Erfolgsfaktor Batterie: Volle Ladung
Nichts wird beim Thema Elektrofahrzeuge so heiß diskutiert wie die Batterie. Wie umweltfreundlich ist ihre Herstellung? Wie soll die wachsende Nachfrage bedient werden? Wie wird der Bedarf an Rohstoffen gedeckt? Der Markt ist heftig in Bewegung: Unternehmen positionieren sich, Forschung und Entwicklung laufen auf Hochtouren, Prozesse werden verfeinert oder gleich neu kreiert. Wir porträtieren eine Branche in Aufbruchstimmung.
Quelle: Energiespeicher-Roadmap, Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung
Steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien
Die globale Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIB) schätzte der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) in der „Roadmap Batterie-Produktionsmittel 2030“ auf 150 Gigawattstunden im Jahr 2018 – bei einer jährlichen Bedarfssteigerung um rund 25 Prozent. Das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI ging im „Energiespeicher-Monitoring 2018“ von einer globalen Batterienachfrage von 1 bis 1,5 Terawattstunden im Jahr 2025 aus. Dann erfolgt der Übergang vom Nischen- in den Massenmarkt. Bis 2030 erwartet das Institut eine Batterienachfrage zwischen drei und sechs Terawattstunden. Für diese schnell wachsenden Märkte müssen Produktionskapazitäten geschaffen werden: ein lukrativer Markt für den Maschinen- und Anlagenbau.
Zellherstellung: Europa positioniert sich
Bislang ist die Zellherstellung für Batterien noch fest in den Händen von China, Japan und Korea. Europa spielt noch keine maßgebliche Rolle und Investitionen im europäischen Markt erfolgen zum großen Teil durch die asiatischen Player. Soll sich das ändern, sieht das Fraunhofer Institut in seiner Studie von 2018 erhebliche Anstrengungen, die unternommen werden müssen: „Wollen Deutschland bzw. Europa langfristig im Batteriezellgeschäft erfolgreich sein, so sind mittelfristig Investitionen von mindestens zehn Milliarden Euro sowohl in die produktionsnahe Forschung und Entwicklung als auch in den Aufbau einer Zellproduktion nötig. Die Industrie wird hiervon den Großteil finanzieren und langfristig Beträge im 100-Milliarden-Euro Bereich investieren müssen.“
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Wie bleibt die Batterie ein Erfolgsfaktor?
Ein entscheidendes Kriterium für den langfristigen Erfolg der E-Mobilität liegt in der technischen Weiterentwicklung der Akkus sowie ihrer wirtschaftlich und ökologisch sinnvollen Produktion.
Aktuell läuft ein Wettbewerb über die erfolgreichste Produktionstechnologie. Sie fokussiert sich auf die aktuelle Lithium-Ionen-Generationen eins bis drei, die bereits im industriellen Maßstab hergestellt werden.
Im Entwicklungsstadium befinden sich derzeit die vierte Generation (All-Solid-State und Lithium-Schwefel) sowie die fünfte Generation Lithium-Luft. Für sie müssten Prozesse teilweise umgestellt werden.
Deutschland europaweit führend
Erste Schritte in diese Richtung sind bereits unternommen. Volkswagen hat im September 2019 eine Pilotlinie für Batteriezellen eröffnet, Tesla baut eine Gigafactory in Grünheide bei Berlin, die bis zu 200 Gigawattstunden pro Jahr produzieren soll und der schwedische Batteriehersteller Northvolt plant, eine Batterie-Fabrik in Heide (Schleswig-Holstein) zu eröffnen. Investitionen von mehreren Milliarden Euro – allein die Pilotlinie von VW lag bei über 100 Millionen Euro. Dr. Stefan Sommer, Beschaffungsvorstand bei Volkswagen, betonte bei der Eröffnung der Pilotlinie in Sazgitter die Bedeutung der Batterie für die E-Offensive des Konzerns: „Hiermit stellen wir sicher, dass wir die Weiterentwicklung der Batteriezellen als Schlüsselkomponente der Elektrifizierung selbst vorantreiben, neue Standards entwickeln und schnell in die Serienfertigung überführen können.“
Laut einer Studie der RWTH Aachen sind Stand 2022 bereits zahlreiche europäische Batterie-Projekte in Realisation oder Planung. Deutschland hebt sich mit einer geplanten Produktion von mehr als 400 Gigawattstunden deutlich hervor.
Recycling der Batteriesysteme: wirtschaftliche Notwendigkeit
Als Ziele gelten
- die Erhöhung der Kapazität für mehr Reichweite,
- die Reduzierung seltener Rohstoffe und
- die Optimierung nachhaltiger Fertigungsprozesse bis zum
- Recycling der Batteriesysteme.
Europa verfügt nicht über die entsprechenden Rohstoffe. Daher kommt dem Recycling nicht nur eine ökologische, sondern auch eine wirtschaftliche Notwendigkeit zu.
Knappe Rohstoffe: Dem Recycling der Batteriesysteme kommt eine ökologische und wirtschaftliche Notwendigkeit zu.
Gemeinschaftsprojekt ReLieVe
Im September 2019 verkündete die deutsche BASF (Chemie), die französischen Konzerne Suez (Ressourcenmanagement) und Eramet (Bergbau und Metallurgie) sowie das europäische Rohstoffkonsortium EIT Raw Materials das Projekt ReLieVe: Recycling von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge.
Ziel von ReLieVe: ein innovatives, geschlossenes Kreislaufsystem zu entwickeln – inklusive der Gestaltung eines integrierten Industriesektors – von der Sammlung von Altbatterien bis zur Herstellung neuer Elektrodenmaterialien. Auch hier positionieren sich die europäischen Player für den kommenden Wettbewerb.
Standortfaktoren für die Batterieproduktion
Im Rennen um zukünftige Produktionsstandorte sieht der VDMA verschiedene Faktoren als entscheidend an: Transportkosten etwa können durch einen absatznahen Standort reduziert werden, ebenso Energie- und Beschäftigungskosten (die allerdings nur wenige Prozent der Herstellungskosten ausmachen) und die Infrastruktur (die maßgeblich von der Politik gestaltet werden kann). Daneben sieht der VDMA gerade bei Batterien die Automatisierung und damit die Material- und Prozessqualität als wichtige Stellschraube Hier könnte der europäische Maschinenbau einen entscheidenden Standortvorteil haben.
Komplexes Prozessdesign, smartes Produkt
Die Prozesse in der Batterieproduktion sind ausgesprochen komplex und in vielfältiger Weise voneinander abhängig. Im Hinblick auf Automation und Digitalisierung muss es das Ziel sein, aus der Batterie ein smartes Produkt zu machen: Solche Produkte sammeln während ihres eigenen Herstellungsprozesses Daten, die die weiteren Verarbeitungsschritte beeinflussen – und schließlich auch den eigenen Recyclingprozess. Dies ist bislang noch eine Vision. Doch in diesen künftigen Produktionsprozessen stecken die Potenziale für Ressourcen- und Energieeffizienz sowie für eine intelligente Fertigung mit möglichst wenig Ausschuss.
Dosierer von Kubota Brabender Technologie haben ganz natürlich ihren Platz in der Batterieproduktion.Bruno Dautzenberg, Geschäftsführer Kubota Brabender Technologie
Die größten Lithiumvorkommen der Welt liegen in Chile (Salar de Atacama/Bild), China, Argentinien und Australien.
Wieso beschäftigt sich ein Unternehmen wie Kubota Brabender Technologie mit der Batterieproduktion?
Geschäftsführer Bruno Dautzenberg erklärt: „Zum einen ist es unsere tiefe Überzeugung, dass Innovationen und disruptive Technologien immer auf unserer Agenda stehen müssen. Zum anderen haben Dosierer von Kubota Brabender Technologie ganz natürlich ihren Platz in der Batterieproduktion: In der Elektrodenfertigung müssen Aktivmaterialien wie Grafit sowie Additive wie Leitruß und Bindemittel für den Mischprozess dosiert werden. Im nächsten Schritt, der Dispergierung, kommt ein flüssiges Lösungsmittel hinzu. Dieser Prozess steht sowohl im Hinblick auf seine Geschwindigkeit als auch auf die Qualität des hergestellten Slurrys auf der Liste der Herausforderungen.“
Batterieherstellung: Dosieren mit Kubota Brabender Technologie
Dosiergeräte der Kubota Brabender Technologie kommen in Produktionslinien der Batterieherstellung sowohl im Batch- als auch im kontinuierlichen Verfahren zum Einsatz. Für größere Volumen und eher für fertig gemischte Produkte mit besseren Fließeigenschaften eignet sich das Batch-Verfahren, zum Beispiel Doppelschneckendosierer der Typen DDSR60 bis DDSR100 und die FlexWall®-Versionen 80 bis 155. Im kontinuierlichen Verfahren bietet Kubota Brabender Technologie Produktionslinien aus überwiegend platzsparenden Rührwerksgeräten, wie beispielsweise die Reihen DDSR20 bis DDSR60 und DSR28 bis DSR103. Dadurch können Kunden in weniger Zeit mehr produzieren.
Bei der Batterieherstellung kommen unterschiedliche, teils gesundheitsgefährdende Materialien zum Einsatz: Grafit, Lithium-Metalloxide, Additive, Kobaltsulfat-Gemische für die Kathode sowie Grafit, Binder und Lithiumtitanat für die Anode. Alle von Kubota Brabender Technologie eingesetzten Dosierer garantieren die für die Batterieherstellung nötige Staubdichtigkeit und Genauigkeit. Zudem sind die Geräte auch herausfordernden Produkten mit schwierigen, zum Beispiel klebrigen Produkteigenschaften, gewachsen. Bruno Dautzenberg schließt: „Unsere Kunden aus dem Anlagenbau profitieren von unseren langjährigen Erfahrungen aus der Pharmaindustrie, die ähnlich hohe Anforderungen an die Staubdichtigkeit und Genauigkeit stellt.“
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