Transcript Willkommen an der Hochschule Reutlingen - Motor-Talk

Industrial Ecology Projekt
Energy for future mobility | Arbeitsgruppe Energiespeicher Batterie
15.11.2011 | Martina Knöll | Mohammed Esmail | Frank Beilard
Industrial Ecology Project WS11/12
Martina Knöll | Mohammed Esmail
| Frank Beilard
Seite  1
Agenda
1
Projektplan
2
Projektdefinition
3
Energiespeicherkonzept Batterie
4
Wertschöpfungskette Li-Ionen-Batterie
5
Weiteres Vorgehen
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Projektplan
Projektdefinition
Batterie-Technologie
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Projektplan
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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.
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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.
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Problem 2:
Gewicht
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Problem 4:
Sicherheit
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Sicherheitsaspekte:
Es besteht u. A. die
Gefahr von Brand,
Explosionen,
Verpuffungen
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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?
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Projektplan
Projektdefinition
Batterie-Technologie
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Methodik und Vorgehensweise
Schwerpunkt 1
Schlüsseltechnologie
Batterie
Schwerpunkt 2
Schwerpunkt 3
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-IonBatterie 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
Vorgehen
 Publikationsrecherchen
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Leitmarkt und –anbieter
Deutschland
Ziel
Wir werden
 den Standpunkt der deutschen
Industrie bezüglich der Li-IonTechnologie 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
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Projektdefinition
Projektplan
Batterie-Technologie
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Zielsetzung
SWOT-Matrix
Empfehlungen
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Wir werden die SWOT‘s der
Li-Ion-Batterie als Schlüsseltechnologie der Elektromobilität
zusammenfassen.
Wir werden anhand der SWOT- Matrix
sowohl eigene als auch Handlungsempfehlungen von Experten
für die deutsche Industrie
präsentieren.
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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 €/kWh)
 Dimensionen (Abmessungen/Gewicht) (250kg)
 Tieftemperaturverhalten
(Quelle: Brauner and Leitinger, 2008; Pfaffenbichler, 2009)
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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 (NaNiCl)
Li-Ionen
150
150-200
Vorteile
Nachteile
Kostengünstig, kein MemoryEffekt, 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 MemoryEffekt
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)
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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
Lithium-Luft
 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
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 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
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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-connected1.pdf)
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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 / 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
Li-Ion
NiMh
NiCd
Li-Ion-Batteriekosten im Vergleich zu NiMH und NiCd seit 1999
(Quelle: http://www.klimafonds.gv.at/assets/Uploads/Studien/Abschlussberichte-connected1.pdf)
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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)
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Projektplan
Projektdefinition
Batterie-Technologie
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Wertschöpfungskette Li-Ionen-Akku
Rohstoffe
Produktion
Nutzung
Recycling
(Quelle: www.mein-elektroauto.com)
(Quelle: www.magazine.merck.de)
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Projektplan
Projektdefinition
Rohstoffe
Produktion
WSK Li-Ionen-Akku
Batterie-Technologie
Nutzung
Weiteres Vorgehen
Recycling
Zusammensetzung LiCoO2 Batterien
(Hersteller Tesla)
Kathodenmaterial
38%
Elektrolyt
17%
Anodenmaterial
17%
(Quelle: Joanneum Resarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S.7)
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Projektplan
Projektdefinition
Rohstoffe
WSK Li-Ionen-Akku
Batterie-Technologie
Produktion
Nutzung
Weiteres Vorgehen
Recycling
Metallmassen in Lithium Ionen Batterien
(Beispiel Tesla 55kWh)
180
160
140
[kg] 120
100
80
60
40
20
0
50
50
6
17
6
17
50
24
24
6
17
Titan
Lithium2
Aluminium
Kupfer
Eisen
Nickel
Cobalt
Lithium
24
67
69
40
8
LiCoO2
8
LiNiO2
5
Anode
Kathode
LiFePO4
(Quelle: Joanneum Resarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S.8)
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Projektplan
Projektdefinition
Rohstoffe
Batterie-Technologie
Produktion
Nutzung
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Recycling
Metallbedarf für 1 Mio Tesla EV (LiFePO4)/Jahr
vs. Jahresproduktion
100
90
80
70
[%] 60
50
40
30
20
10
0
44
0.002
0.2
0.05
2.5
Bedarf für 1Mio EV
Jahresproduktion
(Quelle: Joanneum Resarch: Quo vadis Elektroauto? 2011, S.9)
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Projektplan
Rohstoffe
Projektdefinition
Produktion
Batterie-Technologie
Nutzung
WSK Li-Ionen-Akku
Recycling
(Quelle: http://www.klimafonds.gv.at)
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Weiteres Vorgehen
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(Quelle: http://www.flickr.com)
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Projektplan
Rohstoffe
Projektdefinition
Produktion
Batterie-Technologie
Nutzung
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Recycling
(Quelle: www.blog.betterplace.com)
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Projektplan
Rohstoffe
Projektdefinition
Produktion
WSK Li-Ionen-Akku
Batterie-Technologie
Nutzung
Weiteres Vorgehen
Recycling
(Quelle: Roland Berger)
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Projektplan
Rohstoffe
Projektdefinition
WSK Li-Ionen-Akku
Batterie-Technologie
Produktion
Nutzung
Weiteres Vorgehen
Recycling
Kosten für Li-Ion-Batterien: 600-700 €/kWh
10.00%
Zellproduktion
13.00%
47.00%
13.00%
Materialverarbeitung
Rohmaterialien
17.00%
(Quelle: Roland Berger)
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Projektplan
Projektdefinition
Batterie-Technologie
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Produktion Lithium-Ionen-Zelle
Mischen
Mischung der
chemischen
Komponenten der
Elektrodenbeschichtung (Slurry)
Beschichten
Auftragen des
Slurry auf die
Elektrodenfolien
Kalandern
Sicherstellen der
einheitlichen
Slurry- Schichtdicke
Schneiden
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
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Projektplan
Projektdefinition
Batterie-Technologie
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Produktion Lithium-Ionen-Zelle
Trocknen
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
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Projektplan
Projektdefinition
Batterie-Technologie
WSK Li-Ionen-Akku
Weiteres Vorgehen
Product Lifecycle Li-Ion-Batterie
Rohstoffe
Produktion
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-connected1.pdf)
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Projektplan
Projektdefinition
Rohstoffe
Produktion
Batterie-Technologie
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)
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(Quelle: http://www.lithorec.de)
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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 SWOT-Matrix
vorgestellt werden.
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Dankeschön.
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