STRUKTURSTUDIE BWe MOBIL 2015 - Elektromobilität in Baden-Württemberg - e-mobil BW
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STRUKTURSTUDIE BWe MOBIL 2015
Elektromobilität in Baden-Württemberg
STRUKTURSTUDIE BWe mobil 2015 Elektromobilität in Baden-Württemberg e-mobil BW GmbH – Landesagentur für Elektromobilität und Brennstoffzellentechnologie Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg
INHALT
Vorwort 4 3.4 Veränderungen der Wertschöpfungsarchitektur 48
Kernergebnisse und Implikationen 6 3.4.1 Referenzmodell und Annahmen der Wertschöpfungsbestimmung 49
3.4.2 Kostentreiber und -entwicklungen in der Herstellung von Antriebskomponenten 49
1 Ausgangslage und Zielsetzung 7 3.4.3 Kostenstrukturen/-entwicklungen verschiedener Antriebskonzepte 52
2 Technologie 8 3.5 Zukünftige Auswirkungen aus Sicht der Wertschöpfung 54
2.1 Elektromobile Antriebs- und Fahrzeugkonzepte 8 3.5.1 Wertschöpfungsentwicklungen bei konventionellen Antrieben/Komponenten 54
2.2 Energiespeicher 10 3.5.2 Wertschöpfungsentwicklungen bei neuen Antrieben/Komponenten 55
2.2.1 Energiespeicher allgemein 10 3.5.3 Zusammenfassung der Wertschöpfungsentwicklungen 57
2.2.2 Lithium-Batteriezellen 12 3.6 Effekte auf die Beschäftigung in Baden-Württemberg 58
2.2.3 Zukünftige Zellchemien 14 3.6.1 Bestimmung der Beschäftigungseffekte 58
2.2.4 Supercaps 16 3.6.2 Potenziale durch konventionelle Antriebe/Komponenten 58
2.2.5 Redox-Flow-Batterien 16 3.6.3 Theoretische Potenziale durch neue Antriebe/Komponenten 59
2.2.6 Batteriesystem 17 3.6.4 Diskussion der Ergebnisse 60
2.3 Komponenten des Antriebsstrangs 18 4 Aktivitäten und Erfahrungen 64
2.3.1 Elektrische Maschine 18 4.1 Baden-Württemberg auf dem Weg zum Leitmarkt 64
2.3.2 Leistungselektronik 23 4.1.1 Instrumente zur Förderung der Marktdurchdringung 64
2.3.3 Getriebe 26 4.1.2 Märkte und Fördermodelle im internationalen Vergleich 66
2.3.4 Range-Extender 26 4.1.3 Schlussfolgerungen für Baden-Württemberg 67
2.3.5 Optimierung des konventionellen Antriebsstrangs 27 4.2 Baden-Württemberg auf dem Weg zum Leitanbieter 68
2.4 Sonstige Fahrzeugkomponenten 28 4.3 Expertenbefragung zum Status quo der Elektromobilität 74
2.4.1 Nebenaggregate 28 4.3.1 Rückblick, Status quo und Ausblick zum Stand der Elektromobilität in Deutschland und Baden-Württemberg 75
2.4.2 Klimatisierung 29 4.3.2 Expertensicht auf die Forschungsaktivitäten deutscher Unternehmen und
2.5 Konduktive und induktive Ladesysteme 31 die Position im internationalen Wettbewerb 77
2.5.1 Konduktive Ladesysteme 31 4.3.3 Handlungsbedarf im Bereich der Ladeinfrastruktur 79
2.5.2 Induktive Ladesysteme 34 4.3.4 Rückblick auf die bisherige Förderpolitik und Ausblick in die Zukunft 81
3 Markt und Wertschöpfung 38 4.4 Elektromobilität aus Sicht des Anwenders 84
3.1 Die Bedeutung des Automobils für Baden-Württemberg 38 4.4.1 Nutzungshürden von Elektrofahrzeugen aus Sicht privater Nutzer 84
3.1.1 Automobilstandort Baden-Württemberg 38 4.4.2 Erfahrungen aus Anwendungsprojekten in Baden-Württemberg 85
3.1.2 Aktuelle Entwicklung bei Neuzulassungen 39 5 Bestehende Herausforderungen aus Akteurssicht 90
3.1.3 Struktur der Automobilindustrie in Baden-Württemberg 40
3.2 Marktentwicklung 41 Abbildungsverzeichnis 92
3.3 Marktszenarien 44 Abkürzungsverzeichnis 94
3.3.1 Entwicklung des globalen Automobilmarkts 44 Literaturverzeichnis 96
3.3.2 Marktentwicklung alternativer Antriebe global 46 Publikationen der e-mobil BW 108
3.3.3 Marktentwicklung alternativer Antriebe in Deutschland 48
2 3
VORWORT
Elektromobilität ist die Mobilität der Zukunft. Die kommenden
Jahre werden durch striktere regulative Vorgaben hinsichtlich
der Verringerung von CO2-Emissionen von Fahrzeugen geprägt
sein. Gleichzeitig werden fossile Brennstoffe zunehmend knap-
per. Konzepte für eine nachhaltige Mobilität, in denen zunehmend
elektrifizierte Fahrzeuge eine wichtige Komponente darstellen,
bilden eine wesentliche Voraussetzung, um diese ökologischen
Herausforderungen zu meistern und gleichzeitig wirtschaftliches
Wachstum zu schaffen.
Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs bedeutet für die Auto- den Wissenstransfer zwischen Forschung und Industrie fördern
mobilindustrie einen enormen Wandel und bietet gerade deshalb und zur Entwicklung gemeinsamer, branchenübergreifender Lö-
große Chancen, aber auch Risiken für alle beteiligten Akteure. sungen beitragen.
Durch entfallende und neue Komponenten und Technologien
werden sich Wertschöpfungsanteile zwischen unterschiedli- Die vorliegende Studie gibt einen Einblick in den Wandel des
chen Akteuren und möglicherweise auch zwischen Wirtschafts- Wertschöpfungssystems im Hinblick auf alternative Mobilitäts-
regionen neu verteilen. lösungen und zeigt – ausgehend von der heutigen Positionierung
des Landes – zukünftige Potenziale und Risiken für die baden-
Baden-Württemberg hat durch seine traditionell gewachse- württembergische Industrie auf.
nen Strukturen und seine besondere Unternehmenslandschaft
– unterstützt durch exzellente Forschungs- und Hochschulein-
richtungen – die besten Voraussetzungen, auch zukünftig eine
weltweit führende Rolle einzunehmen. Neben den großen Auto-
mobilherstellern und führenden IT-Unternehmen sind es im Land
auch die Mittelständler, die einen maßgeblichen Beitrag zur
Wertschöpfung der Automobilindustrie leisten. Ihre innovativen
Produkte, Lösungen und Dienstleistungen finden weltweiten Ab- Dr. Nils Schmid MdL
satz und Anerkennung. Stellvertretender Ministerpräsident und Minister für Finanzen
und Wirtschaft des Landes Baden-Württemberg
Neben der Vernetzung der Branchen ist die aktive Einbindung
der kleinen und mittleren Unternehmen in den Technologiewan-
del eine wesentliche Voraussetzung für die zukünftige Wettbe-
werbsfähigkeit Baden-Württembergs. Bereits seit Jahren gibt es Franz Loogen
daher zahlreiche Aktivitäten und Clusterinitiativen im Land, die Geschäftsführer e-mobil BW GmbH
4 5
Kapitel 1
KERNERGEBNISSE UND IMPLIKATIONEN AUSGANGSLAGE
UND ZIELSETZUNG
DIE ELEKTRIFIZIERUNG IST DER WEG IN DIE ZUKUNFT Weitere Marktpotenziale für das Land bieten die Effizienztech- Die Elektromobilität in Baden-Württemberg hat seit der Erstver-
nologien und die Nebenaggregate bzw. deren Elektrifizierung mit öffentlichung der Studie 2008 eine intensive und dynamische
Ein Treiber für eine breite Elektrifizierung ist der von der EU für einem Zuwachs von insgesamt 3,47 Milliarden Euro (+6.900 Be- Entwicklung genommen. Ladestationen und Elektrofahrzeuge
neue PKW festgelegte Grenzwert von durchschnittlich 95 Gramm schäftigte). Für das Jahr 2025 ergibt sich durch die Komponenten werden mehr und mehr Teil des Stadt- und Landschaftsbilds.
CO2-Ausstoß pro Kilometer ab dem Jahr 2020. Um die notwendi- des elektrifizierten Antriebsstrangs ein ausschöpfbares Markt-
gen Effizienzsteigerungen für dieses Ziel zu erreichen, müssen potenzial von rund 3,1 Milliarden Euro (+5.600 Beschäftigte). Ein Die Ausgangslage hat sich für die beteiligten Akteure, unter an-
der verbrennungsmotorische Teil des Antriebsstrangs weiterhin theoretisches Potenzial für ca. 5.800 weitere Beschäftigte liegt derem durch Programme wie das Schaufenster LivingLab BWe
optimiert und die Elektrifizierung des Antriebsstrangs und Ge- in der Produktion von Batteriezellen und der Übernahme eines mobil und den Spitzencluster Elektromobilität Süd-West, ent-
samtfahrzeugs vorangetrieben werden. größeren Wertschöpfungsumfangs bei der Herstellung der elek- schieden verbessert. Darüber hinaus wurden beispielsweise Bil-
trischen Antriebsstrangkomponenten. dungsangebote mit Elektromobilitätsbezug etabliert. Gleichwohl
DER KONVENTIONELLE ANTRIEB VERLIERT SEINE STELLUNG bleiben Herausforderungen bestehen. Forschungsbedarf ist
FORSCHUNG BRINGT DIE SPITZENPOSITION weiterhin in technologischen wie auch in marktnahen Bereichen
Im Jahr 2030 wird, maßgeblich aus Kostengründen, nur noch rund gegeben [NPE (2014a)].
ein Viertel der neu zugelassenen Fahrzeuge ausschließlich einen In Baden-Württemberg gibt es insbesondere im Rahmen des
konventionellen verbrennungsmotorischen Antrieb besitzen. Ein Spitzenclusters Elektromobilität Süd-West innovative For- Die vorliegende „Strukturstudie BWe mobil 2015“ ist eine vollstän- Das Kapitel 4 beleuchtet den Stand der Elektromobilität in Baden-
weiteres Viertel der Neuzulassungen wird, bedingt durch die schungsprojekte, die Potenziale für eine Leitanbieterschaft er- dig aktualisierte Neuauflage der vorherigen Strukturstudien aus Württemberg aus Sicht zentraler Akteure aus Wirtschaft und Po-
notwendige Verbrauchsoptimierung, elektrifizierte Komponenten schließen. Zu den Themenfeldern gehören unter anderem der den Jahren 2009 und 2011. Ziel der neuen Studie ist eine umfas- litik sowie der Anwender. Deren Erfahrungen werden an durch-
aufweisen. Nahezu die Hälfte der zu diesem Zeitpunkt neu auf Anlagenbau (unter anderem in den Bereichen Zellfertigung und sende Betrachtung der Elektromobilität in Baden-Württemberg. geführten und initiierten Aktivitäten gespiegelt. Abschließend
den Markt kommenden Fahrzeuge besitzt einen elektrifizierten Batterieherstellung) sowie die Herstellung von Leistungselek- Dieser Absicht folgend befasst sich die Strukturstudie mit den werden die akteursspezifischen Herausforderungen dargestellt.
Antriebsstrang mit einer relevanten elektrischen Reichweite. troniken, elektrischen Maschinen und Aktivmaterialien für die Themenfeldern Technologie (Kapitel 2), Markt und Wertschöp-
Zellfertigung. Zusätzlich laufen im Schaufenster Elektromobilität fung (Kapitel 3) sowie Aktivitäten und Erfahrungen (Kapitel 4). Kapitel 5 zieht schließlich ein Fazit und bereitet die gewonnenen
ELEKTRISCHE KOMPONENTEN BRINGEN MILLIARDEN LivingLab BWe mobil anwendungsorientierte F&E-Projekte zur Erkenntnisse zusammenfassend auf.
strategischen Unterstützung der Marktvorbereitung. Solche For- In Kapitel 2 werden die technologischen Grundlagen der Elekt-
Aufgrund der Marktentwicklung kommt es bei den von der Elek- schungsaktivitäten sind auch weiterhin wichtig und notwendig, romobilität dargestellt. Außerdem wird ein Einblick in den Stand Die Strukturstudie fokussiert auf elektromobile Fahrzeuge bzw.
trifizierung betroffenen Komponenten zu einer Steigerung des um Kosten zu senken sowie ein attraktives Marktportfolio im an- der Technik von Komponenten und Systemen gegeben, die in Fahrzeugkonzepte. Im Vergleich dazu beschreibt die Systemana-
globalen Marktvolumens um 216,78 Milliarden Euro (2025) bzw. laufenden Markt der Elektromobilität generieren zu können. Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen. Das Kapitel schafft so- lyse BWe mobil ihrer Bezeichnung folgend das System Elektromo-
341,25 Milliarden Euro (2030) gegenüber dem Jahr 2013. Rund die mit eine Wissensbasis für die darauf folgenden Analysen von bilität (beispielsweise Energiesysteme, Informations- und Kom-
Hälfte dieses Zuwachses entfällt im Jahr 2025 bereits auf rein ENTSCHEIDER SETZEN AUF ELEKTROMOBILITÄT Wertschöpfungs- und Beschäftigungsveränderungen. munikationssysteme, Flottenmanagementsysteme) und Wege in
elektrische Komponenten (Leistungselektronik inklusive Ladege- die Elektromobilität (beispielsweise Industrialisierung, Infra-
rät, elektrische Maschine, Batteriesystem, Brennstoffzellensys- Die in der Studie befragten Experten aus Wirtschaft und Politik Mit derartigen Untersuchungen befasst sich Kapitel 3. Dabei struktur, Intermodalität). Bei Interesse an den genannten The-
tem). Für das Jahr 2030 erhöht sich der Anteil dieser Komponen- sind sich einig, dass sich das Thema Elektromobilität nach Höhen werden unter anderem die folgenden Fragen beantwortet: men wird folglich auf die Systemanalyse BWe mobil verwiesen.
ten am Gesamtwachstum auf rund 60 %. und Tiefen in den letzten fünf Jahren als fester Bestandteil in den
Technologie-Roadmaps und F&E-Strategien der Unternehmen eta- •• Welche Marktentwicklung ist für die Elektromobilität zu
EFFIZIENZTECHNOLOGIEN SIND EIN JOBMOTOR bliert hat. erwarten?
•• Welche Komponenten von Elektrofahrzeugen und welche
In Summe beläuft sich das Gesamtbeschäftigungspotenzial im NUR GEMEINSAM SIND WIR ERFOLGREICH Prozesse haben die höchsten Wertschöpfungsanteile?
Automobilsektor im Jahr 2025 auf gut 18.000 Beschäftigte für •• Was bedeutet der elektromobile Wandel für die Wirtschafts-
Baden-Württemberg im Vergleich zum Referenzjahr 2013. Für die Etablierung der Elektromobilität als attraktiver Zukunfts- und Beschäftigungsstruktur Baden-Württembergs?
Im Bereich der „konventionellen“ Komponenten (Verbrennungs- markt müssen Wirtschaft, Wissenschaft und öffentliche Hand
motor, Abgassystem sowie Getriebe) resultiert für das Land auch weiterhin sehr eng zusammenarbeiten. Die Ausschöpfung
Baden-Württemberg im Jahr 2025 ein zusätzliches Marktpotenzi- der hierdurch entstehenden Synergien bildet das Fundament für
al von rund 2,85 Milliarden Euro, was ein Beschäftigungspotenzi- eine nachhaltige Positionierung Baden-Württembergs als einer
al von ca. 5.600 Beschäftigten darstellt. der führenden Anbieter und Märkte der Elektromobilität.
6 7
Kapitel 2
TECHNOLOGIE
2.1 ELEKTROMOBILE ANTRIEBS- UND FAHRZEUGKONZEPTE wie in Abbildung 1 ersichtlich, Hybridfahrzeuge (parallel, HEV), HYBRIDFAHRZEUG (PARALLELER HYBRID, HEV) BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG (FCEV)
Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV), serielle Hybride (Elektrofahrzeu- Charakteristische Merkmale: Charakteristische Merkmale:
„Elektromobile Antriebskonzepte” gewinnen zunehmend an Be- ge mit Reichweitenverlängerung, REEV) sowie batterieelektrische Elektromotor zur Unterstützung des Fahrantriebs; Batterie durch Elektromotor wird über Energieträger Wasserstoff und Energie-
deutung. Dabei werden unter diesem Begriff sämtliche Personen- Fahrzeuge (reine Elektrofahrzeuge, BEV) und Brennstoffzellenfahr- Rekuperation aufladbar; Kombination eines klassischen Verbren- wandler Brennstoffzelle mit elektrischer Energie versorgt; verfügt
kraftwagen, Nutzfahrzeuge sowie Zweiräder (Roller, Fahrräder) im zeuge (FCEV) [NPE (2012)]. nungsmotors mit Elektromotor; rein elektrischer Antrieb teilweise ebenfalls über Batterie (Rekuperation).
Straßenverkehr verstanden, die zumindest einen Teil der Strecke möglich über geringe Reichweite. Je nach Unterstützung durch Beispiele aktueller und geplanter Modelle:
rein elektrisch angetrieben zurücklegen können, gleich, ob sie ihre den Elektromotor wird auch von Mild- oder Full-Hybrid gesprochen. Honda FCX Clarity, Toyota Mirai, Mercedes-Benz B-Klasse F-CELL
Energie von einer Batterie oder einer Brennstoffzelle beziehen. ELEKTRIFIZIERTES KONVENTIONELLES FAHRZEUG Beispiele aktueller und geplanter Modelle:
Weiterhin werden Fahrzeugkonzepte berücksichtigt, die elektri- Charakteristische Merkmale: Toyota Prius, Mercedes-Benz E 300 BlueTEC HYBRID, VW Jetta Bezüglich der Fahrzeugkonzepte kann zwischen Fahrzeugen des
sche Komponenten zur Optimierung des Antriebsstrangs besitzen. Derzeitige und zukünftige Fahrzeuge setzen sich aus verschie- Hybrid Individualverkehrs (PKW, Zweiräder, Nutzfahrzeuge, Arbeitsfahr-
Im Rahmen dieses Kapitels werden dazu die unterschiedlichen denen der folgenden Merkmale zusammen (eine repräsentative zeuge) und des öffentlichen Verkehrs (Busse, schienengebundene
Konzepte, technischen Grundlagen sowie mögliche Entwicklungs- Konfiguration zeichnet sich nicht ab): Vortrieb durch Verbren- PLUG-IN-HYBRIDFAHRZEUG (PHEV) Fahrzeuge, Schiffe) differenziert werden. Abbildung 2 zeigt bei-
pfade aufgezeigt. nungsmotor; Senkung der CO2-Emissionen durch mehrere elektri- Charakteristische Merkmale: spielhaft Ausführungen für unterschiedliche Einsatzgebiete.
sche Systeme innerhalb des Motors; Ersatz bislang mechanisch Elektromotor mit am Netz aufladbarer Batterie; Kombination von
Fahrzeuge können sowohl nach der Art des Antriebskonzepts angetriebener Komponenten durch elektrische Aggregate; Er- klassischem Verbrennungsmotor mit Elektromotor; rein elektri-
als auch nach Fahrzeugtyp unterschieden werden. Die Antriebs- gänzung neuer, ebenfalls elektrischer Technologien zur weiteren scher Antrieb möglich, abhängig von Batteriegröße und Nutzung.
konzepte wiederum lassen sich in konventionell und elektromo- Effizienzsteigerung; Möglichkeit zur Bremsenergierückgewinnung Der Unterschied zum HEV liegt in der Möglichkeit der Aufladung
bil unterteilen, wobei unter konventionellen Antriebskonzepten zur Entlastung des Generators oder zur direkten Versorgung von der Batterie über das Netz.
Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren verstanden elektrifizierten Nebenaggregaten (Micro-Hybrid). Beispiele aktueller und geplanter Modelle:
werden. Eine weiterentwickelte Variante stellen elektrifizierte kon- Beispiele aktueller und geplanter Modelle: Toyota Prius Plug-in, Porsche Panamera S E-Hybrid, Mercedes-
ventionelle Fahrzeuge dar, deren Antriebsstrang (unter Anwen- Ford Focus mit EcoBoost-Motor, Mercedes-Benz A-Klasse/ Benz S 500 PLUG-IN HYBRID, BMW i8
dung von Entwicklungen für elektromobile Antriebskonzepte) ver- B-Klasse BlueEFFICIENCY, BMW 1er/3er EfficientDynamics Editi-
brauchsoptimiert ist. Elektromobile Antriebskonzepte umfassen, on, Volvo (alle Modelle), VW Golf VIII SERIELLER HYBRID
(ELEKTROFAHRZEUG MIT REICHWEITENVERLÄNGERUNG, REEV)
Pedelecs und elektrische PKW-Individualverkehr
Charakteristische Merkmale: Kleinräder: Elmoto smart fortwo electric drive
Konventionelles Elektrifiziertes kon- Hybridfahrzeug Plug-in- Serieller Batterieelektrisches Brennstoffzellen-
Fahrzeug ventionelles Fahrzeug (parallel) Hybrid Hybrid Fahrzeug fahrzeug Starker Elektromotor mit am Netz aufladbarer Batterie; rein elektri-
scher Antrieb; modifizierter Verbrennungsmotor mit beschränkter
Leistung zur Aufladung der Batterie.
Beispiele aktueller und geplanter Modelle:
Chevrolet Volt, Opel Ampera, Cadillac ELR, BMW i3
FC
BATTERIEELEKTRISCHES FAHRZEUG (BEV) Nutzfahrzeuge Arbeitsmaschinen
H2
Charakteristische Merkmale: Vito E-CELL Atlas/Deutz, Hybrid-Radlader
Starker Elektromotor mit am Netz aufladbarer Batterie; kein
Verbrennungsmotor, kein Treibstofftank, keine Abgasanlage; für
die Batterieladung werden lediglich das Stromnetz und Rekupe-
Auswirkung der Elektrifizierung des Antriebsstrangs
ration genutzt.
Beispiele aktueller und geplanter Modelle:
Benzintank Batterie H2 Wasserstofftank FC Brennstoffzelle
Mitsubishi i-MiEV, NISSAN LEAF, smart fortwo electric drive, Tesla
Öffentlicher Verkehr
Elektrisch optimierter Elektromotor/ Elektrifizierte Model S, Mercedes-Benz B-Klasse Electric Drive Citaro G BlueTec Hybrid
Verbrennungsmotor
Verbrennungsmotor Generator Nebenaggregate
Abbildung 1: Die Vielfalt elektromobiler Antriebskonzepte im Vergleich zum konventionellen Antrieb.1 Abbildung 2: Die Vielfalt elektromobiler Fahrzeugkonzepte.2
1
Eigene Darstellung. 2
Eigene Darstellung.
8 9
Kapitel 2
War die Marktverfügbarkeit von elektromobilen Fahrzeugen vor die Kernkomponente der Elektromobilität, da er sowohl die Leis- Zyklenfestigkeit, der Wirkungsgrad, die nutzbare Kapazität (Depth von 350 bis 700 bar oder flüssig (in der Abbildung: LH2) bei sehr kal-
wenigen Jahren noch sehr gering, so verändert heute eine Viel- tungsfähigkeit als auch die Reichweite des Fahrzeugs maßgeblich of Discharge, DoD), die Selbstentladungsrate, die vorausgesetzten ten Temperaturen gespeichert werden. Der Vergleich zeigt, dass
zahl unterschiedlicher Fahrzeugkonzepte der Hersteller das früher bestimmt. Umgebungsbedingungen und natürlich die Kosten. Traktionsbatterien bei gleicher Kapazität deutlich schwerer als
gewohnte Bild der Automobillandschaft. Neben einigen neuen Benzintanks ausfallen müssen und Wasserstofftechnologien deut-
Hybridfahrzeugen bieten die Automobilbauer vor allem zahlreiche 2.2.1 ENERGIESPEICHER ALLGEMEIN Im Vergleich zu den aktuell nutzbaren gravimetrischen Energie- lich mehr Bauraum erfordern. Bei Wasserstofffahrzeugen muss
Plug-in-Hybride sowie batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge an dichten von Batterien sind die Werte von Wasserstoff und auch von zusätzlich das Gewicht und der Bauraum für die Brennstoffzellen
oder stellen deren Markteinführung in Aussicht. Im Bereich der Grundsätzlich eignen sich wiederaufladbare Batterien, Kondensa- fossilen Brennstoffen wie Benzin, Diesel, Erdgas (CNG) und Auto- berücksichtigt werden.
Brennstoffzellenfahrzeuge zeichnet sich für die nächsten Jahre toren und der Energieträger Wasserstoff in Verbindung mit dem gas (LPG) deutlich höher (siehe Abbildung 5). Bei den Angaben für Die Nachteile bei den Energiedichten können bei der Energieum-
noch eine sehr geringe Marktverfügbarkeit ab. Abbildung 3 zeigt Energiewandler Brennstoffzelle. Als Batterien wurden früher für Lithium-Ionen handelt es sich um den heutigen Technologiestand setzung in Elektrofahrzeugen durch höhere Wirkungsgrade teilwei-
einen Ausschnitt der Ankündigungen von Fahrzeugherstellern für Elektrofahrzeuge Blei-Säure- oder nickelbasierte Technologien auf Zellebene, der sich im Zuge weiterer Entwicklungen noch er- se kompensiert werden. Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmo-
den modifizierten Personen-Individualverkehr mit zeitlicher Pers- verwendet (z.B. Nickel-Metallhydrid (NiMH), heute noch in Hy- höhen kann, und bei den Verbrauchsstoffen um physikalisch be- toren liegt im Bereich von 20 bis 30 %, der von Elektromotoren bei
pektive. bridfahrzeugen). Diese werden aber von moderneren Lithium- dingte Maximalwerte. Für den Einsatz in Fahrzeugen spielt auch 80 bis 95 % [Photonics (2014)]. Zusätzlich muss im Fahrzeug aber
Ionen-Technologien zunehmend vom Markt verdrängt. Wesent- die volumetrische Energiedichte eine wichtige Rolle, vor allem bei auch der Wirkungsgrad für das Speichersystem berücksichtigt
2.2 ENERGIESPEICHER liche Kriterien zur Auswahl einer Batterietechnologie stellen die den gasförmigen Energieträgern. Hier liegen Benzin und Diesel ne- werden, welcher für Lithiumbatterien im Bereich von 80 bis 90 %
gravimetrische Energiedichte [Wh/kg] sowie die Leistungsdichte ben den Batteriespeichern auch vor Wasserstoff. Letzterer kann liegt, bei Brennstoffzellen im Bereich von 60 % [Fraunhofer ISI
Ein Elektroantrieb muss die benötigte elektrische Energie immer [W/kg] dar. Diese werden üblicherweise in einem sogenannten gasförmig (in der Abbildung: GH2) bei einem heute gängigen Druck (2012); Greengear (2014)].
aus einer geeigneten Energiequelle beziehen – diese setzt er dann Ragone Plot dargestellt (siehe Abbildung 4). Weitere wichtige
hocheffizient in Antriebsleistung um. Der Energiespeicher ist damit Kriterien sind die Sicherheit, die kalendarische Lebensdauer, die
Li-Ion
Supercaps Very High Power
10.000
Paralleler Hybrid Blei Li-Ion
BMW MB E 300 VW Toyota Citroën
HEV ActiveHybrid 5 BlueTEC HYBRID Jetta Hybrid Prius IV HybridAir „spiral wound“ High Power
Spezifische Leistung, W/kg (Zellebene)
NiMH
1.000
Plug-in-Hybrid Panamera S Porsche BMW i8 VW Golf 7 MB S 500 Porsche Cayenne BMW X5 BMW 5er
NaNiCI2
PHEV E-Hybrid 918 Spyder GTE Plug-in S E-Hybrid eDrive Plug-in (wireless)
„Zebra“
100
NiCd Li-Ion
Li-Polymer
Serieller Hybrid Opel Ampera Cadillac BMW i3 Chevrolet High Energy
REEV ELR Range Extender Volt Blei
10
Batterieelektrisches
Fahrzeug smart fortwo Tesla Street VW BMW VW e-Golf MB B-Klasse Tesla smart Tesla
BEV electric drive Model S Scooter e-up! i3 Electric Drive Model X electric drive Model 3
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Brennstoffzellenfahrzeug Toyota Honda FCX Hyundai ix35 MB B-Klasse
FCEV Mirai Clarity Fuel Cell F-CELL Spezifische Energie, Wh/kg (Zellebene)
2012 2013 Heute 2015 2016 2017 2018 2019 2020
Abbildung 3: Auswahl aktueller und geplanter elektromobiler Fahrzeugkonzepte.3 Abbildung 4: Energie- und Leistungsdichten unterschiedlicher Speichertechnologien.4
3
Eigene Darstellung. 4
Vgl. Sauer (2009).
10 11
Kapitel 2
2.2.2 LITHIUM-BATTERIEZELLEN seit Langem eingesetzt. Meist finden hierbei eine Lithium-Kobalt- tungsdichte und Energiedichte resultiert je nach gewählter Zell- menden Jahren den Markthochlauf von Elektrofahrzeugen tragen
dioxid-(LiCoO2-)Kathode, eine Lithium-Grafit-Anode, ein organi- chemie und Zellaufbau eine Differenzierung in Hochenergie- und [Hahn (2011)]. Abbildung 7 zeigt, welche Batteriezellen in aktuellen
AUFBAU UND CHARAKTERISTIKA scher Elektrolyt und ein Polyethylen-Separator Verwendung. Ja- Hochleistungsbatterien: Während die erste eine hohe Reichweite Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Weiterentwicklungen werden
Die Lithium-Batterie besitzt unter anderem aufgrund ihrer verhält- pan, Korea und China führen diesen Markt hinsichtlich Technologie des Fahrzeugs ermöglicht, was beispielsweise bei einem batterie- sich vor allem positiv auf die Herstellungskosten auswirken; sie
nismäßig guten Energiedichte (50 bis 250 Wh/kg) und Leistungs- und Produktion an. Bei einem Einsatz dieser Consumer-Products- elektrischen Fahrzeug erwünscht ist, erlaubt die zweite eine star- werden aber erst mit einer Massenproduktion voll zum Tragen
dichte (bis zu 5.000 W/kg) das höchste Potenzial für den Einsatz Zellen im Automobil erweisen sich allerdings Eigenschaftsaus- ke Leistungsaufnahme und -abgabe, wie sie beispielsweise bei kommen. Preistreiber sind neben den aufwendigen, zeit- und ener-
in zukünftigen Hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeugen. Auch prägungen hinsichtlich Sicherheit, Lebensdauer und Alterung der Rekuperation oder Boost-Funktionen im Hybrid gefordert ist. gieintensiven Produktionsverfahren und hohen Maschinenkosten
spricht die erreichbare hohe Zyklenfestigkeit (über 5.000 Zyklen bis Zellen als problematisch, die aufgrund kurzer Innovationszyklen die Materialkosten für Anoden, Kathoden und Elektrolyte, aber
80 % DoD) sowie eine hohe Zykleneffizienz (etwa 96 % bei 80 % oder geringer Belastungen im Consumer-Bereich nicht zum Tra- Zu berücksichtigen ist hierbei auch die bei den Konzepten unter- auch für die verwendeten hauchdünnen Aluminium- und Kupfer-
DoD) für einen Einsatz der Batterie im Fahrzeug. Allerdings sind gen kommen. Dagegen bieten Consumer-Zellen vergleichsweise schiedliche nutzbare Batteriekapazität. Diese wird bei Hybriden folien [Huslage (2014); Tschech (2014)]. Bei anderen Parametern
Lithium-Batterien verhältnismäßig teuer. Die Batteriezellen be- hohe Energiedichten (ca. 250 Wh/kg) zu moderateren Preisen, da auf einen sehr niedrigen Wert und eine sehr hohe Zyklenanzahl ist ebenfalls Entwicklungspotenzial vorhanden, beispielsweise bei
stehen aus 2 Elektroden (negative Anode und positive Kathode), die Technologie und Produktion schon einen Massenmarkt bedient ausgelegt (d.h., man verwendet nur einen kleinen Teil der nomi- der Energiedichte. Bei dieser wird in den kommenden Jahren eine
welche von einem Separator getrennt werden und meist ein Elekt- (z.B. für Laptops). nal verfügbaren Kapazität), bei batterieelektrischen Fahrzeugen Erhöhung auf 250 Wh/kg angestrebt. Deutlichere Verbesserungen
rolyt enthalten. Wiederaufladbare Lithium-Batterien lassen sich je beträgt sie teils mehr als 80 % bei einer geringeren Anzahl an La- werden aber erst in nachfolgenden Batteriegenerationen mit neu-
nach gewähltem Elektrodenmaterial sowie Separator und Elektro- AUTOMOBILE ANWENDUNGEN dezyklen. eren Materialkombinationen erwartet, da bei aktuellen Systemen
lyt in Lithium-Ionen-Batterien (Lithium-Ion mit flüssigem Elektrolyt Für das Elektrofahrzeug sind nicht nur neue Zellchemien, son- selbst die theoretisch erreichbaren Energiedichten lediglich im
sowie Lithium-Ion-Polymer mit Gelelektrolyt) und Lithium-Metall- dern auch neue Zelltypen gefragt. Im Fahrzeugbereich werden in UNTERSCHIEDLICHE ZELLCHEMIEN Bereich von 400 Wh/kg liegen [Korthauer (2013)]. Weitere Ent-
Batterien (Lithium-Metall mit flüssigem Elektrolyt sowie Lithium- der Regel prismatische Zellen oder Pouchzellen („Coffee-Bags”) Für die Anwendung im Fahrzeug wurden bzw. werden zahlreiche wicklungskriterien sind die Sicherheit, insbesondere bei Unfällen,
Polymer mit Polymerelektrolyt) unterteilen. Je nach Materialwahl verwendet, Rundzellen kommen seltener zum Einsatz. Der Trend Zelltechnologien bis zur Serienreife entwickelt. Eine Auswahl der sowie die Lebensdauer unter den hohen Anforderungen im Auto-
ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften und Charakteristi- geht hier zu größeren Zellen, die für die Anwendung in Batterie- gängigsten Varianten mit ihren spezifischen Vor- und Nachteilen mobilbereich.
ken der Zellen [Fraunhofer ISI (2012); VDMA (2014)]. systemen, die aus mehreren Zellen bestehen, zusammengefasst findet sich in Abbildung 6. Da für neue Zellchemien vom Materi-
werden. Die Energiedichte liegt auf Zellebene heute bei über 150 al über die Zellen und Batteriesysteme bis hin zur Anwendung im
CONSUMER-BEREICH Wh/kg, auf Systemebene bei etwa 120 Wh/kg [Korthauer (2013)]. Fahrzeug Entwicklungszyklen von ungefähr zehn Jahren angesetzt
Im Consumer-Products-Bereich werden Lithium-Ionen-Batterien Aus dem in Abbildung 4 erkennbaren Zielkonflikt zwischen Leis- werden können, werden diese Technologien auch in den kom-
Energiedichte unterschiedlicher Energieträger im Vergleich
35
33,30 33,30 33,30
30 Abkürzung LCO LNO NCA NMC LMO LFP LTO
gravimetrisch kWh/kg
Lithium-Nickel- Lithium-Nickel-
25 volumetrisch kWh/l Lithium-Nickel- Lithium-Mangan- Lithium-Eisen-
Name Lithium-Kobaltdioxid Kobalt-Aluminium- Mangan- Lithium-Titanat
dioxid Spinelldioxid phosphat
dioxid Kobaltdioxid
20
Kathode LiCoO2 LiNiO2 Li(Ni0,85Co0,1 Al0,05)O2 Li(Ni0,33Mn0,33 Co0,33)O2 LiMn2O4 LiFePO4 z.B.: LMO,NCA, …
15 13,90 Anode Grafit Grafit Grafit Grafit Grafit Grafit Li4Ti5O12
12,88
12,00 11,90
10,00 Zellspannung 3,7–3,9 V 3,6 V 3,65 V 3,8–4,0 V 4,0 V 3,3 V 2,3–2,5 V
10 8,80
6,64 Energiedichte 150 Wh/kg 150 Wh/kg 130 Wh/kg 170 Wh/kg 120 Wh/kg 130 Wh/kg 85 Wh/kg
5 3,38
2,36
Energie + o + o + + ++
1,86
0,53 0,15 0,30
Sicherheit - o o o + ++ ++
GH 2 GH 2 LH 2 Benzin Diesel CNG LPG Lithium
(200 bar) (700 bar)
Lebenszeit - o + o o + +++
Wasserstoff Gas Kosten -- + o o + + o
Abbildung 5: Energiedichte unterschiedlicher Energieträger im Vergleich.5 Abbildung 6: Unterschiedliche Materialvarianten bei Lithium-Batteriezellen.6
5
Vgl. Hycenta (2005); Hydrox (2014); VDMA (2014). 6
Vgl. Recharge (2013).
12 13
Kapitel 2
Chemie (Anode/ Kapazität Spannung Gewicht Volumen Energiedichte Spez. Energie Anwendung z.B. in gar bei 11.000 Wh/kg und damit im Bereich konventioneller Kraft- Sicherheit der Batterie gewährleistet wird.
Zellhersteller Form
Kathode) (Ah) (V) (kg) (l) (Wh/l) (Wh/kg) (Firma) (Modell) stoffe. Das technisch nutzbare Potenzial wird langfristig bei 1.700 Bei Lithium-Feststoffbatterien wird der flüssige oder gelartige
Batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) Wh/kg gesehen (IBM, Polyplus), da zusätzliche Materialien einge- Elektrolyt durch einen alternativen Feststoff ersetzt (Nicht-Poly-
bracht werden müssen, um Korrosion oder unerwünschte Neben- mere, z.B. keramisch). Vorteile liegen in der höheren Temperatur-
AESC G/LMO-NCA 33 Pouch 3,75 0,80 0,40 309 155 Nissan Leaf
reaktionen mit Stickstoff, CO2 oder Wasserdampf zu verhindern. stabilität und der Sicherheit [VDMA (2014)]. Problematisch ist bei
LG Chem G/NMC-LMO 36 Pouch 3,75 0,86 0,49 275 157 Renault Zoe
Laborsysteme werden deshalb in reiner Sauerstoffumgebung be- festen Separatoren dagegen die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur.
Li-Tec G/NMC 52 Pouch 3,65 1,25 0,60 316 152 smart fortwo trieben und erreichen heute in der Praxis bis zu 700 Wh/kg (Poly- Polymer- und Feststoff-Technologien könnten mittel- bis langfristig
Li Energy
G/LMO-NMC 50 prismatisch 3,7 1,70 0,85 218 109 Mitsubishi i-MiEV plus). Die Zellspannung liegt dabei etwa bei 2,6 V. Problematisch eine Option für Elektrofahrzeuge darstellen.
Japan
ist heute die Reversibilität der chemischen Prozesse, weshalb
Samsung G/LMO-NMC 64 prismatisch 3,7 1,80 0,97 243 132 Fiat 500 Prototypen heute nur wenige Male (< 100) bei stark nachlassender ALLGEMEINE ENTWICKLUNGSTENDENZEN
Lishen
G-LFP 16 prismatisch 3,25 0,45 0,23 226 116 Coda RV
Kapazität wieder aufgeladen werden können. Grund ist unter an- Die technologischen Entwicklungen konzentrieren sich aktuell auf
Tianjin
derem eine Zersetzung der Elektrolyte. Lithium-Luft-Technologien folgende Punkte [Tübke (2008); Sauer (2009); Winter (2011)]:
Toshiba LTO-NMC 20 prismatisch 2,3 0,52 0,23 200 89 Honda Fit befinden sich heute noch im Status der Grundlagenforschung. Ob
Panasonic G-NCA 3,1 zylindrisch 3,6 0,045 0,018 630 248 Tesla Model S und wann sich dieser Zelltyp in Serienanwendungen einsetzen •• Erhöhung der Energiedichte der Anode durch Steigerung des
lässt, ist heute noch nicht abzusehen, vor 2030 wird aber nicht mit Lithium-Anteils: beispielsweise durch neue Anodenmateriali-
Abbildung 7: Lithium-Batteriezellen unterschiedlicher Hersteller.7
einem Einsatz gerechnet [Korthauer (2013)]. en wie Silizium-Anodenmaterial (Li21Si5) oder Zinn
•• Erhöhung von Lebensdauer und Zyklenbeständigkeit:
2.2.3 ZUKÜNFTIGE ZELLCHEMIEN Potenzial wird auf bis zu 600 Wh/kg eingeschätzt, aktuelle Werte HOCHVOLT-ZELLEN beispielsweise durch neue Zellchemien (LiNixCoyMnzO2,
liegen bei 350 Wh/kg [Sionpower (2014)]. Die Zellspannung liegt Weitere Entwicklungen zielen darauf, höhere Spannungen in LiNixCoyAlzO2) und Verbesserung bestehender Materialien
Batterietechnologien zukünftiger Generationen basieren häu- etwa bei 2,1 V. Weitere Vorteile sind geringe Kosten, gute Materi- den Zellen zu ermöglichen. Damit könnte man mit einer geringe- •• Reduktion des Gefährdungspotenzials und Auswirkungen
fig auf metallischen Anoden, beispielsweise Lithium-Schwefel alverfügbarkeit des Schwefels und ein breiter Temperaturbereich ren Anzahl an Zellen auskommen. Zielgrößen liegen hier bei 5 V. durch interne und externe Kurzschlüsse, Überladung, Tief-
oder Lithium-Luft. Hierdurch lassen sich signifikant höhere Ener- für die Verwendung der Zellen [Friedrich (2014)]. Heutige Lithium- Hochvolt-Materialien gelten bereits als anwendungstechnisch entladung und Wärmezufuhr
giedichten erreichen. Eine Herausforderung ist aktuell noch die Schwefel-Zellen können aufgrund der bereits dargelegten Dendri- fortgeschritten (beispielsweise LiNixMnyCozO2, LiCoPO4, LiNiPO4, •• Steigerung der Sicherheit durch neue Materialien: Anoden-
Wiederaufladung: Hierbei kommt es zu einer ungleichmäßigen tenbildung nur bedingt wieder aufgeladen werden, Zyklenzahlen Hochvolt-Spinell) und könnten mittel- bis langfristig in Batteriesys- materialien (TiO2, Metalllegierungen), Kathodenmaterialien
Ablagerung des Lithiums. Dadurch werden sogenannte Dendriten liegen unter Laborbedingungen lediglich bei maximal 500 bis 600. temen zum Einsatz kommen [Hartnig (2011)]. Aktuelle Werte liegen (LiMn2O4, LiFePO4), Separatoren (keramisch), Elektrolyte
gebildet, die mit mehrmaligem Aufladen den Separator durch- Weitere Probleme ergeben sich aus einer hohen Selbstentladung bei 4,3 V. Der Spannungsbereich lässt sich allerdings nicht belie- (polymere Elektrolyte, ionische Flüssigkeiten, keramische
dringen und somit zum internen Kurzschluss und Ausfall der Zelle der Zellen („Shuttle-Mechanismus”) und der daraus resultieren- big erhöhen, da insbesondere derzeitige Materialien bei höheren Elektrolyte)
führen können. Zurzeit werden insbesondere Lithium-Schwefel den eingeschränkten Effizienz. Heutige Entwicklungen richten sich Spannungen instabil werden und auch hochvoltstabile Elektrolyte •• Verringerung der Kosten, beispielsweise durch neue
für die mittelfristige Perspektive (2020 bis 2030) und Lithium-Luft insbesondere auf die Reduzierung der Kostenstruktur der Elektro- nicht vorliegen [Möller (2011)]. Forschungsbestrebungen gibt es Elektroden: Anodenmaterialien (TiO2), Kathodenmaterialien
für die langfristige Perspektive diskutiert (nach 2030). Neben der den, Erhöhung der tatsächlichen Energiedichte, Erhöhung der Zy- außerdem hinsichtlich der Verbesserung der Sicherheit, Zyklen- (LiMn2O4, LiFePO4)
Leistungsfähigkeit der Zellen haben allerdings die Sicherheit und klenfestigkeit (angestrebt > 2.000 Zyklen) und die Reduzierung der festigkeit und Lebensdauer. •• Optimierung der Leistungsfähigkeit auch bei niedrigeren
geforderte Lebensdauer die höchste Wichtigkeit für die Automo- Selbstentladung [Tübke (2011); Hagen (2011)]. Temperaturen
bilbauer. Diese gilt es grundlegend zu erfüllen, bevor ein Serien- LITHIUM-POLYMER- UND FESTSTOFFBATTERIEN •• Hochenergiezellen der nächsten Generation (Lithium-Luft,
einsatz der Zellen wahrscheinlich wird. LITHIUM-LUFT-ZELLEN Bei Lithium-Polymerzellen besteht der Separator/Elektrolyt aus ei- Lithium-Schwefel)
Lithium-Luft-Batterien versprechen aktuell die größten Energie- nem festen oder gelförmigen Polymer. Vorteile der Polymerzellen •• Alternative Materialstrukturen: Beispielsweise durch Na-
LITHIUM-SCHWEFEL-ZELLEN dichten. Die Anode besteht aus reinem Lithiummetall, während die liegen insbesondere bei einer höheren Sicherheit [Fraunhofer ISI nopartikelelektroden und nanostrukturierte Elektroden (für
Eine Lithium-Schwefel-Zelle besteht im geladenen Zustand aus ei- Kathode aus einem porösen Mn3O4/C-Gemisch besteht und mit von (2012)]. Problematisch dagegen sind die eingeschränkten Betriebs- Anode und Kathode)
ner metallischen Lithium-Anode, die mit einer schwefeltragenden außen zugeführter Luft versetzt wird. Die theoretisch erreichbare temperaturen (reichen bis 80 °C) bei festen Polymeren, welche •• Ersatz organischer Lösungsmittel und Separatoren durch
Kathode verbunden ist. Hierbei ergeben sich ein hoher Anteil an Energiedichte liegt bei 5.200 Wh/kg. Es handelt sich dabei um ein ein Thermomanagement erfordern [Korthauer (2013)]. Polymer- Anorganik und Keramik
aktivem Material sowie eine große Oberfläche und gute Leitfähig- offenes System, bei dem die Zelle durch Sauerstoffaufnahme im elektrolyte eignen sich besonders bei metallischen Lithiumanoden •• Entwicklung lithiumunabhängiger Batterien (z.B. Zink-Luft)
keit. Daraus resultieren eine theoretische Energiedichte von 2.600 entladenen Zustand schwerer wird. Ohne Berücksichtigung des (Lithium-Metall-Polymerzellen, LMP), da damit das dendritische und alternativer Konzepte (z.B. Redox Flow)
Wh/kg [Korthauer (2013)]. Das mittelfristig technisch nutzbare Gewichts des Sauerstoffs liegt die theoretische Energiedichte so- Wachstum des Lithiums beim Wiederaufladen verhindert und die
7
Vgl. Anderman (2013); VDMA (2014).
14 15
Kapitel 2
2.2.4 SUPERCAPS ger Lösung, am häufigsten auf Basis von Vanadium, entwickelt. 2.2.6 BATTERIESYSTEM
Zelle Modul System
Allerdings wird auch an organischen Materialien geforscht, um
Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (auch Ultracaps Kosten zu minimieren und die Materialverfügbarkeit zu erhöhen Sekundärzellen müssen zum Einbau in Kraftfahrzeuge zu Batte-
oder Supercaps genannt) besitzen eine große Oberfläche und [Harvard (2014)]. Weitere Elektrolytmaterialien sind Vanadium- riesystemen zusammengefasst werden, um höhere Spannungen,
Rundzelle
eine geringe Dicke des Dielektrikums. Supercaps zeichnen sich Bromid, Polysulfid-Bromid, Uran, Eisen-Chrom oder Neptunium. Leistungen und Kapazitäten zu erreichen. Dabei sind die einzelnen
im Vergleich zu Batterien insbesondere durch eine wesentlich Bei der Hybrid-Flow-Batterie ist hingegen Zink-Brom oder Cer- Zellen parallel und in Reihe geschaltet. Hierdurch ergeben sich
verbesserte Leistungsaufnahme und -abgabe (gravimetrische Zink im Einsatz [Tübke (2011)]. Die Energiedichten der Anlagen für PKW derzeit Kennwerte von 100 V und 20 kW (bei Hybridfahr-
Leistungsdichte bis 20.000 W/kg) und hohe Wirkungsgrade (Zy- werden zumeist in der Größenordnung von Blei-Akkus angegeben zeugen) [Wind (2012)] über 400 V und 150 kW (bei batterieelektri-
kleneffizienz 98 % bei 80 % DoD) aus. Ebenso verfügen sie über und mit bis zu 70 Wh/l beziffert. Die Wirkungsgrade erreichen bis schen Fahrzeugen) [Schoewel (2014)] bis hin zu 430 V und 230 kW
Prismatische Zelle
eine hohe Zyklenfestigkeit (bis zu 1 Million Zyklen) und Lebens- zu 85 % und liegen auf Systemebene, also inklusive des Energie- (bei Hybrid-Sportfahrzeugen) [Markus (2013)]. Zukünftig ergeben
dauern im Bereich von 10 Jahren. Demgegenüber stehen hohe verbrauchs durch die Pumpen immer noch bei über 75 %. Heutige sich auch höhere Werte. Die Kapazitäten von heute verwendeten
Kosten und eine geringe Energiedichte (gravimetrische Energie- Anlagen haben Lebensdauern von mehr als 20 Jahren und Zyk- Batteriesystemen liegen ca. zwischen 1 kWh und über 80 kWh. In-
dichte von etwa 5 Wh/kg) [Frost & Sullivan (2009); Tübke (2011); lenzahlen von über 10.000. Redox-Flow-Batterien zeichnen sich nerhalb der Batteriesysteme werden die Zellen üblicherweise zu
Hofmann (2014)]. Supercaps können eine interessante Erweite- weiterhin durch schnelle Ansprechzeiten (μs – ms), gute Über- Modulen gebündelt, was ihre Handhabung bei der Montage und
rung zu bestehenden Li-Ion-Energiespeichern darstellen und eine lade- und Tiefentladetoleranzen, weite Temperaturbereiche (−25 einer möglichen Wartung vereinfacht. Neben den Zellen und Mo-
Pouchzelle
Unterstützung im „Stop-and-go” bieten, aber auch allgemein bei bis 40 °C) sowie praktisch nicht vorhandene Selbstentladung aus dulen umfasst ein komplettes Batteriesystem auch Komponenten
kurzzeitigen starken Ladevorgängen (Rekuperation) und Entlade- [ISEA (2014)]. Der große Vorteil von Redox-Flow-Batterien ist die zum mechanischen, elektrischen und elektronischen Zusammen-
vorgängen (Boost-Funktion) die Batterie entlasten. Häufig werden Skalierbarkeit: Durch Vergrößerung der Tanks können Anlagen mit schluss sowie für das thermische Management und die Kommuni-
sie deshalb beispielsweise in Stadtbussen eingesetzt. Aufgrund nahezu beliebigem Energieinhalt (bis zu mehreren MWh) aufge- kation (vgl. Abbildung 8).
der hohen Leistungsdichten kommt ein Einsatz vor allem bei Mic- baut, durch Erweiterung der Leistungsmodule Leistungen bis in Abbildung 8: Die Wertschöpfungsstufen der Batterieherstellung.8
ro- und Mild-Hybriden in Kombination mit Batterien infrage. Diese den MW-Bereich bereitgestellt werden. Aufgrund der genannten Aus unterschiedlichen Zelltypen leiten sich unterschiedliche An-
Art der Anwendung wird ebenfalls in Baden-Württemberg entwi- Eigenschaften werden Redox-Flow-Technologien vor allem für forderungen an das Gesamtsystem ab, beispielsweise hinsichtlich
ckelt. Ein Einsatz als Primärspeicher bei rein elektrischen Fahr- stationäre Anwendungen gesehen, beispielsweise als Energie- Kühlung und Package. Dies hat direkten Einfluss auf die Komplexi-
zeugen ist wegen der geringen Energiedichte dagegen nicht zu speicher für Windparks. Diese meist in Containern aufgebauten tät und die Gesamtkosten des Systems. Es ist daher notwendig, die Kontrolleinheit, Spannungs-, Temperatur- und Stromsensoren,
erwarten. Forschungsschwerpunkte sind heute die Steigerung der Anlagen sind heute von mehreren Herstellern in unterschiedli- Batterie als Gesamtsystem zu verstehen und entsprechend nicht Sicherheitselemente (Sicherungen, Schütze) und Datenübertra-
Energiedichte durch verbesserte und nanostrukturierte Oberflä- chen Energie- und Leistungsklassen kommerziell erhältlich. Für nur einzelne Komponenten zu verbessern, um eine Systemverbes- gungskanäle (CAN-Bus). Die Kommunikation innerhalb des Bat-
chen sowie die Senkung des Innenwiderstands, um noch höhere die mobile Anwendung in Elektrofahrzeugen sind deutlich höhere serung zu erreichen, sondern eine systemische Optimierung zu teriemanagements erfolgt über eine Sternverdrahtung oder eine
Leistungen zu ermöglichen [Hofmann (2014)]. Energiedichten erforderlich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bat- betreiben. Diese holistische Betrachtung bei der Konzeption und Ringverdrahtung. Das Elektrolytsystem von Lithium-Ionen-Zellen
terien kann die Ladung extern an einer Tankstelle erfolgen. Das Optimierung des Systems ist notwendig, da dies direkten Einfluss ist nicht überladefähig und damit empfindlich gegen Über- und
2.2.5 REDOX-FLOW-BATTERIEN Fahrzeug kann dann mit den geladenen Elektrolytflüssigkeiten in auf die Charakteristik des Gesamtsystems hat. Tiefentladung. Des Weiteren führen Produktionsunterschiede zu
wenigen Minuten betankt werden. Ein Prototypenfahrzeug (Quant unterschiedlichen Zelleigenschaften. Somit können einzelne Zel-
Das Verfahren der Redox-Flow-Batterien beruht auf dem Prinzip e-Sportlimousine) mit Redox-Flow-Speicher wurde jüngst von der BATTERIEMANAGEMENT len während eines Ladevorgangs die maximale Spannung früher
der Speicherung von chemischer Energie in Form von gelösten Firma nanoFlowcell AG vorgestellt [Nanoflowcell (2014)]. Der Her- Das Batteriemanagement erhält bzw. erhöht die Lebensdauer und als andere erreichen. Da die schwächste Zelle das Verhalten des
Redox-Paaren in externen Tanks. Die Stromerzeugung erfolgt in steller gibt die Energiedichte mit 600 Wh/kg bei einer möglichen die Zyklenzahl der einzelnen Zellen des Batteriesystems. Dazu gesamten Batteriesystems bestimmt, ist der Ladungsausgleich
einem getrennten Leistungsmodul. Den Elektroden wird während Nennleistung von 30 kW an. erfasst es die Zellspannungen, die Temperatur der Batterie so- von besonderer Bedeutung. Hierfür kommen heute üblicherweise
der Entladung kontinuierlich der umzusetzende gelöste Stoff aus wie den Batteriestrom und vergleicht die Werte mit festgelegten passive Verfahren zum Einsatz, bei denen überschüssige Energie
den Vorratstanks zugeführt und das entstehende Produkt abge- Entwicklungsziele sind insbesondere neue Elektrolytsysteme für Vorgaben. Bei einer Abweichung werden Korrekturmaßnahmen an Widerständen in Wärme umgewandelt wird. Wirksamer sind al-
führt. Zum Laden wird die Pumprichtung des Elektrolyten umge- höhere Energiedichten, aber auch die Optimierung der Leistungs- eingeleitet. Beispiele hierfür sind, dass das Batteriemanagement lerdings aktive Methoden, bei denen Ladungen mit DC/DC-Wand-
kehrt. Man unterscheidet Redox-Flow-Batterien mit zwei flüssi- module für mehr Leistung sowie Reduzierung der Anlagen- und einen Ladungsausgleich zwischen Zellen initiiert (Cell-Balancing) lern zwischen den Zellen transferiert werden [Korthauer (2013)].
gen elektroaktiven Komponenten sowie Hybrid-Flow-Batterien Wartungskosten durch beispielsweise neue Membrane. oder die Batteriekühlung ansteuert. In kritischen Fällen kann es Zukünftig werden auch Gesamtsysteme aus Batteriezellen und
mit einer flüssigen und einer festen elektroaktiven Komponente. auch eine Sicherheitsabschaltung einleiten. Wichtige Bestand- Supercaps erwartet, die von einem zentralen Controller gesteuert
Elektrolyte werden heute meist als metallische Salze in wässri- teile des Batteriemanagements sind die Überwachungs- und die werden.
8
Eigene Darstellung; Bildmaterial: Saft (2009); Quick (2009); Lavrinc (2011); ADAC (2012); Kane (2013).
16 17Kapitel 2
BATTERIE-THERMOMANAGEMENT 2.3 KOMPONENTEN DES ANTRIEBSSTRANGS
Die Zellen eines Batteriesystems lassen sich nicht bei jeder Tem-
peratur gleich gut und gleich lange nutzen. Die Leistungsfähigkeit 2.3.1 Elektrische Maschine
und Lebensdauer von Lithium-Ionen-Zellen ist zwischen 20 °C und
40 °C am besten. Je tiefer die Temperatur unter 20 °C liegt, desto Die elektrische Maschine kann den Verbrennungsmotor als An-
höher werden die Innenwiderstände dieser Zellen und desto ge- triebsquelle erweitern und verbessern (Verbesserung des Wir-
ringer ist die dem Antrieb zur Verfügung gestellte Leistung. Unter kungsgrads von Verbrennungskraftmaschinen im Teillastbereich
Drehmoment Elektromotor
Leistung in kW
Drehmoment in Nm
0 °C altern Lithium-Ionen-Zellen außerdem besonders schnell oder bei Hybriden) oder auch komplett ersetzen (beispielsweise in den
nehmen sogar irreversiblen Schaden bis hin zum Kurzschluss. Konzepten REEV, BEV, FCEV). Die Verwendung des Begriffs „elek- Leistung Elektromotor
Gleiches gilt für Temperaturen oberhalb von 40 °C. Bei besonders trische Maschine” ist angebracht, da die meisten Elektroantriebe Drehmoment Verbrennungsmotor
hohen Temperaturen kann sich der Elektrolyt thermisch zersetzen sowohl als Motor wie auch als Generator zur Energierückgewin- Leistung Verbrennungsmotor
und die Zelle infolgedessen in Brand geraten (vgl. Abbildung 9) nung betrieben werden können. Drehzahl in 1/min
[Korthauer (2013)].
CHARAKTERISTIKA
Aufgabe des Batterie-Thermomanagements ist es, die Tempera- Aufgrund seiner Drehmomentcharakteristik eignet sich der Elekt- Abbildung 10: Drehmoment- und Leistungskennlinien im Vergleich.10
tur aller Zellen des Batteriesystems innerhalb des Bereichs der romotor hervorragend für einen Einsatz als Antriebsmotor in Fahr-
bestmöglichen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer zu halten. zeugen: Das maximale Drehmoment steht bereits ab Drehzahl 0 zur
Bei einem geringen Bedarf an Kühl- und Heizleistung kann hierfür Verfügung, es bleibt bis zu einer gewissen Drehzahl konstant (An-
Luft zum Einsatz kommen, die durch Kanäle (bei Bedarf mit elektri- kerstellbereich) und sinkt dann erst ab (Feldschwächebereich). DREHSTROMMOTOREN Geschwindigkeit wie das elektrische Drehfeld im Stator (syn-
schen Luftheizelementen) zwischen den Zellen geleitet wird. Eine Dies zeigt Abbildung 10. Deshalb kann auf eine Kupplung verzich- Drehstrommaschinen sind Wechselstrommaschinen mit einem chron). Ein wesentlicher Nachteil dieser Bauart sind die hohen da-
hohe Kühl- und Heizleistung lässt sich durch Verwendung flüssiger tet werden und man benötigt nur ein Übersetzungsgetriebe. Wei- 3-phasigen Wechselstrom. Die Drehfeldwicklungen befinden sich mit verbundenen Kosten. Die Ausführung des Rotors kann mit teu-
Medien erreichen (bei Bedarf ergänzt um zusätzliche Wärmeleit- tere Vorteile sind der hohe Wirkungsgrad (bis zu 95 %), problem- im Stator (auch Ständer genannt) des Motors. Die drei Wechsel- ren Permanentmagneten (vergrabene oder Oberflächen-Magnete)
elemente). Diese werden ebenfalls in Leitungen zwischen den loser Teillastbereich, Rekuperationsmöglichkeit, Robustheit, hohe spannungen des Drehstroms sind dabei jeweils um 120 Grad ver- erfolgen. Alternativ lässt sich eine günstigere, aber immer noch
Zellen hindurchgeführt. Eine Beheizung ohne jegliche Medien ist Lebensdauer, geringe Wartungskosten, gute Skalierbarkeit und setzt und speisen die Wicklungen mit den nachfolgenden Strömen. kostenintensive Strom- bzw. Fremderregung in Spulen (Aufbau
außerdem mittels elektrischer Heizelemente zwischen den Zellen relativ geringe Geräuschentwicklung. Darüber hinaus kann der Im Fahrzeug muss hierfür der Gleichstrom aus der Batterie in einen eines Magnetfelds durch stromdurchflossene Spulen) zulasten
im Batteriesystem möglich. Je nach Kühl-/Heizbedarf, verwende- Motor eine gewisse Zeit auch über der eigentlichen Nennleistung 3-phasigen Wechselstrom gewandelt und dann der Elektromotor des Wirkungsgrads einsetzen. Eine Sonderbauform der Synchron-
tem Fluid und der vorgesehenen Kälte-/Wärmequelle gehören zum (Überlastbereich) betrieben werden, ohne Schaden zu nehmen situationsgerecht angesteuert werden. Hierzu sind sogenannte In- maschine stellt die geschaltete Reluktanzmaschine dar. Je nach
Batterie-Thermomanagement noch Gebläse, Pumpen oder gar [Schröder (2013); Parspour (2014)]. verter (oder Wechselrichter) notwendig. Dadurch entsteht im Mo- Motorbauart ergeben sich spezifische Rotor- und Statorkonstruk-
ein kompletter Kühlmittelkreislauf zusätzlich zu dem für die Innen- tor ein magnetisches Drehfeld, welchem der Rotor (auch Läufer tionen. Diese sind in Abbildung 11 dargestellt.
raumklimatisierung [Korthauer (2013)]. oder Polrad genannt) folgt.
MOTORBAUARTEN
Grundsätzlich lassen sich Drehstrommotoren gemäß der Bezie-
hung zwischen Rotationsgeschwindigkeit von Läufer und Drehfeld
-20 °C 0 °C 20 °C 40 °C 60 °C in Synchron- und Asynchronmotoren unterteilen. Bei Letzteren
dreht sich der Läufer langsamer als das durch die Wicklungen im
Wesentlich geringere Geringere Bestmögliche Leistungs- Schnellere Besonders
Leistungsfähigkeit, Leistungsfähigkeit fähigkeit und Lebensdauer Alterung schnelle Alterung Stator erzeugte magnetische Feld und damit asynchron. Vorteile
besonders schnelle Alterung (bis hin zum Brand) dieser Bauart sind die relativ hohe Leistungsdichte, der einfache
(bis hin zum Kurzschluss) Aufbau, die einfache Regelung sowie der Umstand, dass sie kei-
ne Permanentmagnete benötigt. Synchronmotoren weisen einen
besonders hohen Wirkungsgrad und eine besonders hohe spe-
zifische Leistung auf. Hier dreht sich der Rotor mit der gleichen
Abbildung 9: Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batteriezellen bei unterschiedlichen Temperaturen.9
9
Eigene Darstellung in Anlehnung an Korthauer (2013). 10
Eigene Darstellung.
18 19Kapitel 2
Synchronmaschine. Sie gilt als sicher, ökonomisch und eignet sich der Schenkelpolläufer, wenn Polschenkel die Wicklungen tragen,
Druckguss Montage Wickeln Fügen Montage für urbane Anwendungen. Einsatz findet sie beispielsweise in den oder Vollpolläufer, wenn die Wicklungen in Nuten im Rotor einge-
Elektrofahrzeugen von Tesla. zogen sind. Die Magnetisierung des Rotors erfolgt mittels Strom-
Kurzschlussläufer Permanentmagnete Fremderregt Bleche Permanentmagnete zufuhr von außen. Dabei werden die Erregerwicklungen über ein
Rotor Kurzgeschlossene
Kupferstäbe
Kurzgeschlossene
Aluminiumstäbe
Oberflächen-
magnete
Vergrabene
Magnete
Voll-
polläufer
Schenkel-
polläufer
Weich-
magnetisch
Hybrid-
erregt
Permanenterregte Synchronmaschine (PSM): Der Statoraufbau Schleifringsystem gespeist. Im Unterschied zu Gleichstrommoto-
einer permanenterregten Synchronmaschine ähnelt dem einer ren muss allerdings nur wenig Strom in den Rotor übertragen wer-
Asynchronmaschine. Neben verteilten Wicklungen können hier den. Bei größeren Maschinen (Durchmesser über 400 mm) lässt
auch konzentrierte Wicklungen Anwendung finden. Der Rotor ist sich auch eine berührungslose Stromversorgung realisieren. Die
mit Permanentmagneten versehen. Diese können an der Oberflä- SSM erreicht für etwa 30 Sekunden das 2,5-Fache und für 5 Se-
Maschine Asynchronmaschine Synchronmaschine Geschaltete Reluktanzmaschine che fixiert sein (Oberflächenmagnete) oder sich in Taschen inner- kunden das bis zu 4-Fache des Nennwerts. Des Weiteren weist sie
halb des Rotors befinden (vergrabene Magnete). Die PSM weist keinen Leistungsabfall bei höheren Drehzahlen auf. Ihr Wirkungs-
einen einfachen mechanischen und elektrischen Aufbau auf (kei- grad und ihre Leistungsdichte sind sehr hoch, die erreichbaren
ne Bürsten, keine Schleifkontakte). Auch sind hochpolige Moto- Werte liegen allerdings unter denen der PSM. Außerdem benötigt
Konzentrierte
rentypen leicht herstellbar. Die Maschine besitzt einen sehr guten die SSM eine zusätzliche Stromversorgung zur Bereitstellung des
Verteilte
Einzelzahn- Wirkungsgrad im unteren Drehzahlniveau und Teillastbereich. Sie Erregerstroms im Rotor.
Wicklung
wicklung zählt damit zu den High-Power-Maschinen und ist für den Direkt-
Stator antrieb ohne Getriebe geeignet. Die PSM erreicht eine sehr hohe Geschaltete Reluktanzmaschine (GRM; Switched Reluctance
Drehmoment- und Leistungsdichte. Insbesondere bei der Verwen- Machine, SRM): Die Funktionsweise der Reluktanzmaschine ba-
dung von Seltenen Erden (Nd-Fe-B-Magneten) ist eine sehr kom- siert auf dem Prinzip, dass sich ein magnetisierbarer (aber selbst
Einziehen Montage pakte Bauart möglich – sogar noch kompakter als bei strom- bzw. nicht magnetischer) Körper nach der Richtung eines von außen
fremderregten Synchronmaschinen. Der notwendige Einsatz von angelegten Magnetfelds ausrichtet. Bei dieser Ausführungsform
Rotationswickeln Flyerwickeln Nadelwickeln Weitere Wicklungsarten Seltenen Erdmetallen führt allerdings zu hohen Materialkosten besitzen Rotor und Stator ein zahnförmiges Profil. Die Zähne des
und zu Abhängigkeiten von Importen. Jeder permanenterregte Stators sind mit spulenförmigen Erregerwicklungen versehen.
Motor weist außerdem ein durch seinen Magnetgehalt definiertes Einander gegenüberliegende Wicklungen bilden ein Spulenpaar.
Abbildung 11: Bauarten elektrischer Maschinen.11
Grenzmoment auf. Bei hohen Drehzahlen kommt es des Weiteren Der Rotor besteht aus einem weichmagnetischen Material und
genüber der des Drehfelds. Die Maschine besitzt einen großen zu großen Verlusten und nur moderaten Leistungen. Der Bereich trägt keine Wicklungen oder Magnete. Durch Ein- und Ausschal-
Drehzahlbereich konstanter Leistungsabgabe bei gleichbleiben- hoher Drehzahlen (Feldschwächebereich) erfordert sehr hohe ten der Spulenpaare im Stator in einer festgelegten Reihenfolge
AUSFÜHRUNGSFORMEN der Umrichterbelastung und hohem Gesamtwirkungsgrad. Dabei Blindstromkomponenten vom Umrichter. Im Fehlerfall entwickelt wird das Magnetfeld erzeugt, dem der Rotor folgt. Die geschaltete
Nachfolgend werden die verschiedenen Ausführungsformen von kommt die ASM ohne Schleifkontakte zum Rotor aus (im Gegen- die PSM insbesondere bei einer geringen Fahrgeschwindigkeit ein Reluktanzmaschine ist kostengünstig aufgebaut und sehr robust
Drehstrommotoren skizziert [vgl. u.a. Mathoy (2010); Wallentowitz satz zur Gleichstrommaschine oder der strom- bzw. fremderreg- hohes Bremsmoment. Ebenfalls sind sehr hohe Kurzschlussströme trotz der präzise einzuhaltenden kleinen Luftspalte und der kom-
(2011); Hofmann (2014)]. ten Synchronmaschine). Die Asynchronmaschine hat einen sehr und Leerlaufspannungen bei Umrichterdefekten möglich. Auch in plexen Regelung. Weitere Vorteile sind die hohe spezifische Leis-
einfachen und preiswerten Aufbau bei geringem Volumen und der Serienfertigung ist von einem aufwendigen Fertigungsprozess tung und die Ungefährlichkeit im Fehlerfall. Ein Nachteil besteht
Asynchronmaschine (ASM): Ein Merkmal der Asynchronmaschi- Gewicht. Ebenfalls wird nur eine relativ kostengünstige Steuerung auszugehen. Die permanenterregte Synchronmaschine ist aktuell im lauten Betriebsgeräusch. Dieses entsteht infolge von Pulsströ-
ne, auch Induktionsmaschine genannt, ist die Kurzschlusswick- benötigt. Die ASM ist eine sogenannte High-Speed-Maschine die am weitesten verbreitete Maschine bei Hybriden, aber auch men, die für größere Drehmomente notwendig sind, aber nicht
lung im Rotor. Der aus Blechen aufgebaute Rotor besitzt meist (im Gegensatz zur High-Power-Maschine) und erfordert damit als Traktionsmotor findet sie vermehrt Einsatz. nur momentbildende, sondern auch pulsierende radiale Kräfte
eine Stabwicklung, in der die Stäbe durch zwei Kurzschlussringe ein Getriebe. Bei höheren Drehzahlen zeigt sie einen quadratisch hervorrufen. Außerdem schwankt das Drehmoment der GRM bei
verbunden sind. Hierdurch kommt es zu teils sehr hohen Strömen abnehmenden Drehmomentverlauf. Auch führen die Rotorver- Stromerregte Synchronmaschine (SSM; Fremderregte Synchron- geringen Drehzahlen. In einer Variation der geschalteten Reluk-
im Rotor. Der bei dieser Motorbauart vorliegende Unterschied luste bei tiefen Drehzahlen und hohen Drehmomenten zu hohen maschine): Die Strom- bzw. Fremderregung kommt insbesondere tanzmaschine werden Reluktanzprinzip und permanente Erregung
zwischen der Umfangsgeschwindigkeit von Rotor und Drehfeld Rotortemperaturen. Insbesondere hochpolige Motoren erfordern bei größeren Synchronmotoren zum Einsatz. Während der Stator miteinander kombiniert. Dabei ist der weichmagnetische Rotor mit
wird durch den sogenannten Schlupf beschrieben. Je höher das des Weiteren sehr präzise und kleine Luftspalte, um die magneti- dieser Ausführungsform den gleichen Aufbau wie eine PSM hat, Permanentmagneten bestückt. Diese hybriderregte Maschine (Hy-
Lastmoment ist, das die ASM aufbringen soll, desto größer wird schen Widerstände möglichst gering zu halten. Der Wirkungsgrad wird der Rotor mit Erregerwicklungen versehen (anstelle der kos- bridsynchronmaschine, HSM; permanenterregte Synchronreluk-
der Schlupf und desto geringer wird die Drehzahl des Läufers ge- der Asynchronmaschine liegt unterhalb des Wirkungsgrads der tenintensiven Magnete bei der PSM). Hierdurch entstehen entwe- tanzmaschine) enthält deutlich weniger Magnetmaterialien als die
11
Eigene Darstellung nach Franke (2011).
20 21Sie können auch lesen
