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Batteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in Deutschland Kritische Faktoren für eine erfolgreiche Batteriezellproduktion in Deutschland Ansgar vom Hemdt 27. März 2019
Batteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in
Deutschland
1 Motivation
2 Grundlagen der Lithium-Ionen-Batteriezelle
3 Kritische Faktoren für eine Batteriezellproduktion in Deutschland
4 Zusammenfassung
2
© PEM
Nach anfänglicher Euphorie und anschließender Enttäuschung herrscht nun
berechtigter Optimismus für die Elektromobilität.
Neuzul. Bestand
2017 1.1.2018
Aufmerksamkeit/ Erwartungen
BEV 25.056 53.861
PHEV 29.436 44.419
1991:
Kommerzia-
lisierung der 2008:
Li-Ionen- 1 Mio. Elektroautos
Batterie bis 2020
2017
„Ich rate zu ein bisschen mehr
Realismus“
Gipfel der
Technologischer
überzogenen Tal der Enttäuschungen Pfad der Erleuchtung Plateau der Produktivität
Auslöser Zeit
Erwartungen
Quellen: Gartner Hype Cycle; Reuters (2017): Ziel von einer Million E-Autos bis 2020; Kraftfahrtbundesamt (2018): Bestand am 1.8.2018 nach Motorisierung; Elektromobilität.online (2018): eMobilitätOnline-
Jahresrückblick 2017; Bildquellen: insideevs (2016): BMW i3 Battery Upgrade; Ricardo (2014): BMW i3 Battery Module; BMW i3 Blogspot (2016): Battery Options; Klimawandel; Bundesregierung (2018):
Sigmar Gabriel; Automobilwoche (2018): Plattformen bei Audi; euwid-energie (2018): Elektromobilität; Handelsblatt (2018): BMW Elektro-Autos; Wirtschaftswoche (2018): Porsche
3
© PEM
Trotz eines stark fallenden Preises bleibt die Batteriezelle im elektrischen
Antriebsstrang die bedeutendste Komponente.
Kostenanteile der Komponenten im konventionellen bzw. elektrischen Antriebsstrang
Benziner (2025) E-Auto (2025)
17% 13% Sonstige
Sonstige
33%
5% Kühler und Klimaanlage
12% Leistungselektronik
Getriebe
61%
Motor Elektromotor
16%
14%
Technik zur
Emissionsreduktion Batteriepack
29%
350 100%
Batteriepacks [€/kWh]
Anteil der Batteriezelle
300 27%
30%
an den Kosten des
80% 33%
250
Kosten eines
Batteriepacks
200 -62%
60%
150 Sonstige
100 40% 73%
67% 70% Batteriezellen
50
0 20%
0%
2015 2020 2025
Quellen: Wirtschaftswoche (2015): Autozulieferer – Angriff auf die Jobmaschine; Avicenne Energy (2017): The Rechargeable Battery Market, S. 78
4
© PEM
Die Produktion und das Angebot von Batteriezellen werden von asiatischen
Unternehmen und Ländern dominiert.
Anteile installierter, im Bau befindlicher und angekündigter Produktionen von Lithium-Ionen-Batteriezellen nach Unternehmen
13%
Chinesische Unternehmen:
CATL, BYD, Guoxuan High-Tech, Lishen, Optimum Battery, CBAK Energy
7% Technology, Hengdian Group, FDG Electric Vehicles, Sonstige
Koreanische Unternehmen:
LG Chem, SK Innovation, Samsung SDI
17% Japanische Unternehmen:
63% Panasonic, AESC
Amerikanische Unternehmen:
Tesla, Boston Power
Anteile installierter, im Bau befindlicher und angekündigter Produktionen von Lithium-Ionen-Batteriezellen nach Regionen
Europa
USA
9,7% Asien
14%
76,3%
Quellen: Bloomberg New Energy Finance (2017): Lithium-ion Battery, S. 3 und 5; Bloomberg (2018): The Breakneck Rise of China´s Colossus; Zusätzlich ergänzt: CATL Ankündigung einer
Batteriezellproduktion in Deutschland von 14 GWh/a sowie SK Innovation Ankündigung einer Batteriezellproduktion in Ungarn von 7,5 GWh/a
5
© PEM
Die Einschätzung deutscher Automobilunternehmen zu einer Eigenproduktion
von Batteriezellen ist verhalten. Die Politik sieht eine strategische Bedeutung.
„Mit der heutigen Technologie sehen wir Wenn BMW die Idee einer eigenen
keine wirtschaftliche Sinnhaftigkeit in der Batteriefertigung aufgegeben hätte, „dann
Eigenfertigung der Batteriezelle. […] Wir würden wir nicht 200 Millionen Euro in ein
wissen, wovon wir sprechen.“ Batterieentwicklungszentrum investieren.“
Dietmar Zetsche, CEO Daimler Markus Duesmann, Vorstand Einkauf BMW
„Wir sagen nein zur eigenen Zellfertigung,
„Wir können uns vorstellen, künftig
aber ja zur Batterie.“
Batteriezellen selbst zu produzieren.“
Rolf Bulander, Chef der Bosch-Autosparte
Elmar Degenhart, CEO Continental
Mobility Solutions
In Bezug auf die Einstellung, dass Asien In Bezug auf die Entscheidung von Bosch,
im Bereich der Batteriezellproduktion nicht keine Zellproduktion aufzubauen:
mehr einzuholen sei:
„Ohne eine eigenständige Entwicklung
„Ich weiß nicht, ob das eine richtige und Produktion von Verbrennungsmotoren
Einstellung ist. Ich bin der Meinung, wir hätte die deutsche Auto- und
sollten strategische Fähigkeiten auch Zulieferindustrie nie eine globale
weiter bei uns behalten.“ Spitzenstellung bekommen.“
Angela Merkel, Bundeskanzlerin Matthias Machnig, ehemaliger Wirtschaftsstaatssekretär
Quellen: Welt (2017): Warum BMW, Daimler und VW keine Batterien bauen; Süddeutsche (2018): Peking zeigt den Deutschen, wie man Batterien baut; Die Presse (2018): “Zu riskant”; Elektroniknet
(2018): Continental; Tagesspiegel (2018): Chinesen bauen Batteriezellfabrik; Tagesspiegel (2018): Zoff mit der Zelle; Bildquellen: Autozeitung (2018): Daimler-Chef Zetsche zu Tui, Bundesregierung.de,
Logistik-Heute (2016): Personalie; Automobilwoche (2016): Bosch; Continental (2018): Dr. Elmar Degenhart; Bundesregierung (2018): Angela Merkel; BMWi (2016): Matthias Machnig
6
© PEM
Batteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in
Deutschland
1 Motivation
2 Grundlagen der Lithium-Ionen-Batteriezelle
3 Kritische Faktoren für eine Batteriezellproduktion in Deutschland
4 Zusammenfassung
7
© PEM
Lithium-Ionen-Batteriezelle
Aufbau, Funktionsweise und Zellformate
Aufbau und Funktionsweise Zellformate
Aktivmaterial Aktivmaterial
(C) (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)
Stromableiter Stromableiter
aus Kupfer aus Aluminium
Lade-
e- e-
e- spannung e-
Pouch-Zelle Rundzelle
- +
1000433FG984BH77
Anode Separator Kathode
Lithium- Elektrolyt
Ion (flüssig) Prismatische Zelle
Quelle: Vuorilehto (2013): Materialien und Funktion, S. 22; Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 21
8
© PEM
Lithium-Ionen-Batteriezelle
Produktionsprozesskette am Beispiel der Pouch-Zelle
Kupfer Aluminium Aktivmaterial Separator Elektrolyt Gehäuse
1 2 3 4 5
Produktion
Beschichten Vakuum-
der Mischen Kalandern Slitting
& Trocknen trocknen
Elektroden
10 9 8 7 6
Zusammenbau
Elektrolyt Kontaktfahnen
der Verpacken Stapeln Vereinzeln
Befüllen Anbringen
Zelle
11 12 13 14
Formierung
Entgasen &
der Formieren Falzen Aging
Verschließen
Zelle
Pouch-
1000433AV984BD77
Zelle
Quelle: Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 17
9
© PEM
Lithium-Ionen-Batteriezelle
Produktion der Elektroden
1 Mischen 2 Beschichten & Trocknen
Beschichtungs- Pumpe Draufsicht
Auftragssystem Trockner
material
Mischer
Auftragsrolle
Kupfer- bzw. Aluminiumrolle
Luftstrahlen
3 Kalandern 4 Slitting 5 Vakuumtrocknen
Getrocknete Ober- Gewalzte Coils Seitenansicht
A
Elektrode walzen Elektrode Laserschneidanlage
Vakuumtechnik
Unter- Schnittlinien
walzen A
Quelle: Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 17 ff.
10
© PEMLithium-Ionen-Batteriezelle
Zusammenbau der Zelle
6 Vereinzeln 7 Stapeln 8 Kontaktfahnen Anbringen
Draufsicht Separator
Kathodensheet
Laserschneid- Anodensheet
anlage
9 Verpacken 10 Elektrolyt Befüllen
Draufsicht
Isolations-
streifen
Quelle: Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 21 ff.
11
© PEMLithium-Ionen-Batteriezelle
Formierung der Zelle
11 Formieren 12 Entgasen & Verschließen
Vakuumsiegeln
III
Stromstärke I
II
I
Zeit t
13 Falzen 14 Aging
12
3
Stempel 9
6
Stempel Werkstück-
auflage Prüfen
Quelle: Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 24 ff.
12
© PEMBatteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in
Deutschland
1 Motivation
2 Grundlagen der Lithium-Ionen-Batteriezelle
3 Kritische Faktoren für eine Batteriezellproduktion in Deutschland
4 Zusammenfassung
13
© PEMFür eine Batteriezellproduktion in Deutschland sind acht Faktoren zu
analysieren.
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
14
© PEMFaktor „Absatzmarkt“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
15
© PEMIn EU und DE liegt bereits heute eine starke Diskrepanz zwischen hoher lokaler
Nachfrage und niedrigen lokalen Produktionskapazitäten für Batteriezellen vor.
Nachfrage der Automobilindustrie nach Produktionskapazitäten in Europa bzw. Deutsch-
Batteriezellen in Europa bzw. Deutschland land für Batteriezellen für die Automobilindustrie
140 14 GWh/a
industrie nach Batteriezellen [GWh/a]
Nachfrage Deutschland (2022)
Nachfrage/ Angebot der Automobil-
120
Nachfrage restl. Europa 2 GWh/a
95
100 (heute) 5 GWh/a
Angebot Deutschland
(im Aufbau)
80
Angebot restl. Europa
55,4
60
40 32,7 31 2,5 GWh/a
(im Aufbau)
20 16,8
39,6
2 14
15,9 Batterien für andere
0 7,5 GWh/a
2018 2020 2022 2025 Anwendungen (2022)
Die Nachfrage von 32,7 GWh/a in 2020 wird sich auf
Die aktuellen und angekündigten Produktionskapazitäten
95 GWh/a in 2025 fast verdreifachen. Ca. 40% bis 50%
von Batteriezellen in Europa liegen bei 2 bzw. 31 GWh/a.
dieser Nachfrage befindet sich in Deutschland.
Quellen: Lazar, Roland Berger (2017): Automotive Supplier Study, S. 29 ff. (Zugrundelegung des mittleren Szenarios für die Entwicklung der Anzahl von BEV und PHEV sowie Annahme einer mittleren
Energiemenge pro Fahrzeug von 40 kWh für BEV und 17 kWh für PHEV); NPE (2016): Roadmap, S. 12 f.; Die Berechnung der Nachfrage der Automobilindustrie nach Batteriezellen in Europa und
Deutschland erfolgte durch Triangulation der Daten der zuvor aufgeführten beiden Quellen; Reuters (2018): Factbox: Plans for electric car battery production in Europe; Manager-Magazin (2018): Diese
Firmen planen „Gigafactories“ in Europa; Bildquellen: Firmen-Homepages
16
© PEMFaktor „Absatzmarkt“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Die Nachfrage der Automobilindustrie
! spricht für (weitere) Batteriezellfabriken
in Europa bzw. Deutschland.
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
17
© PEMFaktor „Produkt“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
18
© PEMRevolutionäre Entwicklungen in der Batteriezelltechnologie stehen vor
technischen Herausforderungen.
Potentielle Anoden- bzw. Kathodenmaterialien Solid-State-Technologie
6 Festkörper-
Kathodenmaterial Anode Kathode
Elektrolyt
Anodenmaterial
5 L
N
Potential vs. Li/Li+ [V]
M
4 N N
O L
M C
R
L C A
N
F
3 P
M Aktiv-
C material
Li2O
2 Li2S Metallisches Solid-State-Elektrolyt
Lithium mit Aktivmaterial
1
0
C
Si/C
Li
Si Aussicht
Steigerung der Energiedichte
0 500 1000 1500 2000 2500
Höhere Sicherheit
Volumetrische Kapazität [mAh/cm3]
LFP
LNMO
Lithiumeisenphosphat
Lithium-Nickel-Mangan-Oxid
Li2S
Li2O
Lithiumsulfid
Lithiumoxid
Herausforderung
Nichtverfügbarkeit eines festen Elektrolyten, welcher
NMC Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid C Graphit eine gute Kompatibilität mit Lithium-Metall und eine
NCA Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid Si Silizium hohe Ionen-Leitfähigkeit bei niedrigen/ mittleren
Temperaturen aufweist
LRNMC Lithium-Rich Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid Li Lithium
Quellen: Placke (2018): Progress and Challenges: Generation 3b, S. 11; Varzi et al. (2016): Challenges and prospects of solid electrolytes, S. 17251 ff.; Bildquelle: Kieper (2016): Li-ion Batteries for
Electrified Mobility, S. 15
19
© PEMTrotz bestehender Unterschiede ähneln sich die Produktionsprozessketten
von State-of-the-Art Batteriezellen und Solid-State-Batteriezellen stark.
Produktionsprozesskette einer Solid-State-Batteriezelle:
Mischen Beschichten und Trocknen Slitten Vakuumtrocknen
des Separators
der Kathode/
Fertigung
Vakuum
Vereinzeln Stapeln Laminieren Schweißen Einbringen und Versiegeln
Zusammenbau
der Zelle
Kathode
Hauptunterschiede zur Produktionsprozesskette von state-of-the-art Lithium-Ionen-Batteriezellen:
Die Anode entsteht nicht durch die Beschichtung einer Kupferfolie mit einer Graphit-Paste, sondern wird als Lithium-Metall-Coil in
den Prozess eingebracht.
Der Elektrolyt wird nicht durch einen Befüllungsprozess in die Zelle eingebracht, sondern durch eine weitere Beschichtung der
Kathode.
Der Zell-Stack wird laminiert, um einen guten Kontakt der einzelnen Komponenten zu gewährleisten.
Es ist kein Formationsprozess notwendig.
Quellen: Seeo (2014): Solid State Batteries, S. 10; Bildquelle: Angerbauer (2017): Challenges within next generation battery cell manufacturing, S. 9
20
© PEMFaktor „Produkt“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Das Risiko einer Substitution durch
! revolutionäre Batteriezelltechnologien ist
gering.
Standort
Materialien
21
© PEMFaktor „Materialien“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
22
© PEMAufgrund des hohen Materialkostenanteils kommt der Supply Chain von
Materialien in der Batteriezellproduktion eine große Bedeutung zu.
Massen-Anteile der Materialien einer Batteriezelle
Materialkosten machen ca. 60% der Batteriezellkosten aus!
100%
90% 21,20%
80%
70% 13,50%
Gehäuse
60% 11,50%
Separator
50% 11,50% Elektrolyt
40% Anode
30% Kathode
20% 42,30%
10%
0%
Wert-Anteil
Quellen: Avicenne Energy (2017): The Rechargeable Battery Market, S. 32
23
© PEMIn Deutschland sind potentielle Lieferanten für alle Materialien einer
Lithium-Ionen-Batteriezelle ansässig.
Massen-Anteile der Materialien einer Batteriezelle Material-Lieferanten in Deutschland (Auszug)
Materialkosten machen ca. 60% der Batteriezellkosten aus!
(Separatoren)
100%
90% 21,20%
80% (Gehäuse)
70% 13,50%
Gehäuse
60% 11,50%
Separator
50% 11,50% Elektrolyt
40% Anode (Anodenmaterial)
30% Kathode
20% 42,30%
10%
0% (Kathodenmaterial
Wert-Anteil und Elektrolyt)
Quellen: Avicenne Energy (2017): The Rechargeable Battery Market, S. 32; Bilderquellen: Firmen-Homepages
24
© PEMKobalt stellt den versorgungskritischsten Rohstoff in einer
Lithium-Ionen-Batteriezelle dar.
Länderkonzentr. und -risiko Verknappungsrisiko
Kobalt Nachfrage Kobalt Angebot
Abbau von Kobalt
[kt veredeltes Metall] [kt veredeltes Metall]
6%
(China) 272
256
25
40% 54%
(Restl.) (Kongo) 166
136 Batterien 140 Recycling
15
38 231
Andere Produktion
98 106 125
Produktion von Kobaltsulfat
20% 2017 2025 2017 2025
(Restl.)
Preisentwicklung von Kobalt
Preis pro Tonne [$]
80%
(China) 100.000
Kobalt
75.000
Länderrisiko im Kongo: 50.000
Änderung der Bergbaugesetze 25.000 Nickel
Eigentumsstreitigkeiten
Arbeitsbedingungen 2013 2014 2015 2016 2017
Quellen: WSJ (2018): Global Race to Control Batteries; The Economist (2018): What if China corners the cobalt market?; McKinsey (2018): Lithium and Cobalt, S. 14 („unwahrscheinliche Projekte“ für den
Abbau von Kobalt im Jahr 2025 wurden nicht berücksichtigt)
25
© PEMFaktor „Materialien“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Eine sichere Versorgung mit allen Materialien zu wettbewerbsfähigen Preisen ist
! Grundvoraussetzung für eine Batteriezellproduktion. Kobalt ist dabei ein
kritischer Rohstoff.
Standort
Materialien
26
© PEMFaktor „Personal“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
27
© PEMDie personellen Voraussetzungen für eine Batteriezellproduktion sind in
Deutschland attraktiv.
Personalbedarf Personalangebot
Deutschland erreicht im Global Competitiveness Report
Bereich Produktion: 2017-2018 des World Economic Forum 97,9 von 100
Produktionsleiter Punkten im Kriterium „Education and Skills“.
Ingenieure:
• Produktionsplanung Deutschland belegt weltweit den vierten Platz.
• Qualitätskontrolle
Techniker:
• Instandhaltung der Maschinen Industrielle Hersteller
• Betrieb der Maschinen (Kleinstserie) von Lithium-
Logistiker Ionen-Zellen [Auszug]
Pilotlinien für Lithium-
Bereich F&E: Ionen-Zellen der
Laborleiter Forschung
Elektrochemiker
Laborassistenten Ausbildung von Personal und Forschung im Bereich
Prozessingenieure Batteriezellentwicklung und -produktion finden statt.
Erfahrungen in Deutschland in der Batteriezellproduktion:
Kaufmännischer Bereich: Varta
Einkauf Leclanche
Vertrieb
Verwaltung Gemachte Erfahrungen bilden eine erste Grundlage für
eine Produktion von Automotive-Batteriezellen.
Quelle: Samsung SDI (2015): Samsung SDI EV Battery Manufacturing Plan; VDMA (2015): Chancen für den Maschinen- und Anlagenbau, S. 11
28
© PEMFaktor „Personal“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
! Die personellen Voraussetzungen für eine Batteriezellproduktion
sind in Deutschland attraktiv.
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
29
© PEMFaktor „Maschinen & Anlagen“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
30
© PEMKompetenzen sind vorhanden, jedoch fehlt es dem deutschen Maschinen- &
Anlagenbau in gewissen Prozessen an Erfahrung in der Großserienproduktion.
Deutsche Maschinen- & Anlagenbauer mit Unterschiedliche Kompetenzgrade
Kompetenzen in der Batteriezellproduktion am Beispiel des Beschichtungs- und Trocknungsprozesses
Grundlegende Prozesskompetenz
>15
(andere Anwendung)
>10
Glasindustrie
>5
Papierindustrie
>3
2 Textilindustrie
1
Anzahl an Maschinen-
und Anlagenbauern mit
1
Kompetenz Pilotanlagen
Kompetenzen in der
Zellfertigung [Auszug]
Auftragsbreite: 500mm
Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle
Geschwindigkeit: 4m/min
Auftragsdickentoleranz:Faktor „Maschinen & Anlagen“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Equipment für die Batteriezellproduktion kann von deutschen Maschinen- &
! Anlagenbauern beschafft werden, wobei bei gewissen Prozessschritten zunächst
ausländische Lieferanten bevorzugt werden.
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
32
© PEMFaktor „Produktion“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
33
© PEMEine zentrale Herausforderung besteht in der Integration der einzelnen
technologisch diversen Prozessschritte zu einer robusten Produktionskette.
Lieferanten von Maschinen & Anlagen Die Produktionskette einer Lithium-Ionen-Batteriezelle
entlang der Prozesskette der Batteriezellproduktion beinhaltet eine Vielzahl technologisch stark
unterschiedlicher Prozessschritte.
Produktionsprozessschritte [Auszug]
Unternehmen fokussieren sich auf Basis ihrer
Mischen Beschicht. Kalandr. Slitten Vakuumtr. … bestehenden Kompetenzen auf einzelne
Bühler Prozessschritte bzw. Teilprozessketten.
Netzsch
Maschinen- & Anlagenbauer [Auszug]
Eirich
Es existiert kein Maschinen- & Anlagenbauer mit
Hohsen Kompetenzen entlang der gesamten
Coatema Prozesskette der Batteriezellproduktion.
B&W
Hirano Der Produktionsprozess von Lithium-Ionen-
Kroenert
Batteriezellen ist hochgradig automatisiert.
Breyer Zwischen den einzelnen Prozessschritten bzw.
Maschinen & Anlagen existiert eine Vielzahl von
Saueressig
Interdependenzen und verschiedenen Schnittstellen.
Kampf
Meier
… Für den Aufbau und den Betrieb einer
wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion sind
Maschinen- & Anlagenbauer besitzt Kompetenzen im Produktionsprozessschritt ein Gesamtsystemverständnis und Erfahrungen
Maschinen- & Anlagenbauer besitzt keine Kompetenzen im Produktionsprozessschritt erforderlich.
Quellen: PEM Datenbank für Maschinen & Anlagen in der Batteriezellproduktion
34
© PEMFaktor „Produktion“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Für den Aufbau von wettbewerbsfähigen Produktionslinien für
! Batteriezellen sind eine hohe technische Expertise und
jahrelange Erfahrung notwendig.
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
35
© PEMFaktor „Wirtschaftlichkeit“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
36
© PEMPrämissen, Annahmen und Daten für einen beispielhaften Entwurf einer
Batteriezellfabrik
Produktprämissen Produktionsannahmen und Maschinendaten
Leistungseigenschaften: Produktionsannahmen
5,2 Ah
3,68 V Produktionskapazitäten:
290 Wh/kg Schichtmodell:
14 GWh/a
790 Wh/l 301 d/a, 3 Schichten/d, 8 h/Schicht
731.600.000 Zellen/a
Zellformat/ -dimensionen/ -gewicht:
Zylindrisch Maschinendaten
21 mm (Durchmesser); 70 mm (Höhe)
66 g Beschichten & Trocknen Kalandern & Slitten
Mischen
Beschicht.-breite: 800 mm Kalandrierbreite: 800 mm
Mischvolumen: 300 l
Zellchemie: Beschicht.- Kalandrier-
Elektroden: Graphit vs. NMC 622 Mischdauer: 45 min
geschwindigkeit: 30 m/min geschwindigkeit: 100 m/min
Elektrolyt: EC:DMC + LiPF6
Separator: Polyolefinbasis mit keram. Kontaktfahnen Anbringen
Beschichtung Wickeln
Vakuumtrocknen Zellen/
Zellen/
Coils/ Trockner: 4 Schweißanlage: 6
Zelldesign: Wickelanlage: 2
Trocknungsdauer: 24 h Schweißdauer/
Wickeldauer/ Zelle: 2,6 sek
Kontaktfahne: 5 sek
Dicke der Aluminiumfolie: 12 µm
+
Dicke der Kathodenbeschicht.:
Elektrolyt Befüllen
71 µm Formieren
Zellen/ Krimpen
Zellen/ Lagersystem: 4.500
Dicke des Separators: 20 µm Befüllungsanlage: 500 Zellen/ Krimpanlage: 8
Formierungsdauer/
Befüllungsdauer/ Krimpdauer/ Zelle: 3 sek
Zelle: 15 h
Dicke der Anodenbeschicht.: 82 µm Zelle: 840 sek
Dicke der Kupferfolie: 8 µm
-
Aging Prüfen & Verpacken
Breite der Elektrode: 63 mm Zellen/ Lagersystem: 5 Mio Zellen/ Ladesystem: 4.500
Länge der Elektrode
Agingdauer/ Zelle: 20,5 d Ladedauer/ Zelle: 30 min
863 mm
Quelle: PEM Datenbank für Maschinen & Anlagen in der Batteriezellproduktion (konservative Annahmen bei Maschinendaten)
37
© PEMEine gewinnbringende Batteriezellproduktion in Deutschland ist möglich.
Dabei ist ein Großteil der Kosten standortunabhängig.
PEM-Kostenmodell
Kostenstruktur einer in DE produzierten Batteriezelle
100% ~ 95 €/kWh
5%
Der Vergleich zwischen den Kosten von ca. 90 €/kWh und
5%
dem Marktpreis von ca. 95 €/kWh für Batteriezellen zeigt:
Marge
2%
SG&A Die Produktion von Batteriezellen in Deutschland ist
4%
Transport gewinnbringend möglich.
4% Personal
3% Energie & Utilities
Wartung
18%
Abschreibungen
Material
Unter der Annahme, dass sich die Kosten für das
Material und das Produktionsequipment von Land zu
59% Land nicht signifikant unterscheiden, kann festgestellt
werden:
Ein Großteil der Kosten ist standortunabhängig.
Quelle: PEM-Kostenmodell für die Batteriezellproduktion; Avicenne Energy (2018): A Challenging Future for Batteries, S. 8
38
© PEMFaktor „Wirtschaftlichkeit“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
! Eine gewinnbringende Batteriezellproduktion
in Deutschland ist möglich.
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
39
© PEMFaktor „Standort“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Standort
Materialien
40
© PEMIm Ländervergleich weist der Standort Deutschland Vorteile bei den
qualitativen und Nachteile bei den quantitativen Kriterien auf.
Deutschland Frankreich Ungarn Polen Slowakei China Südkorea
Quantitative Kriterien
Kosten
Personalkosten 1 1 4 4 4 5 3
Energiekosten (el. Strom) 1 5 5 5 2 4 5
Transportkosten 5 5 4 5 4 1 1
Abgaben/ Anreize
Unternehm.-Besteuerung 1 1 5 4 3 4 2
Staatl. Förderungen 1 1 4 4 3 4 5
Qualitative Kriterien
Infrastruktur 5 5 1 1 1 1 4
Ausbildung & Fähigkeiten 5 3 2 3 2 1 3
Institutionen 5 4 1 1 1 2 3
Offenheit für ausl. Invest. 5 5 5 5 5 1 4
Innovations-Ökosystem 5 3 1 1 1 3 1
1: Entspricht schlechtester Bewertung 5: Entspricht bester Bewertung
Quelle: Statistisches Amt der Europäischen Union (2018): Labour cost in the EU, S. 3; P3 (2016): Feasibility Study of a cell production in Germany on the basis of new cell technologies, S. 16 (labor costs);
Statistisches Bundesamt (2018): Preise – Daten zur Energiepreisentwicklung, S. 49; Auslandshandelskammer (2017): Factsheet China – Guangdong, S. 1; Auslandshandelskammer (2017): Factsheet
Südkorea, S. 1; Bundeszentralamt für Steuern (2017): Unternehmensbesteuerung 2017; Deloitte (2018): Corporate tax rates 2018; World Economic Forum (2017): Global Competitiveness Report 2017-
2018, S: 372 f.; OECD (2017): FDI Regulatory Restrictiveness Index (Betrachtung des sekundären Sektors); NPE (2016): Roadmap, S. 27; PEM (2016): Interne Studie zur Standortbewertung für eine
Batteriezellenproduktion
41
© PEMFaktor „Standort“
Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal Produktion Produkt Absatzmarkt
Im Vergleich zu anderen EU-Ländern ist eine
Standort ! Batteriezellproduktion in DE auf Basis der
quantitativen Kriterien nicht wirtschaftlich.
Materialien
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© PEMBatteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in
Deutschland
1 Motivation
2 Grundlagen der Lithium-Ionen-Batteriezelle
3 Kritische Faktoren für eine Batteriezellproduktion in Deutschland
4 Zusammenfassung
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© PEMHandlungsbedarfe
Bewertung der Analyseergebnisse
Faktor Analyseergebnis
Absatz-
markt
Die Nachfrage der Automobilindustrie spricht für (weitere) Batteriezellfabriken in Europa bzw.
Deutschland.
Produkt Das Risiko einer Substitution durch revolutionäre Batteriezelltechnologien ist gering.
Materialien
Eine sichere Versorgung mit allen Materialien zu wettbewerbsfähigen Preisen ist
Grundvoraussetzung für eine Batteriezellproduktion. Kobalt ist dabei ein kritischer Rohstoff.
Personal Die personellen Voraussetzungen für eine Batteriezellproduktion sind in Deutschland attraktiv.
Equipment für die Batteriezellproduktion kann von deutschen Maschinen- & Anlagenbauern
Maschinen
beschafft werden, wobei bei gewissen Prozessschritten zunächst ausländische Lieferanten
& Anlagen bevorzugt werden.
Staatliche Unterstützung:
Für den Aufbau von wettbewerbsfähigen Produktionslinien für Batteriezellen sind eine hohe
Produktion technische Expertise und jahrelange Erfahrung notwendig.
Beispielsweise:
- Reduzierung der EEG-Umlage
Wirtschaft- - Investitionszuschüsse
Eine gewinnbringende Batteriezellproduktion in Deutschland ist möglich.
lichkeit - Steuervergünstigung
- …
Standort
Im Vergleich zu anderen EU-Ländern ist eine Batteriezellproduktion in DE auf Basis der
quantitativen Kriterien nicht wirtschaftlich.
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© PEM45 © PEM
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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© PEMKontaktinformationen
Ansgar vom Hemdt, M. Sc.
Gruppenleiter Battery Components
PEM der RWTH Aachen
Mobil : +49 151 1868 1629
Mail: a.hemdt@pem.rwth-aachen.de
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