Gesamt-Roadmap Lithium-ionen-BatteRien 2030
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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
1Vorwort
bildet damit eine Klammer um alle weiteren Roadmaps und zeigt
ein umfassendes und konsistentes Bild auf, von der Entwick-
lung 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 Energie-
speichern 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 Bat-
terietechnologie 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
1Einleitung
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 „Ener-
giespeicher 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
Studienanalysen ein Rahmen für einen Zukunftsentwurf metho-
Es werden die bis 2030 erwarteten Entwicklungen der LIB-Tech- disch vorbereitet, welcher die Roadmap-Architektur darstellt und
nologie 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
Expertenworkshops
Interviews/Befragung
Zukunfts- (Primärdaten) Handlungs-
entwurf optionen
methodische inhaltliche
Vorbereitung Aufbereitung
qualitativ
Monitoring international national Roadmapping
quantitativ
Schlussfolgerung Analyse &
Empfehlung Konsistenzprüfung
Realitäts- Szenarien-
check bildung
Daten-/Faktenanalyse
(Desk, Sekundärdaten)
Modellierung
2Analyse 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 weite-
ren 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 Fak-
tor 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.
3Gesamt-Roadmap
Lithium-Ionen-Batterien 2030
ZEIT 2015 KURZFRISTIG
Anwendung aktuelle/kurzfristige LIB-Markt (global)*
Referenztechnologie Technologien, Wachstum,
(mobil, stationär) Alternativtechnologie(n) ~10-30 GWh
2-Räder (ebikes, scooter, 2-Rad: Benzin, Mensch ~5 Mio, ~ kWh, 30-100 Mio Elektro-2-Räder (2015-2030),
Pb (CN!), LIB (NMC)
pedelecs, motorbikes etc.) e-Rad: Pb, LIB ~10 GWh (ebikes ~0,3-0,6 kWh, scooter ~2-3 kWh,
PKW: Benzin/Diesel NiMH/ ~1,5 Mio, ~1 kWh, Marktanteil LIB 10-50 % (NiMH dominiert),
PKW (HEV)
HEV: NiMH, LIB LIB (LFP, NCA, NMC) 1-1,5 GWh (NiMH + LIB) Beginn der Marktsättigung
ANWENDUNGEN & PRODUKTE
PKW: Benzin/Diesel ~200-250 Tsd., ~10 kWh, Breiteres Fahrzeug-Angebot, (für DE/EU
Innovations-
PKW (PHEV) LIB (NMC, NCA, LFP)
PHEV: LIB 2-3 GWh PHEV 1 % der Neuzul. Welt
treiber
PKW: Benzin/Diesel ~200-250 Tsd., ~25 kWh, Technische Ausdifferenzierung (Kosten-,
PKW (BEV) LIB (NMC, NCA, LFP)
BEV: LIB 5-7 GWh BEV 1 % der Neuzul. Welt
Nutzfahrzeuge Nutzfahrzeuge: Diesel ~x Tsd., ~50-250 kWh, Übergang von Demoprojekten, Beschaff.,
LIB (LFP, NMC, NCA), BZ
(LV, Busse, LKW) eFzg.: LIB, BZ ~ GWh vonMITTELFRISTIG 2020 LANGFRISTIG 2030 >2030
LIB-Markt (global)* LIB-Markt (global)* Diffusonsgrad,
Diffusionsgrad Technologien, Wachstum, Diffusionsgrad
~50-100 GWh ~0,3-1 TWh Trend
LIB Penetration 15-30 % ~10 Mio, ~ kWh, ~x*10 Mio, ~ kWh,
zunehmende Verbreitung Diffusion
(emotorbikes ~8-15 kWh) >10 GWh ~x*10 GWh
~2 % HEV an Neuzul. Welt ~1 Mio, je ~1 kWh, Marktanteil LIB 50-90 %Energiespeichertechnologien
E ner g iespei c herte c hnolo g ien für Für inkrementell bzw. evolutionär verbesserte großformatige
ele k tro m obile A n w en d un g en 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 Referenztechno-
logie 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).
6Neben 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 Wasserstofftankstelleninfra-
struktur. 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/Wasser-
stoffspeicher-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 Elektrofahr-
zeugen 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 könn-
ten 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-
4
Anforderungen an höchste Energiedichten können hier je nach
extender fuel cell-Elektrofahrzeuge (REFC). Als F lüssigbrennstoffe Anwendungsfall ganz unterschiedliche Parameter im Vorder-
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 Flexibilisierungs-
optionen wie Energiemanagement, Netzausbau etc. aber auch
Nicht-Li-basiert eine für viele Anwendungen noch vorliegende Unwirtschaftlich-
keit 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 fluktuieren-
7ZEIT 2015 KURZFRISTIG
LIB LIB Diffusion sowie Einführung LIB
Elektrochemisch:
TECHNOLOGIEN xEV
Li-Polymer (NMC, NCA, LFP etc.) 4,3 V 4,4 V
Li-basiert HE-(NMC)
(„Generation 2“) LIB LIB
Stack + PEM-H2
SOFC
PEM-FC 700 bar- System + Hunderte
Brennstoffzelle Nutzfahrzeuge
Nafion/Pt Tank H2-Tank Demo-
(z. B. LKW-APU)
140 kWh Fahrzeuge
(Pb)
Nicht Li-basiert NiMH
(HT-Systeme
Na/NiCl2 u. a.)
LIB Diffusion sowie Einführung optimierte LIB
TECHNOLOGIEN ESS
Elektrochemisch: LIB
Li-basiert (LFP/Graphit, LFP/LTO, Li-Polymer etc.) 4,3 V 4,4 V
HE-(NMC)
LIB LIB
Elektrochemisch: Pb, NaS (HT), ZEBRA (HT), NiMH, Bedingte Weiterentwicklungsmöglichkeiten der
Nicht Li-basiert Redox Flow Batterie (RFB, MWh Speicher) bzgl. RFB Kostenbewertung nach GF-Modellen und Unsicherheiten
Chemisch/elektrisch/ Nächste Generation Supercaps/Li-Caps,
PHES, CAES, Schwungrad, H2/BZ, Supercaps
mechanisch/sonstige 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
in einer Anwendung ausgespeicherte Energie in kWh deutliche
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.
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
die Entwicklungen im Bereich der Elektromobilität als ganz klarer
Heute stellen in erster Linie günstige LIB-Zellchemien ohne hohe Treiber. Nur wenn hier Technologien mit stark reduzierten Kos-
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.MITTELFRISTIG 2020 LANGFRISTIG 2030 >2030
„Generation 2-3“ LIB Diffusion sowie (ggf.) Einführung LIB „Generation 3-4“ (LIB und post-LIB)
Li-Legierung/ Li-Polymer 5V
Li-S Li-Feststoff Li-Luft
C-Komposit HE-LIB (Kostenvorteil) (Elektrolyt) LIB
REFC mit H2-speichernde PEM-H2
PEM-FC-H2 PEM-H2
Flüssig- organische Komplementär- oder
Pt-reduziert Kleinserien
brennstoff Materialien Konkurrenztechn.
Zn-Luft Al-Luft/Al Mg-Luft/Mg
(wieder (wieder (wieder
aufladbar) aufladbar) aufladbar)
(z. B. LFP/LTO) Diffusion opt. LIB (stationär), HE-LIB (xEV) sowie (ggf.) Einführung LIB „Generation 3-4“ (LIB und post-LIB)
Li-Legierung/ Li-Polymer 5V
HE-LIB (Diff.(Nachfr.)
Li-S Li-Feststoff Li-Luft
C-Komposit (Elektrolyt) LIB
Na-basierte Niedrig-Temperatur-Systeme Zn-Luft Al-Luft/Al Mg-Luft/Mg
Technologien
RFB Nachfrage große RFB? (wieder (wieder (wieder
bzgl. Lebensdauer
Neubewertung für kleine kWh ~ GWh Bereich aufladbar) aufladbar) aufladbar)
H2-speichernde
BZ (PEM-FC, SOFC) PEM-FC-H2 Synthetisches
organische H2-Speicher
Pumpspeicher Pt-reduziert Erdgas
Materialien
Technologien Technologien
Mobil (xEV) stationär (ESS)
Nicht Li-basiert 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 Strom-
versorgung (USV), Stand-by und Telekom Anwendungen auf Chemisch/Elektrisch/Mechanisch/Sonstiges
Grund geringer Zell/ Systemkosten (pro kWh Investition) weiter-
hin 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 Lang-
zeitspeicher 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 Bewer-
tung 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.
9FuE-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 (rela-
tive 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 FuE-
Gegenstand. 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.
Jährliches Wachstum 2009-2014 in %
140
FuE zu Welt
DE Li-S
Batterietechnologien 120
Li-Luft
100
HV-LIB
80
Me-Luft
60
LIB
40
Li-Feststoff Li-Polymer
Batterien
20
0
1 10 100
Forschungsintensität relativ zur gesamten Batterieforschung (%, logarithmisch)
10Im 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 ge-
Im 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-Ergeb-
nisse in die Anwendung zu bringen.
FuE zu Lithium-Ionen-Batterien (LIB) FuE zu LIB-Kathoden
Wachstum (letzte 5 Jahre) in % Wachstum (letzte 5 Jahre) in %
140 Welt 160
Welt
Separator NMC
DE DE
120 140
100 120
80 100
Zelle
60 80
System Elektrolyt
Separator Anode Kathode
40 60
Elektrolyt Anode LNO LMO LFP
Rest System Zelle NCA LCO
20 40
Kathode NMC
NCA LMO LFP
0 20
Rest LCO
LNO
-20 0
0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50
Anteil innerhalb der LIB-Publikationen in % Anteil innerhalb der Kathoden-Publikationen in %
FuE zu LIB-Anoden FuE zu LIB-Elektrolyten
Wachstum (letzte 5 Jahre) in % Wachstum (letzte 5 Jahre) in %
100 160 Welt
Welt
Legierungen DE Gelelektrolyte DE
140
80
120
Komposite 100
60 Additive
Hard carbon Graphit 80
Si/C Komposite
40 HV Elektrolyte
LTO 60
Si/C Polymer- org. carb.
Legierungen elektrolyte
LTO Graphit 40
HV Additive Festelektrolyte
20
Festelektrolyte
20
Gelelektrolyte org. carb. Polymer-
Hard carbon Elektrolyte elektrolyte
0 0
0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50
Anteil innerhalb der Anoden-Publikationen in % Anteil innerhalb der Elektrolyte-Publikationen in %
11Anwendungen 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
für LIB diskutierten Anwendungen betrachtet: Für die Elektro-
Die heute schwache Position Deutschlands in der Zellfertigung mobilität werden neben xEV (HEV, PHEV, BEV) auch 2-Räder
ist 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 (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 verkauf-
Hinsichtlich 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
12zwischen 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 min-
destens 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 Deutsch-
land 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 Planungs-
Bereits 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. meh-
rere 10 GWh). Künftig wird bei großformatigen LIB (siehe auch „Gesamt-Road-
map 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-Tech-
nologie 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
13ZEIT 2015 KURZFRISTIG
Anwendung aktuelle/kurzfristige LIB-Markt (global)*
Referenztechnologie Technologien, Wachstum,
(mobil, stationär) Alternativtechnologie(n) ~10-30 GWh
2-Räder (ebikes, scooter, 2-Rad: Benzin, Mensch ~5 Mio, ~ kWh, 30-100 Mio Elektro-2-Räder (2015-2030),
Pb (CN!), LIB (NMC)
pedelecs, motorbikes etc.) e-Rad: Pb, LIB ~10 GWh (ebikes ~0,3-0,6 kWh, scooter ~2-3 kWh,
PKW: Benzin/Diesel NiMH/ ~1,5 Mio, ~1 kWh, Marktanteil LIB 10-50 % (NiMH dominiert),
PKW (HEV)
HEV: NiMH, LIB LIB (LFP, NCA, NMC) 1-1,5 GWh (NiMH + LIB) Beginn der Marktsättigung
ANWENDUNGEN & PRODUKTE
PKW: Benzin/Diesel ~200-250 Tsd., ~10 kWh, Breiteres Fahrzeug-Angebot, (für DE/EU
Innovations-
PKW (PHEV) LIB (NMC, NCA, LFP)
PHEV: LIB 2-3 GWh PHEV 1 % der Neuzul. Welt
treiber
PKW: Benzin/Diesel ~200-250 Tsd., ~25 kWh, Technische Ausdifferenzierung (Kosten-,
PKW (BEV) LIB (NMC, NCA, LFP)
BEV: LIB 5-7 GWh BEV 1 % der Neuzul. Welt
Nutzfahrzeuge Nutzfahrzeuge: Diesel ~x Tsd., ~50-250 kWh, Übergang von Demoprojekten, Beschaff.,
LIB (LFP, NMC, NCA), BZ
(LV, Busse, LKW) eFzg.: LIB, BZ ~ GWh vonMITTELFRISTIG 2020 LANGFRISTIG 2030 >2030
LIB-Markt (global)* LIB-Markt (global)* Diffusonsgrad,
Diffusionsgrad Technologien, Wachstum, Diffusionsgrad
~50-100 GWh ~0,3-1 TWh Trend
LIB Penetration 15-30 % ~10 Mio, ~ kWh, ~x*10 Mio, ~ kWh,
zunehmende Verbreitung Diffusion
(emotorbikes ~8-15 kWh) >10 GWh ~x*10 GWh
~2 % HEV an Neuzul. Welt ~1 Mio, je ~1 kWh, Marktanteil LIB 50-90 %Kleinspeicher (Dezentrale PV Batterie Systeme) Gewerbliche Energiespeicher
Dezentrale PV-Batterie-Systeme (100 kWh) die Referenztechnologie dar, jedoch zukünftig even-
tuell 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 Sicher-
heit, 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 Anwen-
dungsfälle, 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 Deutsch-
land 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
12
der Systeme im Bereich von GWh-Niveau entwickeln. Aber auch dies
abhängt. Weiterhin wird in Marktstudien oder existierenden hängt von Entscheidern im gewerblichen Bereich ab und lässt
Datenbanken 13
nach netzgebundenen/On-Grid- und Off-Grid sich heute noch nicht differenzierter abschätzen.
Anwendungen differenziert. Beides wäre hier im Bereich der
PV-Batterien gemeint.
16Direktvermarktung Erneuerbarer Energien Weiterhin ergeben sich für LIB aber auch stationäre Märkte jen-
seits 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 sta-
tionäre 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 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 bzw.
jenseits 0,1–1 MWh) durch die Größe der Speicher (dabei aber
begrenzte Zubauten).
17Sie können auch lesen
