Energiespeicher-Monitoring für die Elektromobilität (EMOTOR)

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1 Energiespeicher-Monitoring für die Elektromobilität (EMOTOR) Trendbericht Förderkennzeichen: 03X4616A Projektleitung in EMOTOR: Dr. Thomas Reiß Autoren: Andreas Sauer Dr. Axel Thielmann Karlsruhe, Juni 2013

2 Trendbericht EMOTOR IMPRESSUM Herausgeber Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI Breslauer Straße Karlsruhe Förderung Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Referat 511, Neue Werkstoffe, Nanotechnologie Bonn

3 Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis Kurzfassung Aufbau des Trendberichts Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität Schlüsselkomponenten für die Elektromobilität Energiespeicher für die Elektromobilität Relevanz von Energiespeichern für die Elektromobilität Wissenschafts- und Technologiemonitoring Publikationsanalysen Energiespeicher im Vergleich Batterietypen im Vergleich Lithium-Ionen Batterien Lithium-Ionen Batterie Komponenten Kathodenentwicklungen Anodenentwicklungen Elektrolytentwicklungen Patentanalysen Lithium-Ionen Batterien Lithium-Ionen Batterie Komponenten Internationales Trend-Monitoring Technologie Energiedichte Lebensdauer Sicherheitsanforderungen Kosten Vielversprechendste Elektrochemie... 56

4 ii Inhaltsverzeichnis Neue Batteriekonzepte Markt Die TOP 3 der Batterie-Hersteller Der Stellenwert von Joint Ventures Wettbewerb - Potenziale der einzelnen Länder Japan Südkorea China Deutschland USA Frankreich Politik - Engagement der einzelnen Regierungen Literaturverzeichnis... 71

5 Abbildungsverzeichnis I Abbildungsverzeichnis Abbildung 2 1: Bestandsentwicklung von PHEV und BEV in verschiedenen Studien... 8 Abbildung 2 2: Erkenntnisse zu technischen Änderungen bei Elektrofahrzeugen Abbildung 2 3: Vereinfachte Darstellung der E-Mobility Wertschöpfungskette Abbildung 2 4: Die Gewinnzonen der Elektromobilität Abbildung 2 5: Vergleich von Benzin-, PHEV und BEV für den Personenverkehr Abbildung 2 6: Relevanz von Batterietypen für Elektromobilität (Expertenbefragung) Abbildung 2 7: Relevanz von Batterietypen für station. Speicher (Expertenbefragung) Abbildung 2 8: Relevanz von Batterietypen für weitere Anwendungen (sonst/nische) Abbildung 3 1: Monitoring-System des Fraunhofer ISI Abbildung 3 2: Publikationsdynamik ausgewählter Energiespeicher im Vergleich Abbildung 3 3: Relative Spezialisierung der Länder im Bereich ausgewählter Energiespeichertechnologien (Zeitraum: ) Abbildung 3 4: Publikationsanteile der Batterietypen zwischen 1990 und Abbildung 3 5: Relative Spezialisierung der Länder im Bereich ausgewählter Batterietechnologien in Abbildung 3 6: Relative Spezialisierung der Länder im Bereich ausgewählter Batterietechnologien in Abbildung 3 7: Aktivste Länder im Bereich der Lithium-Ionen Batterien in Abbildung 3 8: Publikationsanteile zu LIB nach Weltregionen ( ) Abbildung 3 9: Publikationsanteile zu LIB nach Ländern ( ) Abbildung 3 10: Publikationsanteile der aktivsten Länder zu LIB ( ) Abbildung 3 11: Publikationsanteile zu LIB nach EU Ländern ( ) Abbildung 3 12: Publikationsentwicklung nach LIB Komponenten ( ) Abbildung 3 13: Relative Spezialisierung zentraler Länder nach LIB Komponenten ( )... 37

6 II Abbildungsverzeichnis Abbildung 3 14: Relative Spezialisierung zentraler Länder nach LIB Komponenten ( ) Abbildung 3 15: Zunahme der Publikationsaktivitäten 2012 gegenüber Abbildung 3 16: Publikationsanteile nach Ländern 2012 gegenüber Abbildung 3 17: Publikationsentwicklung nach Kathodenmaterialien ( ) Abbildung 3 18: Aktivste Länder im Bereich der Kathodenentwicklung in Abbildung 3 19: Publikationsentwicklung nach Anodenmaterialien ( ) Abbildung 3 20: Aktivste Länder im Bereich der Anodenentwicklung in Abbildung 3 21: Publikationsentwicklung nach Elektrolyten ( ) Abbildung 3 22: Aktivste Länder im Bereich der Elektrolytentwicklung in Abbildung 3 23: Publikations- vs. Patentdynamik bei Lithium-Ionen Batterien Abbildung 3 24: Patententwicklung nach Hauptanmeldeländern ( ) Abbildung 3 25: Patentanteile der Hauptanmeldeländer ( ) Abbildung 3 26: Patentanteile der Hauptanmeldeländer in Abbildung 3 27: Patententwicklung nach LIB Komponenten ( ) Abbildung 3 28: Relative Spezialisierung der Hauptanmeldeländer nach LIB Komponenten ( ) Abbildung 3 29: Relative Spezialisierung der Hauptanmeldeländer nach LIB Komponenten ( ) Abbildung 4 1: Seite 1 des Fragebogens Abbildung 4 2: Seite 2 des Fragebogens Abbildung 4 3: Antworten auf Frage 1 (Energiedichte) als Mittelwerte sowie Prozentangabe der Antwortenden, welche die jeweilige Batterietechnologie nie im Einsatz erwartet und/oder für irrelevant hält Abbildung 4 4: Antworten auf Frage 2 (Lebensdauer) als Mittelwerte sowie Prozentangabe der Antwortenden, welche die jeweilige Batterietechnologie nie im Einsatz erwartet und/oder für irrelevant hält Abbildung 4 5: Antworten auf Frage 3 (Sicherheitsanforderungen) als Mittelwerte sowie Prozentangabe der Antwortenden,

7 Abbildungsverzeichnis III welche die jeweilige Batterietechnologie nie im Einsatz erwartet und/oder für irrelevant hält Abbildung 4 6: Antworten auf Frage 4 (Kosten) als Mittelwerte sowie Prozentangabe der Antwortenden, welche die jeweilige Batterietechnologie nie im Einsatz erwartet und/oder für irrelevant hält Abbildung 4 7: Antworten auf Frage 5 aus Sicht der Länder (vielversprechendste Elektrochemie für die nahe Zukunft 2015/2020) Abbildung 4 8: Antworten auf Frage 6 (Neue Batteriekonzepte) Abbildung 4 9: Antworten auf Frage 7 (Die TOP 3 der Batterie-Hersteller) Abbildung 4 10: Antworten auf Frage 8 (Der Stellenwert von Joint Ventures, 1 = unwichtig, 5 = essentiell) Abbildung 4 11: Antworten der japanischen UmfrageteilnehmerInnen auf Frage 8 (Potenziale der einzelnen Länder) Abbildung 4 12: Antworten der südkoreanischen UmfrageteilnehmerInnen auf Frage 8 (Potenziale der einzelnen Länder) Abbildung 4 13: Antworten der chinesischen UmfrageteilnehmerInnen auf Frage 8 (Potenziale der einzelnen Länder) Abbildung 4 14: Antworten der deutschen UmfrageteilnehmerInnen auf Frage 8 (Potenziale der einzelnen Länder) Abbildung 4 15: Antworten der US-amerikanischen UmfrageteilnehmerInnen auf Frage 8 (Potenziale der einzelnen Länder) Abbildung 4 16: Antworten der französischen UmfrageteilnehmerInnen auf Frage 8 (Potenziale der einzelnen Länder) Abbildung 4 17: Die Antworten auf Frage 10 (Engagement der einzelnen Regierungen [A] absolut und [B] im Ländervergleich, jeweils aus Sicht der ExpertInnen der genannten Länder)

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9 Einleitung 1 Kurzfassung Mit der Elektromobilität als wichtigem Zukunftstrend entstehen zahlreiche neue Märkte. Nicht zuletzt deshalb hat sie eine große gesellschafts- und wirtschaftspolitische Bedeutung. Im Koalitionsvertrag der aktuellen Bundesregierung sind dazu zwei konkrete Ziele zur Umsetzung gesteckt: Deutschland zum Leitmarkt und Leitanbieter für die Elektromobilität bis 2020 zu entwickeln und eine Million Elektrofahrzeuge bis 2020 auf die Straße zu bringen. Auf der Internationalen Konferenz Elektromobilität mit dem Motto "Elektromobilität bewegt weltweit" im Mai 2013 in Berlin hat die Bundesregierung erneut ihr Ziele bekräftigt. In diesem Kontext werden seit der Grundsteinlegung durch das Integrierte Energie- und Klimaprogramm (IEKP) der Bundesregierung in 2007 umfangreiche Förderprogramme für Forschungs-, Entwicklungs- und Demonstrationsvorhaben im Bereich Elektromobilität unterstützt, welche in letzter Konsequenz auf die Produktion von Serienfahrzeugen und einen Markthochlauf abzielen. Großformatige und leistungsfähige Energiespeichertechnologien (insbesondere Batterien) gelten dabei als eine der maßgeblichen Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität (STROM), welche durch das gleichnamige BMBF-Förderprogramm durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt werden. Obwohl Deutschland stark in der Grundlagenforschung wie z. B. in Materialwissenschaften oder Chemie ist, über eine gut ausgeprägte Forschungsinfrastruktur verfügt (z. B. Universitäten, angewandte Forschungsinstitute) und eine weltweite technologische Spitzenposition in den Bereichen Automobilbau, Antriebstechnik und Leistungselektronik einnimmt, mangelt es dennoch an einer genügenden Anzahl adäquat ausgebildeter Elektrochemie- bzw. Batterieexperten sowie an großen Zell- bzw. Batterieherstellern. Damit Deutschland zum Leitmarkt für Elektromobilität und Leitanbieter für Schlüsselkomponenten wir die Batterietechnologie werden kann, muss aber Know-how in allen relevanten Schlüsseltechnologien entlang der gesamten elektromobilen Wertschöpfungskette zur Verfügung stehen. Besonders im Bereich der Batterietechnologien führen heute noch asiatische Länder wie Japan, Südkorea und zunehmend China. Auch die USA investieren derzeit verstärkt im Bereich der Elektromobilität und darunter der Batterietechnologien. Es gilt daher die internationalen Aktivitäten und Entwicklungstrends im Auge zu behalten um rechtzeitig geeignete Rahmenbedingungen setzen zu können, welche die Umsetzung der Ziele der Bundesregierung unterstützen.

10 2 Trendbericht EMOTOR Der vorliegende Trendbericht zu dem im Rahmen des BMBF-Förderprogramms STROM geförderten Energiespeicher-Monitoring (EMOTOR) bietet einen Überblick zum Status quo sowie den Entwicklungstrends in Schlüsseltechnologien und - komponenten für die Elektromobilität mit dem Fokus auf Lithium-basierten Batteriekonzepten. Diesen wird für die Markteinführung und nachhaltige Etablierung der Elektromobilität eine zentrale Rolle beigemessen. Als die mit Abstand vielversprechendsten Systeme werden dabei insbesondere die Li- S-Batterie als disruptive Entwicklung sowie die Li-Hochvoltbatterie als evolutionäre Entwicklung von nationalen und internationalen Elektrochemie- und Batterieexperten für die zeitnahe Anwendung in Elektromobilen beurteilt. Die Li-Luft-Batterie könnte der Elektromobilität in ferner Zukunft (jenseits des Jahres 2030) zu einem breiten Durchbruch verhelfen, ihre Entwicklung zur Marktreife ist aber noch mit enormen Unsicherheiten und entsprechend großen Risiken behaftet. Die Brennstoffzellentechnologie sollte deshalb aus Sicht der Experten nicht aus den Augen gelassen werden, weil sie in Zukunft komplementär zur Lithium-Ionen-Batterie eingesetzt werden kann und dadurch die Ausnutzung der Vorteile beider Entwicklungen ermöglichen könnte. Auf diese Weise könnten zum Beispiel kürzere Reichweiten mit kleineren Fahrzeugen durch den Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien und längere Reichweiten mit größeren Fahrzeugen durch den Einsatz der Brennstoffzellentechnologie erreicht werden. Deutschland weist in den eng miteinander verknüpften Bereichen Brennstoffzellenforschung und Wasserstoffspeicherung noch heute eine relativ ausgeprägte Spezialisierung auf. Die qualitativen Experteneinschätzungen stimmen relativ gut mit den quantitativen Ergebnissen der bibliometrischen Analysen überein, welche im Rahmen des wissenschaftlich-technischen Monitoring auf Basis von Publikations- und Patentanalysen durchgeführt wurden. So zeigt sich in den aktuellen Forschungsbemühungen eine zunehmende Aktivität sowohl im Bereich der Li-S- und Metall-Luft-Batterien, wenn auch auf einem heute noch weltweit geringen Niveau, als auch im größten Bereich der Batterieforschung, der Lithium-Ionen-Batterie. Gemessen an der Zahl der Publikationen hat sich Deutschland gerade in den letzten Jahren von 2009 bis 2013, in der wissenschaftlichen Forschung zum fünftgrößten Akteur in der Welt hinter China, USA, Südkorea und Japan entwickelt. Gemessen an Patentanmeldungen liegt Deutschland hinter Japan und Südkorea mittlerweile gemeinsam mit den USA und China gleich auf. Die aktuell stark ansteigenden Publikationsund Patentaktivitäten unterstreichen die besondere Rolle der Bundesregierung durch die seit 2009 massiv verstärkte Förderung des Themas.

11 Einleitung 3 Eine detailliierte Untersuchung der relativen Spezialisierung der Hauptakteure in der Material-, Komponenten-, Zell- und Systementwicklung im Bereich der Lithium-Ionen- Batterien sowie deren Vergleich mit weiteren Energiespeichertechnologien weist auf die unterschiedlichen Forschungsstrategien der international konkurrierenden Länder hin. Während sich China und die USA oftmals in komplementären Technologiebereichen spezialisiert haben, haben sich Japan und Südkorea zumeist eher gleichermaßen stark über viele Technologiefelder hinweg aufgestellt. Dies gilt auch auf der Ebene der Lithium-Ionen Batterieentwicklung. Auf Zell- und Systemebene haben sich bislang stärker die USA fokussiert, China war hier unterspezialisiert, hat sich aber stärker im Bereich der Elektrodenentwicklung spezialisiert. Japan und Südkorea liegen oftmals dazwischen und decken somit den gesamten Forschungsbereich umfassend ab. Auf der Ebene neuer, noch junger Batteriekonzepte, ebenso wie im Bereich einzelner Materialentwicklungen, in welchen die Publikationszahlen kleiner werden, lassen sich aber spätestens differenziertere Akzente der einzelnen Länder und somit mögliche Forschungsstrategien erkennen. So setzen die USA besonders stark auf den disruptiven Ansatz der Metall-Luft-, insbesondere Li-Luft-Technologie. Diese Vorgehensweise deckt sich mit den anderen Förderstrategien der USA (insbesondere denen des Department of Energy, kurz DoE). Japan setzt seit 2010 ebenfalls Schwerpunkte auf diesen Bereich. Auf die Li-S-Batterie haben sich in den aktuellen Jahren China, die USA und Südkorea aber auch Deutschland spezialisiert. Auf Basis dieser Analysen lässt sich festhalten, dass Deutschlands umfassende Anstrengungen, sowohl in der wissenschaftlichen Batterieforschung als auch der industriellen Technologieentwicklung Kompetenzen aufzubauen, erste Früchte tragen. Während sich die USA insgesamt eher auf disruptive Entwicklungen und damit sehr spezifische Ansätze fokussieren, versuchen die großen asiatischen Akteure möglichst alle Bereiche abzudecken. Letzteres bedeutet allerdings auch, dass sie sich spätestens auf der Ebene einzelner grundlegender Konzepte, Materialentwicklungen sowie der Prozess-/Produktionstechnologien für bestimmte Förderschwerpunkte, und damit Forschungsstrategien entscheiden müssen. Diese sollen im weiteren Verlauf des Projektes in einem Ländervergleich tiefergehend untersucht werden. Der Versuch der breiten und möglichst umfassenden Abdeckung aller Bereiche ist auch bei den Patentaktivitäten Japans, Südkoreas und der USA prinzipiell zu beobachten. Dies deckt sich mit der Tatsache, dass in Japan (und in einem kleineren Maßstab auch in Südkorea) einige wenige große Unternehmen versuchen, sowohl die gesamte Technologieentwicklung abzubilden als auch die anschließende Kommerzialisierung

12 4 Trendbericht EMOTOR vollständig selbst zu realisieren. Die Lage in den USA ist eher durch viele kleinere Unternehmen und deren Aktivitäten geprägt, welche auf verschiedenen Stufen der Wertschöpfungskette liegen. In China haben die Patentaktivitäten erst in den letzten Jahren zugenommen und liegen mittlerweile auf einem vergleichbaren Niveau mit Deutschland. Der aktuelle Trend gemessen an der Publikations- und Patentdynamik weist darauf hin, dass Japan und mit kleineren Anteilen Südkorea für die kommenden Jahre die Entwicklungen der Lithium-Ionen Batterien dominieren werden. Die ehemals starken Länder USA und Frankreich fallen hier nach den jüngsten Erhebungen zurück, die USA auf das Level Deutschlands und Chinas, Frankreich noch drastischer mit fast verschwindenden Anteilen. In den kommenden Jahren ist keine grundsätzliche Neuaufstellung der Akteure zu erwarten, aber es zeigt sich weiterhin ein deutlicher Trend zur Verschiebung der Kompetenzen in den asiatischen Raum. Für Deutschland als derzeit wichtigstes europäisches Land bzw. wichtigster Treiber für die Forschung und Entwicklung rund um Energiespeicherkonzepte für die Elektromobilität ist auch für die nächsten Jahre eine führende Rolle innerhalb Europas auszumachen. Aus Sicht internationaler ExpertInnen aus Forschung und Industrie auf dem Gebiet der Batterietechnologie, wie eine Befragung zeigt, liegen die Stärken bzw. Potenziale Deutschlands auch weltweit eine führende Rolle einzunehmen weniger in dem Erreichen hoher Energiedichten oder der Kostenreduktion von Batterien sondern vielmehr darin, Batterietechnologien mit hohen Sicherheitsstandards und Qualität zu entwickeln. Im Rahmen der weiteren Entwicklung von Batterien der zweiten oder gar dritten Batteriegeneration wird Deutschland noch Erfahrungen in der Produktion aufbauen müssen, um ggf. jenseits 2020 mit Batterien der dritten bzw. dann auch vierten Generation auf eine Leitanbieterschaft für Batterietechnologie hinarbeiten zu können (vgl. Strategiebericht im EMOTOR-Projekt).

13 Einleitung 5 1 Aufbau des Trendberichts Der vorliegende Trendbericht behandelt vorwiegend wissenschaftlich-technische Trends der Batterieentwicklung im Kontext der Elektromobilität und fokussiert insbesondere auf die Analyse des Forschungssystems Batterie und seiner Akteure anhand von Literaturanalysen, qualitativen und quantitativen nationalen und internationalen Expertenbefragungen von Elektrochemie-/Batterie-Experten aus Forschung und Industrie sowie Analysen wissenschaftlicher Publikationen und Patentanmeldungen. In Kapitel 2 wird der Stand der Wissenschafts- und Technologieentwicklung auf einer qualitativen Ebene diskutiert. Dabei wird zunächst auf Schlüsseltechnologien und - komponenten für die Elektromobilität eingegangen (Kapitel 2.1) und im Detail der Entwicklungsstand (Kapitel 2.2), Herausforderungen und die Bedeutung unterschiedlicher Energiespeicherkonzepte aus Sicht nationaler Experten diskutiert. Hierbei wird auf die Brennstoffzellentechnologie und Wasserstoffspeicherung, Lithium-Ionen Batterien und weitere elektrochemische Energiespeicher eingegangen (Kapitel 2.3). In Kapitel 3 werden Ergebnisse bibliometrischer Analysen für ein Wissenschafts- und Trendmonitoring vorgestellt. Die historische Entwicklung, Dynamik und sich abzeichnende internationale Trends sowie die relative Positionierung Deutschlands im Bereich unterschiedlicher Energiespeicher, der Lithium-Ionen Batterie und Entwicklung von Teilkomponenten kann hiermit auf einer quantitativen Ebene untersucht werden und mit qualitativen Einschätzungen verglichen werden. Kapitel 3.1 bezieht sich dabei auf wissenschaftliche Trendanalysen zur Batterieforschung und alternativen Energiespeichern für die Elektromobilität. Es werden sich abzeichnende Entwicklungstrends identifiziert. Hierzu wird ein bibliometrisches Monitoring-System genutzt. Suchstrategien zu wissenschaftlichen Publikationen im ISI Web of Science (WoS) ermöglichen dabei die Analyse der Entwicklung wissenschaftlicher Publikationen zu Batterien und alternativen Energiespeichern bis hinunter zu Systemkomponenten und Materialentwicklungen. Die Analysen können bis zum jeweils aktuellen Jahr durchgeführt (z. B. derzeit 2013) und regelmäßig (z. B. jährlich) aktualisiert werden. Kapitel 3.2 bezieht sich auf technologische Trendanalysen. Hierzu wird ein entsprechendes Monitoring-System, wie in Kapitel 3.1 zugrunde gelegt, aufgebaut. Die Ergebnisse der Suchstrategie zu Lithium-Ionen Batterien (transnationale Patentrecherchen über EP- und WOPATENT) werden vertiefend diskutiert. In Kapitel 4 werden Ergebnisse einer internationalen Befragung von Elektrochemie-/ Batterieexperten der führenden Länder Japan, Südkorea, China, USA, Deutschland

14 6 Trendbericht EMOTOR und Frankreich (wie anhand der Publikationen und Patentdaten dargelegt) vorgestellt. Die qualitativen Einschätzungen aus Sicht der Literatur und nationaler Experten in Kapitel 2 sowie die quantitativen wissenschaftlich-technologischen Entwicklungen aus Kapitel 3 können anhand internationaler Einschätzungen reflektiert werden und zeigen, wo Deutschland nach Einschätzung internationaler Experten heute steht und welche künftigen Entwicklungstrends im Vergleich und aus Sicht der führenden Länder in den kommenden Jahren zu erwarten sind. Die wichtigsten Ergebnisse des Berichts sind in der dem Bericht voran gestellten Kurzfassung dargestellt.

15 Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität 7 2 Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität Im Rahmen der aufkommenden Elektromobilität eröffnen sich neue Märkte für die verschiedenen elektrifizierten Anwendungen. Eine Entwicklung, auf welche nicht nur die Staaten schnell reagieren müssen, welche das Potenzial hinsichtlich zusätzlicher Arbeitsplätze und entsprechend großem Weltmarktvolumen bzw. -absatz erschließen möchten, sondern auch die beteiligten Industrien, welche sich schnell genug und richtig positionieren müssen. Für diese Industrien entscheidend ist die Fragestellung, wie die elektrifizierten Anwendungen der Zukunft aussehen werden. Weil der vom Umsatzvolumen her größte Markt im Allgemeinen bei den Nachfolgern heutiger Automobile gesehen wird, konzentrieren sich die folgenden Aussagen auf vierrädrige Individualfahrzeuge, welche als Elektromobile bezeichnet werden. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um vier Fahrzeugkonzepte, welche entweder einen Elektromotor als Antrieb verwenden und/oder eine relevante Menge an elektrischer Energie in Batterien gespeichert haben: Hybridfahrzeuge (Hybrid Electric Vehicles HEV), welche die Kombination eines Elektroantriebs mit einem Verbrennungsmotor an Bord haben, Plug-In-Hybridfahrzeuge (Plug-In-Hybrid-Vehicles PHEV), welche in Gegensatz zu den HEV noch über eine Netzanschlussmöglichkeit verfügen, Rein elektrisch betriebene Elektrofahrzeuge (Battery Electric Vehicles BEV) sowie Wasserstofffahrzeuge mit Brennstoffzellen (Fuel Cell Vehicles FCV). In unterschiedlichen Studien wurden Szenarien zur Abschätzung der zukünftigen Entwicklung des gesamten Elektromobilitätsmarktes in Deutschland entwickelt (Abbildung 2-1). Die Vorhersagen des Marktanteils von Elektrofahrzeugen der verschiedenen Szenarien weichen dabei stark voneinander ab. Während anfangs die Prognosen zur Verbreitung der Elektromobilität in den nächsten 10 bis 20 Jahren sehr optimistisch waren, sind die Schätzungen heute vorsichtiger. Aus heutiger Sicht erscheint das Ziel der Bundesregierung von einer Million Elektrofahrzeugen zwar erreichbar, aber durchaus ambitioniert.1 Plug-in-Hybride und reine Batteriefahrzeuge weisen ein relevantes Potenzial zur Steigerung der Energieeffizienz, zur Reduktion der Treibhausgasemissionen sowie lokaler Emissionen wie Schadstoffe und Lärm auf. Entscheidend für die gesamte Umweltbi- 1 Vgl. Dallinger et al. (2011), Seite 26

16 8 Trendbericht EMOTOR lanz ist jedoch die Art der Stromherstellung. Weiterhin weisen Elektrofahrzeuge erst bei höheren Fahrleistungen eine positive Umweltbilanz auf, da sie u. a. energieintensiver in der Herstellung sind. Hohe Fahrleistungen sind gleichfalls eine Voraussetzung für einen ökonomischen Betrieb der Elektrofahrzeuge, da sie noch auf längere Zeit teurer in der Anschaffung sein werden und sich erst bei einer entsprechenden Fahrleistung über die geringeren Betriebskosten rechnen. Abbildung 2 1: Bestandsentwicklung von PHEV und BEV in verschiedenen Studien2 Für relevante Marktanteile jenseits der für 2020 angestrebten eine Million Elektrofahrzeuge müssen jedoch noch eine Reihe von Herausforderungen gelöst werden, insbesondere auf Seiten der Batterieentwicklung. Weiterhin sind förderliche Rahmenbedingungen und intelligente Mobilitätskonzepte für eine ökologische, wirtschaftliche und nutzerfreundliche Mobilität zu schaffen. Der kurzfristig mögliche Markterfolg sollte daher realistisch eingeschätzt werden. Der Einsatz und die Verbreitung von Elektrofahrzeugen in gewissen Marktfeldern wie in Firmen- und Serviceflotten, im innerstädtischen Lieferverkehr sowie in aufgeschlossenen Privatkundensegmenten, welche eine hinreichende Fahrleistung aufweisen, erscheint realistisch, aber nicht selbstverständlich. Sinnvoll für den Einsatz in Megacities erscheinen neue Fahrzeugtypen wie elektromo- 2 Vgl. Dallinger et al. (2011), Seite 25 bzw. vgl. Wietschel et al. (in Vorbereitung)

17 Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität 9 bile Kleinstfahrzeuge und Pedelecs sowie neue Mobilitätskonzepte, welche Elektrofahrzeuge in Car-Sharing-Flotten bzw. den öffentlichen Verkehr integrieren und so eine hohe Auslastung erreichen. Da reine Batteriefahrzeuge aufgrund der technologischen Grenzen bei den Batterien in den nächsten 10 bis 15 Jahren wahrscheinlich nur im begrenzten Umfang konventionelle Fahrzeuge ersetzen können, erscheinen Plug-in-Hybride vielversprechend. Die Nationale Plattform Elektromobilität rechnet für 2020 entsprechend mit mehr Plug-in- Hybriden als reinen Batteriefahrzeugen.3 Diese stellen allerdings wegen der Kombination aus mechanischem und elektrischem Antrieb die anspruchsvollste Form der Elektromobilität dar. Hier bietet sich aber auch eine Chance für Deutschland, da in diesen Bereichen große Kompetenzen vorhanden sind. Anders sieht es im Bereich der Batteriezellen aus, die einen erheblichen Teil an der Wertschöpfung bei Elektrofahrzeugen ausmachen. Bei diesen weist Deutschland kaum noch Kompetenzen auf wissenschaftlicher und industrieller Seite auf; diese müssen erst mühsam mit viel Kapital wieder aufgebaut werden. Offen dabei ist, ob der heutige Vorsprung insbesondere asiatischer Länder bei der Lithium-Ionen-Batterie überhaupt aufgeholt werden kann. Je nachdem erscheinen Investitionen in die nächste Batteriegeneration erfolgsversprechender oder sollten zumindest parallel betrieben werden. 2.1 Schlüsselkomponenten für die Elektromobilität Für eine erfolgreiche, umfassende Markteinführung von Elektrofahrzeugen müssen also noch eine Reihe an wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen gelöst werden. Beispielsweise müssen Elektromotoren so verbessert werden, dass sie den Anforderungen hinsichtlich Qualität, Preis und Leistung genügen, die On-Board- Leistungselektronik muss leichter und effizienter werden, Schnellladesysteme sowie neue technische Ansätze zur Klimatisierung und Wärmebereitstellung der Fahrgastzelle müssen entwickelt werden. Eine der wichtigsten Schlüsselkomponenten ist aber, aufgrund ihres heute noch hohen Anteils an den Fahrzeugkosten und den limitierenden Reichweiten, die Batterie. Durch die Betrachtung des rein elektrisch betriebenen Elektrofahrzeuges werden die Herausforderungen, vor welchen die produzierenden Unternehmen in der deutschen Wirtschaft, insbesondere im (Zuliefer-)Sektor der Automobilwirtschaft stehen, am deut- 3 Vgl. Dallinger et al. (2011), Seite 13

18 10 Trendbericht EMOTOR lichsten offenbar. Dort sind gewaltige Umwälzungen zu erwarten, und die Frage wird sein, ob sie in den bereits vorhandenen Unternehmen stattfinden oder auf dem Level des Marktes für den Aufstieg und Fall neuer bzw. etablierter Unternehmen sorgen. Die offensichtliche Begründung liegt dabei in der veränderten Beschaffung der elektromobilen Produkte im Vergleich mit bereits etablierten Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Am Beispiel des Automobils können die anstehenden Umwälzungen gut gezeigt werden (Abbildung 2-2). Es zeigt sich, dass zahlreiche Komponenten der konventionellen Fahrzeuge im Elektromobil der Zukunft entweder gar keine Anwendung mehr finden werden (wie z. B. die Abgasanlage) oder in überarbeiteter Form betrieben werden müssen (wie z. B. Heizung und Kühlung). Manche Komponenten (wie z. B. die Batterie) werden in den zukünftigen Fahrzeugen auch komplett neu hinzukommen. Abbildung 2 2: Erkenntnisse zu technischen Änderungen bei Elektrofahrzeugen4 Zulieferunternehmen im Bereich der künftig in Elektrofahrzeugen entfallenden Komponenten ebenso wie potenziell neue Zulieferunternehmen für die Automobilindustrie müssen sich daher in den nächsten Jahren dringend auf die neuen Herausforderungen einstellen und sollten daher eine gute Informationsbasis für strategische Entscheidungen und Investitionen haben. Mit dem Austausch bzw. der Modifikation der Fahrzeugkomponenten wird aus dem Prozess des Tankens mit der Batterietechnologie ein Prozess des Ladens. Abgase bzw. Emissionen werden in Zukunft keine mehr entstehen und statt konventioneller 4 Vgl. IHK Region Stuttgart (2011)

19 Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität 11 Kühlung oder Heizung wird ein neues System zum Einsatz kommen, welche das Klimamanagement im Innenraum eines Elektromobils übernimmt. Weiterhin gibt es viele notwendige Systemanpassungen, welche für die Verwirklichung von Elektromobilität (nicht zuletzt für den Massenmarkt) unumgänglich sind. An deren Ausgangspunkt stehen zumeist ganz praktische Fragestellungen: Wo laden viele tausend Stadtbewohner ihre Elektrofahrzeuge auf? Welche Ladekonzepte gibt es für welche Anwendungen, und wo werden sie von wem und zu welchen Kosten angeboten? Woher kommt der Strom für den Betrieb der Fahrzeuge? Wie kann die teure Batterie finanziert werden? Und ist sie recycelbar? Im Rahmen dieser Überlegungen kommen dann auch zunehmend viele Unternehmen ins Spiel, welche keinen Produktionsschwerpunkt haben, sondern Dienstleistungen und Services anbieten und so zur Marktentwicklung der Elektromobilität beitragen. Kritisch wird die neue Entwicklung für die deutschen Unternehmen dann, wenn es um die Veränderungen innerhalb der etablierten Wertschöpfungskette z. B. rund um das Automobil geht. Andere Länder (vor allem im ostasiatischen Raum) sind gefühlt im Begriff, in den besonders wertvollen Kerntechnologien die erforderliche Expertise zuerst aufzubauen und diese mittels konkreter Produkte kommerziell anzubieten, bevor der deutsche Standort soweit ist. Für einen sich öffnenden Massenmarkt muss aber eine frühzeitige Positionierung das höchste Ziel sein woraus zahlreiche deutsche Unternehmen bereits heute Handlungsbedarf für sich ableiten. Zwei Abbildungen der Unternehmensberatung Oliver Wyman zeigen die neuen Herausforderungen sehr deutlich. Zum einen lässt sich anhand der Darstellung der zukünftigen Wertschöpfungskette rund um das Elektromobil erkennen, welche gravierenden Änderungen stattfinden müssen und werden (Abbildung 2-3). Die Batterie wird Einzug halten in Fahrzeugproduktion und -vertrieb, und die Motorenproduktion dabei nicht einfach ersetzen im Sinne einer Substitution. Weil die zugrundeliegenden Technologien nicht einmal annähernd die gleichen sind, ist davon auszugehen, dass auch die Einführung der Batterie in deutsche Produktionshallen das Konzept der Lernkurve bestätigen wird (siehe hierzu auch Produktions- und Nachhaltigkeitsbericht im Rahmen des EMOTOR Projekts). Die sich davon versprochenen Kostenreduktionen könnten auf kurzfristiger Basis und bei schlechter Vorbereitung noch mit viel Lehrgeld bezahlt werden. Die Einordnung der Batterie bzw. der entsprechenden Module/Systeme auf der gleichen Ebene wie das Fahrzeug deutet bereits sehr deutlich an, welche Bedeutung der neuen Technologie als zukünftige Fahrzeugkomponente beigemessen wird. Die Spalte Energieversorgung macht deutlich, dass auch die bisherige Versorgung der Automobilfahrer über eine Tankstelleninfrastruktur mit teilweise ziemlich komplexen

20 12 Trendbericht EMOTOR Alternativen konfrontiert werden wird, welche es auszudiskutieren und im Sinne der Forschung und Entwicklung nicht nur in den Griff zu bekommen, sondern auch massenmarkttauglich auszugestalten gilt. Schließlich wird auch die Frage wichtig sein, wie die vermutlich auf längere Zeit noch teureren Elektrofahrzeuge attraktiv und vor allem finanzierbar gemacht werden können für den Massenmarkt: In der Spalte Finanzierung und Mobilität sind Fragestellungen wie die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle genannt. Abbildung 2 3: Vereinfachte Darstellung der E-Mobility Wertschöpfungskette5 Abbildung 2 4: Die Gewinnzonen der Elektromobilität6 5 Vgl. Oliver Wyman (2010) 6 Vgl. Oliver Wyman (2010)

21 Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität 13 Letztlich wird sich allerdings nicht nur die Wertschöpfungskette strukturell verändern, sondern auch die mit den einzelnen Stufen verbundenen Werte (Abbildung 2-4). Mit der Batterie als Schlüsselkomponente für die Elektromobilität wird eine hochpreisige Komponente die Produktionskosten (und den Marktpreis) für ein Elektromobil maßgeblich mitbestimmen. Und weil sich hier auch noch mehr Gewinn machen lassen wird als in den traditionellen Gewinnzonen, steht praktisch außer Frage, dass die in den letztgenannten Gewinnzonen starken deutschen Automobilhersteller ein großes Interesse an den neuen Gewinnzonen entwickeln. Dass Oliver Wyman im Bereich Fahrzeug/Flotten-Finanzierung & Leasing sowie bei den Mehrwertdiensten besonders hohe Gewinne vorhersagt, spielt angesichts der aktuellen Marktentwicklung (bzw. - vorbereitung) noch keine große Rolle. Aus den Augen verloren werden sollte die Thematik trotzdem nicht Energiespeicher für die Elektromobilität Während die Entwicklung und Produktion von Elektromotoren im Allgemeinen einen hohen technischen Stand erreicht hat, stellt die Bereitstellung der elektrischen Antriebsenergie eines Elektrofahrzeugs die wesentliche technische und wirtschaftliche Hürde auf dem Weg zur Durchsetzung der Elektromobilität dar. Unter allen Komponenten repräsentiert sie heute noch den höchsten Anteil an der Wertschöpfung eines Elektromobils von ca Prozent (NPE 2010, 2011). Nach der Energieversorgung an zweiter Stelle der technisch aufwendigsten und wirtschaftlich teuersten Komponenten eines Elektromobils steht die Leistungselektronik. Sie regelt den Leistungsfluss zwischen dem Energiespeicher und dem Antriebsmotor und nimmt daher eine Schlüsselstellung für die systemische Integration aller elektrischen Komponenten eines Elektrofahrzeuges ein. Die Versorgung der Elektromobile mit den Energieträgern (Strom zum Laden der Batterie bzw. Betankung mit Wasserstoff oder anderen Energieträgern) erfordert zudem den Auf- bzw. Ausbau von geeigneten Netzinfrastrukturen. Auch aus diesem Grund wird als eine marktfähige Zwischenlösung auf dem Weg zu vollständig elektrisch betriebenen Fahrzeugen der Hybridantrieb gesehen. Als Energiequellen für Elektrofahrzeuge werden zwei Konzepte diskutiert: Die Speicherung von elektrischer Energie in Batterien und die direkte Verstromung von alternativen Brennstoffen wie Wasserstoff oder Methan in sogenannten Brennstoffzellen. In beiden 7 Vgl. Sauer (2011)

22 14 Trendbericht EMOTOR Fällen findet keine Verbrennung wie in herkömmlichen hochentwickelten KFZ-Motoren statt sondern eine direkte elektrochemische Umwandlung gespeicherter chemischer Energie in elektrische Antriebsenergie. Die Umstellung von Verbrennungs- auf Elektromobilität erfordert einen hohen Forschungs- und Entwicklungsaufwand. Die Hauptschwierigkeit liegt in der - verglichen mit konventionellen Kraftstoffen - begrenzten Speicherfähigkeit von elektrischer Energie. In dem Innovationsreport Konzepte der Elektromobilität und deren Bedeutung für Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt für den Deutschen Bundestag wird der technische Stand elektrischer Energiespeicher, insbesondere auch von verschiedenen Batteriesystemen und Brennstoffzellen ausführlich diskutiert (Peters et al. 2012). Für mobile Einsatzzwecke gewinnt der Aspekt von Gewicht und Volumen der Energiespeicher erheblich an Bedeutung. Zum maßgeblichen technischen Parameter wird somit nicht die gespeicherte Energie (in kwh) oder der Wirkungsgrad der Energiespeicherung, sondern die Energiedichte (bezogen auf Volumen oder Masse des Energiespeichers). Abbildung 2 5: Vergleich von Benzin-, PHEV und BEV für den Personenverkehr. Lithium-basierte Batterien stellen aus heutiger Sicht aufgrund ihrer hohen Energiedichte im Vergleich zu anderen verfügbaren Batteriesystemen die Batterien der Wahl für Elektrofahrzeuge dar. Um aber eine breite Markteinführung zu ermöglichen, müssen die Kosten mindestens um den Faktor drei gesenkt werden. Zusätzlich müssen die kalendarische Lebensdauer von sieben auf über zehn Jahre erhöht, Sicherheitsfragestellungen gelöst und die gravimetrische sowie die volumetrische Energiedichte optimiert werden. Aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften werden reine Elektrofahrzeuge mit Lithium-Ionen-Batterien jedoch auch künftig bei weitem nicht an die Reichweiten und Betankungszeiten konventioneller Pkw herankommen (Abbildung 2-5).

23 Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität 15 Zur Abgrenzung etablierter, heutiger und künftiger Batteriekonzepte wird oftmals der Begriff der Batteriegenerationen herangezogen, welcher auf den Vorschlag des deutschen Konzerns BASF SE zurück geht, die fortlaufende Batterieentwicklung in sinnvoll voneinander abgegrenzte Perioden einzuteilen (Thielmann et al. 2012): Erste Batteriegeneration: Die erste Batteriegeneration entspricht dem Stand der Technik - Lithium-Kobaltdioxid (LCO) als Kathodenmaterial ergänzt um Graphit als Anodenmaterial und organische Karbonate mit Lithium-Hexafluorophosphat (Summenformel LiPF6) als Elektrolyt. Batterien der ersten Generation sind heute für den Einsatz in der Konsumelektronik etabliert, sind aus Sicherheitsgründen aber nur bedingt für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet. Zweite Batteriegeneration: Die zweite Batteriegeneration bringt hinsichtlich des Kathodenmaterials neue Schichtstrukturen bzw. Schichtoxide (wie z. B. NMC oder NCA) oder Olivinstrukturen (wie z. B. LFP), Spinell- Strukturen (wie z. B. LMO) etc. mit sich. Verbesserte Kohlenstoffbasierte Anodenmaterialien werden auch weiterhin Einzug in die Batterieentwicklung halten, genauso wie Titanat-Anodenmaterialien und Lithium- Legierungen (siehe Li-Legierungen; z. B. mit Aluminium, Silizium und Zinn) sowie Kohlenstoff-Komposite (siehe C-Komposite; z. B. mit Silizium). Die Elektrolyte werden weiterhin mit Additiven optimiert werden, das Hexafluorophosphat zuerst reduziert und künftig ggf. gänzlich ersetzt. Daneben werden (Gel-)Polymer-Elektrolyte etc. entwickelt. Die zweite Batteriegeneration grenzt sich gegenüber der ersten Batteriegeneration durch den Ausschluss von LCO-Kathodenmaterial sowie der Entwicklung sichererer Batterien ab. Technologien der zweiten Batteriegeneration werden heute bereits in kommerziell verfügbaren Elektrofahrzeugen eingesetzt. Dritte Batteriegeneration: Die dritte Batteriegeneration bezieht sich auf die Verbesserung der Zellspannung von Lithium-Ionen-Batterien (siehe Hochenergie- Entwicklung). Damit einher geht der Bedarf von Hochvolt- Elektroden sowie Elektrolytmaterialien für die 5 V-Lithium-Ionen- Batterie. In Bezug auf die Abgrenzung gegenüber der zweiten Batteriegeneration steht die Entwicklung von Hochenergiebatterien (5 V-Batterien) im Fokus. Technologien der dritten Batteriegeneration befinden sich heute in der FuE und werden in den kommenden Jahren als marktreif für den Einsatz in Elektrofahrzeugen erwartet. Vierte Batteriegeneration: In der vierten Batteriegeneration werden Post-Lithium-Ionen- Batterien entwickelt werden. Li-basierte Systeme wie Li-S oder Li-Luft Batterien sind dabei ebenso eingeschlossen wie weitere Metall-Luft Systeme oder künftige neue Batteriekonzepte mit deutlich erhöhter Energiedichte. Die vierte Batteriegeneration grenzt sich somit durch einen Technologiesprung bzgl. der Energiedichte und somit auch der

24 16 Trendbericht EMOTOR Reichweite von Elektrofahrzeugen gegenüber Technologien der dritten Batteriegeneration ab. Die Weiterentwicklung dieser vierten Batteriegeneration ist für eine langfristig hohe Marktdurchdringung eine wesentliche Herausforderung. Mit künftigen Batterietypen erscheinen die Energiedichte und damit die Reichweite um den Faktor zwei bis fünf steigerbar, wodurch heutige Leistungsmerkmale von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren erreicht würden. Allerdings befindet man sich hier noch im Bereich der Grundlagenforschung; mit der Markteinführung solcher Batterien rechnen Experten in frühestens 12 bis 15 Jahren. Weitere technische Parameter neben der Energiedichte, die sich aus den typischen Anforderungen an Elektromobile ergeben, sind gleichermaßen geeignet, die Leistungsfähigkeit von Batterien bzw. Brennstoffzellen zu charakterisieren: Die Leistungsdichte (Peak Power) und die Leistung bei Kaltstart beschreiben die Abrufbarkeit von Leistungsspitzen, die zur Aufrechterhaltung einer hohen Fahrqualität erforderlich ist. Die kalendarische Lebensdauer (unabhängig von der Nutzung) und die maximale Nutzungsdauer bzw. maximale Fahrleistung haben direkte Auswirkungen auf die Kosten von Elektromobilen. Ein aus wirtschaftlicher Sicht wichtiger Benchmark sind die Kosten pro gespeicherter Kilowattstunde. Als wichtige Nebenziele können die Ausfallsicherheit der (Teil-) Systeme sowie Sicherheitsmerkmale im Fall von Unfällen und missbräuchlicher Verwendung gelten. Umweltgesichtspunkte machen ein einfaches Recycling von Batterien bzw. Brennstoffzellen und die Verwendung nichttoxischer Materialien erstrebenswert (Peters et al. 2012). Zusammenfassend gilt, während Lithium-basierte Batterietechnologien für eher kürzere Reichweiten und kleinere Fahrzeuge geeignet sind, werden Brennstoffzellen für größere Fahrzeuge und lange Reichweiten langfristig die wohl besten technologischen Eigenschaften bieten. Beide Ansätze scheinen für ihre spezifischen Einsatzbereiche nahezu konkurrenzlos bzw. nur in Konkurrenz mit dem Verbrennungsmotor zu sein. Als Hybrid-Technologien bieten Batterie- und Brennstoffzellentechnologie eine Chance, beide Einsatzfelder zu erschließen. Erste Kunden scheinen die Brennstoffzellenfahrzeuge anzunehmen. Bei BEV spielt die begrenzte Reichweite für die Akzeptanz der Kunden eine Rolle, obwohl diese mittlerweile mehr als 100 Kilometer betragen kann. Kleinfahrzeuge sind allerdings aufgrund der kompakten Bauweise nur schwierig mit Brennstoffzellen-Systemen auszustatten, weshalb die Lithium-Batterien hier Vorteile haben (Thielmann et al. 2012). Die geschilderten Zusammenhänge zeigen, dass Fahrzeuge mit Brennstoffzelle bereits heute einige Vorteile gegenüber PHEV und BEV haben. Dazu gehören beispielsweise

25 Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität 17 der höhere Energieinhalt im Tank (bzw. die höhere Energiedichte), die damit deutlich höhere Reichweite und die viel geringere Tankdauer. Vorteile der batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeuge liegen im deutlich höheren Wirkungsgrad sowie der höheren Leistungsdichte. Hinsichtlich der Energiedichte steht somit schon fest, dass auf Lithium-Batterien basierende Fahrzeugkonzepte erst mit der vierten Batteriegeneration (und einer deutlich erhöhten Energiedichte) bezüglich hoher Reichweiten konkurrenzfähig werden. Diese wird jedoch von den meisten Experten nicht vor dem Jahr 2025 bzw in Marktreife erwartet. 2.3 Relevanz von Energiespeichern für die Elektromobilität Auf Basis der im vorangegangenen Abschnitt diskutierten Vor- und Nachteile elektrischer Energiespeicher im Kontext der Elektromobilität zeigt eine Befragung einschlägiger nationaler Experten im Bereich der Elektrochemie und Batterieforschung, wie die Relevanz und relative Bedeutung einzelner Batterietypen für elektromobile, stationäre und sonstige Anwendungen (z. B. Konsumelektronik aber auch weitere Nischen) für die Zukunft eingeschätzt wird. Hierbei sollte nicht vergessen werden, dass sich bestimmte Batteriekonzepte neben elektromobilen Anwendungen auch für dezentrale stationäre Anwendungen eigenen können und im Rahmen der Energiewende, des künftigen Ausbaus der Energienetze auf Übertragungs- und Verteilnetzebene und konkret der Nutzung als lokale Speicher, z.b. in Home Solar Anwendungen, zu wichtigen Plattformtechnologien werden können. Daher sind an dieser Stelle die Einschätzungen der Relevanz von Energiespeichern für stationäre Anwendungen mitgedacht und diskutiert. Die Abbildungen 2-6, 2-7 und 2-8 geben die konsolidierte Einschätzung der Experten aus Forschungsabteilungen in den befragten Organisationen8 wieder. Diese Einschätzung ist konsistent mit den in mehreren Roadmaps des Fraunhofer ISI identifizierten Technologietrends (Thielmann et al. 2010, 2012). Bei der Einschätzung der Relevanz von Li-S Batterien für die Elektromobilität sind sich die Experten einig. Diese werden durchgängig als sehr relevant eingeschätzt (Einsatzbereich Elektromobilität, sowie künftig ggf. für stationäre Speicher). Auch die Bedeutung der Hochvolt-Batterie (5V) als evolutionäre Entwicklung der Lithium-Ionen Technologie fällt eindeutig aus, für stationäre Anwendungen ist die weitere Kostenreduktion 8 Basis: Befragung des Fraunhofer ISI im Rahmen des Roadmapping Workshops Energiespeicher für die Elektromobilität im Januar Zu den befragten Organisationen zählen VARTA, BASF, Evonik/Litarion, ZSW/TU München und Fraunhofer ISE. Die Darstellungen geben ein Stimmungsbild aus Sicht einschlägiger Experten zu diesem Zeitpunkt wieder.

26 18 Trendbericht EMOTOR jedoch noch wichtig. Die Li-Polymer Batterie wird als gleichermaßen relevant für alle Anwendungen eingestuft. Nur, wenn eine deutliche Erhöhung der Sicherheit erzielt werden kann, wird diese aber spezifisch für die Elektromobilität interessant. Li-Feststoffbatterien (nicht Polymer) werden eher als Nischenanwendungen für Hochpreisprodukte gesehen und als hochinnovative Lösungsansätze eingeschätzt. Durch die Miniaturisierung könnte es aus Sicht der Experten einen Pusch geben und vielfältige Nischenanwendungen könnten sich ergeben. Die Li-Metall Batterie wird als weniger relevant für die Elektromobilität eingestuft. Da das verwendete Anodenmaterial jedoch auch u. a. in den Systemen Li-Luft und Li-S zum Einsatz kommt, sind weitere Forschungsaktivitäten an dem System dennoch generell von Interesse. Nach Ansicht der Experten sind alle Lithium-Ionen-Systeme prinzipiell für alle Anwendungen geeignet. Die Li-Ionen Batterie ist und bleibt aber zunächst die Batterie für den Konsumerbereich und in Zukunft die Elektromobilität. Für stationäre Speicher wird sie heute noch als zu teuer eingeschätzt. Erst mit einer deutlichen Kostensenkung dürfte diese gegenüber der Bleibatterie wettbewerbsfähig werden und entsprechend ihre Relevanz steigen. Unter den Metall-Luft Batterien wird die mechanisch nachladbare Zn-Luft-Batterie von den Transportkosten her als unattraktiv eingestuft. Die Zn-Luft Batterie wird daher in dieser Form nur für stationäre Anwendung gesehen, nicht für die Elektromobilität. Die Zn-Luft Batterie sollte nach Ansicht der Experten dennoch weiter beforscht werden, da sich langfristig noch Potenziale ergeben könnten, insbesondere wenn kein hohes Zyklenleben erforderlich ist. Mg-Luft und Al-Luft sind Primär-Systeme. Die Experten zweifeln, ob diese je aufladbar werden. Auch besteht die Frage, ob die Al/Mg-Luft-Batterien überhaupt ohne Festelektrolyt umzusetzen sind. Aus heute schon bekannten physikalischen Gründen erscheint das unwahrscheinlich, denn es sind hohe Temperaturen notwendig, und für Aluminium ist beispielsweise nichts bekannt, was bei hohen Temperaturen funktionieren würde. Aus physikalischer Sicht ist daher nicht bekannt, ob es sich lohnt, an so einem System zu forschen. Die Experten weisen darauf hin, dass manche der in Entwicklung befindlichen Systeme, die vielleicht etwas werden können, sehr risikobehaftet sind. Dies gilt besonders für Metall-Luft Batterien. Bei der Einschätzung der Li-Luft Batterien für die Elektromobilität gehen die Expertenmeinungen auseinander, was deutlich die mit der tatsächlichen Umsetzung des Kon-

27 Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität 19 zepts verbundenen Unsicherheiten wiederspiegelt. Sollte in der Technologie in Zukunft ein Durchbruch erreicht werden, so sind die Potenziale und Bedeutung der Li-Luft Batterie sicherlich sehr hoch einzuschätzen. Sie stellt aber klar ein Zukunftsthema dar. Hochtemperaturspeicher, z. B. die ZEBRA-Batterie oder NaS-Batterie, werden im Kontext stationärer Speicher gesehen, für die Anwendung in der Elektromobilität sind sie jedoch nicht relevant. Die Natrium-Nickelchlorid-Batterie (ZEBRA) hat dabei aufgrund ihrer höheren Sicherheit ihre Berechtigung. Sie ist aufgrund des Nickel-Bestandteils aber eigentlich zu teuer. NaS-Batterien sind beispielsweise bereits heute als MWh- Speicher verfügbar. Die Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB) sind bereits heute erhältlich, aber nur als kwh-speicher im stationären Anwendungsumfeld. Die technologische Entwicklung besonders bei VRFB betrifft daher eigentlich nur ein Up-Scaling. Langfristig sind wässrige gegenüber den nicht-wässrigen Speichern zu differenzieren. Nicht-wässrige Batterien werden erst für die ferne Zukunft erwartet, und könnten dann für mobile Anwendungen interessant werden. Einig sind sich die Experten bei der Einschätzung der NiCd- und NiMH Batterien. Die NiMH Batterie wird zwar als Übergangslösung gesehen, beide Batterien bedürfen aber langfristig keiner F&E oder Förderung mehr. NiMH-Batterien werden heute singulär für HEV ausgelegt. Für die Automobilindustrie hat die NiMH-Batterie daher keine langfristige Zukunft. Dabei ist auch Nickel selbst das Problem, da seine Umweltbilanz schlecht ist und die NiMH-Batterie nie kostenvergleichbar zur LIB sein wird. Das Nickel ist zu teuer, die LIB-Materialpreise liegen bereits heute unter denen von NiMH. Die Nickel-Zink (NiZn)-Zelle wird nach Ansicht der Experten eher als ein unbedeutendes Nischenprodukt gesehen. Bei der Bleisäure Batterie gibt es nach Ansicht der Experten immer wieder kleinere Fortschritte. Daher sollte das Gebiet bei den Herstellern weiter beforscht werden. Die Bleisäure Batterie zählt heute zu den wichtigsten konkurrierenden Technologien für stationäre Anwendungen. Für die Elektromobilität wird sie z. T. noch als relevant eingestuft, nicht aber zur Traktion. Bleibatterien spielen für Schwellenländer wie Indien zwar eine Rolle, um billige Automobile herzustellen, werden aber für den Deutschen bzw. Europäischen Raum als nicht weiter zu verfolgen eingestuft. Auch die Supercaps werden für elektromobile Anwendungen nur bedingt gesehen. Supercaps/Caps sowie Lithium-Kondensatoren werden im Kontext hoher Leistung diskutiert. Für die Automobilindustrie kommen Supercaps nur im Bereich des Bordnetzes/der Mikrosysteme (kleiner 60V) in Frage, sonst nicht. Deshalb sind Supercaps nur