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Imagine a battery- centric world Zum Stellenwert der Elektrobatterie in Mobilitätskonzepten im Rahmen der Energiewende
VORWORT Dieses Thought Leadership - Dokument ist in Zusammenarbeit mit Atos Information Technology, Global Manufacturing Consulting, Energy4U und con|energy im Winter 2020/21 entstanden. Da Elektromobilität und Stromerzeugung untrennbar miteinander verbunden sind, möchten wir den Dialog mit führenden Strategen sowohl aus Industrie als auch der Energiewirtschaft weiter verstärken. Wir freuen uns auf weiterführende Gespräche mit Lesern und Interessenten, die sich strategisch-visionär Gedanken über diesen Themenkomplex machen und weitere Schritte diskutieren möchten. München - Karlsruhe - Essen, März 2021 02
Einführung:
Battery-centric mobility
Imagine a battery-centric world 03
Battery-centric mobility
In Anbetracht der aktuellen Entwicklungen Weitgehend vergessen ist die Tatsache, Auch heute wird die Kennzahl „Reichweite“
wird es immer deutlicher, dass das Ende der dass bereits auf der Pariser Weltausstellung vielfach diskutiert, obwohl pro Fahrzeug in
Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor faktisch im Jahre 1900 mit dem Lohner-Porsche Deutschland im Durchschnitt nur 39 km pro
manifestiert ist. ein praxistaugliches Elektroauto der Tag zurückgelegt werden. Ein Großteil der
Öffentlichkeit präsentiert wurde. heute durchgeführten Fahrten könnte mit
Seitdem die Politik in vielen Ländern die Das Fahrzeug hatte als Antrieb zwei den erreichbaren Reichweiten problemlos
Weichen für die Elektromobilität gestellt Radnabenmotoren an den Vorderrädern, bewältigt werden. Neue Mobilitätskonzepte
und mit Fördermaßnahmen starke war 50 km/h schnell und hatte mit einem flexibilisieren in einem hohen Maße
Kaufanreize geschaffen hat, verzeichnen 400 kg schweren Bleiakku eine Reichweite die Möglichkeiten zur Fortbewegung,
elektrisch betriebene Fahrzeuge ein starkes von immerhin 50 km. Wie hinlänglich wobei das Auto nur eines von möglichen
Wachstumspotenzial im Automobilmarkt. bekannt, setzte sich der Verbrennungsmotor Fortbewegungsmitteln ist (siehe Atos White
Allgemein werden Elektrofahrzeuge als neue mutmaßlich aufgrund seiner größeren Paper „Who needs to own a car”).
Technologie gesehen. Reichweite durch.
Verschärfung der
Steigende Akzeptanz Flottenziele und
in der Bevölkerung Abgasgrenzwerte der EU
Modellpolitik und Politische
enorme Investitionen Stützungsmaßnahmen
der Auto-OEMs Gründe des und Rahmenbedingungen
Markt- der Bundesregierung
Steigende Attraktivität hochlaufs und EU
des öffentlichen Ladens
Erhöhung der
Verbessertes Preis-
Kraftstoffpreise (Steuern)
Leistungsverhältnis bei
Elektroautos
Zunehmendes Sich verstärkender
Nutzervertrauen in die Nachhaltigkeitsgedanke
neue Technologie der Bevölkerung
Quelle: con|energy
Neben der Reichweite gibt es weitere Argumente, die Elektroautos attraktiv erscheinen lassen:
• Der Elektroantrieb ist energieeffizient. • Reine Elektrofahrzeuge haben einen einfachen Aufbau und lassen
• Der Elektroantrieb ist vor Ort emissionsfrei. sich leichter regeln.
• Das Potenzial, gänzlich emissionsfrei zu werden, ist bei einer • Die Wartungskosten für reine Elektrofahrzeuge sind deutlich
erfolgreichen Energiewende signifikant vorhanden. geringer.
• Aufgrund anderer Bauteile und anderer Bauteileanordnung können • Staatliche Förderung durch aktuelle Steuervorteile und direkte
nutzerfreundliche Designs geschaffen werden. Zuschüsse sind vorhanden.
• Elektroantriebe haben ab den ersten Umdrehungen ein hohes • Der Tankvorgang kann direkt zu Hause erfolgen.
Drehmoment und überdecken einen großen Drehzahlbereich. • Neue Ansätze ermöglichen Ladevorgänge, die zeitlich im Bereich
• Elektroantriebe sind sehr leise. einer herkömmlichen Kraftstoffbetankung liegen.
04
Anzahl Neuzulassungen von E-Fahrzeugen in Deutschland
389.000
Plugin-Hybrid Batterieelektrisch
Die Zulassungszahlen der Elektro-fahrzeuge
wachsen exponentiell während der Absatz
an Verbrennern rückläufig ist.
Zulassungszahlen aus dem November
2020 im Vergleich zum Vorjahresmonat:
Zulassungen insgesamt: -3,0%
63.000
Zulassungen Batterieelektrisch: +523%
Zulassungen Plug-In-Hybrid: + 383%
36.000 20% Marktanteil für Batterieelektrisch
25.000 und Plug-in Hybrid bei Neuzulassungen
2017 2018 2019 2020
Quelle-Daten: Kraftfahrtbundesamt, Darstellung: con|energy
Die Anzahl der zugelassenen PKW-Fahrzeugbestand Prognostizierter PKW-Fahrzeugbestand
Elektrofahrzeuge in Deutschland steigt (DE, Anfang 2021) (DE, 2030)
rasant. Das von der deutschen Regierung
avisierte Ziel, eine Million Elektroautos
bis Ende 2020 auf die Straße zu bringen, 47% 27%
wurde allerdings verfehlt. Allein im Jahr PHEV PHEV
2020 wurden 389.000 E-Fahrzeuge neu
zugelassen. Mit aktuellen staatlichen
Förderungen liegt ein Elektrofahrzeug nun 48.250.000 49.000.000
preislich im Bereich eines vergleichbaren PKW 53% PKW 73%
Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Somit BEV BEV
ist auch die Hürde des hohen Kaufpreises
genommen.
Konventionell 98,8 % PHEV ~ 280.000 Konventionell 74% PHEV ~ 3,5 Mio
Elektrisch 1,2 % BEV ~ 310.000 Elektrisch 26% BEV ~ 9,5 Mio
Quelle: Kraftfahrtbundesamt (Ist-Daten) sowie eigene Schätzung auf Basis diverser Studien
(u.a. CAM, Deloitte, BCG, NOW)
Imagine a battery-centric world 05
06
Weiterentwicklungstrends
bei Elektrofahrzeugen
Imagine a battery-centric world 07
Weiterentwicklungstrends
bei Elektrofahrzeugen
Die stark steigenden Verkaufszahlen von Im Purpose Design werden neue Geschwindigkeiten ausgelegt werden.
Electric Vehicles (EVs) führen dazu, dass von Antriebskonzepte sowie zusätzliche Oder mit anderen Worten, das Fahrzeug
dem derzeit vorherrschenden Conversion Funktionalitäten verbaut und neue wurde um die Batterie herum entwickelt
Design (bestehendes Fahrzeugdesign Ergonomie- sowie Bedienkonzepte und entsprechend gebaut. Es ist durchaus
mit elektrischen Antrieben ausgestattet) entwickelt. Fahrzeugkomponenten wahrscheinlich, dass Engineering Companies
nun immer stärker zum Purpose Design werden vollständig neu angeordnet ein komplettes Fahrzeug auf Basis von
(Veränderungen im gesamten Fahrzeug) und somit Package-Vorteile realisiert. Standardkomponenten (wie Batterie,
übergegangen wird. Im Conversion Design Zusätzliche Komponenten wie elektrische Elektromotor, Reifen usw.) entwickeln
können vorhandene Technologien und Lenkung, elektrische Bremse und und einen Montagespezialisten mit der
Konzepte weiterentwickelt und laufende erweitertes Thermomanagement Produktion beauftragen. Ein Beispiel ist der
Prozesse aufrechterhalten werden. Allerdings werden integriert und überflüssige Vertrag zwischen Magna und Fisker. Magna
können jedoch zusätzliche Funktionalitäten Komponenten entfernt. Zugleich werden wird den Fisker Ocean in Europa produzieren,
sowie Package- und Ergonomievorteile Leichtbaumaßnahmen angewendet. Das während sich Fisker auf die Entwicklung und
aufgrund der vorgegebenen Strukturen oft Fahrwerk kann aufgrund der üblicherweise das Design konzentriert (Quelle: electrive.net).
nicht genutzt werden. Somit entstehen keine niedrigeren Höchstgeschwindigkeit der
„echten“ Innovationen. batteriebetriebenen EVs auf geringere
Connected Vehicle – Gehirn und Kommunikationszentrum
Es besteht kein kausaler Zusammenhang Hersteller sollten nicht davon ausgehen, dass oder nicht doch ein Partnerökosystem die
zwischen „Connected Vehicles“ (CV) und digitale Dienste automatisch dazu verleiten, Innovation beschleunigt. Wir konnten diese
Elektrofahrzeugen. Allerdings entstehen vor mehr Geld auszugeben. In Wirklichkeit sind Entwicklungen bereits in der IT-Industrie
allem im Purpose Design große Chancen, vernetzte Fahrzeuge nur ein Teil des Puzzles beobachten.
CV- Technologien noch nutzbringender der verantwortungsvollen Mobilität.
einzusetzen. Open Sources vs. Geschlossene Systeme:
Im Gegensatz zu den meisten OEMs Für beide Vorgehensweisen gibt es
Somit bieten CVs die direkte Möglichkeit, das verfügt Tesla über ein zentrales Erfolgsgeschichten, die meist abhängig von
Kundenerlebnis, die Markenpositionierung Elektroniksteuerelement. Nicht zuletzt der Marktsituation bzw. Marktdurchdringung,
und die Kundenloyalität zu verbessern diesem zentralen Steuerelement verdankt verfügbarer Normen und Standards,
und damit einen wesentlichen Beitrag zu Tesla seinen aktuellen Erfolg am Markt. technologischer Führerschaft sowie von
den ambitionierten Wachstumsplänen der Zahlreiche andere OEMs haben wiederum Alleinstellungsmerkmalen sind.
Automobilhersteller zu leisten. Dies kann dezentrale Steuerelemente im Einsatz, die
jedoch nur erreicht werden, wenn CV-Services ständig aufeinander abgestimmt werden, um Bildlich gesprochen ist das Steuerelement somit
direkt auf die personalisierten, sich schnell Inkompatibilitäten zu umschiffen. Des Weiteren das Gehirn und Kommunikationszentrum des
ändernden Bedürfnisse von Fahrern, Besitzern, müssen Lieferketten aufwendig gemanagt Fahrzeugs, welches sich über CV-Technologien
Flottenbetreibern, Händlern, OEMs, Zulieferern, werden. Mittelfristig wird sich die Frage stellen, vernetzt und eine Reihe von Services erst
Regulierungsbehörden und Partnern eingehen. ob sich der monolithische Ansatz eines möglich macht.
proprietären Systems auf Dauer durchsetzt
Der Motor – das Herz eines Fahrzeugs?
In einem „Verbrenner“ ist das Herz des Typischerweise erfüllen Drehstrommotoren Somit wird der Motor eher zum Beiwerk und
Fahrzeugs der Motor und zurecht das diese Anforderungen. Die einfacheren verliert seine maßgebliche Rolle als Objekt
Gütesiegel hoher Ingenieurskunst. Gilt dies Gleichstrommotoren hingegen eignen großer Ingenieurleistungen und auch als
analog auch für ein Elektroauto? Werfen sich für den Antrieb von beispielsweise zentrales Verkaufsargument.
wir zunächst einen kurzen Blick auf die als Elektrofahrrädern. Drehstrommotoren gibt
Antrieb genutzten Elektromotoren, bevor wir es in drei verschiedenen Ausführungen,
die Frage beantworten. die sich in Wirkungsgrad, Bauraumbedarf,
Kosten, Schleppverlusten im Leerlauf
Wichtig ist, dass der Elektromotor ein und Robustheit unterscheiden. Der
ausreichendes Drehmoment in einem permanenterregte Synchronmotor kommt
weiten Drehzahlbereich abbildet. Weitere zum Beispiel im BMW I3 zum Einsatz, der
notwendige Eigenschaften sind ein hoher stromerregte Synchronmotor ist im Renault
Wirkungsgrad, feinfühlige Drehzahl- und Zoe verbaut, im Tesla hingegen kommen
Drehmomentsteuerung, die Möglichkeit Asynchronmotoren zum Einsatz. Alle
zur Rekupation, ein geringes Gewicht genannten Arten sind ausgereift. Größere
und Volumen sowie ein gutes Preis- Innovationen werden in diesem Bereich
Leistungs-Verhältnis. Der Motor muss für derzeit nicht erwartet (Quelle: Anton Karle –
den zu erwartenden Temperaturbereich Elektromobilität, Hander-Verlag).
tauglich und gegen typische mechanische
Belastungen unempfindlich sein.
08
Die Batterie – Das zentrale Element, das neue Herz des Fahrzeugs
Die Batterie ist unbestritten eines der
zentralen Elemente in einem elektrisch Volumengewichteter Durchschnittspreis von Lithium-Ionen-Batterien
angetriebenen Fahrzeug. Funktionalität, [$ / kWh]
Zuverlässigkeit, Lebensdauer, Ladezeit 1,183
und Reichweite der Batterie sind
Dur
die Leistungsindikatoren, welche chs
Kaufentscheidungen beeinflussen und chn
917 ittli
somit den Erfolg des Produkts bestimmen. che
jäh
Weiterhin ist die Batterie heute der rlic
he
Pre
Kostentreiber für Elektrofahrzeuge. 721 isse
663 nku
ng:
Dadurch verändert sich grundlegend 588 20%
die Entwicklung neuer Fahrzeuge:
Elektroantriebe sind wesentlich einfacher
zu konstruieren und zu fertigen als 381
Verbrennungsmotoren. 293
219
180 156
Mit der Entwicklung der Lithium-Ionen-
Batterie wurde ein großer Schritt in der
Batterieentwicklung vollzogen, der den
Weg für alltagstaugliche, vollelektrische 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019
Fahrzeuge deutlich erleichtert. Derzeit haben
sich zwei Bauformen von Fahrzeugbatterien Quelle-Daten: Bloomberg New Energy Finance Report, Darstellung: con|energy
durchgesetzt. Zum einen gibt es heute
Cylindrical Packs in Wickeltechnik und
zum anderen großformatige prismatische Sehr wahrscheinlich kommen neue Prominenteste Vertreter der Metall-Schwefel-
Packs, die speziell für den automobilen Batterietypen mit neuen Technologien Batterien sind die Lithium-Schwefel-Batterien.
Einsatz entwickelt wurden und bei BMW auf den Markt, die neben einem ständig Von dieser Technologie sind bereits
und VW unter anderem verwendet weiterentwickelten BMS (Battery Prototypen gebaut und erfolgreich eingesetzt
werden. Darüber hinaus gibt es noch die Management System) die KPIs von worden. Marktreife hat aber bislang kein
etwas leichteren Pouch Packs, die kein Autobatterien deutlich verbessern werden. System erlangt. Sollte dies allerdings
starres Gehäuse, sondern eine flexible passieren, ist mit besonders kostengünstigen
Aluminiumfolienverpackung haben. Diese Die Potenziale von anderen Metall-Ionen- Batterien zu rechnen. Denn der eingesetzte
Technologie wird zum Beispiel im Nissan Systemen wie Lithium-Ionen-Batterien Schwefel ist nicht nur reichlich vorhanden, er
Leaf eingesetzt. Derzeit verbaute Batterien sowie Metall-Schwefel- und Metall-Luft- bzw. ist auch ein Abfallprodukt, das beispielsweise
haben eine Lebensdauer von fünf bis acht Metall-Sauerstoff-Systemen werden erforscht bei der Entschwefelung von Erdgas und
Jahren beziehungsweise 100.000 - 160.000 und industriell zugänglich gemacht. In der Erdöl anfällt, was für niedrige Preise sorgt.
km, wobei eine Weiterverwendung in einem Theorie versprechen diese alternativen
zweiten Lebenszyklus durchaus möglich Batteriesysteme vor allem niedrige Kosten Ein weiteres Forschungsfeld existiert im
ist (Quelle: Anton Karle – Elektromobilität, und hohe Energiedichten. Sollten sie sich Bereich der Metall-Luft- und der Metall-
Hander-Verlag). realisieren lassen, haben sie möglicherweise Sauerstoff-Batterien. Die elektrische Energie
das Potenzial, mit Lithium-Ionen-Batterien in wird aus der chemischen Reaktion von
Bis zum Jahr 2025 wird eine Preisreduktion mobilen und stationären Anwendungen zu Metallen mit Sauerstoff freigesetzt. Einer der
von Lithium-Ionen-Akkus auf 83 Euro pro konkurrieren. Allerdings zeigen punktuelle beiden Reaktionspartner (in diesem Fall der
Kilowattstunde prognostiziert. Im Jahr 2010 Ansätze, insbesondere im Bereich der Sauerstoff) wird über eine spezielle Elektrode
lag der Preis für die Energiespeicher noch bei Metall-Luft- bzw. Metall-Sauerstoff-Systeme, aus der Umgebungsluft gewonnen und muss
1183 Euro pro Kilowattstunde. dass noch ein erheblicher Forschungs- und nicht in der Batterie vorgehalten werden.
Entwicklungsbedarf besteht. Daher lassen sich mit diesen Systemen
theoretisch deutlich höhere Energiedichten
realisieren als mit gängigen Batterietypen.
Die politische Unterstützung wurde somit auf
die Entwicklung von Fertigungskapazitäten
für Autobatterien ausgedehnt.
Imagine a battery-centric world 09
In allen Regionen wird den Diese skizzierten „Use Cases“ zeigen uns nun deutlich auf, dass ein reiner Bezug der Batterie
Festkörperbatterien zunehmend auf die Mobilität wesentlich zu kurz gegriffen ist. Vielmehr rückt die Batterie mehr und mehr
Aufmerksamkeit geschenkt. Dies ins Zentrum neuer Geschäftsmodelle und unseres Alltags.
ist bezeichnend für das schnelle
Innovationstempo im Bereich der LIB Zellproduktion nach Standort der Produktion vs. Sitz des Zellherstellers
Autobatterien. Neben einer optimierten (GWh, max Ankündigungen)
technischen Leistung spielt die Innovation 1000
eine zentrale Rolle für die wirtschaftliche
Gesamtproduktionskapazität des Hersteller Standortverlagerung
in andere Länder CN
Entwicklung (https://www.iea.org/reports/
global-ev-outlook-2019).
JP
KR
Laut aktuellen Prognosen wird 100
davon ausgegangen, dass die US EU
Batterieproduktionskapazitäten im Jahr 2030
deutlich über 1 TWh liegen werden.
Der Preisverfall des zentralen Elements RoW
10
Batterie sorgt für immer preiswertere
Fahrzeuge mit immer längeren
Batterielebenszeiten. Eine Weiternutzung
gebrauchter Batterien im stationären Aufbau durch
Haushaltsbereich sowie als Energiespeicher ausländische Hertseller
an Ladestationen oder generell zur 1
1 10 100 1000
dezentralen Energiespeicherung erhöht die Produktionskapazität am Standort
Lebenszeit der Batterien und reduziert die
Recycling-Problematik. 2018 2020 2025 2030
Quelle: Fraunhofer ISI
Die Welt wird elektrisch – aber nur mit Speichern
Elektroautos nehmen in Bezug auf den Temperaturanstieg durch den Klimawandel Ländern mehr und in anderen weniger
Gesamtstromverbrauch eine immer auf deutlich unter zwei Grad Celsius im intensiv verfolgt wird, sind bereits zahlreiche
größere Rolle ein. Mit einem typischen Vergleich zum vorindustriellen Niveau zu Erfolge erkennbar. So lag beispielsweise in
Stromverbrauch von 2000 - 4000 kWh begrenzen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist Deutschland der Anteil der erneuerbaren
pro Elektroauto im Jahr (entspricht dem gemäß offizieller Angaben eine Reduktion Energien an der Nettostromerzeugung,
Stromverbrauch eines mittelgroßen der Treibhausgasemissionen weltweit bis zu d.h. dem Strommix, der tatsächlich aus der
Haushaltes in Zentraleuropa) werden diese, 70 Prozent im Jahr 2050 und bis Ende des Steckdose kommt, erstmals bei über 50
im Falle einer 50-prozentigen Elektrifizierung Jahrhunderts um 100 Prozent notwendig. Prozent im Jahre 2020.
des europäischen Pkw-Marktes rund Auch wenn dieser Prozess nach wie vor
15 Prozent des Gesamtstrombedarfs langsam voranschreitet und in manchen
ausmachen.
23,3% ERNEUERBARE 50,5%
Betrachtet man den Strombedarf eines EVs 27,0% Wind
wird deutlich, dass die globale Energiewende
10,4% Sonne
nicht nur für die Nachhaltigkeit der 2011
Stromverbraucher, sondern auch für die 9,3% Biomasse
Nachhaltigkeit der Mobilität von besonderer 3,7% Wasser
Bedeutung ist. Der Verzicht auf fossile 2020
Energieträger ist eine Grundvoraussetzung
für nachhaltige Mobilität. Der ökologische 16,8% Braunkohle
Mehrwert eines Autos ist stark an die Art 7,3% Steinkohle
der Energiequelle, im Falle des EVs an die 12,5% Uran
Stromerzeugung gekoppelt. 12,1% Erdgas
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Eine der Grundlagen für die global 76,7% KONVENTIONELLE 49,5%
avisierte Energiewende ist das Pariser
Klimaabkommen. In diesem Rahmen Quelle-Daten: Fraunhofer ISE, Darstellung: strom-report.de
haben sich 197 Staaten verpflichtet, den
10• Ist die Energiewende erfolgreich, beziehen wesentlichen Herausforderungen mittels Die genannten Speichertechnologien
wir unseren Strom nahezu ausschließlich Netzausbau, Netzsteuerung und -monitoring werden derzeit überwiegend für die kurz-
aus regenerativen Quellen wie Wind, Sonne bewerkstelligen zu können. Letztendlich ist und mittelfristige Zwischenspeicherung
und Biomasse. Doch der Stromsektor sollte, auf diese Weise jedoch das Problem der von Energie verwendet. In der Zukunft wird
wie bereits beschrieben, im Energiesystem schwankenden Stromverfügbarkeit aus aber auch der Bedarf an langfristigen und
der Zukunft keinesfalls isoliert betrachtet Erneuerbaren Energien nicht vollständig saisonalen Speichern wachsen. Aufgrund
werden. Nur die parallele Dekarbonisierung zu lösen. Daher gewinnt die Flexibilisierung dessen nimmt die Sektorenkopplung, welche
im Wärme- und Verkehrssektor sowie des Energiesystems als Alternative zur die Kopplung der drei energieintensiven
die Nutzung einhergehender Synergien Netzoptimierung an Bedeutung. Es ist Sektoren Strom, Wärme und Mobilität
für die Umstellung auf erneuerbare stets zu hinterfragen, wo das ökonomische als Ziel verfolgt, eine immer wichtigere
Energiequellen in allen drei Sektoren und ökologische Optimum zwischen der Rolle ein. Durch die Kopplung wird die
wird das Erreichen der gesteckten Netzoptimierung und einer Flexibilisierung Nutzung erneuerbarer elektrischer Energie
Klimaschutzziele ermöglichen. Das des Energiesystems liegt. (Sektor Strom) als Grundlage für die
Energiesystem der Zukunft verlangt Dekarbonisierung der Sektoren Wärme
eine umfangreiche Verknüpfung von Zur Flexibilisierung des Energiesystems und Mobilität weiter intensiviert und der
Strom, Wärme und Mobilität, wobei zählt die Verstärkung des nachfrageseitigen Stromverbrauch durch regelbare Lasten
heute in den Sektoren Wärme und Lastmanagements (Demand-Side- flexibilisiert. Zudem kann vereinzelt auch
Mobilität überwiegend kohlenstoffhaltige Management) sowie der Einsatz von Elektrizität aus den Sektoren Wärme und
Brennstoffe vermehrt durch elektrische Speichern. Vor allem Speicher sind dabei Mobilität zurückgewonnen werden, wenn
Energie substituiert werden. Erneuerbarer umfassend skalierbar und steuerbar. ein Engpass in der Strombereitstellung
Strom wird so zunehmend zur wichtigsten Zudem dienen sie der Entkopplung von besteht. Die für alle beschriebenen Zwecke
Energiequelle für den Wärme- und der Erzeugung und dem Verbrauch notwendigen Technologien werden allesamt
Verkehrssektor werden. Der Klimaschutz der Elektrizität. Dies ist von besonderer als Power-to-X-Technologien bezeichnet.
und die nachhaltigere Lebensweise des Wichtigkeit, da sich elektrische Energie nur
Menschen sind dabei die prägnantesten in verhältnismäßig geringen Mengen direkt So beschreibt Power-to-Heat beispielsweise
Aspekte. Die Energiewende im Sinne speichern lässt. Im Sinne der Energiewende die Anwendung einer intelligent gesteuerten
der Bereitstellung von Elektrizität bringt besteht häufig der Bedarf einer lokalen, Wärmepumpe, die die Wandlung von
größere Anforderungen mit sich. dezentralen Zwischenspeicherung Elektrizität in Wärme ermöglicht sowie
elektrischer Energie, die als solche am Ende Power-to-Gas, die Wandlung von Elektrizität
Wesentliche Aspekte sind wie folgt: des Speicherprozesses wieder verfügbar in gasförmige, langfristig speicherbare
• Strom wird zukünftig nicht immer dort sein soll. Deshalb muss die Energie in aller Stoffe wie zum Beispiel Wasserstoff. Bei
produziert, wo er verbraucht wird. Folglich Regel mit Verlust in eine andere Energieart Anwendungen aus dem Bereich Power-
muss Strom teilweise über größere umgewandelt und bei Bedarf wiederum to-Mobility stehen wiederum das Laden
Strecken transportiert werden, um den und ebenfalls mit Verlust zurückgewandelt elektrisch betriebener Fortbewegungsmittel
Verbraucher zu erreichen, wie dies auch werden. Hierfür stehen bereits zahlreiche wie etwa EVs oder auch Drohnen im
bei konventionellen Kraftwerken der Fall ist. Technologien zur Verfügung, die jedoch Vordergrund. Diese können über ungenutzte
nicht alle den Anforderungen des Zeiträume hinweg zunehmend auch
• Die Stromproduktion unterliegt, bedingt Energiemarkts gerecht werden. Während entladen werden, so dass sie über eine
durch die Abhängigkeit von der Wetterlage, mechanische Speicher sehr viel Energie dynamische und intelligente Ladung nicht
teilweise großen Schwankungen. während des Speicherzeitraums verlieren, nur als variable Last, sondern auch als
• Die Stromversorgung muss unabhängig Wasserspeicher hohe Anforderungen Zwischenspeicher fungieren. Durch diese
von diesen wetterbedingten an die Umgebung haben und viel Platz sogenannten Vehicle-to-Grid-Technologien
Schwankungen sichergestellt sein, die bei benötigen, sind thermische Speicher derzeit wird deutlich, dass die Batterie innerhalb der
erneuerbaren Energien entstehen können. nicht ausreichend entwickelt und häufig Sektorenkopplung hohe Potenziale hat.
• Die dezentrale Stromerzeugung unwirtschaftlich. Daher liegt ein hohes
wird künftig zu einem sogenannten Potential in allen chemischen, insbesondere
umgekehrten Lastfluss führen, da batterieelektrischen Speichern. Ein
Haushalte und Gewerbe eigene prominentes Beispiel sind hier Lithium-Ionen-
Energieanlagen besitzen und zu diversen Speicher, die Anwendung in Heimspeichern
Tageszeiten mitunter mehr Energie oder EVs finden, wie bereits im vorherigen
erzeugen als sie verbrauchen. Kapitel beschrieben.
Für das Gesamtenergiesystem wird ein Mix
Aus den genannten Herausforderungen
aus bereits verfügbaren Technologien aber
können Notwendigkeiten in Bezug auf die
auch neuen Technologien wie beispielsweise
Weiterentwicklung des Stromnetzes sowie
Ultrakondensatoren, Feststoffbatterien oder
der Flexibilisierung des Stromverbrauchs
Redox-Flow-Batterien benötigt werden. Die
abgeleitet werden. Die Anforderungen an
International Energy Agency (IEA) geht
die Stromnetze werden weiter steigen,
davon aus, dass bis 2040 mindestens
bedingt durch höhere Lastspitzen im
eine installierte Kapazität von 10.000
Verteilnetz, anspruchsvollere Prognosen
Gigawattstunden benötigt wird, um die
der Stromflüsse oder auch das alltägliche
weltweiten Klimaziele einzuhalten. Das ist das
Auftreten umgekehrter Lastflüsse. Es gibt
Fünfzigfache der heute installierten Kapazität.
eine Reihe technischer Lösungen, um die
Imagine a battery-centric world 1112
Imagine a battery-centric world
Imagine
Titlea of
battery-centric
the document world
text 13Imagine a battery-centric world
Batterien und Energiespeicher sind von Wie bereits in „Who needs to own a Ein möglicher Ansatz könnte die virtuelle
enormer Bedeutung und ein essentieller car“ erläutert, ist Mobilität nicht mehr Lebenszeitbatterie sein. Das heute bereits
Teil der Energie- und Mobilitätswende. zwangsläufig mit dem Besitz eines Fahrzeugs in Fahrzeugen eingesetzte BMS (Battery
Ganz allgemein bilden sie die Brücke verbunden. Wenn sich der Mobilitätszwang Management System) würde in diesem
zwischen Erzeugung und Verbrauch von hin zu einem Mobilitätswunsch verändert, Szenario eine zentrale Rolle spielen.
Elektrizität und ermöglichen eine zeitliche unterscheiden sich urbane Regionen Wenn jede Batterie mit einem Digital
Unabhängigkeit der beiden Vorgänge. Zum von ländlichen Gebieten hinsichtlich Twin versehen wird, können fast beliebig
anderen bilden sie die Brücke zwischen Mobilitätsangebot und Mobilitätsbedarfen. viele Daten zum Status einer Batterie
der Energiewende und Mobilitätswende, abgegriffen und über die Lebenszeit verfolgt,
indem sie das batteriebetriebene Elektroauto Was aber jeden Menschen in unserer ausgewertet und verwendet werden. Mit
in der heutigen Form überhaupt erst modernen Welt vereint, ist der Bedarf Hilfe von Data Analytics, sowie im weiteren
ermöglichen und zukünftig ins Stromnetz an Energie. Daher liegt nichts näher, als Verlauf durch künstliche Intelligenz (AI).
integrieren werden. Die Batteriehersteller und aufgrund dieses elementaren Bedarfes können Ladezeiten und Lebenszeit sowie
Batteriebetreiber setzen sich daher potenziell die Batterie ins Zentrum der Mobilität zu Ladezustand in Abhängigkeit vom jeweiligen
an die Spitze des Ökosystems. stellen. Der Energiespeicher nimmt seinen Einsatzzeitpunkt und zur Einsatzart optimiert
Weg durch verschiedenartige, jeweils dem werden. Die Verfügbarkeit kann durch
Bedenkt man die bereits aufgeführten Lebensabschnitt angepasste Fahrzeuge vorausschauende Wartung wie zum Beispiel
Entwicklungsmöglichkeiten von gemäß Alter, Platz- und Mobilitätsbedarf, Planung von Wartungsintervallen und
Batterien und kombiniert dies mit sich Wohnort etc.. Alternativ wird der Speicher zur Schwachstellenanalysen optimiert werden.
verändernden Lebensumständen und stationären Batterie in der eigenen Wohnung
Mobilitätsanforderungen, erscheint das oder dem eigenen Haus, wenn der Besitz
Szenario weniger fremd. eines eigenen Fahrzeugs für die individuelle
Mobilität nicht notwendig ist.
Der Begriff Digital Twin wird heutzutage sehr weitgreifend benutzt. Deswegen gehen wir kurz auf die Begriffsbedeutung ein und beschreiben
die verschiedenen Spielarten. Der Digital Twin ist ein virtuelles Abbild eines oder mehrerer real existierender Objekte oder Objekte, die in Zukunft
real existieren werden. Es gibt drei Hauptzweige:
Product Twin Production Twin Service Twin
Produktentwicklung mit einer Optimierung des Produktionsproz- Optimierung der Produktperfor-
Produktsimulation unter Nutzung esses und Ressourceneinsatzes mit mance und der Servicequalität durch
von Daten aus der realen Welt Hilfe eines virtuellen Abbilds der ein virtuelles Abbild des Produktes
Produktionsstätte
Quelle: Atos – Digital Twin
14Für den kompletten Lebenslauf einer Batterie Entscheidend ist, dass das Objekt Batterie mit können zur Auswertung und zur Erstellung
sind alle drei genannten Digital Twin Ansätze entsprechenden Sensoren ausgestattet ist, die von Prognosen herangezogen werden und
relevant. Der Product Twin entsteht in der relevante Statusinformationen abgreifen und sind die Basis für den eigentlichen Digital Twin.
Entwicklungsphase schon bevor das Produkt an eine zentrale Stelle übermitteln. Auf dieser
in der realen Welt existiert. Erprobungen noch zu definierenden Plattform werden Die Vielzahl der eingehenden Daten
werden am virtuellen Abbild vorgenommen Echtzeitdaten und historische Daten mit jedes einzelnen Batterieobjekts können
und erleichtern sowie beschleunigen den weiteren Daten zu Objekt und Umgebung des zusammengeführt und in einem Data Lake
Entwicklungszyklus. Der Production Twin ist Objektes angereichert, sodass ein komplettes analysiert werden. Erkenntnisse können
ein Abbild der Fertigungsstraßen und Abläufe virtuelles Abbild der Batterie entsteht. sowohl in den Entwicklungszyklus und dem
zur Verbesserung der Produktionsabwicklung. Echtzeiten werden direkt in Apps verarbeitet Produktionsablauf einfließen als auch zur
Im Service Twin wird das eigentliche und dienen zur direkten Steuerung aller Verbesserung der einzelnen Batterie genutzt
Endprodukt, jede einzelne Batterie abgebildet, Ereignisse rund um die Batterie. Daten zur werden.
was uns zur virtuellen Batterie führt. Historie des Objekts werden gesammelt und
Insights from performance Improve performance of
manufacturing, product,
material & process
Virtual Real Digital
World World Replica by closing the product
lifecycle loop
Autonomous
Robots
Big Data Simulation
by connecting all digital
threads in context
Augmented System
Reality through monitoring,
Integration analyse, act & interact
Enterprise Field Semantic
Data Data Knowledge
by providing decision making
PLM Sensor Data Analytics options to mitigate failures
Additive Internet of
ERP Service Data-SLM Experience Manufacturing things
MES Failure Data Learnings
by performing “What If” analysis
Cloud Cybersecurity to optimize Performance
Computing
Continuous Improvement
Quelle: Atos – Digital Twin
Imagine a battery-centric world 15Die Vorteile einer Virtualisierung liegen Auf diese Weise können vermarktete Dass dieses Virtualisierungsszenario
eindeutig auf der Hand. Vorhandene Leistungen bedarfsgerecht über einen funktioniert, beweist uns die IT-Branche durch
Hardware-Ressourcen könnten optimal langen Zeitraum hinweg sichergestellt die Virtualisierung von Servern und Clients
ausgenutzt und stetig verbessert werden. werden. Die Vernetzung der einzelnen bereits seit vielen Jahren. Die Virtualisierung
Der Digital Battery Twin würde den Zeitwert Batterien kann im Digital Twin virtuell hat zur weitgehenden Cloudifizierung von IT-
der eigenen virtuellen Batterie abbilden. abgebildet, erprobt und optimiert werden. Landschaften geführt. Der Gedanke, eigene
Leistung kann bei Bedarf hinzugenommen Applikationen in eigenen Rechenzentren
oder reduziert werden. „Pfleglicher Umgang“ Um in Echtzeit Daten auswerten zu können, zu administrieren, spielt in modernen
mit der Batterie (Laden, Entladen, Wartung) ist das Zusammenspiel verschiedener IT-Architekturen eine immer geringere
spiegelt sich im Digital Battery Twin wieder Marktakteure, Stromwandler und Rolle. Die Infrastruktur-Kenngrößen sind
und führt zu Werterhalt oder Wertverlust. Stromspeicher zu simulieren. So können in der IT eindeutig festgelegt. Unter
Jeder Benutzer kann direkt durch sein Lastspitzen frühzeitig prognostiziert sowie anderem bestehen sie aus CPU-Leistung,
Verhalten Einfluss auf seine virtuelle Batterie im wirtschaftlichen und netzdienlichen Sinne Arbeitsspeicher, Festplattenspeicher,
nehmen. Wichtig ist dabei die einheitliche optimal genutzt werden. Im Digital Twin Netzwerkbandbreite, Nutzungszeitraum und
Festlegung der Kenngrößen der Batterie. könnten zukünftig Elektrofahrzeugflotten Nutzungsdauer. Die Infrastrukturangebote
simuliert, Lastspitzen vor deren Eintritt einschlägiger Cloudanbieter lassen sich an
Für die Energiewirtschaft und die erkannt und mit netzdienlichem Be- diesen Parametern festmachen.
Energiewende bietet der Digital Twin einen und Entladen stationärer Speicher
signifikanten Mehrwert in Bezug auf die entgegengewirkt werden. Für einen Energiespeicher lassen sich ähnlich
Vermarktung variabler Lasten. Das Ein- und sinnvolle Infrastruktur-Kenngrößen festlegen
Ausspeisen von Strom aus Batteriespeichern In den genannten Beispielen treffen (wie Ladezeit, Kapazität, Leistungsfähigkeit
kann durch Digital Twins effizienter gesteuert Interessen typischer Automobilhersteller, über die Zeitachse etc.). Das ehemals
werden. Hierfür sind regulatorische Ladeinfrastrukturanbieter und -betreiber ungewöhnliche Szenario im IT-Bereich,
Rahmenbedingungen zu beachten und sowie Energieversorger und Netzbetreiber Daten, Applikationen und Rechenzentren
marktseitige Anreize zu identifizieren. aufeinander. Der Digital Twin ist in der Lage, nicht mehr in Eigenregie zu verwalten,
die Daten der einzelnen Akteure miteinander sondern als Services aus der Cloud zu
Im Bereich der regulatorischen zu vernetzen und deren Bedürfnisse in beziehen, ist mittlerweile ein völlig normales
Rahmenbedingungen besteht häufig Einklang zu bringen. Alltagsszenario. Den Nutzer interessiert
die Notwendigkeit, die Leistungen und schlichtweg nicht mehr, wie der Service
Kapazitäten mehrerer Batterien miteinander zustande kommt. Analog kann dies in
zu koppeln, so dass diese als eine Batterie - absehbarer Zeit bei dem beschriebenen
vergleichbar mit einem virtuellem Kraftwerk Energiespeicher auch der Fall sein.
- agieren und gesteuert werden können.
16Zusammenfassung:
Die Batterie und ihre Auswirkungen
auf die Industrie
Imagine a battery-centric world 17Die Batterie und ihre Auswirkungen
auf die Industrie
Neben der eigentlichen Batterietechnologie Vielleicht stellen sich aber auch die Natürlich kann das Szenario der “Battery-
ist die IT-Technologie das Schlüsselszenario, Batteriehersteller an die Spitze dieser centric world” auch ein Betätigungsfeld für
um die aufgezeigten oder vergleichbaren sich neu-formierenden Ökosysteme. Sie Energieunternehmen sein.
Visionen sukzessive in die Praxis umzusetzen. produzieren das Kernstück des neuen
Entscheidend wird das Ökosystem sein, Systems und sind häufig finanziell gut Die Ölindustrie und der verbundene
welches sich hier zusammenfinden wird. ausgestattet. Tankstellenbetrieb verlieren einen
wesentlichen Teil der Geschäftsgrundlage.
In der Automobilbranche fallen wesentliche Aus unternehmenskultureller Sicht sind Somit ist ein führender und auch politisch
Geschäftsgrundlagen weg. Der Bereich die sogenannten Hyperscaler wie Google, prägender Industriezweig massiv von den
Aftersales wird bei EVs massiv reduziert, was Apple und Amazon prädestiniert, eine Veränderungen betroffen.
auch Zulieferer und Werkstätten treffen wird. wichtige Rolle im Ökosystem einzunehmen.
Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal Sie wissen bereits wie neue Themen Die wesentliche Frage wird sein, ob die
zu den hoch effizienten und ausgereiften marktbeherrschend eingeführt werden und derzeitig vorherrschende Kultur adaptiert
Motoren ist ebenfalls nicht mehr vorhanden. mit einer aggressiven Wachstumsstrategie wird und notwendige Veränderungen
Die Automobilindustrie dürfte daher ein monopolistische Positionen erreicht werden. konsequent angegangen werden, um
großes Interesse daran haben, innovative Im Bereich autonomes Fahren spielen sie Chancen zu ergreifen - auch wenn es bereits
Ideen in der für sie nun entscheidenden bereits eine signifikante Rolle und nutzen bestehende Geschäftsmodelle kannibalisiert.
Schlüsseltechnologie weiter voranzutreiben. ihre Kompetenzen sowie Erfahrungen im Die Energieversorger wiederum haben
Aufbauend auf dem Wissen und den Datenmanagement. Gute Chancen, eine viel Erfahrung mit dem Betrieb von
Erfahrungen, unterschiedliche Zulieferer führende Rolle zu übernehmen, bestehen kritischen Infrastrukturen und generell m
zu managen und zu einem Top Produkt hier auch für Start-up Unternehmen, die Elektrizitätsmarkt, um auch zukünftig eine
zusammenzuführen, könnten OEMs ihre ohne Ballast und Interessenskonflikte mit tragende Rolle im Ökosystem zu spielen.
Chance suchen. bestehenden Geschäftsmodellen am Markt Es wird unzählige Geschäftsmodelle geben,
teilnehmen. welche Profitabilität und Nachhaltigkeit
verbinden und die weit über den Verkauf von
Fahrzeug, Strom und Batterie hinausgehen.
Die Zukunft wird zeigen, wer sich
entsprechend gut aufgestellt in diesen neuen
Marktfeldern positionieren kann.
18Key Contacts
Matthias Böhmer Dr. Roman A. Dudenhausen Heiko Schwidrogitz Tim Kimpel
Manufacturing Managing Partner Vorstand / ceo Geschäftsführer Seniorberater
Atos Information Technology GmbH con|energy ag ENERGY4U GmbH con|energy
Otto-Hahn-Ring 6 Norbertstraße 3 An Atos Worldgrid Company unternehmensberatung gmbh
81739 München D-45131 Essen Albert Nestler Str 17 Norbertstraße 3
Tel. +49 201 1022-220 76131 Karlsruhe D-45131 Essen
Tel. +49 211 399 31364
matthias.boehmer@atos.net dudenhausen@conenergy.com Tel. +49 721 610 52 100 Tel. +49 201 1022-346
www.atos.net www.conenergy.com heiko.schwidrogitz@atos.net kimpel@conenergy.com
www.energy4u.org www.conenergy.com
Imagine a battery-centric world 19Whitepaper
About Atos About con|energy
Atos is a global leader in digital transformation con | energy AG is a leading service company
with 110,000 employees and annual revenue for the energy industry. Founded by today’s
of € 12 billion. European number one in board members, Dr. Roman Dudenhausen and
cybersecurity, cloud and high performance Dr. Niels Ellwanger, con | energy has won over
computing, the group provides tailored 500 companies from all areas of the energy
end-to-end solutions for all industries in 73 industry as customers. The basis of success is
countries. A pioneer in decarbonization the connection between in-depth market and
services and products, Atos is committed to a industry knowledge with pragmatic, solution-
secure and decarbonized digital for its clients. oriented implementation.
Atos operates under the brands Atos and
Atos|Syntel. Atos is a SE (Societas Europaea), At con|energy we are fully committed to a
listed on the CAC40 Paris stock index. sustainable energy future. As a group, we
support companies in their transformation
The purpose of Atos is to help design the process with consulting, marketing and
future of the information space. Its expertise information services as well as with efficient IT
and services support the development of tools. We are a strong partner in change and
knowledge, education and research in a develop holistic strategies for the challenges
multicultural approach and contribute to the of the energy, heat and mobility transition in
development of scientific and technological an increasingly digital world. Discover in which
excellence. Across the world, the group fields we are at your side as a qualified partner
enables its customers and employees, and and benefit from the synergies within our
members of societies at large to live, work group of companies.
and develop sustainably, in a safe and secure
information space.
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