Industrial Ecology Projekt Energy for future mobility Arbeitsgruppe

Industrial Ecology Projekt Energy for future mobility | Arbeitsgruppe Energiespeicher Batterie 15. 11. 2011 | Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 1

Agenda 1 Projektplan 2 Projektdefinition 3 Energiespeicherkonzept Batterie 4 Wertschöpfungskette Li-Ionen-Batterie 5 Weiteres Vorgehen Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 2

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Projektplan Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 3

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Motivation Das Thema Elektromobilität hat in Deutschland deutlich an Fahrt aufgenommen. So sieht die Vision des NPE-Beratungsgremium vor, in gemeinsamer Anstrengung das Ziel von einer Million Fahrzeugen in einem Leitmarkt Deutschland bis 2020 zu erreichen. Viele fragen sich nun, wo das Hindernis für die Elektromobilität liegt und warum es noch so wenig marktreife Produkte gibt. Und auch die Antwort ist vielen klar: Erkenntnis Es liegt am Energiespeicher Batterie. Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 4

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Motivation Sie stellt den Hauptkostenfaktor eines E-Cars dar und ist (noch) vergleichsweise teuer. Problem 1: Kosten Problem 3: Reichweite & Performance Es besteht Forschungsbedarf bezüglich ihrer Energiedichte, Lebensdauer und Ladezeiten. Hindernis Energiespeicher Batterie Sie sind zu schwer und brauchen zu viel Platz, was sich auf den Energieverbrauch auswirkt. Industrial Ecology Project WS 11/12 Problem 2: Gewicht Martina Knöll | Mohammed Esmail Problem 4: Sicherheit | Frank Beilard Sicherheitsaspekte: Es besteht u. A. die Gefahr von Brand, Explosionen, Verpuffungen Seite 5

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Problemstellung Schlüsseltechnologie Batterie? Umweltaspekt? Wesentliche Parameter? Gebräuchliche Batteriesysteme auf dem Markt? Potentiale für Einführung und Marktdurchbruch? Komplementär- und Konkurrenztechnologien? Umweltbelastung durch Herstellung, Nutzung und Entsorgung? Auswirkungen auf Umweltfreundlichkeit des E-Cars? Leitmarkt und -anbieter Deutschland? Wertschöpfungskette? Standpunkt Deutschland im internationalen Vergleich? Strategien und anvisierte Ziele der deutschen Industrie? Attraktivität und Akzeptanz der Gesellschaft? Rohstoffe und Materialien? Erfolgsversprechende Zellmaterialen? Zellstruktur und wesentliche Komponenten? Produktionstechnologien? Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 6

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Methodik und Vorgehensweise Schwerpunkt 1 Schwerpunkt 2 Schwerpunkt 3 Schlüsseltechnologie Batterie WSK und Umweltaspekt Li-Ion-Batterie Ziel Wir werden dem Leser einen kompakten Überblick über E-Car Batteriesysteme von Heute und von Morgen verschaffen einen Vergleich dieser Systeme bieten die Li-Ionen-Batterie vorstellen und als Schwerpunkt dieser Arbeit begründen Ziel Wir werden dem Leser die WSK der Li-Ion. Batterie vorstellen Rohstoffe und Materialien erfassen Produktionstechnologien vorstellen die WSK in Hinblick auf ökologische Gesichtspunkte unter die Lupe nehmen (auch kritisch) den Umweltaspekt des Li-Ion-Akkus zum Gesamtkontext E-Car setzen Vorgehen Technologiefeldanalyse Publikationsrecherchen Industrial Ecology Project WS 11/12 Vorgehen Publikationsrecherchen s u k o F Martina Knöll | Mohammed Esmail Leitmarkt und –anbieter Deutschland Ziel Wir werden Standpunkt der deutschen Industrie bezüglich der Li-Ion. Technologie erörtern dem Leser Strategien, anvisierte Ziele und Best Practices der deutschen Industrie vorstellen wesentliche Bedingungen für entsprechende Attraktivität und Akzeptanz in der Gesellschaft herausarbeiten Vorgehen (voraussichtl. ) Experteninterview Firma Manz Reutlingen Publikationsrecherchen | Frank Beilard Seite 7

Projektdefinition Projektplan Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Zielsetzung SWOT-Matrix Empfehlungen Industrial Ecology Project WS 11/12 Wir werden die SWOT‘s der Li-Ion-Batterie als Schlüsseltechnologie der Elektromobilität zusammenfassen. Wir werden anhand der SWOTMatrix sowohl eigene als auch Handlungs-empfehlungen von Experten für die deutsche Industrie präsentieren. Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 8

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Batterietechnologien Anforderungen für Verwendung in Kfz elektrische Spannung (Volt) Zyklenfestigkeit Leistungsdichte (200; 400 W/kg) Energiedichte (100; 160 Wh/kg) Umweltverträglichkeit Sicherheit Langzeitspeicherfähigkeit Memory-Effekt Ladedauer Kosten (500 -600 €/k. Wh) Dimensionen (Abmessungen/Gewicht) (250 kg) Tieftemperaturverhalten (Quelle: Brauner and Leitinger, 2008; Pfaffenbichler, 2009) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 9

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Gebräuchliche Batteriesysteme Akkutyp (WH/kg) Blei 30 Ni-Cadmium 40 -60 Ni-Me-Hydrid 60 -80 Zebra (Na. Ni. Cl) 150 Li-Ionen 150 -200 s Foku Vorteile Nachteile Kostengünstig, kein Memory. Effekt, erprobte Technologie Geringe Energiedichte, Umweltschädlichkeit, mäßige Lebensdauer gutes Tiefsttemperaturverhalten Umweltschädlichkeit, Memory. Effekt, relativ hohe Kosten erprobte Technologie, hohe Zyklusfestigkeit, relativ hohe Kosten, geringe Reichweite da schwer hoher Wirkungsgrad, kein Memory-Effekt hoher Stromverbrauch der Akkuheizung (300°C), teuer Hohe Leistungs- und Energiedichte, gute thermische Stabilität, konstante Spannung über den gesamten Ladezeitraum, geringe Selbstentladung, kein Memory. Effekt anspruchsvoll in der Herstellung, Lithium leicht brennbar, Problematik bei Kontakt mit Wasser, Zyklenfestigkeit leidet unter vollständigen Entladung, hohe Temperaturen und Lade/Entladeströme verkürzen die Lebensdauer. (Quelle: http: //www. buerger-fuer-technik. de/body_lithium-ionen-akkus_fur_pkw. html) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 10

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Entwicklungen Li-Ion-Technologie Lithium-Polymer Elektrolyt auf Polymerbasis in Form einer gelartigen Folie relativ preiswert, erreichen höhere Energiedichten als Li-Ion-Batterien, allerdings elektrisch und thermisch empfindlich Zellschaden bzw. Defekt Lithium-Eisen-Phosphat MIT forscht an Batterie, die extrem schnell Energie aufnehmen kann und im Einsatz für Elektrofahrzeuge in wenigen Minuten aufladbar sein soll Marktreife 2012 sicherheitstechnisch unproblematisch preislich unter Li-Ionen-Batterie Lithium-Titan Vorteile sind hohe Zyklenfestigkeit (laut Hersteller Lebensdauer von 12 Jahren bzw. 20. 000 Ladezyklen) Schnellladefähigkeit und geringe thermische Anfälligkeit ein Drittel geringere Energiedichte und dadurch höheres Gewicht Industrial Ecology Project WS 11/12 Lithium-Luft Entwicklung durch das IBM Almaden Research Center, in der Kathode durch Luft ersetzt wird IBM geht von einer Energiedichte von etwa 1000 Wh/kg aus, nahezu dem zehnfachen der Energiedichte der heute käuflichen Li-Ion-Akkus Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 11

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Problembereiche Li-Ion-Akku USABC = U. S. Advanced Battery Consortium (Ford, Chrysler, GM) (Quelle: http: //www. klimafonds. gv. at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected 1. pdf) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 12

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Kostenfaktor Li-Ion-Akku Berechnet man die Wirtschaftlichkeit aus dem Faktor Kosten und Lebenserwartung für EF, kommt man im Jahre 2011 noch auf 10 – 20 € pro 100 Kilometer + Ladekosten Kosten / k. Wh bei Li-Ion-Akkus liegen im Jahr 2011 noch bei ca. 500 - 600 € Erkenntnis: reines Elektroauto zum heutigen Zeitpunkt wirtschaftlich noch uneffektiv Experten sagen für 2020 voraus, dass durch höhere Stückzahlen und bessere Technologien der Preis / k. Wh auf ungefähr 200 -250 € sinken wird Li-Ion Ni. Mh Ni. Cd Li-Ion-Batteriekosten im Vergleich zu Ni. MH und Ni. Cd seit 1999 (Quelle: http: //www. klimafonds. gv. at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected 1. pdf) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 13

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Leistungs- und Energiedichte Aufgrund der geforderten Energie- und Leistungsdichte liegt das größte Potential für reine Elektrofahrzeuge derzeit bei Li-Ionen Batterien Tiefentladezyklen in der Größenordnung von 1. 000 bis 3. 000 Energiedichte von 90 bis 118 Wh/kg und Leistungsdichten von 210 bis 912 W/kg Ragone-Diagramm, Spezifische Leistungs- und Energiedichten unterschiedlicher Batterietypen (Quelle: Saft Batteries / Johnson Controls, wiedergegeben in Brauner and Leitinger, 2008) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 14

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Wertschöpfungskette Li-Ionen-Akku Rohstoffe Produktio n Nutzung Recycling (Quelle: www. mein-elektroauto. com) (Quelle: www. magazine. merck. de) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 15

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie Rohstoffe Produktio n Nutzung WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Recycling Zusammensetzung Li. Co. O 2 Batterien (Hersteller Tesla) Kathoden-material 38% Elektrolyt 17% Anoden-material 17% (Quelle: Joanneum Resarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S. 7) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 16

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie Rohstoffe Produktio n Nutzung 180 Weiteres Vorgehen Recycling Metallmassen in Lithium Ionen Batterien (Beispiel Tesla 55 k. Wh) 160 140 [kg] WSK Li-Ionen-Akku 120 100 80 60 50 50 6 17 50 24 24 6 17 Titan Lithium 2 Aluminium Kupfer Eisen Nickel Cobalt Lithium 24 40 67 69 40 20 8 8 5 Li. Co. O 2 Li. Ni. O 2 Li. Fe. PO 4 0 Anode Kathode (Quelle: Joanneum Resarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S. 8) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 17

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie Rohstoffe Produktio n Nutzung WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Recycling Metallbedarf für 1 Mio Tesla EV (Li. Fe. PO 4)/Jahr vs. Jahresproduktion 100 80 60 44 [%] 40 ta n 2. 5 Ti er m se n 0. 05 in iu 0. 2 Al um 0. 002 Ku pf Li th iu m 0 Jahresproduktion Ei 20 Bedarf für 1 Mio EV (Quelle: Joanneum Resarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S. 9) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 18

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie Rohstoffe Produktio n Nutzung WSK Li-Ionen-Akku Recycling (Quelle: http: //www. klimafonds. gv. at) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail Weiteres Vorgehen | Frank Beilard (Quelle: http: //www. flickr. com) Seite 19

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie Rohstoffe Produktio n Nutzung WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Recycling (Quelle: www. blog. betterplace. com) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 20

Projektplan Rohstoffe Projektdefinition Produktio n WSK Li-Ionen-Akku Batterie-Technologie Nutzung Weiteres Vorgehen Recycling (Quelle: Roland Berger) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 21

Projektplan Rohstoffe Projektdefinition WSK Li-Ionen-Akku Batterie-Technologie Produkti on Nutzung Weiteres Vorgehen Recyclin g Kosten für Li-Ion-Batterien: 600 -700 €/k. Wh 10. 00% Zellproduktion 13. 00% 47. 00% Materialverarbeitung 13. 00% 17. 00% (Quelle: Roland Berger) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 22

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Produktion Lithium-Ionen-Zelle Mischen Beschichten Mischung der chemischen Komponenten der Elektrodenbeschichtung (Slurry) Auftragen des Slurry auf die Elektrodenfolien • Sicherstellung gleichbleibender Qualität • Erhöhung der Produktivität • Lösungsmittelfreiheit • Doppelseitige Beschichtung • Gleichmäßigkeit Kalandern Sicherstellen der einheitlichen Slurry. Schichtdicke Schneiden Ausschneiden der beschichteten Elektrodenblätter aus der Folie Herausforderungen • Sicherstellung Präzision • Erhöhung Geschwindigkeit • Gratfreiheit • Erhöhung Geschwindigkeit Quelle: Roland Berger Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 23

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Produktion Lithium-Ionen-Zelle Trocknen des Slurry, Entzug des Lösungsmittels Fügen/ Verpacken/ Schweißen Stapeln der Elektroden und Separatorschichten zur Zelle. Folieren der Elektroden Befüllen/ Versiegeln Befüllen der Zellpakete mit Elektrolyt. Versiegeln der befüllten Zelle Formieren/ Prüfen Formierung der neuen Zelle (erstmaliger Anschluss an eine Stromquelle). Abschlusskontrolle Herausforderungen • Energieeffizienz • Präzision beim Stapeln • Erhöhung Geschwindigkeit • Gleichmäßigkeit • Reduktion Lagerzeit • Automatisierung Quelle: Roland Berger Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 24

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Product Lifecycle Li-Ion-Batterie Rohstoffe Produktio n Nutzung Recycling Die Reichweite eines Elektro-Kleinwagens wird voraussichtlich im Jahr 2015 bei etwa 150 km liegen (2020 bei etwa 200 km). 70 Prozent aller Autofahrten liegen in Deutschland unter 17 km Aufladen der Batterie – Austauschen der Batterie Schnellladung wird in einer kurzen Zeit mit hohen Stromdichten geladen, der Ladezustand beträgt jedoch nur 75 % und z. T. auch weniger Mechanische Beschädigung oder elektrische Überlastungen können zu einer Entzündung der organischen Elektrolyte führen (Quellen: VCI; http: //www. klimafonds. gv. at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected 1. pdf) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 25

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie Rohstoffe Produktio n Nutzung WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Recycling „Es existieren derzeit noch keine ökonomisch und ökologisch tragfähigen Lösungen zur Rückgewinnung von Lithium und anderen Aktivmaterialien, die eine Rückführung als Sekundärrohstoff in die Batterieherstellung im industriellen Maßstab ermöglichen. “ (Quelle: http: //www. tu-braunschweig. de) Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard (Quelle: http: //www. lithorec. de) Seite 26

Projektplan Projektdefinition Batterie-Technologie WSK Li-Ionen-Akku Weiteres Vorgehen Was folgt als nächstes? Es müssen weitere Recherchen zur Wertschöpfungskette des E-Car Li-Ionen-Akkus getätigt werden. Die Wertschöpfungskette muss in Hinblick auf ökologische Gesichtspunkte unter die Lupe genommen werden (auch kritisch). Der Umweltaspekt des Li-Ion-Akkus muss zum Gesamtkontext des Elektrofahrzeugs gesetzt werden. Der Standpunkt der deutschen Industrie bezüglich der Li-Ionen-Technologie muss erörtern werden (Kontakt zu Firma Manz). Strategien und Best Practices der deutschen Industrie müssen aufgezeigt werden. Die Ergebnisse müssen in einer SWOT-Matrix Li-Ionen-Batterie zusammengefasst werden. Es müssen Handlungsempfehlungen für den deutschen Markt anhand der SWOTMatrix vorgestellt werden. Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 27

Dankeschön. Industrial Ecology Project WS 11/12 Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard Seite 28