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Batteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in Deutschland Kritische Faktoren für eine erfolgreiche Batteriezellproduktion in Deutschland
Ansgar vom Hemdt
27. März 2019
2
© PEM
Zusammenfassung4
Kritische Faktoren für eine Batteriezellproduktion in Deutschland3
Grundlagen der Lithium-Ionen-Batteriezelle2
Motivation1
Batteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in Deutschland
3
© PEM
Nach anfänglicher Euphorie und anschließender Enttäuschung herrscht nun berechtigter Optimismus für die Elektromobilität.
Quellen: Gartner Hype Cycle; Reuters (2017): Ziel von einer Million E-Autos bis 2020; Kraftfahrtbundesamt (2018): Bestand am 1.8.2018 nach Motorisierung; Elektromobilität.online (2018): eMobilitätOnline-
Jahresrückblick 2017; Bildquellen: insideevs (2016): BMW i3 Battery Upgrade; Ricardo (2014): BMW i3 Battery Module; BMW i3 Blogspot (2016): Battery Options; Klimawandel; Bundesregierung (2018):
Sigmar Gabriel; Automobilwoche (2018): Plattformen bei Audi; euwid-energie (2018): Elektromobilität; Handelsblatt (2018): BMW Elektro-Autos; Wirtschaftswoche (2018): Porsche
Au
fme
rksam
ke
it/ E
rwa
rtu
nge
n
Zeit
2008:
1 Mio. Elektroautos
bis 2020
2017
„Ich rate zu ein bisschen mehr
Realismus“
Neuzul.
2017
Bestand
1.1.2018
BEV 25.056 53.861
PHEV 29.436 44.419
Technologischer
Auslöser
Gipfel der
überzogenen
Erwartungen
Tal der Enttäuschungen Pfad der Erleuchtung Plateau der Produktivität
1991:
Kommerzia-
lisierung der
Li-Ionen-
Batterie
4
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Trotz eines stark fallenden Preises bleibt die Batteriezelle im elektrischen Antriebsstrang die bedeutendste Komponente.
Kostenanteile der Komponenten im konventionellen bzw. elektrischen Antriebsstrang
17%
5%
16%
29%
33%
Sonstige
Kühler und Klimaanlage
Getriebe
Motor
Technik zurEmissionsreduktion
Benziner (2025)
Quellen: Wirtschaftswoche (2015): Autozulieferer – Angriff auf die Jobmaschine; Avicenne Energy (2017): The Rechargeable Battery Market, S. 78
E-Auto (2025)
13%
12%
14%
61%
Sonstige
Leistungselektronik
Elektromotor
Batteriepack
0
50
100
150
200
250
300
350
Koste
n e
ines
Batteriepacks [
€/k
Wh]
-62%
67% 70% 73%
33% 30% 27%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
2015 2020 2025
Ante
il der
Batteriezelle
an d
en K
oste
n d
es
Batteriepacks
Sonstige
Batteriezellen
5
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Die Produktion und das Angebot von Batteriezellen werden von asiatischen Unternehmen und Ländern dominiert.
Anteile installierter, im Bau befindlicher und angekündigter Produktionen von Lithium-Ionen-Batteriezellen nach Unternehmen
Chinesische Unternehmen:
CATL, BYD, Guoxuan High-Tech, Lishen, Optimum Battery, CBAK Energy
Technology, Hengdian Group, FDG Electric Vehicles, Sonstige
Koreanische Unternehmen:
LG Chem, SK Innovation, Samsung SDI
Japanische Unternehmen:
Panasonic, AESC
Amerikanische Unternehmen:
Tesla, Boston Power
Anteile installierter, im Bau befindlicher und angekündigter Produktionen von Lithium-Ionen-Batteriezellen nach Regionen
9,7%
Europa
14%
USA
76,3%
Asien
Quellen: Bloomberg New Energy Finance (2017): Lithium-ion Battery, S. 3 und 5; Bloomberg (2018): The Breakneck Rise of China´s Colossus; Zusätzlich ergänzt: CATL Ankündigung einer
Batteriezellproduktion in Deutschland von 14 GWh/a sowie SK Innovation Ankündigung einer Batteriezellproduktion in Ungarn von 7,5 GWh/a
63%17%
7%
13%
6
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Die Einschätzung deutscher Automobilunternehmen zu einer Eigenproduktion von Batteriezellen ist verhalten. Die Politik sieht eine strategische Bedeutung.
Quellen: Welt (2017): Warum BMW, Daimler und VW keine Batterien bauen; Süddeutsche (2018): Peking zeigt den Deutschen, wie man Batterien baut; Die Presse (2018): “Zu riskant”; Elektroniknet
(2018): Continental; Tagesspiegel (2018): Chinesen bauen Batteriezellfabrik; Tagesspiegel (2018): Zoff mit der Zelle; Bildquellen: Autozeitung (2018): Daimler-Chef Zetsche zu Tui, Bundesregierung.de,
Logistik-Heute (2016): Personalie; Automobilwoche (2016): Bosch; Continental (2018): Dr. Elmar Degenhart; Bundesregierung (2018): Angela Merkel; BMWi (2016): Matthias Machnig
In Bezug auf die Einstellung, dass Asien
im Bereich der Batteriezellproduktion nicht
mehr einzuholen sei:
„Ich weiß nicht, ob das eine richtige
Einstellung ist. Ich bin der Meinung, wir
sollten strategische Fähigkeiten auch
weiter bei uns behalten.“
Angela Merkel, Bundeskanzlerin
„Mit der heutigen Technologie sehen wir
keine wirtschaftliche Sinnhaftigkeit in der
Eigenfertigung der Batteriezelle. […] Wir
wissen, wovon wir sprechen.“
Dietmar Zetsche, CEO Daimler
In Bezug auf die Entscheidung von Bosch,
keine Zellproduktion aufzubauen:
„Ohne eine eigenständige Entwicklung
und Produktion von Verbrennungsmotoren
hätte die deutsche Auto- und
Zulieferindustrie nie eine globale
Spitzenstellung bekommen.“
„Wir sagen nein zur eigenen Zellfertigung,
aber ja zur Batterie.“
Rolf Bulander, Chef der Bosch-Autosparte
Mobility Solutions
Wenn BMW die Idee einer eigenen
Batteriefertigung aufgegeben hätte, „dann
würden wir nicht 200 Millionen Euro in ein
Batterieentwicklungszentrum investieren.“
Markus Duesmann, Vorstand Einkauf BMW
„Wir können uns vorstellen, künftig
Batteriezellen selbst zu produzieren.“
Elmar Degenhart, CEO Continental
Matthias Machnig, ehemaliger Wirtschaftsstaatssekretär
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Zusammenfassung4
Kritische Faktoren für eine Batteriezellproduktion in Deutschland3
Grundlagen der Lithium-Ionen-Batteriezelle2
Motivation1
Batteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in Deutschland
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Lithium-Ionen-BatteriezelleAufbau, Funktionsweise und Zellformate
Aufbau und Funktionsweise Zellformate
Quelle: Vuorilehto (2013): Materialien und Funktion, S. 22; Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 21
Lade-
spannunge-e- e-
e-
Lithium-
Ion
Aktivmaterial
(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)
Separator
Elektrolyt
(flüssig)
Anode Kathode
Stromableiter
aus Kupfer
Stromableiter
aus Aluminium
- +
Aktivmaterial
(C)
1000433FG984BH77
Pouch-Zelle Rundzelle
Prismatische Zelle
9
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Lithium-Ionen-BatteriezelleProduktionsprozesskette am Beispiel der Pouch-Zelle
Quelle: Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 17
Zusammenbau
der
Zelle
VerpackenKontaktfahnen
AnbringenStapeln
Elektrolyt
BefüllenVereinzeln
Produktion
der
Elektroden
Beschichten
& TrocknenSlittingMischen
Kupfer Aluminium SeparatorAktivmaterial
KalandernVakuum-
trocknen
Elektrolyt Gehäuse
1 2 3 4 5
10 9 8 7 6
Formierung
der
Zelle
Entgasen &
VerschließenFalzen AgingFormieren
Pouch-
Zelle
10
00
43
3A
V9
84
BD
77
11 12 13 14
10
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Lithium-Ionen-BatteriezelleProduktion der Elektroden
Beschichten & Trocknen
Kalandern Slitting Vakuumtrocknen
Kupfer- bzw. Aluminiumrolle
Auftragsrolle
DraufsichtAuftragssystem
Luftstrahlen
Trockner
Gewalzte
Elektrode
Ober-
walzen
Getrocknete
Elektrode
Unter-
walzen
Schnittlinien
Laserschneidanlage
Mischen
Mischer
PumpeBeschichtungs-
material
1 2
3 4 5
Vakuumtechnik
Coils
A
A Seitenansicht
Quelle: Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 17 ff.
11
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Lithium-Ionen-BatteriezelleZusammenbau der Zelle
Vereinzeln Stapeln Kontaktfahnen Anbringen
Verpacken Elektrolyt Befüllen
Draufsicht
Laserschneid-
anlageAnodensheet
KathodensheetSeparator
Isolations-
streifen
Draufsicht
109
876
Quelle: Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 21 ff.
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Lithium-Ionen-BatteriezelleFormierung der Zelle
Falzen Aging
Formieren Entgasen & Verschließen
Str
om
stä
rke I
Zeit t
I
II
III
Vakuumsiegeln
Prüfen
12
6
9 3
11 12
13 14
Quelle: Heimes (2014): Auswahl von Fertigungsressourcen in der Batteriezellproduktion, S. 24 ff.
Stempel
Werkstück-
auflageStempel
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Zusammenfassung4
Kritische Faktoren für eine Batteriezellproduktion in Deutschland3
Grundlagen der Lithium-Ionen-Batteriezelle2
Motivation1
Batteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in Deutschland
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Personal
Materialien
Maschinen & Anlagen
AbsatzmarktProduktProduktion
Standort
Für eine Batteriezellproduktion in Deutschland sind acht Faktoren zuanalysieren.
Wirtschaftlichkeit
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Personal
Materialien
Maschinen & Anlagen
ProduktProduktion
Standort
Faktor „Absatzmarkt“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Absatzmarkt
16
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In EU und DE liegt bereits heute eine starke Diskrepanz zwischen hoher lokaler Nachfrage und niedrigen lokalen Produktionskapazitäten für Batteriezellen vor.
Quellen: Lazar, Roland Berger (2017): Automotive Supplier Study, S. 29 ff. (Zugrundelegung des mittleren Szenarios für die Entwicklung der Anzahl von BEV und PHEV sowie Annahme einer mittleren
Energiemenge pro Fahrzeug von 40 kWh für BEV und 17 kWh für PHEV); NPE (2016): Roadmap, S. 12 f.; Die Berechnung der Nachfrage der Automobilindustrie nach Batteriezellen in Europa und
Deutschland erfolgte durch Triangulation der Daten der zuvor aufgeführten beiden Quellen; Reuters (2018): Factbox: Plans for electric car battery production in Europe; Manager-Magazin (2018): Diese
Firmen planen „Gigafactories“ in Europa; Bildquellen: Firmen-Homepages
Produktionskapazitäten in Europa bzw. Deutsch-
land für Batteriezellen für die Automobilindustrie
Batterien für andere
Anwendungen
2 GWh/a
(heute)
14 GWh/a
(2022)
5 GWh/a
(im Aufbau)
2,5 GWh/a
(im Aufbau)
7,5 GWh/a
(2022)
Nachfrage der Automobilindustrie nach
Batteriezellen in Europa bzw. Deutschland
15,9
39,616,8
55,4
32,7
95
0
20
40
60
80
100
120
140
2020 2025
Nach
frage
/ A
nge
bo
t d
er A
uto
mo
bil-
ind
ustr
ie n
ach
Ba
tte
rie
ze
llen
[G
Wh
/a]
Nachfrage Deutschland
Nachfrage restl. Europa
2018 2022
Angebot Deutschland
2
31
Angebot restl. Europa
14
Die Nachfrage von 32,7 GWh/a in 2020 wird sich auf
95 GWh/a in 2025 fast verdreifachen. Ca. 40% bis 50%
dieser Nachfrage befindet sich in Deutschland.
Die aktuellen und angekündigten Produktionskapazitäten
von Batteriezellen in Europa liegen bei 2 bzw. 31 GWh/a.
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Personal
Materialien
Maschinen & Anlagen
ProduktProduktion
Standort
Faktor „Absatzmarkt“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Absatzmarkt
Die Nachfrage der Automobilindustrie
spricht für (weitere) Batteriezellfabriken
in Europa bzw. Deutschland.!
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AbsatzmarktPersonal
Materialien
Maschinen & Anlagen
Produktion
Standort
Faktor „Produkt“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Produkt
19
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Revolutionäre Entwicklungen in der Batteriezelltechnologie stehen vor technischen Herausforderungen.
Potentielle Anoden- bzw. Kathodenmaterialien
0
1
2
3
4
5
6
0 500 1000 1500 2000 2500
Po
ten
tia
l vs.
Li/L
i+[V
]
Volumetrische Kapazität [mAh/cm3]
LFP Lithiumeisenphosphat Li2S Lithiumsulfid
LNMO Lithium-Nickel-Mangan-Oxid Li2O Lithiumoxid
NMC Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid C Graphit
NCA Nickel-Kobalt-Aluminium-Oxid Si Silizium
LRNMC Lithium-Rich Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid Li Lithium
Kathodenmaterial
Anodenmaterial
CSi/C
Li
Si
L
F
P
L
N
M
ON
M
C
N
C
A
L
R
N
M
C
Li2S
Li2O
Quellen: Placke (2018): Progress and Challenges: Generation 3b, S. 11; Varzi et al. (2016): Challenges and prospects of solid electrolytes, S. 17251 ff.; Bildquelle: Kieper (2016): Li-ion Batteries for
Electrified Mobility, S. 15
Solid-State-Technologie
Aussicht
Herausforderung
Nichtverfügbarkeit eines festen Elektrolyten, welcher
eine gute Kompatibilität mit Lithium-Metall und eine
hohe Ionen-Leitfähigkeit bei niedrigen/ mittleren
Temperaturen aufweist
Steigerung der Energiedichte
Höhere Sicherheit
AnodeFestkörper-
ElektrolytKathode
Aktiv-
material
Solid-State-Elektrolyt
mit Aktivmaterial
Metallisches
Lithium
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Quellen: Seeo (2014): Solid State Batteries, S. 10; Bildquelle: Angerbauer (2017): Challenges within next generation battery cell manufacturing, S. 9
Die Anode entsteht nicht durch die Beschichtung einer Kupferfolie mit einer Graphit-Paste, sondern wird als Lithium-Metall-Coil in
den Prozess eingebracht.
Der Elektrolyt wird nicht durch einen Befüllungsprozess in die Zelle eingebracht, sondern durch eine weitere Beschichtung der
Kathode.
Der Zell-Stack wird laminiert, um einen guten Kontakt der einzelnen Komponenten zu gewährleisten.
Es ist kein Formationsprozess notwendig.
Trotz bestehender Unterschiede ähneln sich die Produktionsprozessketten von State-of-the-Art Batteriezellen und Solid-State-Batteriezellen stark.
Fe
rtig
un
g
de
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od
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de
s S
ep
ara
tors
Mischen Beschichten und Trocknen Slitten Vakuumtrocknen
Vakuum
Zu
sa
mm
en
bau
de
r Z
ell
e
Vereinzeln Stapeln Laminieren Schweißen Einbringen und Versiegeln
Kathode
Produktionsprozesskette einer Solid-State-Batteriezelle:
Hauptunterschiede zur Produktionsprozesskette von state-of-the-art Lithium-Ionen-Batteriezellen:
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AbsatzmarktPersonal
Materialien
Maschinen & Anlagen
Produktion
Standort
Faktor „Produkt“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Produkt
Das Risiko einer Substitution durch
revolutionäre Batteriezelltechnologien ist
gering.!
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Produkt AbsatzmarktPersonal
Maschinen & Anlagen
Produktion
Standort
Faktor „Materialien“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Materialien
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Aufgrund des hohen Materialkostenanteils kommt der Supply Chain von Materialien in der Batteriezellproduktion eine große Bedeutung zu.
Quellen: Avicenne Energy (2017): The Rechargeable Battery Market, S. 32
Massen-Anteile der Materialien einer Batteriezelle
42,30%
11,50%
11,50%
13,50%
21,20%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Wert-Anteil
Gehäuse
Separator
Elektrolyt
Anode
Kathode
Materialkosten machen ca. 60% der Batteriezellkosten aus!
24
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In Deutschland sind potentielle Lieferanten für alle Materialien einer Lithium-Ionen-Batteriezelle ansässig.
Quellen: Avicenne Energy (2017): The Rechargeable Battery Market, S. 32; Bilderquellen: Firmen-Homepages
Material-Lieferanten in Deutschland (Auszug)
(Separatoren)
(Gehäuse)
(Anodenmaterial)
(Kathodenmaterial
und Elektrolyt)
Massen-Anteile der Materialien einer Batteriezelle
42,30%
11,50%
11,50%
13,50%
21,20%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Wert-Anteil
Gehäuse
Separator
Elektrolyt
Anode
Kathode
Materialkosten machen ca. 60% der Batteriezellkosten aus!
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Kobalt stellt den versorgungskritischsten Rohstoff in einer Lithium-Ionen-Batteriezelle dar.
Quellen: WSJ (2018): Global Race to Control Batteries; The Economist (2018): What if China corners the cobalt market?; McKinsey (2018): Lithium and Cobalt, S. 14 („unwahrscheinliche Projekte“ für den
Abbau von Kobalt im Jahr 2025 wurden nicht berücksichtigt)
Verknappungsrisiko
Preisentwicklung von Kobalt
Länderrisiko im Kongo:
Änderung der Bergbaugesetze
Eigentumsstreitigkeiten
Arbeitsbedingungen
Länderkonzentr. und -risiko
54%40%
6%
Abbau von Kobalt
(Kongo)(Restl.)
(China)
80%
20%
Produktion von Kobaltsulfat
(China)
(Restl.)
Preis pro Tonne [$]
2013 2014 2015 2016 2017
25.000
50.000
75.000
100.000Kobalt
Nickel
98 106
38
166136
272
2017 2025
Batterien
Andere
Kobalt Nachfrage
[kt veredeltes Metall]
125
23115
25
140
256
2017 2025
Recycling
Produktion
Kobalt Angebot
[kt veredeltes Metall]
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Produkt AbsatzmarktPersonal
Maschinen & Anlagen
Produktion
Standort
Faktor „Materialien“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Materialien
Eine sichere Versorgung mit allen Materialien zu wettbewerbsfähigen Preisen ist
Grundvoraussetzung für eine Batteriezellproduktion. Kobalt ist dabei ein
kritischer Rohstoff.!
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Materialien
Produkt Absatzmarkt
Maschinen & Anlagen
Produktion
Standort
Faktor „Personal“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Personal
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Die personellen Voraussetzungen für eine Batteriezellproduktion sind in Deutschland attraktiv.
Quelle: Samsung SDI (2015): Samsung SDI EV Battery Manufacturing Plan; VDMA (2015): Chancen für den Maschinen- und Anlagenbau, S. 11
Bereich F&E:
Laborleiter
Elektrochemiker
Laborassistenten
Prozessingenieure
Kaufmännischer Bereich:
Einkauf
Vertrieb
Verwaltung
Personalbedarf
Bereich Produktion:
Produktionsleiter
Ingenieure:
• Produktionsplanung
• Qualitätskontrolle
Techniker:
• Instandhaltung der Maschinen
• Betrieb der Maschinen
Logistiker
Industrielle Hersteller
(Kleinstserie) von Lithium-
Ionen-Zellen [Auszug]
Pilotlinien für Lithium-
Ionen-Zellen der
Forschung
Ausbildung von Personal und Forschung im Bereich
Batteriezellentwicklung und -produktion finden statt.
Deutschland belegt weltweit den vierten Platz.
Deutschland erreicht im Global Competitiveness Report
2017-2018 des World Economic Forum 97,9 von 100
Punkten im Kriterium „Education and Skills“.
Gemachte Erfahrungen bilden eine erste Grundlage für
eine Produktion von Automotive-Batteriezellen.
Erfahrungen in Deutschland in der Batteriezellproduktion:
Varta
Leclanche
Personalangebot
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Materialien
Produkt Absatzmarkt
Maschinen & Anlagen
Produktion
Standort
Faktor „Personal“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Personal
Die personellen Voraussetzungen für eine Batteriezellproduktion
sind in Deutschland attraktiv.!
30
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Personal
Materialien
Produkt AbsatzmarktProduktion
Standort
Faktor „Maschinen & Anlagen“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
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Quellen: PEM Datenbank für Maschinen & Anlagen in der Batteriezellproduktion; VDMA (2015): Chancen für den Maschinen- und Anlagenbau, S. 8; Bildquellen: Firmen-Homepages
Deutsche Maschinen- & Anlagenbauer mit
Kompetenzen in der Batteriezellproduktion
Unterschiedliche Kompetenzgrade
am Beispiel des Beschichtungs- und Trocknungsprozesses
Grundlegende Prozesskompetenz
(andere Anwendung)
Glasindustrie
Papierindustrie
Textilindustrie
Kompetenz Pilotanlagen
Auftragsbreite: 500mm
Geschwindigkeit: 4m/min
Auftragsdickentoleranz: <±2µm
Großserienkompetenz
Auftragsbreite: 1.000mm
Geschwindigkeit: 30m/min
Auftragsdickentoleranz: <±1µm
Kompetenzen sind vorhanden, jedoch fehlt es dem deutschen Maschinen- & Anlagenbau in gewissen Prozessen an Erfahrung in der Großserienproduktion.
80°C 160°C 160°C 80°C
1
Anzahl an Maschinen-
und Anlagenbauern mit
Kompetenzen in der
Zellfertigung [Auszug]
1
2
>3
>5
>15
>10
Produktionsprozess einer Lithium-Ionen-Batteriezelle
Kompetenz liegt im deutschen Maschinen- und Anlagenbau vor
Pro
du
kti
on
d
er
Ele
ktr
od
en
Zu
sa
mm
en
ba
u
de
r
Ze
lle
Fo
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de
r
Ze
lle
32
© PEM
Personal
Materialien
Produkt AbsatzmarktProduktion
Standort
Faktor „Maschinen & Anlagen“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Equipment für die Batteriezellproduktion kann von deutschen Maschinen- &
Anlagenbauern beschafft werden, wobei bei gewissen Prozessschritten zunächst
ausländische Lieferanten bevorzugt werden.!
33
© PEM
Maschinen & Anlagen
Personal
Materialien
Produkt Absatzmarkt
Standort
Faktor „Produktion“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Produktion
34
© PEM
Quellen: PEM Datenbank für Maschinen & Anlagen in der Batteriezellproduktion
Eine zentrale Herausforderung besteht in der Integration der einzelnen technologisch diversen Prozessschritte zu einer robusten Produktionskette.
Maschinen- & Anlagenbauer besitzt Kompetenzen im Produktionsprozessschritt
Lieferanten von Maschinen & Anlagen
entlang der Prozesskette der Batteriezellproduktion Die Produktionskette einer Lithium-Ionen-Batteriezelle
beinhaltet eine Vielzahl technologisch stark
unterschiedlicher Prozessschritte.
Unternehmen fokussieren sich auf Basis ihrer
bestehenden Kompetenzen auf einzelne
Prozessschritte bzw. Teilprozessketten.
Es existiert kein Maschinen- & Anlagenbauer mit
Kompetenzen entlang der gesamten
Prozesskette der Batteriezellproduktion.
Der Produktionsprozess von Lithium-Ionen-
Batteriezellen ist hochgradig automatisiert.
Zwischen den einzelnen Prozessschritten bzw.
Maschinen & Anlagen existiert eine Vielzahl von
Interdependenzen und verschiedenen Schnittstellen.
Für den Aufbau und den Betrieb einer
wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion sind
ein Gesamtsystemverständnis und Erfahrungen
erforderlich.
Mischen Beschicht. Kalandr. Slitten Vakuumtr. …
Bühler
Netzsch
Eirich
Hohsen
Coatema
B&W
Hirano
Kroenert
Breyer
Saueressig
Kampf
Meier
…
Produktionsprozessschritte [Auszug]
Ma
sch
ine
n-
&A
nla
ge
nb
au
er
[Au
szu
g]
Maschinen- & Anlagenbauer besitzt keine Kompetenzen im Produktionsprozessschritt
35
© PEM
Maschinen & Anlagen
Personal
Materialien
Produkt Absatzmarkt
Standort
Faktor „Produktion“Batteriezellproduktion in Deutschland
Wirtschaftlichkeit
Produktion
Für den Aufbau von wettbewerbsfähigen Produktionslinien für
Batteriezellen sind eine hohe technische Expertise und
jahrelange Erfahrung notwendig.!
36
© PEM
Maschinen & Anlagen
Personal
Materialien
Produkt Absatzmarkt
Standort
Faktor „Wirtschaftlichkeit“Batteriezellproduktion in Deutschland
Produktion
Wirtschaftlichkeit
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© PEM
Quelle: PEM Datenbank für Maschinen & Anlagen in der Batteriezellproduktion (konservative Annahmen bei Maschinendaten)
Prämissen, Annahmen und Daten für einen beispielhaften Entwurf einer Batteriezellfabrik
Produktprämissen
Leistungseigenschaften:
5,2 Ah
3,68 V
290 Wh/kg
790 Wh/l
Zellformat/ -dimensionen/ -gewicht:
Zylindrisch
21 mm (Durchmesser); 70 mm (Höhe)
66 g
Zellchemie:
Elektroden: Graphit vs. NMC 622
Elektrolyt: EC:DMC + LiPF6
Separator: Polyolefinbasis mit keram.
Beschichtung
Zelldesign:
+
-
Dicke der Anodenbeschicht.:
Dicke der Kupferfolie:
Dicke der Kathodenbeschicht.:
Dicke der Aluminiumfolie:
Dicke des Separators:
12 µm
71 µm
20 µm
82 µm
8 µm
Breite der Elektrode:
Länge der Elektrode
63 mm
863 mm
Produktionsannahmen und Maschinendaten
Produktionskapazitäten:
14 GWh/a
731.600.000 Zellen/a
Schichtmodell:
301 d/a, 3 Schichten/d, 8 h/Schicht
Mischen
Mischvolumen: 300 l
Mischdauer: 45 min
Beschichten & Trocknen
Beschicht.-breite: 800 mm
Beschicht.-
geschwindigkeit: 30 m/min
Kalandern & Slitten
Kalandrierbreite: 800 mm
Kalandrier-
geschwindigkeit: 100 m/min
Vakuumtrocknen
Coils/ Trockner: 4
Trocknungsdauer: 24 h
Wickeln
Zellen/
Wickelanlage: 2
Wickeldauer/ Zelle: 2,6 sek
Kontaktfahnen Anbringen
Zellen/
Schweißanlage: 6
Schweißdauer/
Kontaktfahne: 5 sek
Elektrolyt Befüllen
Zellen/
Befüllungsanlage: 500
Befüllungsdauer/
Zelle: 840 sek
Krimpen
Zellen/ Krimpanlage: 8
Krimpdauer/ Zelle: 3 sek
Formieren
Zellen/ Lagersystem: 4.500
Formierungsdauer/
Zelle: 15 h
Aging
Zellen/ Lagersystem: 5 Mio
Agingdauer/ Zelle: 20,5 d
Prüfen & Verpacken
Zellen/ Ladesystem: 4.500
Ladedauer/ Zelle: 30 min
Maschinendaten
Produktionsannahmen
38
© PEM
Eine gewinnbringende Batteriezellproduktion in Deutschland ist möglich. Dabei ist ein Großteil der Kosten standortunabhängig.
Quelle: PEM-Kostenmodell für die Batteriezellproduktion; Avicenne Energy (2018): A Challenging Future for Batteries, S. 8
59%
18%
3%
4%
4%
2%
5%
5%
Marge
SG&A
Transport
Personal
Energie & Utilities
Wartung
Abschreibungen
Material
PEM-Kostenmodell
Kostenstruktur einer in DE produzierten Batteriezelle
100% ~ 95 €/kWh
Der Vergleich zwischen den Kosten von ca. 90 €/kWh und
dem Marktpreis von ca. 95 €/kWh für Batteriezellen zeigt:
Die Produktion von Batteriezellen in Deutschland ist
gewinnbringend möglich.
Unter der Annahme, dass sich die Kosten für das
Material und das Produktionsequipment von Land zu
Land nicht signifikant unterscheiden, kann festgestellt
werden:
Ein Großteil der Kosten ist standortunabhängig.
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Maschinen & Anlagen
Personal
Materialien
Produkt Absatzmarkt
Standort
Faktor „Wirtschaftlichkeit“Batteriezellproduktion in Deutschland
Produktion
Wirtschaftlichkeit
Eine gewinnbringende Batteriezellproduktion
in Deutschland ist möglich.!
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Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal
Materialien
Produkt Absatzmarkt
Faktor „Standort“Batteriezellproduktion in Deutschland
Produktion
Standort
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Qualitative Kriterien
Im Ländervergleich weist der Standort Deutschland Vorteile bei den qualitativen und Nachteile bei den quantitativen Kriterien auf.
Quelle: Statistisches Amt der Europäischen Union (2018): Labour cost in the EU, S. 3; P3 (2016): Feasibility Study of a cell production in Germany on the basis of new cell technologies, S. 16 (labor costs);
Statistisches Bundesamt (2018): Preise – Daten zur Energiepreisentwicklung, S. 49; Auslandshandelskammer (2017): Factsheet China – Guangdong, S. 1; Auslandshandelskammer (2017): Factsheet
Südkorea, S. 1; Bundeszentralamt für Steuern (2017): Unternehmensbesteuerung 2017; Deloitte (2018): Corporate tax rates 2018; World Economic Forum (2017): Global Competitiveness Report 2017-
2018, S: 372 f.; OECD (2017): FDI Regulatory Restrictiveness Index (Betrachtung des sekundären Sektors); NPE (2016): Roadmap, S. 27; PEM (2016): Interne Studie zur Standortbewertung für eine
Batteriezellenproduktion
1: Entspricht schlechtester Bewertung 5: Entspricht bester Bewertung
Deutschland Frankreich Ungarn Polen Slowakei China Südkorea
Kosten
Abgaben/ Anreize
Personalkosten
Energiekosten (el. Strom)
Transportkosten
Unternehm.-Besteuerung
Staatl. Förderungen
Infrastruktur
Institutionen
Offenheit für ausl. Invest.
Innovations-Ökosystem
Ausbildung & Fähigkeiten
1 1 4 4 4 5 3
1 5 5 5 2 4 5
5 5 4 5 4 1 1
1 1 5 4 3 4 2
1 1 4 4 3 4 5
5 5 1 1 1 1 4
5 3 2 3 2 1 3
5 4 1 1 1 2 3
5 5 5 5 5 1 4
5 3 1 1 1 3 1
Quantitative Kriterien
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Wirtschaftlichkeit
Maschinen & Anlagen
Personal
Materialien
Produkt Absatzmarkt
Faktor „Standort“Batteriezellproduktion in Deutschland
Produktion
Standort
Im Vergleich zu anderen EU-Ländern ist eine
Batteriezellproduktion in DE auf Basis der
quantitativen Kriterien nicht wirtschaftlich.!
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Zusammenfassung4
Kritische Faktoren für eine Batteriezellproduktion in Deutschland3
Grundlagen der Lithium-Ionen-Batteriezelle2
Motivation1
Batteriezellproduktion und Entwicklung der Wertschöpfungskette in Deutschland
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HandlungsbedarfeBewertung der Analyseergebnisse
Faktor Analyseergebnis
Die Nachfrage der Automobilindustrie spricht für (weitere) Batteriezellfabriken in Europa bzw.
Deutschland.
Absatz-
markt
Equipment für die Batteriezellproduktion kann von deutschen Maschinen- & Anlagenbauern
beschafft werden, wobei bei gewissen Prozessschritten zunächst ausländische Lieferanten
bevorzugt werden.
Maschinen
& Anlagen
Für den Aufbau von wettbewerbsfähigen Produktionslinien für Batteriezellen sind eine hohe
technische Expertise und jahrelange Erfahrung notwendig.Produktion
Eine gewinnbringende Batteriezellproduktion in Deutschland ist möglich.Wirtschaft-
lichkeit
Eine sichere Versorgung mit allen Materialien zu wettbewerbsfähigen Preisen ist
Grundvoraussetzung für eine Batteriezellproduktion. Kobalt ist dabei ein kritischer Rohstoff.Materialien
Die personellen Voraussetzungen für eine Batteriezellproduktion sind in Deutschland attraktiv.Personal
Im Vergleich zu anderen EU-Ländern ist eine Batteriezellproduktion in DE auf Basis der
quantitativen Kriterien nicht wirtschaftlich.Standort
Das Risiko einer Substitution durch revolutionäre Batteriezelltechnologien ist gering.Produkt
Staatliche Unterstützung:
Beispielsweise:
- Reduzierung der EEG-Umlage
- Investitionszuschüsse
- Steuervergünstigung
- …
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Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit!
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Kontaktinformationen
Ansgar vom Hemdt, M. Sc.Gruppenleiter Battery Components
PEM der RWTH Aachen
Mobil : +49 151 1868 1629
Mail: [email protected]
