Elektromobilität. Herausforderungen für die Produktionstechnik. Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart

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1 Elektromobilität Herausforderungen für die Produktionstechnik Prof. Dr.-Ing. Gunther Reinhart Berlin,

2 Elektromobilität, quo vadis? 2

3 Umsatz in Milliarden Euro Industrie-Indikator (0 bis 5) Sorgenkind Deutschland Entwicklungen und Prognosen Prognose zum weltweiten Umsatz mit Elektrofahrzeugen von 2010 bis 2030 [1] Ranking der wichtigsten Produktionsländer für Elektromobilität [2] (Stand: 3. Quartal 2015) 3,3 3,2 3,0 1,4 0, China Japan USA Südkorea Deutschland Die Elektromobilität ist ein Wachstumsmarkt mit enormem Potenzial. Die technologischen Entwicklungen sind nicht eindeutig vorherzusagen. Deutschland liegt im internationalen Vergleich hinter Asien und den USA zurück. Deutschland muss nachziehen, wenn es an diesem Markt teilhaben will. Quellen: [1] McKinsey (2011), [2] Roland Berger (2015) 3

4 Aufbau eines Elektroautos A1 e-tron Bildquelle: Audi Geschäftsbericht (2010) 4

5 Aufbau, Funktionsweise und Bestandteile einer Batteriezelle Anode Separator Kathode µm µm µm µm 8-18 µm 5

6 Aufbau, Funktionsweise und Bestandteile einer Batteriezelle Anode Separator Kathode Metall-Ion Sauerstoff-Ion Elektron Lithium-Ion 6

7 Bauformen und Technologien von Batteriezellen Zylindrisch Prismatisch Pouch coffee bag Terminal und Überdruckventil Metallgehäuse Anode Terminal Überdruckventil Terminal Terminals Separator Kathode Metallgehäuse Anode Separator Kathode Verbundfolie Anode Separator Kathode Tesla Model S BMW i3 NISSAN LEAF Bildquellen: Axeon, Tesla, BMW, Nissan 7

8 Aufbau, Funktionsweise und Bestandteile eines Batteriemoduls Energiespeicher Batteriemanagementsystem Batteriemodul Gehäuse Zelle Zellverbinder Zelle Herausforderungen Gehäuse Kühlplatte Große Variantenvielfalt (z. B. unterschiedliche Zellformate und -größen) Flexible Skalierbarkeit (Automatisierung vs. Flexibilität) Hohe Spannungen Komplexe Montagetechnik (z. B. formlabile Bauteile) Bildquellen: GM, BMW, Tesla, eebatt.tum.de, Daimler 8

9 Aktuelle Entwicklungen in der Batterietechnologie Materialentwicklung [1] Verfahrensentwicklung Zell- und Batteriekonzepte 2015 Konventionelle Li-Ionen-Zellen LFP, NCA, NCM111 Kathode 100% Kohlenstoff Anode Optimierte Li-Ionen-Zellen Ni-reiche NCMs (LiNi x Co y Mn z O 2 ) Silizium/Kohlenstoff Anode Neue Zellgenerationen Feststoffbatterie mit Lithium-Anode Konversionsmaterialien (Li/S) Wasserbasierte Beschichtungen für Anode und Kathode [2] Kostenreduktion Arbeitsschutz Explosionsschutz Entsorgung Kompositherstellung für Feststoffbatterien [3] Trockenbeschichtungsprozesse (Extrusion) Wärmebehandlung zur Materialverdichtung Innovative Zell- und Batteriekonzepte bieten einen großen Stellhebel bzgl. der Verbesserung: der Energiedichte, der Sicherheit und der Herstellkosten. Beispiel: TUM-Patent [4] für neues Zellgehäuse Zellpole können Kräfte und Momente aufnehmen neues Gehäusekonzept ermöglicht kostengünstigere Montage Zellpole 2030 Lithium-Luft-Batterie Zellstapel Gehäuse (ohne Deckel) Quellen: [1] NPE Roadmap (2016), [2] Bauer (2015), [3] Umbach (2016), [4] Patent Bildquellen: NPE, BASF, Bauer/KIT, iwb 9

10 Kosten ($/kwh) Forschung zur Senkung der Zellkosten: Zellen besser und günstiger fertigen Motivation Zelle macht ca. 30 % der Batteriesystemkosten aus. [1] Ausschussraten im Bereich von 10 bis 60 % [2] 120,0 100,0 Einsparpotenziale in der Batterieproduktion [3] Kosten Batteriemodul ($352/kWh) Ansatzpunkte Dickschichtelektroden [3] Kürzere Wetting- und Formierzyklen [3] Stabilere Prozesse [2] Methoden zur Ausschuss-Früherkennung [4] Schnellere Stapelbildungsverfahren [4] 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Kosten Batteriemodul reduziert ($259/kWh) Strategie Lernen an aktuellen Zellgenerationen [5] Übertragung des Prozess-Know-Hows auf neue Zellgenerationen [5] Prozess- und Produktionstechnik in interdisziplinärer Kooperation mit angrenzenden Disziplinen gefordert. Quellen: [1] Nykvist & Nilsson (2015), [2] Dinger et al. (2010), [3] Wood et al. (2015), [4] NPE Roadmap (2016), [5] NPE Zwischenbericht (2011) 10

11 Spezifische Leistung Beispiel: Forschung zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Batteriezellen Zielsetzung Erhöhung der spezifischen Leistung und der spezifischen Energie Angepasste Strukturierung der Elektrodenoberfläche Verringerung der zellinternen Widerstände Ermöglicht die Erhöhung der spezifischen Energiedichte durch dickere Elektrodenbeschichtungen Verbesserung der Leistungseigenschaften beim Laden und Entladen Zellen heute Spezifische Energie Innovative Stapel- und Kontaktierungstechnologien Zellmontage mittels Z-Falten ermöglicht höhere Energiedichten Zellinterne Kontaktierung mittels Laserstrahlung zur Verringerung des ungenutzten Volumens in der Zelle Strukturierte Elektrodenoberfläche Bildquelle: Pfleging et al. (2015) 11

12 Beispiel: Forschung zur Steigerung der Qualität und Leistungsfähigkeit von Batteriemodulen Zielsetzung Erhöhung der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer Methode zur Auslegung elektrischer Kontakte Kopplung von FEM-Simulation und genetischem Algorithmus Bewertung hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit sowie mechanischer Festigkeit Ermittlung der optimalen Schweißnahtkonfiguration mittels multikriterieller Optimierung Verbesserte Kühl- und Verspannungsstrategien Entwicklung eines effizienten Kühlsystems mit möglichst hoher Wärmeleitung Batteriemodul Erforschung des Einflusses der Zellkompression zur Erhöhung der Lebensdauer Optimierte Schweißnahtkonfiguration 12

13 Periphere Themen der Elektromobilität Beispiel: (Arbeits-) Sicherheit Neue Materialien, Prozesse und Anwendungen für die Elektromobilität Entstehende Gefährdungen sind teilweise noch nicht bekannt Arbeitssicherheit muss mit den schnellen Entwicklungen mithalten Potential für neue technologische Ansätze Laserschneiden von neuen Materialien Löschen von brennendem Batterieelektrolyten Batterieelektroden CFK Entstehende Emissionen sind nur teilweise bekannt Aktuelle Datenblätter verschiedener Hersteller widersprechen sich 13

14 Aufbau, Funktionsweise und Bestandteile eines Elektromotors im Fahrzeug Rotor mit Magneten Leistungsanschluss Lagerschild Dieselmotor Elektromotor Anzahl der Einzelteile [1] Stator mit Spulen Kupplung Hybridfahrzeuge [2] Serieller Hybrid Paralleler Hybrid Mischhybrid Batterieelektrisches Fahrzeug (BEV) [3] Zentralantrieb Radnaher Antrieb Radnabenantrieb Quellen: [1] FAPS (2012), [2] Roland Berger (2011), [3] PEM (2014) Bildquelle: Audi 14

15 Studie zum Einfluss der Elektromobilität auf die Technologie- und Wertschöpfungsstruktur Ausgangssituation der Studie Elektromobilität benötigt neue Komponenten. Neue Zulieferer drängen auf den Markt. Wertschöpfungsketten werden sich verändern. KMUs der Metall- und Elektrobranche können die Auswirkungen der Elektromobilität nicht selber untersuchen. 30 % 70 % Ergebnisse der Studie Hohe Unsicherheiten bezüglich der Entwicklung der Elektromobilität Gefahr neuer Wettbewerber Chance: Vermarktung vorhandenen Wissens über die Automobilbranche an Neueinsteiger Alternative: Einführung bestehender Produkte auf Nebenmärkten Hintergrund zur Studie Identifikation betroffener Branchen Experteninterviews mit 26 Partnerunternehmen der bayerischen Metall- und Elektroarbeitgeber Jeweils zweistündiges Interview zum Aufbau einer Wissensbasis Ableitung von branchenspezifischen und übergreifenden Handlungsempfehlungen Quelle: bayme vbm (2012) Bildquellen: Auto, Motor und Sport; ftm/tum 15

16 Wie kann die deutsche Industrie von der Elektromobilität profitieren? Markteinstieg Weniger als 50% der Unternehmen, die thematisch in der Lage wären, haben Produkte/Leistungen für den Batteriebereich im Angebot. [1] Vernetzung mit anderen Unternehmen Insbesondere im asiatischen Umfeld Markteintritt als Einzelanlagenhersteller sehr schwierig Schaffung von disruptiven Innovationen Erfahrung der ausländischen Industrie nur sehr schwer aufzuholen. Ziel: Mittels Innovationen den Markteintritt zu schaffen. Erhaltung der Reaktionsfähigkeit Entwicklung der Elektromobilität stark unsicherheitsbehaftet Sprung auf neue Technologien geschieht sehr dynamisch. Quelle: [1] VDMA Batterieproduktion (2015) 16

17 Potentielle Betätigungsfelder für die deutsche Industrie Beispiel: Leichtbau Werkstoffeinsatz in den nächsten 5 Jahren [1] Generell: Starke Veränderungen bieten Chancen. Relevanz technologischer Fortschrittfelder [1] Nutzung von Wissen aus verwandten Industrien (Elektronik, Photovoltaik, ) unter Nutzung anerkannter deutscher Kernkompetenzen (Automatisierung, Qualität, ) [2] Mehr Aufmerksamkeit für periphere Themenstellungen: Arbeitssicherheit, Ladeinfrastruktur, kulturelle bzw. nicht-technologische Veränderungen, etc. Quellen: [1] FOREL Studie (2015), [2] VDMA Batterieproduktion (2015) 17

18 Zusammenfassung und Ausblick Hohe Unsicherheit bezüglich Markt-, Technologie- und Materialentwicklung Speichertechnologien sind von zentraler Bedeutung. Forschung und Industrie haben in den letzten Jahren sehr viel Erfahrung gesammelt. Entwicklungen laufen teilweise viel schneller ab als prognostiziert. Deutsche Industrie und Forschung hat insbesondere durch disruptive Innovationen sowie Randthemen der Elektromobilität noch viel Potential. Bildquelle: TUM/Heddergott 18