Industrial Ecology Projekt Energy for future mobility | Arbeitsgruppe Energiespeicher Batterie

Seite 1Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank BeilardIndustrial Ecology Project WS11/12

Industrial Ecology ProjektEnergy for future mobility | Arbeitsgruppe Energiespeicher Batterie

15.11.2011 | Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard


Projektdefinition2

Energiespeicherkonzept Batterie3

Wertschöpfungskette Li-Ionen-Batterie 4

Weiteres Vorgehen 5

Projektplan1

Agenda


ProjektplanWeiteres VorgehenWSK Li-Ionen-AkkuBatterie-TechnologieProjektdefinitionProjektplan


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.

Weiteres VorgehenWSK Li-Ionen-AkkuBatterie-TechnologieProjektplan Projektdefinition


Sie sind zu schwer und brauchen zu viel Platz, was sich auf den Energieverbrauch auswirkt.

Sie stellt den Hauptkostenfaktor eines E-Cars dar und ist (noch) vergleichsweise teuer.

Sicherheitsaspekte: Es besteht u. A. die Gefahr von Brand, Explosionen, Verpuffungen

Es besteht Forschungsbedarf bezüglich ihrer Energiedichte, Lebensdauer und Ladezeiten.

Hindernis Energiespeich

er Batterie

Problem 1: Kosten

Problem 3: Reichweite

& Performanc

e

Problem 4: Sicherheit

Problem 2: Gewicht

MotivationWeiteres VorgehenWSK Li-Ionen-AkkuBatterie-TechnologieProjektplan Projektdefinition


ProblemstellungSchlüsseltechnologie Batterie?

Wesentliche Parameter? Gebräuchliche Batteriesysteme

auf dem Markt? Potentiale für Einführung und

Marktdurchbruch? Komplementär- und Konkurrenz-

technologien?

Wertschöpfungskette? Rohstoffe und Materialien? Erfolgsversprechende

Zellmaterialen? Zellstruktur und wesentliche

Komponenten? Produktionstechnologien?

Umweltaspekt? Umweltbelastung durch

Herstellung, Nutzung und Entsorgung?

Auswirkungen auf Umwelt-freundlichkeit des E-Cars?

Leitmarkt und -anbieter Deutschland?

Standpunkt Deutschland im internationalen Vergleich?

Strategien und anvisierte Ziele der deutschen Industrie?

Attraktivität und Akzeptanz der Gesellschaft?



Methodik und Vorgehensweise

ZielWir 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 Publikationsrecherchen

ZielWir werden den 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

ZielWir 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

Vorgehen Technologiefeldanalyse Publikationsrecherchen

Schlüsseltechnologie Batterie

Leitmarkt und –anbieterDeutschland

Fokus

WSK und Umweltaspekt Li-Ion-Batterie

Schwerpunkt 1 Schwerpunkt 2 Schwerpunkt 3



Zielsetzung

Wir werden die SWOT‘s der Li-Ion-Batterie als

Schlüssel-technologie der Elektromobilität

zusammenfassen.Wir werden anhand der SWOT- Matrix sowohl eigene als auch Handlungs-empfehlungen von

Experten für die deutsche Industrie

präsentieren.

SWOT-Matrix

Empfehlungen



BatterietechnologienAnforderungen 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 €/kWh) Dimensionen (Abmessungen/Gewicht)

(250kg) Tieftemperaturverhalten

(Quelle: Brauner and Leitinger, 2008; Pfaffenbichler, 2009)

Weiteres VorgehenWSK Li-Ionen-AkkuProjektdefinitionProjektplan Batterie-Technologie


Gebräuchliche Batteriesysteme

(Quelle: http://www.buerger-fuer-technik.de/body_lithium-ionen-akkus_fur_pkw.html)

Akkutyp (WH/kg) Vorteile Nachteile

Blei 30Kostengünstig, kein Memory-Effekt, erprobte Technologie

Geringe Energiedichte, Umwelt-schädlichkeit, mäßige Lebensdauer

Ni-Cadmium 40-60 gutes Tiefsttemperaturverhalten

Umweltschädlichkeit, Memory-Effekt, relativ hohe Kosten

Ni-Me-Hydrid 60-80 erprobte Technologie, hohe Zyklusfestigkeit,

relativ hohe Kosten, geringe Reichweite da schwer

Zebra (NaNiCl) 150 hoher Wirkungsgrad, kein Memory-Effekt

hoher Stromverbrauch der Akkuheizung (300°C), teuer

Li-Ionen 150-200

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.

Fokus



Entwicklungen Li-Ion-Technologie

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-Polymer

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-Eisen-Phosphat

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

Lithium-Titan

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

Lithium-Luft



Problembereiche Li-Ion-Akku

(Quelle: http://www.klimafonds.gv.at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected1.pdf)

USABC = U.S. Advanced Battery Consortium (Ford, Chrysler, GM)



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 / kWh 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 / kWh auf ungefähr 200-250 € sinken wird

Kostenfaktor Li-Ion-Akku

(Quelle: http://www.klimafonds.gv.at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected1.pdf)

Li-Ion-Batteriekosten im Vergleich zu NiMH und NiCd seit 1999

Li-Ion

NiCd

NiMh



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

Leistungs- und Energiedichte

(Quelle: Saft Batteries / Johnson Controls, wiedergegeben in Brauner and Leitinger, 2008)

Ragone-Diagramm, Spezifische Leistungs- und Energiedichten unterschiedlicher Batterietypen



(Quelle: www.mein-elektroauto.com)

Rohstoffe

Produktion

Nutzung

Recycling

(Quelle: www.magazine.merck.de)

Weiteres VorgehenBatterie-TechnologieProjektdefinitionProjektplan WSK Li-Ionen-Akku

Wertschöpfungskette Li-Ionen-Akku


Rohstoffe

Produktion Nutzung Recyclin

g

Kathoden-material

38%

Anoden-material 17%

Elek-trolyt 17%

Zusammensetzung LiCoO2 Batterien (Hersteller Tesla)

(Quelle: Joanneum Resarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S.7)



Rohstoffe


g

LiCoO2 LiNiO2 LiFePO4020406080

100120140160180

8 8 5

67

24 24

24

17 17

17

6 6

6

50 50

50

6940

Metallmassen in Lithium Ionen Batterien (Beispiel Tesla 55kWh)

TitanLithium2AluminiumKupferEisenNickelCobaltLithium

Anode

Kathode

[kg]




Rohstoffe


g

Lithiu

mEis

enKu

pfer

Alumini

um Titan

020406080

100

44

0.002 0.2 0.05 2.5

Metallbedarf für 1 Mio Tesla EV (LiFePO4)/Jahr vs. Jahresproduktion

Bedarf für 1Mio EVJahresproduktion

[%]




Rohstoffe


g

(Quelle: http://www.flickr.com)(Quelle: http://www.klimafonds.gv.at)



Rohstoffe


g

(Quelle: www.blog.betterplace.com)



Rohstoffe


g

(Quelle: Roland Berger)



Rohstoffe

Produktion

Nutzung

Recycling

47.00%

17.00%

13.00%

13.00%

10.00%

ZellproduktionMaterialver-arbeitungRohmaterialienBatteriemontage

(Quelle: Roland Berger)

Kosten für Li-Ion-Batterien: 600-700 €/kWh



Produktion Lithium-Ionen-Zelle

Mischen Beschichten Kalandern Schneiden

Mischung der chemischen Komponenten der Elektroden-beschichtung (Slurry)

Auftragen des Slurry auf die Elektrodenfolien

Sicherstellen der einheitlichen Slurry- Schichtdicke

Ausschneiden der beschichteten Elektrodenblätter aus der Folie

Herausforderungen• Sicherstellung gleichbleibender Qualität• Erhöhung der Produktivität

• Lösungsmittelfreiheit• Doppelseitige Beschichtung• Gleichmäßigkeit

• Sicherstellung Präzision• Erhöhung Geschwindigkeit

• Gratfreiheit• Erhöhung Geschwindigkeit

Quelle: Roland Berger



Produktion Lithium-Ionen-Zelle

TrocknenFügen/

Verpacken/ Schweißen

Befüllen/ Versiegeln

Formieren/ Prüfen

Trocknen des Slurry, Entzug des Lösungsmittels

Stapeln der Elektroden und Separatorschichten zur Zelle.Folieren der Elektroden

Befüllen der Zellpakete mit Elektrolyt.Versiegeln der befüllten Zelle

Formierung der neuen Zelle (erstmaliger Anschluss an eine Stromquelle).Abschlusskontrolle

Herausforderungen• Energieeffizienz • Präzision beim

Stapeln• Erhöhung Geschwindigkeit• Gleichmäßigkeit

• Reduktion Lagerzeit• Automatisierung

Quelle: Roland Berger



Product Lifecycle Li-Ion-Batterie

Rohstoffe

Produktion

Nutzung

Recycling

(Quellen: VCI; http://www.klimafonds.gv.at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected1.pdf)


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


Rohstoffe


g

(Quelle: http://www.lithorec.de)(Quelle: http://www.tu-braunschweig.de)

„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.“



Was folgt als nächstes?WSK Li-Ionen-AkkuBatterie-TechnologieProjektdefinitionProjektplan Weiteres Vorgehen

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 SWOT-Matrix vorgestellt werden.


Dankeschön.

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