Projekt

Fraunhofer-Institut für
System- und Innovationsforschung ISI

LIB 2015-Roadmapping

Roadmapping „Lithium Ionen Batterie LIB 2015“

gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Das LIB 2015-Roadmapping

Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI begleitet die Partner der Innovationsallianz LIB 2015 mit einem Roadmapping-Prozess, aus dem insgesamt neun Roadmaps hervorgehen. In dessen Rahmen werden unterschiedliche Batteriedesigns, technologische und weitere Leistungsmerkmale sowie anwendungs-/marktseitige Leistungsanforderungen und die Marktdurchdringung untersucht. Dabei wird eine systemische, produktbezogene Perspektive eingenommen. Auch Aspekte der Nachhaltigkeit werden mit einbezogen: Sie umfassen die Charakterisierung und Betrachtung von Batterietypen, der Rohstoffverfügbarkeit der in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien sowie das Recycling, wobei alle Aspekte aus einer (roh-)stofflichen Perspektive analysiert werden. In einer abschließenden Bewertung werden alle Ergebnisse zusammengeführt und so die Basis für die Entwicklung von Szenarien geschaffen.

Ziel des Projekts ist es, Aspekte der Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien und deren Anwendungsfeldern zu untersuchen sowie bestmögliche Pfade und wichtige Treiber für die Entwicklung und Kommerzialisierung von Lithium-Ionen-Batterien (mit starkem Bezug zur Elektromobilität) aufzuzeigen.

Für den Roadmapping-Prozess wird ein Methoden-Mix angewendet, welcher von qualitativen Ansätzen (z. B. Fragebögen, Interviews, Experteneinschätzungen, Workshops, Literaturauswertungen) bis hin zu quantitativen Parametern reicht (z. B. Modellrechnungen im Rahmen von Szenarien mit Leistungsparametern wie z.B. Energiedichten oder Leistungsdichten). Diese Parameter fließen in die Roadmap (bestehend aus einer Technologie-Roadmap, einer Produkt-Roadmap sowie einer zusammengeführten Gesamt-Roadmap) ein und werden miteinander in Bezug gesetzt.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen sollen Szenarien entwickelt und politische Handlungsoptionen abgeleitet werden, um so rechtzeitig auf potenzielle Schwierigkeiten (z. B. mögliche Versorgungsengpässe kritischer Rohstoffe) hinweisen zu können. Ziel des Projekts ist es zudem, die Arbeiten der geförderten Konsortien zu begleiten, zentrale Erkenntnisse an diese zurückzuspielen und gemeinsam potenzielle Zukunftspfade zu definieren.

Bis zum Projektende werden bis zu neun Roadmaps erscheinen (siehe Grafik). Dabei handelt es sich um Technologie-Roadmaps, welche eine technologiegeprägte Perspektive auf die technischen Leistungsparameter der jeweils betrachteten Energiespeicher einnehmen („Technology Push“), Produkt-Roadmaps, welche aus der Sicht des Marktes auf die Anforderungen an die Leistungsparameter blicken („Market Pull“), und Gesamt-Roadmaps, welche beide Perspektiven integrieren und es damit möglich machen, offene Herausforderungen und Potenzial zu identifizieren.

Die Roadmapping-Prozess der vergangenen fünf Jahre sowie alle neun Roadmaps sind mit der Veröffentlichung im Dezember 2015 abgeschlossen. Eine Aktualisierung und Fortschreibung der Roadmaps soll im Rahmen der durch das BMBF geförderten Begleitmaßnahme „Batterie 2020“ erfolgen.

Überblick Roadmapszoom

Die Roadmaps:

Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030

Die „Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030“ (Vorwort Prof. Dr. Jens Tübke, Fraunhofer ICT) aktualisiert und integriert die in 2010 und 2012 erschienene Technologie- und Produkt-Roadmap. Sie gibt einen umfassenden Überblick über den Stand und die Entwicklungspotenziale von Lithium-Ionen-Batterien für elektromobile und stationäre Anwendungen und bildet somit eine Klammer um die parallel erscheinenden Roadmaps „Energiespeicher für die Elektromobilität“ und „Stationäre Energiespeicher“. Es werden die bis 2030 erwarteten Entwicklungen der Lithium-Ionen-Batterietechnologie und alternativer bzw. konkurrierender Energiespeicherlösungen skizziert und Abhängigkeiten zwischen Technologien für elektromobile und stationäre Anwendungen aufgezeigt. Das breite Spektrum heutiger und sich künftig entwickelnder Geschäftsmodelle und Marktsegmente wird bis ins Jahr 2030 quantifiziert. Langzeit-Szenarien bis 2050 erlauben es, Fragen der Rohstoffverfügbarkeit, des Einflusses technischen Fortschritts der Lithium-Ionen-Batterie sowie Marktveränderungen modellgestützt zu berücksichtigen.

Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030

In der „Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030“ aus dem Jahr 2010 (Vorwort Prof. Dr. Martin Winter, MEET/WWU Münster) wurden die technologischen Entwicklungen bei Lithium-Ionen-Batterien von der Material- und Komponentenebene bis hin zu Zelltypen sowie komplementären und konkurrierenden Technologien inhaltlich erfasst und für den Zeitraum bis 2030 abgeschätzt. Die Roadmap hat grundsätzlich hinsichtlich der Aussagen und Zeiträume auch bis 2015 ihre Gültigkeit behalten und ist nunmehr auf System und Anwendungsebene anschlussfähig gemacht und ausdifferenziert worden.

Produkt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030

Die „Produkt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030“ aus dem Jahr 2012 (Vorwort Prof. Dr. Werner Tillmetz, ZSW) zeigt für ein breites Spektrum von Anwendungen wie Elektro-Zweiräder, Hybrid- oder rein batterieelektrisch angetriebene Elektrofahrzeuge, Kleintransporter, Nutzfahrzeuge oder dezentrale und zentrale stationäre Anwendungen die potenziellen Anwendungsmöglichkeiten und jeweils spezifischen Anforderungen an Lithium-Ionen-Batterien. Die Roadmap gilt weiterhin und ist hinsichtlich ihres Anwendungsspektrums mit der „Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030“ nunmehr quantifiziert worden.

Gesamt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030

Auch die „Gesamt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030“ (Vorwort Prof. Dr. Arno Kwade, iPAT/TU Braunschweig) fokussiert auf BEV, PHEV und HEV. Gegenüber der Perspektive der Anforderungen an Elektrofahrzeuge und deren künftigen Entwicklung werden hier die konkreten Entwicklungspotenziale von Lithium-Ionen-Batterien und zukünftiger Generationen von elektrochemischen Energiespeichern beleuchtet. Damit verbindet die Roadmap die Technologie- und Produkt-Roadmap, in dem die wahrscheinlichsten Entwicklungspfade von der Zell- und Systemebene bis in die Fahrzeugintegration aufgezeigt werden. Nach Definition der Mindestanforderungen der Fahrzeuge an einzelne Leistungsparameter der Batterien werden diejenigen technischen Entwicklungen identifiziert, welche für HEV, PHEV und BEV Potenziale aufweisen. Die Zeitpunkte, wann alle Anforderungen bzw. Herausforderungen technisch erreichbar sind und ein Technologiewechsel stattfinden könnte, werden identifiziert und detailliert diskutiert.

Technologie-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030

In der „Technologie-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030“ aus dem Jahr 2012 (Vorwort Dr. Kai-Christian Möller, Fraunhofer ICT) werden wesentliche Entwicklungspfade zukünftiger Batteriesysteme sowie deren Leistungsdaten und Schlüsselparameter, wie insbesondere Lebensdauer, Qualität und Sicherheit, quantifiziert und plausibel dargestellt. Der Fokus der Roadmap liegt auf der Betrachtung zentraler Energiespeichertechnologien, welche für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, genauer Plug-in Hybridfahrzeugen (PHEV) und rein batterieelektrisch angetriebener Elektrofahrzeuge (BEV) zukünftig als aussichtsreich gelten.

Produkt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030

Die „Produkt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030“ (Vorwort Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka, Präsident des KIT) berücksichtigt BEV, PHEV und HEV, allesamt als Innovationstreiber für die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterie mit den höchsten Anforderungen insbesondere an Energiedichte und Kosten der Batterien. BEV stellen den mit Abstand wichtigsten Markt für Hochenergie-Lithium-Ionen-Batteriezellen dar. Gegenüber heute mehrheitlich kostenoptimierten Modellen zeigt die Roadmap einen Weg für eine reichweitenoptimierte und bezahlbare Elektromobilität für die kommenden 10 bis 20 Jahre auf. Dazu werden auch fördernde und hemmende Rahmenbedingungen in diesem Zeitraum identifiziert und diskutiert.

Gesamt-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030

In der „Gesamt-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030“ (Vorwort Prof. Dr. Dirk Uwe Sauer, ISEA/RWTH Aachen) wird das Technologieangebot aus der Technologie-Roadmap ausgewählten Anwendungen bzw. Geschäftsmodellen aus der Produkt-Roadmap gegenübergestellt, in welchen die Lithium-Ionen-Batterie aktuell bzw. kurz- bis mittelfristig eingesetzt wird oder werden kann. Gegenüber der heute eingesetzten Referenztechnologie werden Substitutionsszenarien entwickelt, welche aufzeigen, wann eine alternative Technologie eine Verbesserung gegenüber dem jeweiligen Status quo erzielen und somit in der jeweiligen Anwendung eingesetzt werden und sich etablieren kann. Betrachtet werden (1.) dezentrale, netzgekoppelte PV-Batteriesysteme zur Eigenbedarfsoptimierung, (2.) die Multi-purpose Eigenbedarfsoptimierung mit größeren Speichern gemeinsam mit dem Peak shaving sowie weiterhin (3.) die Direktvermarktung Erneuerbarer Energien (auf der Erzeugungs- bzw. Netzseite, z.B. in Inselnetzen) und (4.) die Regelleistung. Der Abgleich zwischen dem Technologieangebot unter Berücksichtigung der erwarteten Entwicklungspotenziale mit den anwendungsspezifischen Anforderungen ergibt ein differenziertes Bild, in welchem ganz unterschiedliche technische Lösungen attraktiv sind.

Technologie-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030

Die „Technologie-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030“ (Vorwort Prof. Dr. Andreas Jossen, EES/TU München) betrachtet ausgehend von heutigen Referenztechnologien in acht Klassen von Speichergrößen und typischen Lade- und Entladezeiten, welche Technologieentwicklungen alternativ bis zum Jahr 2030 in Aussicht stehen. Hinsichtlich ihrer Eigenschaften werden mit der Blei-Säure-Batterie als Referenz, Lithium-basierten und Redox-Flow-Batterien drei Technologien zu drei verschiedenen Zeitpunkten (aktuell, kurzfristig und mittel-/langfristig) bewertet.

Produkt-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030

Die „Produkt-Roadmap stationäre Energiespeicher 2030“ (Vorwort Dr.-Ing. Mattias Vetter, Fraunhofer ISE) geht auf mögliche Anwendungen, Produkte bzw. Geschäftsmodelle für die in der Technologie-Roadmap dokumentierten Technologien ein und unterteilt dabei die Lokale (privat, gewerblicher Besitz), Verteilnetz- sowie Übertragungsnetzebene. Dazu werden Rahmenbedingungen diskutiert, welche fördernd für oder hemmend auf die Nachfrage nach elektrochemischen Energiespeichern wirken können. Anhand drei spezifischer Anwendungsfälle, (1.) der dezentralen, netzgekoppelten Photovoltaik (PV)-Batteriesysteme (On-Grid-PV) zur Eigenbedarfsoptimierung, (2.) der Eigenbedarfsoptimierung mit größeren Speichern (Campus/Gewerbe/Industrie) sowie (3.) dem industriellen Peak Shaving werden Anforderungen an die Leistungsparameter einer technischen Lösung identifiziert.

Die Innovationsallianz „Lithium Ionen Batterie LIB 2015“

Die Innovationsallianz „Lithium Ionen Batterie LIB 2015“ (LIB 2015) wurde 2007 gegründet. Sie setzt sich zusammen aus rund 60 Projektpartnern aus Politik, Wirtschaft und Wissenschaft, deren gemeinsames Ziel es ist, für Fortschritt in der Forschung und Entwicklung von effizienten Lithium-Ionen-Batterien zu sorgen. Sichere, leistungsfähige Lithium-basierte Energiespeicher sind ein essentieller Baustein für die Weiterentwicklung von alternativen Antriebskonzepten für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle beim Ausbau regenerativer Energietechniken wie zum Beispiel Windkraft. Damit Lithium-Ionen-Akkus serienmäßig eingesetzt werden können, sind neue wissenschaftliche Ansätze notwendig. Diese sollen im Rahmen des Projekts LIB 2015 entwickelt und umgesetzt werden.

Die Projektpartner wollen Leistung und Effizienz von Lithium-Ionen-Akkus auf allen Ebenen optimieren: Höheres Speicherpotential, größere Zuverlässigkeit, längere Lebensdauer, maximale Sicherheit. Ausgehend von grundlegenden Forschungsarbeiten werden dafür geeignete Materialien und Herstellverfahren entwickelt und daraus Zellen hergestellt. In einem nächsten Schritt sollen die Zellen zu einem Gesamtsystem zusammengefasst werden, verbunden mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem. Im Rahmen der Gründung der Innovationsallianz LIB 2015 verpflichtete sich ein Industriekonsortium von BASF, BOSCH, EVONIK, Li-Tec und VW, im Rahmen der Maßnahme 360 Millionen Euro für Forschung und Entwicklung an der Lithium Ionen Batterie zu investieren. Dies wird ergänzt und komplementiert durch die Fördermittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) in Höhe von 60 Millionen Euro.

Veröffentlichungen

Roadmap-Broschüren

Thielmann, A.; Isenmann, R.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Technologie-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2010.

Thielmann, A.; Sauer, A.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Gesamt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2015.

Thielmann, A.; Sauer, A.; Isenmann, R.; Wietschel, M.; Plötz, P.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Produkt-Roadmap Lithium-Ionen-Batterien 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2012.

Thielmann, A.; Sauer, A.; Isenmann, R.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Technologie-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2012. 

Thielmann, A.; Sauer, A.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Gesamt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2015.

Thielmann, A.; Sauer, A.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Produkt-Roadmap Energiespeicher für die Elektromobilität 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2015.

Thielmann, A.; Sauer, A.; Schnell, M.; Isenmann, R.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Technologie-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2015.

Thielmann, A.; Sauer, A.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Gesamt-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2015.

Thielmann, A.; Sauer, A.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Produkt-Roadmap Stationäre Energiespeicher 2030; Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2015.

Weitere Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts

Weissenberger-Eibl, M.; Thielmann, A.; Wietschel, M.; Angerer, G.; Marscheider-Weidemann, F.; Tercero Espinoza, L.A.; Ziegaus, S. (2010): Rohstoffe für Zukunftstechnologien: Herausforderung Batterieentwicklung. In: VDI-Gesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik: Baden-Baden Spezial 2010: Elektrisches Fahren machbar machen. 4. VDI-Tagung, Kongresshaus Baden-Baden, 13. und 14. Oktober 2010. Düsseldorf: VDI-Verl., 2010, S. 19-34. (VDI Berichte 2098).

Marscheider-Weidemann, F.; Tercero Espinoza, L.A.: Bedrohen kritische Rohstoffe das Elektroauto? In: Jahresmagazin Ingenieurwissenschaften. Im Fokus: Werkstofftechnologien. Lampertheim: Alpha-Informationsgesellschaft mbH, 2010, S. 142-144.

Wendl, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Abschätzung des künftigen Angebot-Nachfrage-Verhältnisses von Lithium vor dem Hintergrund des steigenden Verbrauchs in der Elektromobilität. Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2009. (Diplomarbeit, Karlsruhe, Univ., Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion, 2009).

Angerer, G.; Marscheider-Weidemann, F.; Wendl, M.; Wietschel, M.; Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Karlsruhe) (Hrsg.): Lithium für Zukunftstechnologien: Nachfrage und Angebot unter besonderer Berücksichtigung der Elektromobilität. Karlsruhe: Fraunhofer ISI, 2009.

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