gilt als günstiger Rohstoff, muss jedoch für die Verwendung in
wonnen. Zukünftig werden wegen der größeren Batteriesysteme
LFP-Batterien unter hohem Energieaufwand gereinigt werden,
und der großen Menge an LIB entsprechend größere Anlagen
bis es den Anforderungen an den Reinheitsgrad für Batterien
benötigt. Die Entwicklung der Anlagen ist direkt abhängig von
genügt. Dieser Prozess ist sehr teuer. Es muss allerdings beach-
dem Zeitpunkt, wo die ersten größeren Batteriesysteme recy-
tet werden, dass eine Steigerung der Energiedichte, einer Sub-
celt werden müssen. Daher werden Infrastrukturen für Recy­cling
stitution mit weniger reinen Materialien entgegensteht. Auch
und mehrere große Recyclinganlagen in der EU jenseits 2020
ist die Reinheit des Materials entscheidend für die Qualität und
gebraucht werden. Problematisch ist heute unter anderem der
eine geringere Reinheit wirkt sich stark negativ auf die Lebens-
Transport, da sich die Sicherheitsvorschriften dafür auf einem
dauer aus. Daher wird dem Thema zwar bereits mittelfristig eine
sehr hohen Niveau befinden. Außerdem wird grundsätzlich ein
hohe Bedeutung beigemessen, jedoch gehen aktuelle Entwick-
umfassendes Rücknahmesystem benötigt. Wegen der Gefahrgut­
lungen in der Materialeffizienz eher in die Richtung einer Pro-
transporte und Logistik dürften daher mehrere größere Anlagen
duktionsprozessoptimierung.
in der EU jenseits 2020 aufzubauen sein.
Beispielsweise kann von einer wesentlichen Verbesserung der
Effizienz ausgegangen werden, wenn vom Labormaßstab zur
E ner g iebe d arf
großtechnischen Produktion übergegangen wird. Bei den Pro-
( L C A , C O 2 - F ootprint )
zessen von LIB-Zellen des Typs 18650 wird ein Ausschuss von
ca. 1 bis 2 Prozent in der Massenproduktion erzielt. Der Aus-
Energiebedarf (LCA, CO2-Footprint) deutet darauf hin, dass
schuss bei großen Zellen liegt heute noch bei ca. 10 bis 20 Pro-
anstelle einer Konzentration auf den CO2-Footprint bei der Pro-
zent, mittelfristig wäre das Ziel 3 bis 5 Prozent, langfristig sogar
duktion auch eine komplette LCA (eine Analyse von der Produk-
1 Prozent für die großformatigen Zellen zu erreichen.
tion über die Nutzungsphase bis hin zum Recycling der B
­ atterie)
notwendig ist, um verschiedene Technologien zu vergleichen.
Auf der Zellebene wird das Recycling momentan noch nicht
Der Grund dafür ist, dass es Technologien gibt, welche bei der
mitgedacht, da der Fokus der Hersteller hier auf der Reich-
Produktion viel CO2 benötigen, aber dafür in der Nutzungs-
weite, Sicherheit, sowie der Energie- und Leistungsdichte liegt.
phase CO2 einsparen. Zudem sollten Nachhaltigkeitskriterien
Allerdings existieren Design-Förderprojekte für Recycling auf­ wie der Wasserverbrauch, der Landverbrauch, die Versauerung
34
und Toxizität sowie die Entsorgung in Vergleich mit einbezogen
­Energien verlagert, die Prozesseffizienz höher ist, sowie techno-
werden. Auch die Betriebssicherheit bestimmter Technologien
logisch eine höhere Energiedichte bei den Batterien erreicht wird.
sollte Beachtung finden.
Dadurch kann im Zusammenwirken dieser positiven Einflüsse
ein besseres Umweltprofil pro kWh Batterien erreicht werden.
Hinsichtlich des Energieeinsatzes werden bei der Herstellung von
NiMH für eine Wattstunde (Wh) etwa 500–600 Wh an Primär-
In einem pessimistischen Szenario resultiert eine schlechte
energie benötigt. Der Energiebedarf von (großformatigen) LIB
Umweltbilanz durch Verknappung von Kobalt und einen hohen
wird als ähnlich oder höher eingeschätzt.
Energieaufwand beim Recycling. Die Verknappung von Kobalt
Dabei ist die Produktion von Aktivmaterialien sehr energie­intensiv.
stitution von Kobalt in den Zellchemien haben. Auf diese Weise
Es ist von einem hohen Energiebedarf und einer schlechte
verschlechtert sich das Umweltprofil in der Materialherstellung.
kann ihre Ursache beispielsweise in einer unzureichenden Sub-
Umweltbilanz bei der Produktion von Kobalt und Gra­
phit auszugehen. Das Umweltprofil der Produktion wird von
sich über­lagernden Effekten beeinflusst. Eine Strategie mit dem
T e c hnolo g is c he S y ner g ien
Ziel, günstige Zell-Technologien zu entwickeln, indem Materialien mit geringerer Reinheit verwendet werden, hat deutlich
Ein zentraler Punkt in der Entwicklung von Technologien ist
negative Auswirkungen auf die Lebensdauer und die Zyklen-
die Anschlussfähigkeit einer neuen Technologie an die bereits
zahl und führt daher zu einer Beeinträchtigung des Umweltpro-
be­stehende Zellfertigung. Etablierte Produktionslinien für Zellen
fils. Diese Entwicklung ist daher weniger wahrscheinlich. Das
mit Standardmaterialien werden bei Inkompatibilität zu neuen
größte Potential dürfte daher in der Reduktion des Kobaltanteils
Materialien wegen zu hoher neuer Investitionen eher nicht
in den ­Zellchemien liegen, wenn es dadurch nicht zu signifikan-
umgerüstet. Bei einer leicht abweichenden Rezeptur besteht
ten Leistungseinbußen kommt. Für eine Evaluation ist jedoch
die Möglichkeit einer Umrüstung, sollten aber beispielsweise
eine präzisere Datenlage bei den Herstellprozessen nötig. Im
für Lithium-Schwefel-Batterien (Li-S) gänzlich andere Beschich-
Vergleich zu Nickel stellt Kobalt das energieintensivere Material
tungsverfahren, Schneidverfahren oder Umgebungsbedingungen
dar, obwohl sie beide als Kuppelprodukte auftreten. Entschei-
benötigt werden, wird die Entscheidung immer auf die Drop-in-
dend hierfür ist der Energiemix in den Förderländern. In Afrika
Technologie fallen, da hier weniger Investitionen a­ ufgewendet
z. B. hat Braunkohle einen großen Anteil am Strommix, zudem
werden müssen (vorausgesetzt, die Technologien haben in etwa
existiert keine Abgasverordnung und somit gibt es keine Abgas-
das gleiche Verhalten). Es wird daher auch langfristig stets darum
nachbehandlung. Dies führt zu hohen Emissionen. Da je nach
gehen, Plattformtechnologien zu identifizieren, welche über
Miene Kobalt seltener vorkommt als Nickel, ist der Energiebe-
eine gute Anschlussfähigkeit verfügen.
darf bei der Förderung höher und Kobalt wird dementsprechend
­teurer ­gehandelt. Dieser Effekt wird bei Kuppelprodukten berück-
Die Entwicklung von LIB wird durch eine Anschlussfähigkeit in der
sichtigt. In ­anderen Förderländern, wie z. B. in Kanada, kann die
Produktion gestützt, da bereits existierende Produktions­linien bei-
Kobaltproduktion andere Umwelteinflüsse haben.
behalten werden können. LIB mit ähnlichen ­Zellchemien ­stellen
Auch für die Aufbereitung von häufig vorkommenden Mate-
dem Synergiepotential innerhalb der LIB-Entwicklung dar. Für Li-S
zudem eine Art Technologieplattform für LIB mit entsprechen­
rialien wie Graphit fällt ein hoher Primärenergiebedarf an. Bei
ist eine Anschlussfähigkeit z. B. noch unklar bzw. zweifelhaft. Für
­Graphit müssen 3000 Grad Celsius über mehrere Stunden für
Redox-Flow-Batterien (RFB) in stationären Anwendungen wird
eine entsprechende Reinheit erzeugt werden. Dies führt sowohl
in den kommenden Jahren noch mit Entwicklungshemmnissen
zu einer schlechten CO2-Bilanz als auch zu weiteren Emissionen,
gerechnet, verursacht durch die mechanische ­Inkompatibilität
und je nach Produktionsland auch zu Versauerung (abhängig
von RFB zu Standard-Zellen und entsprechend problematischer
vom Strommix). Insgesamt kommt es stark darauf an, in w
­ elchem
Anschlussfähigkeit.
Land die Werkstoffe hergestellt werden, da der länder­abhängige
Energiemix einen wesentlichen Einfluss auf die ­Umweltbilanzen
hat.
In einem optimistischen Szenario wird die Verbesserung der
Umweltbilanz durch diverse positive Einflussfaktoren skizziert.
Dieses Szenario basiert auf den Annahmen, dass im Jahr 2020
ein besseres Recycling möglich ist, der Strommix sich wegen
politischer Rahmenbedingungen in die Richtung erneuerbarer
35
Rohstoffbedarf und -verfügbarkeit
Aufgrund des sich abzeichnenden künftig hohen Bedarfs der
2,3 bis 2,4 Prozent). Sie gehen jedoch nicht direkt in die Berech-
genannten Rohstoffe in LIB gibt es seit den letzten Jahren bereits
nungen ein sondern führen an dieser Stelle lediglich zur Aussage,
zahlreiche FuE-Aktivitäten. Es stellen sich konkrete Fragen, z. B.:
dass eine 100 Prozent Diffusion der Elektrofahrzeuge bis 2040
(in einem EV-Szenario der frühen Diffusion und rund 25 Prozent
• Wie wird der künftige Rohstoff-Verbrauch verteilt sein?
jährlichem Wachstum der BEV/PHEV-Neuzulassungen) oder 2050
• Kann man den stark steigenden Bedarf nach Lithium, Kobalt,
(in einem EV Szenario der späten Diffusion und rund 18 Prozent
Nickel, Graphit etc. mit den vorhandenen Ressourcen decken?
jährlichem Wachstum der BEV/PHEV-Neuzulassungen) erreicht
• Welche Rolle können hierbei der technische Wandel und ein
Recycling einnehmen?
ist. Natürlich lassen sich mit anderen Wachstumsraten für Fahrzeugneuzulassungen auch andere Szenarien einer weniger stark
oder stärker durch individuelle Fahrzeuge geprägten Mobilität
Bei der Bewertung und Einschätzung der Rohstoff-­Vorkommen
annehmen (z. B. führt ein Wachstum von 4,5 Prozent bereits zu
und der Nachfrage bzw. des Bedarfs (z. B. zu Lithium oder
doppelt so vielen und von 5,5 Prozent zu dreimal so vielen Neu-
Kobalt)33 gibt es unterschiedliche Herangehensweisen bzw. sind
zulassungen bis 2050). Bei einer zukünftigen 100-prozentigen
diese oft zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit unterschied-
Diffusion der Elektromobilität wäre daher die langfristige, globale
lichen Annahmen getroffen worden, z. B. bzgl. des Diffusions-
Nachfrage entsprechend an die Höhe der Neuzulassungen bzw.
grads der Elektromobilität, der Größe der Fahrzeugbatterien, der
später des globalen Fahrzeugbestands gekoppelt. Ebenso lassen
Annahmen über die verwendeten Zellchemien und der Menge der
sich für andere Diffusionsraten für Elektrofahrzeuge die Ergeb-
darin verwendeten Rohstoffe, etc. Dies führt in der Literatur ggf.
nisse zeitlich verschieben (vgl. frühe oder späte Diffusion). Der
auch zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen über die Reich-
hier berechnete Korridor erscheint jedoch als realistisch (unter
weite der weltweiten Rohstoff-Vorkommen. Die aus der Literatur
den extremeren Szenarien). Rahmensetzende Maßnahmen kön-
zu entnehmenden Ansichten und Berechnungen lassen sich unter
nen hier in der Regel eine Diffusion beeinflussen.
der Einstellung der jeweiligen Annahmen in Modellen jedoch
reproduzieren. Für die folgenden Berechnungen steht vielmehr
Weiterhin wird von einem reichweiteoptimierten Szenario aus-
eine Analyse der Einflussfaktoren auf die Rohstoffnachfrage und
gegangen, in welchem die Batteriegröße ausgehend von heute
-verfügbarkeit im Vordergrund.
durchschnittlich 25 kWh (vgl. Produkt-Roadmap ­Energiespeicher
für die Elektromobilität 2030) sukzessive auf 60 kWh bis 2050
Auf Basis eigener Berechnungen werden nun folgende Szenarien und Annahmen zu Grunde gelegt:
(globaler Durschnitt) erhöht wird (HEV sind auch mit 1 kWh
berücksichtigt, nehmen aber auf die Ergebnisse bis 2050 ­keinen
nennenswerten Einfluss). Dies führt bis 2050 zu einer LIB Zell-
Zunächst werden die langfristigen und insbesondere e­ xtremeren
nachfrage jenseits der 10 TWh pro Jahr. Auch hier kann das
der als realistisch erachteten Szenarien für die (wie gezeigt lang-
Ergebnis zur Rohstoffnachfrage mit der Größe der e­ ingesetzten
fristig dominierende) Elektromobilität betrachtet. Hierzu werden
Batterien variieren.
die zuvor erarbeiteten, durch vielfältige Marktprognosen (u. a.
auch aus der „Produkt-Roadmap Energiespeicher für die Elek-
Mit Bezug auf die eingesetzte Zellchemie ergeben sich weitere
tromobilität 2030“) abgeleiteten, Langfristszenarien bis 2050
Variablen. Auf Basis des in der „Produkt-Roadmap Energiespei-
herangezogen. Genauer wird angenommen, dass sich globale
cher für die Elektromobilität 2030“ ermittelten Einsatzes von bis-
Fahrzeugneuzulassungen (PKW und Nutzfahrzeuge) wie in den
lang rund 70 Prozent NCa- und NMC-basierten LIB gegenüber
vergangenen 35 Jahren auch bis 2050 weiterentwickeln w
­ erden
30 Prozent LFP-basierten LIB (ca. 25 GWh LIB-Zellen, welche in
(diese dürften von rund 90 Millionen in 2015 bis auf 200 Mil-
den rund 1 Million BEV/PHEV bis 2015 verbaut wurden) kann
lionen in 2050 ansteigen bei einem jährlichen Wachstum von
z. B. die Annahme getroffen werden, dass Nickel und Kobalt
36
evtl. auch zukünftig in 70 Prozent der nachgefragten Fahrzeug-
jährliche Neuverkäufe von NMC:111 hin zu NMC:811 angenom-
batterien verbaut werden. Auch hier könnte sich das Ergebnis
men, wobei neben dem sich ändernden Co-Anteil zugleich auch
bei einem höheren Anteil entsprechend für diese Rohstoffe ver-
die sich ändernde Energiedichte über eine angepasste spezifische
ändern.
Kapazität der Kathode berücksichtigt wird. Der Materialeinsatz
Schließlich ändern sich auch durch den technischen Fortschritt
teil steigt jedoch während sich die Mangan- und Kobalt-Anteile
Energiedichten (Wh/kg) der Batterien und damit der Material­
um den Faktor 4,4 reduzieren.
für NMC-Kathoden reduziert sich damit insgesamt, der Nickelan-
einsatz in einer Batterie. Ebenso ändern sich Zellchemien (insbesondere Co-reduzierte, Ni-reiche HE-NMC von NMC:111 zu
NMC:532, 622 bis 811), mit einem Effekt auf die Rohstoffnach-
E nt w i c k lun g d es L ithiu m be d arfs
frage.
Die Ergebnisse für den kumulierten Lithiumbedarf zeigen nun
Der Effekt dieses technischen Wandels soll im Folgenden anhand
im (reichweitenoptimierten) EV-Szenario mit später Diffusion
der Rohstoffnachfrage nach Lithium und Kobalt vertiefend ana-
(bis 2050) eine Lithium-Nachfrage bis über 10 Millionen Tonnen
lysiert werden. Hierzu werden für das reichweitenoptimierte EV-
und im EV-Szenario mit früher Diffusion (bis 2040) eine Lithium-
Szenario mit früher sowie später Diffusion (siehe Erklärung oben
Nachfrage bis etwa 23 Millionen Tonnen. Dabei dominiert die
sowie die Szenarien in den Abbildungen auf Seite 26) der Roh-
Lithium-Nachfrage für Fahrzeugbatterien zu rund 90 Prozent die
stoffbedarf für Lithium ca. 177 g/kWh, für Kobalt ca. 467 g/kWh
Nachfrage aus allen anderen Anwendungen.
in NMC:111 basierten LIB sowie Lithium ca. 119 g/kWh in LFPBatterien angenommen34. Mit der vereinfachten Annahme einer
Weiterhin zeigt sich, dass mit einer globalen Diffusion (im frühen
Zellnachfrage von NMC:LFP mit 70:30 lässt sich die Rohstoff-
Diffusionsszenario) dazu führt, dass der Bedarf an Primär-Lithium
nachfrage bis 2050 berechnen und kumulieren.
nicht weiter exponentiell steigt. In einem Extremfall einer glo-
Weiterhin wird jeweils die Nachfrage nach Lithium und Kobalt
Kreislaufführung eines Rohstoffs helfen den Bedarf des Primär-
jenseits der Fahrzeugbatterienachfrage bestimmt und ebenfalls
rohstoffs wesentlich zu reduzieren. Der Vorteil, dass anders als
bis 2050 kumuliert und addiert, so dass sich eine Gesamtnach-
im Fall des Rohöls die Rohstoffe für Batterien nicht verbraucht
frage nach Lithium und Kobalt bis 2050 aus allen A
­ nwendungen
werden, wird hieran deutlich.
balen Diffusion könnte somit eine hohe Recyclingrate bei einer
ergibt.35
Mit Blick auf die aus heutiger Sicht globalen Lithium Reserven
Das Recycling der Rohstoffe wird für Lithium mit zunächst
von 13,5 Millionen Tonnen und Ressourcen von 39,5 Millionen
57 Prozent angenommen und in den kommenden 10 Jahren
Tonnen39 ergibt sich, dass selbst im extremen Szenario der glo-
auf 94 Prozent (für NMC-basierte LIB) bzw. 81 Prozent (für LFP-
balen und frühen Diffusion die vorhandenen geologischen Res-
basierte LIB) erhöht. Für Kobalt wird von 94 Prozent heute und
sourcen an Lithium nicht erschöpft werden. Die Verfügbarkeit
bis zu 100 Prozent in den kommenden zehn Jahren ausgegan-
von Lithium wird zumindest aus Sicht der Ressourcen die Ent-
gen.
Für das Recycling von Lithium und Kobalt in anderen
wicklung der Elektromobilität ebenso wie die Nachfrage nach
Anwendungen wird <1 Prozent für Lithium und 32 Prozent für
LIB in weiteren Anwendungen und nach Lithium in weiteren Pro-
Kobalt angenommen.
dukten nicht behindern.
Es wird hier eine durchschnittliche Lebensdauer von maximal
Unter Einbezug des technischen Fortschritts oder Wandels redu-
10 Jahren für die Fahrzeugbatterien angenommen (dies könnte
ziert sich vielmehr in den beiden Szenarien der frühen und s­ päten
36
37
sich künftig z. B. auf 15 Jahre erhöhen und die Ergebnisse für ein
Diffusion zusätzlich der Bedarf nach Lithium auf rund 7 Millionen
Recycling verzögern). Ab dem dritten Jahr können jedoch schritt-
Tonnen (späte Diffusion) bzw. 15 Millionen. Tonnen (frühe Diffu-
weise (10 Prozent-Schritte bis zum achten Jahr, dann jeweils
sion). Das Recycling kann hier z. B. helfen sogar in der Nachfrage
20 Prozent) Fahrzeugbatterien dem Recycling zugeführt werden.
nach Primär-Lithium unterhalb der globalen Reserven zu bleiben.
Für die Berücksichtigung des technischen Wandels werden in
Die Ergebnisse sollen verdeutlichen, dass intensive FuE ein ganz
Variationsrechnungen nun auch die sich ändernden Rohstoff-
wesentlicher Faktor zur Reduktion eines Rohstoffbedarfs sein
bedarfe in g/kWh berücksichtigt. Für Lithium reduziert sich der
kann bzw. diesen weiter in die Zukunft verlagern kann. Der tech-
Bedarf durch eine in den kommenden 10 Jahren angenommene
nische Fortschritt kann somit noch vor dem Bedarf des Recycling
Verdopplung der Energiesichte entsprechend auf die Hälfte. Für
oder weiteren Rohstoffabbaus enorme Bedeutung haben und
Kobalt wird für diesen Zeitrahmen ein sukzessiver Wechsel über
ggf. sogar kritische Rohstoffe oder Technologien s­ ubstituieren
37
helfen. Im Fall der LIB ist dies ein ganz klarer Beleg für die Not-
eine Kobalt-Nachfrage bis nahezu 30 Millionen Tonnen und im
wendigkeit intensiver FuE-Förderung. Darauf folgend kann aber
EV-Szenario mit früher Diffusion (bis 2040) eine Kobalt-Nach-
auch des Recycling einen weiteren Stellhebel darstellen und
frage bis über 50 Millionen Tonnen. Dabei dominiert auch hier die
ist ebenso wichtig rechtzeitig voranzutreiben. Erst als ­letztes
Kobalt-Nachfrage für Fahrzeugbatterien im extremen ­Szenario
­Mittel wäre nach dem Zugang zu weiteren Reserven oder gar
die Nachfrage aus allen anderen Anwendungen. Auch hier zeigt
­Ressourcen zu fragen.
sich wieder, dass der Bedarf an Primär-Kobalt im frühen Diffu-
Technischer Wandel durch FuE, Produktion, Recycling, etc. müs-
es selbst bei hohen Recyclingquoten nicht, die Nachfrage nach
sionsszenario nicht weiter exponentiell steigt. Jedoch gelingt
sen daher in ihrer gegenseitigen technischen, wirtschaftlichen
Kobalt unter den heute bekannten Reserven von 7,2 Millionen
und zeitlichen Abhängigkeit betrachtet und in einer (über eine
Tonnen bzw. Ressourcen (an Landes) von 25 Millionen Tonnen
Rohstoffstrategie hinausgehenden) Strategie unterstützt und
zu halten.
gefördert werden.
Unter Einbezug des technischen Fortschritts reduziert sich aber
auch für Kobalt in den beiden Szenarien der frühen und späE nt w i c k lun g d es Kobaltbe d arfs
ten Diffusion wieder der Bedarf auf unter 15 Millionen Tonnen
(späte Diffusion) bzw. 20 Millionen Tonnen (frühe Diffusion). Das
Dies zeigt sich noch deutlicher im Fall des Kobaltbedarfs. Die
Recycling kann hier weiterhin helfen die Nachfrage nach Primär-
Ergebnisse für den kumulierten Kobaltbedarf zeigen im (reich­
Kobalt auf 10 bzw. 15 Millionen Tonnen und zumindest unter-
weitenoptimierten) EV-Szenario mit später Diffusion (bis 2050)
halb der globalen Ressourcen zu bleiben.
Entwicklung des Lithiumbedarfs ohne technischem Wandel (vgl. Szenarien Seite 26)
EV Szenario (frühe Diffusion, Reichweitenoptimiert)
EV Szenario (späte Diffusion, Reichweitenoptimiert)
Mio Tonnen Li
40
Mio Tonnen Li
40
35
35
30
30
25
25
20
20
Ressourcen
Ressourcen
15
10
15
Reserven
10
5
Reserven
5
0
2010
2020
2030
2040
2050
0
2010
2020
2030
2040
2050
Entwicklung des Lithiumbedarfs mit technischem Wandel (veränderte, optimierte Zellchemien)
EV Szenario (frühe Diffusion, Reichweitenoptimiert)
EV Szenario (späte Diffusion, Reichweitenoptimiert)
Mio Tonnen Li
40
Mio Tonnen Li
40
35
35
30
30
25
25
20
20
Ressourcen
Ressourcen
15
15
Reserven
Reserven
10
10
5
5
0
2010
2020
2030
2040
Nachfrage xEV (kumuliert) 38
2050
0
2010
Nachfrage andere (kumuliert) 2020
2030
Lithium Primär (kumuliert)
2040
2050
Somit wäre auf Basis selbst dieser extremen Szenarien durch tech-
Daher wird es weiterhin und langfristig wichtig bleiben selbst
nischen Fortschritt und mit Hilfe intensiver FuE Anstrengungen,
mit einer verfügbaren Technologie wie einer optimierten LIB, z. B.
hochgradig optimierten Produktionsprozessen und Recycling bis
Post-LIB oder andere Energiespeicherlösungen als ­Alternative zur
zur Kreislaufführung des Rohstoffs Kobalt eine langfristige Aus-
Verfügung zu haben. Auch bei dieser wären die entsprechen-
legung der in der Roadmap diskutierten HE-NMC-basierten LIB-
den Rohstoffe weiter im Auge zu behalten, denn ein Wechsel
Zellchemie für eine globale Diffusion der Technologie darstellbar.
zu einer Li-S-Technologie könnte beispielsweise den Bedarf nach
Dennoch bleiben neben den bereits diskutierten kurzfristigen
nach Lithium bedeuten (bezogen auf 1 kWh Batteriekapazität).
Fragen der Kobalt-Produktion (also dem kurzfristigen Angebot),
Auch für alternative Zukunftstechnologien wird daher eine
ganz drängende langfristig relevante Fragen wie dem Zugang
­stetige FuE enorm wichtig bleiben.
Kobalt beheben, würde jedoch wiederum einen größeren Bedarf
z. B. zu Krisengebieten wie dem Kongo mit einem hohen Teil
der Rohstoffvorkommen, Fragen des Energiebedarfs und der
Hier nicht betrachtete bzw. weiter vertiefte Rohstoffe ­betreffen
Umweltbilanz bei der Produktion etc. aber auch des langfristi-
z. B. (Natur-)Graphit, Nickel oder Mangan, welche eine deutlich
gen Rohstoffpreises selbst. Denn sollte es zu tatsächlich kritisch
höhere Verwendung in anderen Anwendungen jenseits der LIB
werdenden Rohstoffen keine Alternativen geben, wie z. B. die
haben. Dennoch wären auch solche Materialien (Kobalt, Nickel
weitere Reduktion oder die Substitution eines Materials innerhalb
und Kupfer beispielsweise auch auf Grund der a­ ngesprochenen
einer Technologie oder den Wechsel zu einer ebenso Leistungs-
Situation als Kuppelprodukte) in vertiefenden Analysen zu
fähigen anderen Technologie hin, dann würde eine ­einseitige
betrachten.
technologische Abhängigkeit drohen.
Entwicklung des Kobaltbedarfs ohne technischem Wandel (vgl. Szenarien Seite 26)
EV Szenario (frühe Diffusion, Reichweitenoptimiert)
EV Szenario (späte Diffusion, Reichweitenoptimiert)
Mio Tonnen Co
50
Mio Tonnen Co
50
40
40
30
30
Ressourcen
Ressourcen
20
20
10
10
Reserven
0
2010
Reserven
2020
2030
2040
2050
0
2010
2020
2030
2040
2050
Entwicklung des Kobaltbedarfs mit technischem Wandel (veränderte, optimierte Zellchemien)
EV Szenario (frühe Diffusion, Reichweitenoptimiert)
EV Szenario (späte Diffusion, Reichweitenoptimiert)
Mio Tonnen Co
50
Mio Tonnen Co
50
40
40
30
30
Ressourcen
Ressourcen
20
20
10
10
Reserven
0
2010
Reserven
2020
2030
2040
Nachfrage xEV (kumuliert) 2050
0
2010
Nachfrage andere (kumuliert) 2020
2030
2040
2050
Kobalt Primär (kumuliert)
39
Fazit und Ausblick
F a z it
reduzieren. Dies verschafft Zeit für die Erschließung und Nutzbarmachung weiterer Rohstoffvorkommen, aber auch für ein
Lithium-Ionen-Batterien gelten wegen ihrer weiteren FuE-­ ­optimiertes Recycling und eine zukünftige Kreislaufführung.
Entwicklungs-, Kostenreduktions- ebenso wie Anwendungs-
Technischer Wandel durch FuE, Produktion, Recycling etc. m
­ üssen
potenziale als eine Plattformtechnologie mit enormen Markt-
daher in ihrer gegenseitigen technischen, wirtschaftlichen und
aussichten für die kommenden Jahrzehnte. Hinsichtlich der
zeitlichen Abhängigkeit betrachtet und in einer (über eine Roh-
Wertschöpfungspotenziale ist mit einer deutlichen V
­ erringerung
stoffstrategie deutlich hinausgehenden) Strategie unterstützt und
des Wertschöpfungsanteils für Batteriezellen zu rechnen. Gleich-
gefördert werden. Dies auch, um langfristig nicht von singulären
zeitig wird sich aber auch der Anteil der Materialkosten im Ver-
technischen Lösungen und Materialien abzuhängen.
gleich zur reinen Zellproduktion erhöhen. Dies könnte künftig
mit einer wachsenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien
A k tualisierun g d er R oa d m ap
auch Material- bzw. Rohstoffpreise betreffen.
Die „Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030“ ist ein
Kurz- bis mittelfristig führt dies zu Fragen, wie die deutsche
lebendiges Planungsdokument. Sie wurde in dem durch das
Wirtschaft positioniert ist und von diesen Entwicklungen
­
BMBF geförderte Roadmapping-Begleitvor­haben zur Innova-
profi­tieren kann. So gewinnt z. B. auch die Frage nach einer
tionsallianz LIB 2015 entwickelt und wird in der Begleitmaß-
­deutschen oder europäischen Zellproduktion an Bedeutung.
nahme Batterie 2020 weiterhin aktualisiert und vertieft werden.
Deutschland hat einen starken Anlagen- und Maschinenbau
Beim Fraunhofer ISI ist eine Projektwebseite eingerichtet, um
und eine starke Chemieindustrie, welche einer Zellproduktion
die Roadmap zu kommentieren und Anregungen für die Weiter­
­vorgelagerte Akteure/Zulieferer darstellen. Gleichzeitig überneh-
entwicklung ­einfließen zu lassen. Die Roadmap kann unter dem
men ­Automobilhersteller zunehmend selbst die Modul- und Pack-
folgenden Link heruntergeladen werden: www.isi.fraunhofer.
herstellung sowie Systemintegration in das Elektrofahrzeug, so
de/grm-libroad.php.
dass die Batteriezellfertigung den einzigen nicht in Deutschland/
Europa abgedeckten Teil der Wertschöpfung darstellt. Neben
Die vorliegende Gesamt-Roadmap wird durch die „Technologie-
der sicherlich zentralen Frage wer und wo eine z­ ukünftigen Zell­
Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030“ und die „Produkt-Road-
produktion aufbauen kann und wird, sollte daher noch dringen-
map Lithium-Ionen-Batterien 2030“ ergänzt.
der verstanden werden, welche wirtschaftlichen und struktu­
rellen Abhängigkeiten sich für alle betroffenen Akteure entlang
B ena c hbarte P ro j e k te z ur
der Wertschöpfungskette zukünftig ergeben können und wie
E le k tro m obilt ä t
diese (oftmals KMU) von den entstehenden Märkten rund um
die Elektromobilität und stationäre Anwendungen profitieren
Das Fraunhofer ISI bearbeitet eine Reihe von Forschungsprojek-
und sich langfristig positionieren können.
ten rund um Energiespeichertechnologien, für die Elektromobilität und stationäre Energiespeicherung jeweils mit spezifischen
Langfristig zeigen die Szenarien einer alle Märkte durchdringen-
Arbeitsschwerpunkten. Das Spektrum reicht von einem syste-
den LIB („Pro LIB-Szenario“), dass aus rohstofflicher ­Perspektive
mischen Ansatz mit einer Untersuchung sozio-ökonomischer
eine wie in der Roadmap skizzierte Diffusion in ­elektromobilen
Aspekte in diesen Bereichen über Fragen der Energiebereitstel-
und stationären Märkten zwar gelingen kann, dies jedoch
lung, der Ausgestaltung einer Ladeinfrastruktur und der Entwick-
Anstrengungen verlangt. FuE-Fortschritte können beispielsweise
lung von Batterie- und Fahrzeugkonzepten, Geschäftsmodellen
einem steigenden Bedarf an Lithium und Kobalt deutlich ent-
für stationäre Speicher bis hin zu neuen Mobilitätskonzepten
gegenwirken und die eingesetzte Menge in Batterien deutlich
und der Nutzerakzeptanz.
40
Ausgewählte Projekte
P ro j e k t
A rbeitss c h w erpun k te
F ö r d erun g
d es F raunhofer I S I
Roadmapping-Begleitvorhaben zur
Innovationsallianz LIB 2015
Roadmapping hinsichtlich der technologie- und marktseitigen
Entwicklungsmöglichkeiten für Lithium-Ionen-Batterien (LIB)
BMBF
Energiespeicher-Monitoring für die
Elektromobilität (EMOTOR)
Projekt mit Schwerpunkt Technologie-Monitoring im Rahmen der
Fördermaßnahme Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität
(STROM)
BMBF
BEMA 2020 – Begleitmaßnahme
zu Batteriematerialien für zukünftige
elektromobile und stationäre Anwendungen
Fortführung des Monitoring (EMOTOR) und Roadmapping
(LIB2015) zu Energiespeichertechnologien für die Elektromobilität und stationäre Anwendungen, gemeinsam mit dem
Kompetenznetzwerk Lithium Ionen Batterien (KLIB) und dem
Münster Electrochemical Energy Technology (MEET) der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU Münster)
BMBF
Themenfeld Nutzerakzeptanz
Sozialwissenschaftlich orientierte Vernetzung von Projekten
zur Kundenakzeptanzforschung
BMVBS
Innovationsreport „Systembetrachtung
Elektromobilität“
Konzepte der Elektromobilität und deren Bedeutung für
Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt
TAB
Regional Eco Mobility (REM) 2030
Entwicklung eines Konzeptes für und Umsetzung einer
effizienten regionalen Individualmobilität für 2030
FhG, Land BadenWürttemberg
Studie „Elektromobilität weltweit:
Baden-Württemberg im internationalen Vergleich“
Benchmarking der Leistungsfähigkeit von in der Elektromobilität weltweit führenden Automobil-Regionen, zum
Beispiel Aichi und Tokio in Japan oder Seoul in Südkorea
e-mobil BW GmbH
Studie „Wertschöpfungspotenziale im
Leichtbau und deren Bedeutung für
Baden-Württemberg“
Analyse und Darstellung der Leichtbau-Wertschöpfungsketten
im Land Baden-Württemberg für ausgewählte Technologien
inklusive technischer und wirtschaftlicher Potenziale und
Hemmnisse für die Zukunft
Leichtbau BW GmbH
Studie „Leichtbau – Trends und
Zukunftsmärkte und deren Bedeutung
für Baden-Württemberg“
Identifikation von Anwendungsfeldern für Leichtbautechnologien und Quantifizierung von sowohl Marktgröße als auch
-wachstum bis ins Jahr 2020 anhand einer breit angelegten
Patent- und Publikationsanalyse
Leichtbau BW GmbH
Technologiebericht „Nanotechnologie
in den Sektoren Solarenergie und
Energiespeicherung“
Analyse des Einflusses von Nanotechnologie auf die zukünftige
Entwicklung von Produkten und Märkten der Solarenergie und
Energiespeicherung
International Electrotechnical
Commission (IEC)
Studie „Markthochlaufszenarien für
Elektrofahrzeuge“
Szenarienentwicklung und technisch-wirtschaftliche Analyse
rund um die Frage, welchen Marktanteil Elektrofahrzeuge in
Deutschland im Jahr 2020 haben werden, Darstellung von
Hemmnissen und Treibern
acatech – Deutsche Akademie
der Technikwissenschaften,
Arbeitsgruppe 7 der Nationalen Plattform Elektromobilität
(NPE)
Studie „Energiespeicherung: Welche
Marktdesigns und regulatorischen
Anreize werden benötigt?“
Analyse des aktuellen Standes der Technik und der Potenziale
von Energiespeicherung in der EU und Ableitung von Handlungsempfehlungen, welche Marktrahmenbedingungen und regulatorischen Änderungen weitere Kostensenkungen und eine breite
Diffusion von Energiespeichertechnologien fördern könnten
Industry, Research and Energy
Committee (ITRE) of the
European Parliament
41
Glossar
BMVBS
Vormals Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwick-
18650-Batteriezellen
lung, heute Bundesministerium für Verkehr und digitale Infra­
Mit dieser Bezeichnung sind die in der heutigen Konsum-­ struktur (BMVI). Im November 2015 geleitet von Alexander
Elektronik als Standard eingesetzten Lithium-Rundzellen gemeint,
Dobrindt (CSU).
mit 18 Millimeter Durchmesser und 65 Millimeter Länge. Von
­diesen Zellen werden pro Jahr mehrere Milliarden Stück herge-
BMWi
stellt, ­üblicherweise mit einer Kapazität von 2,2 oder 2,6 Ah und
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie. Im November
einer Spannung von 3,7 V. Der US-amerikanische Elektrofahrzeug-­ 2015 geleitet von Bundesminister Sigmar Gabriel (SPD).
Hersteller Tesla Motors Inc. verbaut in seinen E­ lektrofahrzeugen
nach wie vor Batteriesysteme, die aus 18650-Batteriezellen be-
BZ
stehen.
Die Brennstoffzelle repräsentiert einen Energiewandler und kann
deshalb nicht für sich selbst stehen, wenn es um die stationäre
BEV
Energiespeicherung geht: Das üblicherweise favorisierte System
Engl. „battery electric vehicle“, steht für ein rein b
­ atterieelektrisch
ist die sogenannte Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle
betriebenes Fahrzeug.
(engl. „proton exchange membrane fuel cell“, Abkürzung PEM-
Adiabatische Druckluftspeicher
(siehe Stack) und Wasserstoff-Tank. In dieser Aufstellung ist das
FC) als Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle, allerdings mit Stack
In einem Druckluftspeicher (siehe CAES) kann eine große Menge
System mitsamt seinen Eigenschaften näherungsweise vergleich-
Strom indirekt effizient und sicher eingespeichert werden, indem
bar mit den anderen Energiespeichertechnologien. Es gibt ver-
in Zeiten von niedriger Stromnachfrage und/oder -preisen bei der
schiedene weitere Typen von Brennstoffzellen.
Aufladung mit der einzuspeichernden elektrischen Energie ein
Kompressor betrieben wird, der Luft aus der Atmosphäre kompri-
CAES
miert und in sogenannte „Kavernen“ bzw. zumeist unterirdische
Engl. „compressed air energy storage“, siehe Adiabatische
Hohlräume pumpt. In Zeiten von hoher Stromnachfrage und/
Druckluftspeicher.
oder -preisen wird bei der Entladung diese Druckluft verwendet,
um z. B. eine Turbine anzutreiben und durch einen daran ange-
CO2
schlossenen Generator wieder elektrische Energie zu e­ rzeugen.
Die Summenformel für Kohlenstoffdioxid, eine chemische Ver-
Adiabatisch im Sinne der Thermodynamik (Zustandsänderung
bindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Kohlenstoffdioxid
eines Systems ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) wird
gilt als das wichtigste Treibhausgas, weil es für den durch die
der Druckluftspeicher dann, wenn die bei der Kompression ent-
Menschheit verursachten Klimawandel verantwortlich gemacht
stehende Wärme aufgefangen und in einem Wärmespeicher
wird und seine Emission deshalb zunehmend restriktiv einge-
zwischengespeichert werden kann. Wird die Druckluft aus der
schränkt wird.
Kaverne herausgelassen, entsteht wiederum Kälte, welche durch
die Wärme aus dem Wärmespeicher ausgeglichen werden kann
C-Rate
bzw. sogar muss, um die Turbinen nicht durch zu kalte Luft-
Mit der sogenannten C-Rate kann die Größe des Lade- bzw.
ströme zu beschädigen. Umweltfreundlich ist der Einsatz eines
Entladestromes unabhängig von der Kapazität verschiedener
Wärmespeichers deshalb, weil die Wärme bei der Aufladung
­Batteriezellen angegeben werden und ist somit ein Maß dafür,
sonst entweicht und die kalten Luftströme bei der Entladung
wie schnell eine Batterie ge- und entladen werden kann. Die
üblicherweise mit der Verbrennung von Erdgas erwärmt werden.
jeweils fließenden Ströme werden mit der Bezeichnung C als
Bruchteile bzw. Vielfache einer vom Hersteller ­spezifizierten
BEV
Nennkapazität angegeben. Wird beispielsweise bei einer Zelle
Engl. „battery electric vehicle“, steht für ein rein b
­ atterieelektrisch
mit einer ­Nennkapazität von 1000 mAh die Entladerate 1 C
betriebenes Fahrzeug.
gewählt, so fließt eine Stunde lang ein Strom von 1000 mA.
BHKW
EE
Abkürzung für Blockheizkraftwerk, siehe KWK.
Abkürzung für Erneuerbare Energien.
BMBF
EEG
Bundesministerium für Bildung und Forschung. Im November 2015
Das Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (auch
geleitet von Bundesministerin Prof. Dr. Johanna Wanka (CDU).
Erneuer­bare-Energien-Gesetz genannt, Abkürzung EEG) trat
42
zum 1. April 2000 in Kraft und soll die Abhängigkeit von f­ ossilen
Erneuerbaren Energien erzeugten Strom genau so hoch sind wie
Energieträgern und Kernkraft in der Stromerzeugung r­ eduzieren
die Stromgestehungskosten pro erzeugter Kilowattstunde des
und damit dem Klimaschutz dienen.
herkömmlichen Stroms, der bei einem Netzbetreiber eingekauft
wird. Unterschieden wird die Netzparität aus Sicht eines Endver-
Elektrolyse
brauchers, der die Kosten des zum Beispiel mit einer e­ igenen
Unter einer Elektrolyse wird allgemein der Prozess verstanden,
Solarenergie-Anlage produzierten Stroms mit den Kosten des von
bei dem in einer Redoxreaktion elektrische Energie in chemische
einem Energieversorgungsunternehmen zu beziehenden Stroms
Energie umgewandelt und chemische Verbindungen gespalten
vergleichen muss, und die Netzparität aus Sicht eines Strom-
werden. In Bezug auf die vorliegende Roadmap gilt als Elek­trolyse
konzerns, der die Erwerbskosten für Strom aus ­Erneuerbaren
v. a. ein Vorgehen zur Gewinnung von Wasserstoff aus ­Wasser:
Energien mit den Erzeugungs- oder Erwerbskosten herkömm­
Durch den Einsatz von elektrischer Energie wird das Wasser in
lichen Stroms vergleicht.
den in der Natur nicht in Reinform vorkommenden Wasserstoff
und Sauerstoff gespalten. Später kann die in den Einzel­stoffen
GW
gespeicherte chemische Energie z. B. in einer Brennstoffzelle
Abkürzung für Gigawatt.
wieder in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden.
GWh
FCEV
Abkürzung für Gigawattstunde.
Engl. „fuel cell electric vehicle“ ist ein Fahrzeug, in welchem
das Antriebssystem auf einer Brennstoffzelle basiert, welche den
H2
­Elektromotor mit Energie versorgt.
Die Summenformel für Wasserstoff, ein chemisches Element
mit dem Symbol H.
FhG
Die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten
HE bzw. HE-LIB
­Forschung e. V. ist mit knapp 24 000 Mitarbeitern (Stand: Novem-
Die Hochenergie-Entwicklung setzt auf Batteriematerialien mit
ber 2015) die größte Organisation für angewandte Forschung-
höherer spezifischer Energie ohne dabei die Zellspannung zu erhö-
und Entwicklungsdienstleistungen in Europa und betreibt mehr als
hen. Entsprechende Batterietechnologien befinden sich heute
80 Forschungseinrichtungen in Deutschland, davon 66 Fraunhofer-
in der FuE und werden in den kommenden Jahren als markt-
Institute.
reif, insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen erwartet.
FuE
HEV
Abkürzung für Forschung und Entwicklung.
Engl. „hybrid electric vehicle“, steht für ein Hybridelektrokraftfahrzeug, das von mindestens einem Elektromotor und
Gesamt-Roadmap
einem weiteren Energiewandler (oftmals Benzin oder Diesel)
Eine Variante des allgemeinen Begriffs Roadmap, in der es darum
­angetrieben wird.
geht, eine Technologie-Roadmap und eine Produkt-Roadmap so
zu integrieren, dass eine Lücke zwischen dem, was eine Tech-
HT
nologie leistet (engl. „technology push“) und dem, was von
Abkürzung zum Beispiel im Zusammenhang der „Hochtempe­
einem Markt gefordert wird (engl. „market pull“) festzustel-
ratur“-Batterien.
len ist und daraus entstehende Herausforderungen identifiziert
werden können.
HV bzw. HV-LIB
Gravimetrische Energie-/Leistungsdichte
auf die Batterietechnologien hingewiesen, die ausgehend vom
Mit dem Begriff der Hochvolt-Entwicklung wird ganz konkret
Mit der physikalischen Größe der gravimetrischen Energie-/Leis-
Referenzsystem der 4 Volt-Lithium-Ionen-Batterie bis hin zu den
tungsdichte wird die Verteilung von Energie/Leistung (in Wh bzw.
5 Volt-Lithium-Ionen-Batterien entwickelt werden. Damit ein-
W) pro Masse eines Stoffes (in kg) bezeichnet. In diesem Sinne
her geht der Bedarf von Hochvolt-Elektroden sowie passenden
ist für Anwendungen wichtig, dass das Gewicht von ­potenziellen
­Elektrolytmaterialien.
Energiespeichertechnologien im Vordergrund steht.
Inselnetze
Grid parity
Inselnetze sind kleine autonome Stromnetze, die von einem
Die sogenannte Netzparität bezeichnet den Zeitpunkt, ab dem
übergeordneten Verbundnetz unabhängige, abgeschlossene
die Stromgestehungskoten pro erzeugter Kilowattstunde für aus
Energieversorgungssysteme darstellen. Inselnetze bestehen oft
43
nur aus einem oder wenigen Elektrizitätswerken und versor-
l
gen ein räumlich abgegrenztes Gebiet, z. B. eines oder mehrere
Abkürzung für Liter.
beieinander liegende Krankenhäuser, abgelegene Dörfer oder
eben Inseln per se, wo die öffentliche Stromversorgung nicht
LFP
gewährleistet ist und ein erhöhter Bedarf von Versorgungssicher-
Engl. „lithium iron phosphate“, Lithium-Eisenphosphat (Sum-
heit sowie Versorgungsqualität besteht. Die Energieversorgung
menformel LiFePO4) ist ein Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-
wird auf herkömmliche Art mit Hilfe von durch fossile Brenn-
Batterien. Batteriezellen mit dieser Kathode sowie einer Anode
stoffe ­angetriebenen Stromgeneratoren sichergestellt, und seit
aus Graphit bieten zwar eine geringere Energiedichte als Batte-
jüngerer Zeit auch durch den Einsatz von erneuerbaren Energien,
rien auf Basis des herkömmlichen Kathodenmaterials Lithium-
wie z. B. Solar- oder Windenergieanlagen. Da Stromausfälle bei
Kobaltdioxid mit der Summenformel LiCoO2. Weil sie aber eine
Inselnetzen häufig vorkommen können, stellen große Energie-
längere Lebenszeit und höhere Leistungsdichte sowie eine ver-
speicher, die im Fall der Fälle temporär ein hohes Leistungs­
besserte Sicherheit aufweisen, bieten sie auch Vorteile für den
volumen abgeben können, eine wichtige Komponente innerhalb
Einsatz in Elektrofahrzeugen.
des Stromnetzes zur Sicherstellung der Energieversorgung dar.
Kleinere und autonome Stromversorgungsanlagen z. B. auf einer
LIB
einzeln stehenden Gebirgshütte werden nicht als Inselnetze, son-
Abkürzung für das elektrochemische Energiespeicherkonzept
dern als Inselanlagen bezeichnet (siehe Off-Grid-Anwendungen).
der sogenannten Lithium-Ionen-Batterie.
kg
LIB 2015
Abkürzung für Kilogramm.
Die Innovationsallianz „Lithium Ionen Batterie LIB 2015“ wurde
2007 gegründet. Sie setzte sich zusammen aus rund 60 Pro-
km
jektpartnern aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft, deren
Abkürzung für Kilometer.
gemeinsames Ziel es war, für Fortschritt in der Forschung und
Entwicklung von effizienten Lithium-Ionen-Batterien zu sorgen.
kW
Die Fördermaßnahme ist abgeschlossen.
Abkürzung für Kilowatt.
Li-Caps
kWh
Engl. „lithium ion capacitor“ (LIC). Bei Lithium-Ionen-Kondensatoren (Hybridsuperkondensatoren) handelt es sich um eine Unter-
Abkürzung für Kilowattstunde.
gruppe der Superkondensatoren: Während die positive Elektrode
Kondensator
der eines Doppelschichtkondensators entspricht, ist die negative
Ein Kondensator ist ein Speichermedium, das elektrische Ladun-
Elektrode Batterie-ähnlich mit Lithium dotiert. Dadurch werden
gen an den Oberflächen seiner beiden Elektroden speichert. Beim
Lithium-Ionen-Kondensatoren aufgrund ihrer erhöhten Energie-
Anlegen einer Spannung wird der Kondensator aufgeladen. Die
dichte besonders attraktiv, gepaart mit einer hohen Leistungs-
im elektrischen Feld gespeicherte Energie kann dann wieder
dichte und kalendarischen und zyklischen Lebensdauer.
in einen Strom umgewandelt werden. Weil die Energiedichte
­relativ gering bzw. die Leistungsdichte relativ hoch ist, eignen
Li-Feststoff
sich Kondensatoren nicht als ausschließlicher Energiespeicher für
Lithium-Feststoff-Batterien besitzen feste Elektrolytmaterialien,
die Elektromobilität, sondern viel eher für die stationäre Ener-
welche unter anderem eine schnelle Energieaufnahme bei hoher
giespeicherung.
Hitzebeständigkeit ermöglichen. Damit erspart die Lithium-Fest-
KWK
den Platzbedarf bei gleicher oder höherer Leistung im Vergleich
stoff-Batterie aufwändige Kühlmechanismen und reduziert damit
Abkürzung für Kraft-Wärme-Kopplung bzw. die gleichzeitige
mit anderen Batterietechnologien. Sie ist außerdem deutlich
Umwandlung von eingesetzter Energie in elektrische Energie und
sicherer als heutige Lithium-Ionen-Batterien.
in Nutzwärme in einer ortsfesten technischen Anlage nach dem
Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau
Li-Luft
der Kraft-Wärme-Kopplung (KWKG 2002). Durch die Kopplung
In der Lithium-Luft-Batterie wird die Kathode durch Luft ersetzt,
kann die eingesetzte Primärenergie effizienter genutzt und somit
die Anode besteht aus Lithium. Weil dieses vollständig umge-
41
auch CO2-Emissionen gesenkt werden. Insgesamt liefert eine
setzt werden und der für die Reaktion benötigte Sauerstoff aus
KWK-Anlage einen höheren Wirkungsgrad als bei g
­ etrennter
der Umgebungsluft kommen kann, entscheidet allein die Größe
Strom- und Wärmeerzeugung.
der Anode über die Kapazität der Batterie-Zelle. Aus diesem
44
Grund liegt zumindest die theoretisch erreichbare Energiedichte
flüssigen und festen Elektroden ergänzt. Die Anode im durch
über der aller anderen Batterietechnologien. Allerdings steht
einen Separator abgetrennten Außenbereich der Batterie besteht
noch offen, ob und v. a. wann Lithium-Luft-Batterien als wieder-
aus flüssigem Natrium, die Kathode aus Natriumchlorid bzw. mit
aufladbare Systeme für den Einsatz in der stationären Energie­
einer flüssigen Salzlösung aus Nickelchlorid und Natriumchlorid-
speicherung realisiert werden können.
durchtränktem, gesintertem Nickel. Die Notwendigkeit zur Aufrechterhaltung der hohen Betriebstemperatur erzwingt den Ein-
Li-Polymer
satz einer Heizung zusätzlich zur thermischen Isolation, da sich
Steht für Lithium-Polymer-Akkumulatoren und damit eine
die Zelle sonst stetig entlädt.
Weiterentwicklung des Lithium-Ionen-Akkumulators, in der
die Elek­­troden aus Graphit und Lithium-Metalloxid bestehen. Die
NaS
Besonderheit besteht im nicht flüssigen Elektrolyten auf Polymer-
Natrium-Schwefel-Akkumulatoren, in denen Elektroden aus eben
Basis, welcher als feste bis gelartige Folie eingebaut wird.
den genannten Elementen zum Einsatz kommen und als fester
Elektrolyt eine Natriumionen leitende Keramik verwendet wird.
Li-S
Lithium-Schwefel-Akkumulatoren besitzen eine Anode aus
NCA
Lithium und eine Kathode aus Schwefel sowie Kohlenstoff, was
Engl. „nickel cobalt aluminium (oxide)“, Abkürz. für Nickel-Kobalt-
eine sehr hohe Energiedichte ermöglicht.
aluminium(-oxid) mit der Summenformel Li(Ni0.85Co0.1Al0.05)O2
ist ein Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Vorteile
LKW
dieses Materials bestehen in der relativ hohen Lebensdauer, der
Abkürzung für Lastkraftwagen.
spezifischen Energie und der spezifischen Leistung, als Nach-
LMO
zu nennen.
teile sind relativ hohe Kosten und ein erhöhtes Sicherheits­risiko
Engl. „lithium manganese oxide“, Lithium-Manganoxid (Summenformel LiMn2O4) ist ein Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-
Netznutzungsentgelte
Batterien. Vorteile existieren hinsichtlich der Kosten sowie der
Netzentgelte sind von den Netznutzern für die Inanspruchnahme
höheren Sicherheit. Nachteile bestehen bei der Lebensdauer.
des Stromnetzes bzw. zur Durchleitung von Strom zu entrichten.42 Netzentgeltpflichtig sind allerdings nur die Entnahmen,
LTO
für die Einspeisung von Strom in das Netz müssen, anders als
Engl. „lithium titanium oxide“, Abkürzung von Lithium-Titanoxid
teilweise im Gasbereich, keine Netzentgelte entrichtet werden.
oder Lithium-Titanat mit der Summenformel Li4Ti5O12, das ein
Mit den Netznutzungsentgelten begleichen die Netzbetreiber
vielversprechendes Anodenmaterial für bestimmte Nischenan-
die Kosten für Errichtung, Ausbau und Instandhaltung sowie
wendungen darstellt, welche eine hohe Zyklenfestigkeit und eine
Betrieb des Stromnetzsystems. Privatkunden sowie kleineren
lange kalendarische Lebensdauer benötigen. LTO-basierte Batte-
­Unternehmen werden die Netznutzungsentgelte von den Strom-
riezellen haben eine geringere Zellspannung, was ihre Sicherheit
bzw. Gaslieferanten über die Strom- bzw. Gasrechnung in Rech-
erhöht. Die Batterien sind schnell aufladbar und können dank
nung gestellt, Großverbraucher zum Beispiel in der Industrie be-
ihrer chemischen Stabilität in einer größeren Temperatur-Band-
zahlen sie direkt.43 Weil Kleinverbraucher mit Niederspannungs-
breite betrieben werden. Ihre Energiedichte ist niedriger als bei
anschlüssen die vollen Netznutzungsentgelte für alle Netz­ebenen
anderen Lithium-Ionen-Batterien, ihre Leistungsdichte je nach
bezahlen müssen, liegen ihre Kosten höher als für größere
Kathodenmaterial auch besser. Als weiterer Nachteil gelten die
Verbraucher, die am Mittelspannungsnetz oder auf höheren
materialbedingt hohen Kosten.
Spannungsebenen angeschlossen sind und nur für diese und alle
MW
(vor allem der auf der Niederspannungsebene) am höchsten sind.
höheren Ebenen bezahlen, da die Kosten der Verteilungsnetze
Abkürzung für Megawatt.
NiCd
MWh
Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, in denen Elektroden aus eben
Abkürzung für Megawattstunde.
den genannten Elementen zum Einsatz kommen und als flüssiger
Elektrolyt eine Kaliumhydroxid-Lösung verwendet wird.
NaNiCl2
Eine Natrium-Nickelchlorid-Zelle wird in der Regel auch als
ZEBRA-Batterie bezeichnet und ist ein wiederaufladbarer Akkumulator. Ein fester Elektrolyt wird durch eine Kombination aus
45
NiMH
Off-Grid-PV
Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, in denen Elektroden aus
Off-Grid-Photovoltaik wird oft als eine Inselanlage betrieben, die
Nickeloxidhydroxid und einer Wasserstoffspeicherlegierung aus
sich von Inselnetzen allerdings durch ihren Umfang unterscheidet
Nickel und sogenanntem Mischmetall mit Seltenerdelementen
(siehe Inselnetze). Sie ist nicht an ein ggf. landesweites, öffent-
zum Einsatz kommen und als Elektrolyt eine Kaliumhydroxid-
liches Stromnetz angeschlossen bzw. wird vor allem dort einge-
Lösung verwendet wird. Ihre wichtigste Anwendung stellen
setzt, wo der Anschluss an das jeweils übergeordnete Stromnetz
Hybrid-Elektrofahrzeuge dar.
nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist. Off-Grid-Photovoltaik
funktioniert daher nur mit einem (oder mehreren) dem Bedarf
NMC
entsprechend dimensionierten Energiespeichern.
Engl. „lithium nickel manganese cobalt oxide“, Abkürzung
für Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid mit der Summenformel
On-Grid-PV
Li(NixCoyMnz)O2 bezeichnet ein ganzes Stoffsystem. Batterien
On-Grid-Photovoltaik ist an ein ggf. landesweites, öffentliches
auf Basis dieses Kathodenmaterials vereinen mehrere Vorteile
Stromnetz angeschlossen bzw. wird vor allem dort eingesetzt, wo
anderer Batterietechnologien auf sich: Die hohe Kapazität von
der Anschluss an das jeweils übergeordnete Stromnetz möglich
Lithium-Kobaltoxid, die gute Hochstromfähigkeit von Lithium-
bzw. wirtschaftlich ist. On-Grid-Photovoltaik funktioniert auch
Nickeloxid und die Überladestabilität sowie den Preisvorteil von
ohne einen (oder mehrere) dem Bedarf entsprechend dimen­
Lithium-Manganoxid. Sie bieten außerdem eine hohe mittlere
sionierten Energiespeicher, wenn der Strom nicht zur Eigen­
Entladespannung und können relativ schnell geladen werden.
verbrauchsoptimierung eingesetzt und direkt ins Stromnetz eingespeist werden soll.
NMC:XYZ
Innerhalb der Summenformel Li(NixCoyMnz)O2 für NMC (siehe
Pb
NMC) gelten verschiedene Zusammensetzungen von Nickel,
Blei-Säure-Akkumulatoren mit Elektroden aus Blei und Blei­dioxid
Kobalt und Mangan als besonders vielversprechend für den
sowie einem Elektrolyten aus verdünnter Schwefelsäure.
Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien (siehe LIB): Von NMC:111
(mit jeweils gleichen Anteilen) über NMC:532 (mit 5 Anteilen
Peak Shaving
Nickel, 3 Anteilen Kobalt und 2 Anteilen Mangan), NMC:622
Durch den Einsatz von großen Energiespeichersystemen sollen
(mit 6 Anteilen Nickel und jeweils gleichen Anteilen für Kobalt
die Spitzen der Lastnachfrage aus Erzeugungsperspektive ver-
und Mangan) bis hin zu NMC:811 (mit 8 Anteilen Nickel und
gleichmäßigt werden (engl. „shaving“). Die Energiespeicher wer-
jeweils gleichen Anteilen für Kobalt und Mangan).
den dann aufgeladen, wenn die Energie­versorgung auf relativ
niedrigem Niveau erfolgt und die Kosten für zusätzliche Ener-
NPE
gieerzeugung gering sind, also v. a. in der Nacht. Wenn die Last-
Abkürzung für Nationale Plattform Elektromobilität. Ein Experten­
nachfrage dann wieder ansteigt und die Energienutzungspreise
gremium, welches die deutsche Bundesregierung seit Mai 2010
wieder höher l­iegen, werden die Energiespeicher entladen und
berät und Empfehlungen zur Verwirklichung von E­ lektromobilität
das Stromnetz bzw. die Erzeugungskapazität kann entlastet wer-
in Deutschland ausspricht. Setzt sich zusammen aus Vertretern
den. Die erzielte Preisdifferenz abzüglich der Speicherverluste und
der Gewerkschaften, Industrie, Politik, Verbänden und Wissen-
der variablen Betriebskosten stellt die Gewinnmarge des Ener-
schaft.
giespeicher-betreibenden Unternehmens dar, aus der auch die
Investitionen refinanziert werden können.44
Off-GridOff-Grid-Anwendungen bzw. Off-Grid-Systeme werden oft
PEM-FC
­synonym als Inselanlagen bezeichnet, die sich von ­Inselnetzen
Engl. „proton exchange membrane fuel cell“ (siehe BZ).
allerdings durch ihren Umfang unterscheiden (siehe Inselnetze).
Sie sind nicht an ein ggf. landesweites, öffentliches S­ tromnetz
PHEV
angeschlossen bzw. werden v. a. dort eingesetzt, wo der An-
Engl. „plug-in hybrid electric vehicle“, steht für ein plug-in-­
schluss an das jeweils übergeordnete Stromnetz nicht möglich
hybrid-elektrisches Fahrzeug, ist ein Kraftfahrzeug mit Hybrid­
oder nicht wirtschaftlich ist. Off-Grid-Anwendungen funktio-
antrieb, dessen Batterie zusätzlich über das Stromnetz extern
nieren daher nur mit einem (oder mehreren) dem Bedarf ent-
geladen werden kann. Weil es oft eine größere Batterie auf-
sprechend dimensionierten Energiespeichern.
weist als ein Hybridelektrofahrzeug, stellt es eine Art Mischform
­zwischen Letzterem und einem BEV dar.
46
PHES
Si/C-Komposite
Engl. „pumped hydro energy storage“, siehe Pumpspeicher.
Silicium-Kohlenstoff-Komposite als Anodenmaterialien gelten
als vielversprechend für den Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien
Produkt-Roadmap
(siehe LIB) und stellen eine Kombination von Graphit mit ­Anteilen
Eine Variante des allgemeinen Begriffs Roadmap, in der es darum
von Silizium dar.
geht, die Entwicklung der Marktanforderungen z. B. an eine
bestimmte Technologie zu dokumentieren.
Smart Grid
Engl. „intelligentes Netz“, wodurch ein Stromnetz bezeichnet
PV
wird, das auf kosteneffiziente Weise das Verhalten und die Hand-
Abkürzung für Photovoltaik.
lungen aller daran angeschlossenen Nutzer – einschließlich Erzeuger, Verbraucher und Akteure, die sowohl Erzeuger als auch
REFC
Verbraucher sind – integrieren kann, damit ein wirtschaftlich
Engl. „range-extended fuel cell (electric vehicle)“ ist ein Fahr-
effizientes und nachhaltiges Stromnetz mit geringen Verlusten,
zeug, in welchem das Antriebssystem auf einer Brennstoffzelle
hoher Qualität, großer Versorgungssicherheit und hoher tech-
basiert (siehe FCEV) und das über ein Aggregat zur Reichweiten­
nischer Sicherheit gewährleistet wird.46
verlängerung verfügt – am häufigsten eingesetzt werden Verbrennungsmotoren, welche einen Generator antreiben, der wie-
SOFC
derum Akkumulator und Elektromotor mit Strom versorgt.
Engl. „solide oxide fuel cell“, die Festoxidbrennstoffzelle bzw.
eine Hoch-Temperatur-Brennstoffzelle.
RFB
Abkürzung für Redox-Flow-Batterie, ein Akkumulatorenkonzept,
Stack
welches auf der Reduktion und Oxidation von umgepumpten
Die in einer einzelnen Brennstoffzelle erzeugte Spannung ist rela-
Elektrolytlösungen aus Vorratstanks an einem brennstoffzellar-
tiv gering. Um die Spannung für den Betrieb in mobilen oder
tigen Stack basiert. Die Vanadium-basierte Redox-Flow-Batte-
stationären Anwendungen zu erhöhen, werden mehrere Zellen
rietechnologie (siehe VRFB) ist eine Variante der Redox-Flow-
in Reihe geschaltet und bilden so einen Brennstoffzellen-Stapel,
Batterie.
den so genannten Stack.
Roadmap
Supercaps
Unter einer Roadmap wird im Allgemeinen ein vorbereitender
Sogenannte Superkondensatoren sind elektrochemische Kon-
Projektplan verstanden, in dem noch auszuführende Schritte ggf.
densatoren, welche auf das Dielektrikum im herkömmlichen
bis weit in die Zukunft verortet werden. Es gibt verschiedene
Sinne verzichten. Ihre vielfach höheren Kapazitätswerte e­ rgeben
Typen von Roadmaps, z. B. die Produkt-Roadmap oder die Tech-
sich aus der Summe der statischen Speicherung elektrischer Ener-
nologie-Roadmap. Allen Roadmaps ist gemein, dass durch ihre
gie (die sogenannte Doppelschichtkapazität) und der elektro-
Erstellung Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Schritten und
chemischen Speicherung elektrischer Energie (die sogenannte
damit Risiken und Unsicherheiten aufgedeckt werden können.
Pseudokapazität).
Second use
Synthetisches Erdgas
Engl. „Zweitverwendung“, synonym auch „Second life“, engl.
Synthetisches Erdgas ist ein Substitut für natürliches Erdgas und
„zweites Leben“. Neben dem Recycling haben diese Konzepte für
wird künstlich hergestellt. Um Erdgas vollständig ersetzen zu
am Ende der Hauptnutzungsdauer zum Beispiel in der Elektromo-
können, muss es ihm allerdings in seinen Eigenschaften weit-
bilität angekommene Lithium-Ionen-Batterien sowohl ein ­großes
gehend entsprechen. Zur Herstellung gibt es mehrere Verfah-
ökologisches als auch ein ökonomisches Potenzial.45 Derartige
ren: Aus einer Kohlevergasung kann Synthesegas und schließlich
Batterien haben in der Regel noch ausreichende Kapazitäten für
Methan hergestellt werden, Wasserstoff durch Elektrolyse her-
Zweitanwendungen mit geringeren Anforderungen zum Beispiel
gestellt und anschließend durch eine Methanisierung in Methan
in der stationären Energiespeicherung und ­können dadurch je
umgewandelt werden, Biomasse kann zu Biogas umgewandelt
nach Anwendung eine Lebensdauer von zwanzig Jahren und
und schließlich zu Biomethan aufbereitet werden. Insbeson-
mehr erreichen. Durch die Zweitvermarktung der Batterien kann
dere das zweite Verfahren mittels einer Elektrolyse von Wasser-
ihre Ökobilanz verbessert und es können zusätzliche E­ innahmen
stoff ist vielversprechend, weil so angesichts des zunehmen-
zur Verbesserung ihrer Wirtschaftlichkeit generiert werden.
den Ausbaus fluktuierender erneuerbaren Energien in Zeiten
von niedriger Stromnachfrage und/oder -preisen die Aufladung
47
eines „Power-to-Gas“-Energiespeichers denkbar ist.47 In Zeiten
Volumetrische Energie-/Leistungsdichte
von hoher Stromnachfrage und/oder -preisen könnte das Gas
Mit der physikalischen Größe der volumetrischen Energie-/
wieder in elektrische Energie bzw. Strom umgewandelt werden.
­Leistungsdichte wird die Verteilung von Energie/Leistung (in Wh
bzw. W) pro Raumvolumen eines Stoffes (in l) bezeichnet. In
TAB
diesem Sinne ist für Anwendungen wichtig, dass die Größe von
Das Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bun-
potenziellen Energiespeichertechnologien im Vordergrund steht.
destag berät als selbständige wissenschaftliche Einrichtung den
Deutschen Bundestag und seine Ausschüsse in Fragen des
wissenschaftlich-technischen Wandels.
VRFB
Die Vanadium-basierte Redox-Flow-Batterietechnologie ist eine
Variante der Redox-Flow-Batterie. Das Verfahren der Vanadium-
Technologie-Roadmap
Redox-Flow-Batterie nutzt jedoch Vanadium-Ionen in verschie-
Eine Variante des allgemeinen Begriffs Roadmap, in der es darum
denen Oxidationszuständen, um chemische Energie in Form von
geht, den technologischen Fortschritt zu dokumentieren.
gelösten Redox-Paaren in verschiedenen Tanks zu speichern. Die
Stromwandlung erfolgt in einem getrennten Leistungsmodul,
TW
und den Elektroden wird während der Entladung kontinuierlich
Abkürzung für Terawatt.
der umzusetzende Stoff aus den Vorratstanks zugeführt bzw. das
entstehende Produkt in die gleichen Vorratstanks zurückgeführt.
TWh
Die Speicherkapazität wird im Wesentlichen von der Größe der
Speichertanks bestimmt, und der ­Wirkungsgrad liegt bei über
Abkürzung für Terawattstunde.
75 Prozent. Redox-Flow-Batterien haben eine vergleichbare EnerUSV
giedichte wie Blei-Akkumulatoren, ihre Lebensdauer ist jedoch
Abkürzung für Unterbrechungsfreie Stromversorgung. USV
fast zehn Mal so hoch.
beziehen ihre Energie aus Akkumulatoren und werden zum
Schutz hochsensibler technischer Systeme wie Großrechner,
W
­Server und Telefonanlagen eingesetzt. Sie gewährleisten beim
Bei Watt (W) handelt es sich um die physikalische Einheit, wel-
Ausfall, bei Unter- oder Überspannung der öffentlichen Strom-
che Energie pro Zeit angibt und somit zur Beschreibung einer
versorgung einen unterbrechungsfreien Betrieb. USV-Anlagen
Leistung genutzt wird.
48
sind in der Regel nur für eine kurze Überbrückungszeit dimensioniert. In dieser Zeit können technische Systeme in einen ­sicheren
Wh
Betriebszustand zurückgefahren werden, oder eine Netzersatz-
Die Wattstunde (Wh) ist eine physikalische Einheit und dient
lage kann die weitere Stromversorgung übernehmen. In der Not-
als Maß für verrichtete Arbeit. Eine Wh ist die Energie, welche
stromversorgung wird grundsätzlich zwischen der sogenannten
ein Energiewandler mit einer Leistung von einem Watt in einer
Unterbrechungsfreien Stromversorgung und Netzersatzanlagen
Stunde aufnimmt oder abgibt.
(NEA) unterschieden.
xEV
V2G
Ein als Sammelbegriff bzw. -kürzel für alle (batterie-)elektrisch
Abkürzung für „vehicle to grid“, engl. „Fahrzeug ans Netz“, ein
angetriebenen Fahrzeugkonzepte (Elektrofahrzeuge, engl. „elec-
Konzept, in dessen Rahmen die großformatigen Batterien von
tric vehicle“ bzw. EV) gebrauchter Term, insbesondere hybrid­
Elektrofahrzeugen in Zukunft als Energiespeicher ­verwendet
elektrische Fahrzeuge (engl. „hybrid electric vehicle“ bzw. HEV),
werden sollen. In Zeiten von niedriger Stromnachfrage und/oder
Plug-in-hybridelektrische Fahrzeuge (engl. „plug-in hybrid elec-
-preisen (z. B. vor- oder nachmittags) könnte zu viel produzier-
tric vehcile“ bzw. PHEV) und rein batterieelektrische Fahrzeuge
ter Strom in Elektrofahrzeugen zwischengespeichert w
­ erden,
(engl. „battery electric vehicle“ bzw. BEV).
um ihn in Zeiten von hoher Stromnachfrage und/oder -preisen
(z. B. mittags) wieder in das Stromnetz einzuspeisen. Als Teil
ZEBRA
des Smart Grid könnten Elektrofahrzeuge so bzw. vor allem in
Siehe NaNiCl2
Standzeiten als eine Art riesiger ­Energiespeicher dienen. Einen
großen Haken stellt in diesem Fall aber die Kompensation für
Zn/Br-RFB
die Energiespeicher-Besitzer dar, die für zusätzliche Ladezyklen
Die Zink-Brom-RFB ist der Hauptvertreter der Spezialform Hyb-
bzw. Batteriealterung entschädigt werden sollten. Das gesamte
rid-Flow-Batterien.49 Diese unterscheiden sich von den konven­
Konzept macht allerdings überhaupt erst dann Sinn, wenn es
tionellen RFB durch die Tatsache, dass eines der Redox-Paare
eine ­kritische Masse an Elektrofahrzeugen in Deutschland gibt.
nicht vollständig löslich ist. Bei der Zink-Brom-RFB liegt Zink
48
in geladenem Zustand in fester Form abgeschieden als Metall-
7
schicht an der negativen Elektrode vor. Die Trennung von Ener-
wide Reports – Revealing the Revolution in Two Wheel ­Mobility.
gie- und Leistungsdichte ist bei diesem Konzept somit nicht voll-
Online-Ressource, Link: http://www.ebwr.com/, zuletzt abge­
ständig gegeben, da die Energiedichte auch vom Volumen der
rufen am 13.12.2015
Electric Battery Bicycle Company (2015): Electric Bikes World-
gebildeten Zink-Schicht abhängt. Auch aufgrund der kompakten
Metallelektrode ergeben sich relativ hohe Energiedichten, aller-
8
Deutsches Institut für Urbanistik gGmbH im Auftrag des
dings ist die Verwendung von Brom aufgrund seiner Toxizität
Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur
­
nicht unproblematisch. Die Verwendung von Komplexbildnern
(BMVI, 2013): Neuigkeiten – Zahlen – Daten – Fakten: Deut-
kann diese Problematik lindern. Weitere Probleme, die bei die-
scher ­Fahrradmarkt 2014 – Pedelecs bauen ihren Anteil weiter
sem Batteriesystem auftreten, sind kurze Lebensdauern, geringe
aus. Online-Ressource, Link: http://www.nationaler-radverkehrs-
Energiewirkungsgrade von ungefähr 70 Prozent und die Bildung
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von Zink-Dendriten. Diese können zur Verstopfung der Kanäle
13.12.2015
und zu Kurzschlussbildung führen, und der Wirkungsgrad sinkt.
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­Diesel sehr effizient in Strom umgewandelt werden. Der eigent-
13
liche Generator kann dadurch bei der Stromerzeugung entlastet
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L I B - R oa d m appin g a m F raunhofer isi
F r a u n h o F e r - I n s t I t u t F ü r s y s t e m - u n d I n n o vat I o n s F o r s c h u n g I s I
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R S Y S T E M - U N D I N N O VAT I O N S F O R S C H U N G I S I
F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R S Y S T E M - U N D I N N O VAT I O N S F O R S C H U N G I S I
Technologie-Roadmap
liThium-ionen-BaTTeRien 2030
GESAMT-ROADMAP
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN 2030
PRODUKT-ROADMAP
LITHIUM-IONEN-BATTERIEN 2030
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TECHNOLOGIE-ROADMAP ENERGIESPEICHER
FÜR DIE ELEKTROMOBILITÄT 2030
GESAMT-ROADMAP ENERGIESPEICHER
FÜR DIE ELEKTROMOBILITÄT 2030
PRODUKT-ROADMAP ENERGIESPEICHER
FÜR DIE ELEKTROMOBILITÄT 2030
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TECHNOLOGIE-ROADMAP
STATIONÄRE ENERGIESPEICHER 2030
GESAMT-ROADMAP
STATIONÄRE ENERGIESPEICHER 2030
PRODUKT-ROADMAP
STATIONÄRE ENERGIESPEICHER 2030
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IMPRESSUM
Herausgeber
Gestaltung
Fraunhofer-Institut für System-
G+S Büro für Grafik und Satz Roswitha Tuz, Karlsruhe
und Innovationsforschung ISI
Illustrationen
Breslauer Straße 48
Heyko Stöber, Hohenstein
76139 Karlsruhe
[email protected]
Kontakt
www.isi.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für System-
Projektleitung: Dr. Axel Thielmann
und Innovationsforschung ISI
Competence Center Neue Technologien
Förderung
Dr. Axel Thielmann
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Breslauer Straße 48
Referat 511, Neue Werkstoffe, Nanotechnologie
76139 Karlsruhe
53170 Bonn
Telefon +49 721 6809-299
www.bmbf.de
Fax +49 721 6809-315
[email protected]
Projektträger
www.isi.fraunhofer.de
Projektträger Jülich
Geschäftsbereich Neue Materialien und Chemie, NMT
© Fraunhofer-Institut für System-
52425 Jülich
und Innovationsforschung ISI,
www.fz-juelich.de
Karlsruhe, Dezember 2015
Autoren
Dr. Axel Thielmann
Andreas Sauer
Prof. Dr. Martin Wietschel
56
Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI
analysiert Entstehung und Auswirkungen von Innovationen. Wir
erforschen die kurz- und langfristigen Entwicklungen von Innovationsprozessen und die gesellschaftlichen Auswirkungen neuer
Technologien und Dienstleistungen. Auf dieser Grundlage ­stellen
wir unseren Auftraggebern aus Wirtschaft, Politik und Wissenschaft Handlungsempfehlungen und Perspektiven für wichtige
Entscheidungen zur Verfügung. Unsere Expertise liegt in der fundierten wissenschaftlichen Kompetenz sowie einem interdiszipli­
nären und systemischen Forschungsansatz.
Heute beschäftigt das Fraunhofer ISI rund 240 ­Mitarbeiterinnen
und Mitarbeiter, darunter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- und Sozial­
wissenschaften, die pro Jahr an rund 370 Forschungsprojekten arbeiten. Das jährliche Budget, knapp 23 Millionen Euro
im Jahr 2014, wird vornehmlich durch Aufträge der nationalen
und internationalen öffentlichen Hand, aus der Wirtschaft sowie
von ­Stiftungen und Wissenschaftsorganisationen eingenommen.
Als international führendes Innovationsforschungsinstitut pflegen wir einen intensiven wissenschaftlichen Dialog mit den
USA, Japan sowie den BRICS-Ländern, beispielsweise durch den
­Austausch von Gastwissenschaftlern.
Das Fraunhofer ISI arbeitet eng mit seinen Partnern, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der Universität Kassel, der
Universität Straßburg, der ETH Zürich, dem Virginia Tech in den
USA und dem Institute of Policy and Management (IPM) in Peking
zusammen.
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Interessentenbogen Parkplatz: GWH Wohnungsgesellschaft mbH