Entwicklungsland Deutschland

Einen Erfolg kann die neue Forschungsplattform für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien in Ulm schon jetzt verzeichnen. Sie kostet wie geplant 29,5 Millionen Euro und wird im September pünktlich eingeweiht. Schon dafür kann sich das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) auf die Schultern klopfen. Ein Großprojekt, das funktioniert. Diese größte Batterieforschungsfabrik wird es Unternehmen ermöglichen, neue Materialien und Prozesse im Industriemaßstab zu testen, ohne dafür in die eigene Produktion einzugreifen. Ziel der Plattform ist das sogenannte Upscaling. Dabei sollen die Vorzüge und Qualitäten von kleinen Hochleistungszellen auf größere Zellen übertragen werden, die dann über höhere Leistungen verfügen. Das hätte den Vorteil, dass man in einem Batteriesystem nicht mehr tausende Zellen managen und überwachen müsste, wie das zum Beispiel in den Batteriepacks von Tesla der Fall ist.

Die Batterieforschung in Deutschland war Ende der 1990er Jahre fast völlig zum Erliegen gekommen. Das ZSW, seit 25 Jahren in dem Feld aktiv, ist an der Renaissance dieses Forschungsgebietes maßgeblich beteiligt. Zuerst war es vor allem die Aussicht auf Elektrofahrzeuge, die der Forschung neue Inspiration und viele Fördergelder bescherte. Inzwischen treibt die rasante Entwicklung der erneuerbaren Energien auch die Forschung an stationären Batteriespeichern an.

Ziel: Technologieführerschaft bei Zellen und Batterien

Besonders viel Geld wird ausgegeben, seit 2010 die Nationale Plattform Elektromobilität (NPE) gegründet wurde. Sie soll die Akteure aus Industrie, Wissenschaft, Politik, Gewerkschaften und Verbänden zum strategischen Dialog zusammenbringen und die Bundesregierung beraten. Die Vision der NPE von 2012 sieht Deutschland 2020 als Technologieführer bei Zellen und Batterien mit einer integrierten einheimischen Produktion. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden 21 Konsortien gegründet, die auf fünf Themenfeldern forschen und innerhalb von drei Jahren über ein Projektvolumen von 601 Millionen Euro verfügen.

Der Aufgaben gibt es viele. Die Wissenschaftler müssen die Physik und Chemie der einzelnen Bestandteile einer Zelle (Kathode, Anode, Elektrolyt und Separator) verbessern und womöglich neue Zusammensetzungen entwickeln. Die Physik und Chemie beeinflussen sowohl die Sicherheit als auch das Verhalten der Batterie beim Laden und Entladen sowie im Ruhezustand. Außerdem beeinflussen sie entscheidend die Lebensdauer. Das ist Grundlagenforschung. Darüber hinaus müssen die Akteure neue Produktionsverfahren ausbilden und bekannte verbessern, um die Kosten zu senken. Sie müssen Methoden entwickeln, um Batterien zu testen und ihr Verhalten neu sowie nach längerem Gebrauch vorherzusagen. In der finanziell gut ausgestatteten NPE zielen diese Aktivitäten zunächst auf Batterien für Elektrofahrzeuge, deren Energiedichte und Sicherheit zunehmen soll, bei fallenden Kosten. Diese Forschung zahlt sich jedoch auch für stationäre Anwendungen aus.

Parallel zur Forschungsförderung für den Automotivebereich hat das Bundesministerium für Forschung und Bildung 2011 die Forschungsinitiative Energiespeicher ins Leben gerufen, die in einer ersten Phase mit 200 Millionen Euro ausgestattet war. Doch nur ein Teil der Projekte beschäftigt sich mit Batterien. Auch stoffliche Speicher wie Power-to-Gas und thermische Speicher werden hier erforscht. Seit August gibt es darüber hinaus die neue Forschungsinitiative „Zukunftsfähige Stromnetze“, die 150 Millionen Euro zur Verfügung hat. Hier könnten Anwendungsmöglichkeiten für Batterien erforscht werden. Somit wird die Weiterentwicklung stationärer Batteriesysteme aus mehreren Quellen gespeist, und es kommt immer wieder zu Berührungspunkten zur Elektromobilität.

Zwei Wege zu stationären Speichern

Wenn man einen stationären Speicher wirtschaftlich bauen wolle, könne man nämlich zwei Wege beschreiten, erläutert Professor Andreas Jossen vom Lehrstuhl für Elektrische Energiespeichertechnik der TU München. Man könne billigere Standardbatterien aus der Automobilbranche verwenden und diese durch eine ausgeklügelte Betriebsstrategie für ihre Aufgaben und eine längere Lebensdauer trimmen. Man könne aber auch technologisch auf den stationären Betrieb abgestimmte Batterien verwenden, die schwerer und auch teurer in der Anschaffung seien. „Beim ersten Weg muss ich, um die Lebensdauer zu erhöhen, Einschränkungen bei der Betriebsführung in Kauf nehmen.“ Hierbei passen Ingenieure das System den Zellen an, dieser Weg erfordert also hohe Kompetenz in der Systemtechnologie. Beim zweiten Weg werden die Zellen der Anwendung angepasst, dafür sind Innovationen in der Grundlagenforschung und bei der Zellproduktion erforderlich.

Den ersten Weg hat zum Beispiel Younicos gewählt. Für einen Fünf-Megawatt-Großspeicher für den Energieversorger Wemag in Mecklenburg-Vorpommern lieferte Samsung SDI 25.600 Lithium-Manganoxid-Zellen, die sonst in Autos stecken. „Uns gibt Samsung 20 Jahre Garantie auf die Zellen“, sagt Younicos-Sprecher Philip Hiersemenzel, üblich seien sieben. Denn das Betriebsmanagement von Younicos halte die Batterien stets in ihrer „Wohlfühlzone“ und erreiche so die bestmögliche Lebensdauer. Dafür haben die Ingenieure die Zellen zunächst gründlich getestet und ihnen dann ein Managementsystem auf den Leib geschneidert, das sie für die geplante Anwendung fit macht. Ab September soll der Speicher Primärregelenergie bereitstellen und die Lücken zwischen Stromangebot und Stromnachfrage füllen, die durch Schwankungen bei der Versorgung mit Windstrom entstehen.

Batteriespeicher seien bei dieser Aufgabe nicht nur wesentlich genauer und schneller als herkömmliche fossile Kraftwerke, sondern sie hielten dabei auch die Leitungen für erneuerbare Energie frei, betont Hiersemenzel. So müsse ein Gaskraftwerk, um fünf Megawatt Regelenergie anzubieten, gleichzeitig 50 Megawatt einspeisen – einfach nur, damit es läuft. Noch größer sei die Einspeisung von Kohlekraftwerken, die häufig zur Regelung herangezogen werden. Erst wenn es Regelenergie ohne diesen „Rattenschwanz“ gebe, könne man die Kraftwerke wirklich abschalten. Regelkraftwerke wie das der Wemag sind also notwendig, bei der Transformation unserer Energielandschaft. Allerdings würden Tempo und Genauigkeit bei der Primärregelung in keiner Weise vergütet, moniert Hiersemenzel. Auch die Möglichkeit zum Schwarzstart erhielte der Netzbetreiber als Bonus. In der wöchentlichen Ausschreibung der Regelleistung zähle einzig der Preis, was Batteriekraftwerke strukturell benachteilige. Ebenso innovativ wie der technische Ansatz ist daher auch der Versuch, das Kraftwerk wirtschaftlich zu betreiben. Die Investitionskosten sollen sich durch Einnahmen am Regelenergiemarkt amortisieren. Die staatliche Anschubfinanzierung für das Pilotprojekt ist nach Meinung von Philip Hiersemenzel bei weiteren Anlagen schon nicht mehr unbedingt nötig.

Wesentliche Anreize fehlen

Younicos hat Lithium-Ionen-Zellen für Fahrzeugbatterien gewählt, und zwar von einem koreanischen Anbieter. Samsung versucht derzeit, mit günstigen Preisen auf dem deutschen Markt Fuß zu fassen, und auch die anderen asiatischen Hersteller versuchen sich zu etablieren. Auch bei Forschung und Entwicklung sind sie keineswegs untätig. Eine Studie der TU München ermittelte einen Anstieg der Patentanmeldungen für Weiterentwicklungen der Lithium-Ionen-Batterien um 110 Prozent zwischen 2006 und 2011. 2011 seien bereits 5.900 Anträge für ganze Patentfamilien eingegangen. Asiatische Entwickler meldeten fast viermal so viele Patente an wie europäische. Die Studie bescheinigt den asiatischen Unternehmen hier eine „enorme Vormachtstellung“. Diese muss Deutschland brechen, wenn es bis 2020 zum Leitmarkt für Elektromobilität wachsen will. So hatte die NPE das Ziel formuliert, bis 2020 eine Million Elektroautos auf deutsche Straßen zu bringen. Der absehbar hohe Bedarf der Kernkomponente Batterie soll dafür in Deutschland hergestellt werden. Allerdings zeichnet sich gerade ab, dass Deutschland bisher noch nicht auf dem Weg ist, dieses Ziel zu erreichen. Der Bundesverband E-Mobilität moniert, dass Anfang 2014 erst 17.400 Elektrofahrzeuge unterwegs sind und nicht wie geplant bereits 100.000. Auch stammten nur vier Prozent dieser Fahrzeuge aus heimischer Produktion, hat das ZSW ermittelt. Japan erreicht bei dieser Kennzahl 43 Prozent und die USA 21. Marktführer sind der Nissan Leaf vor dem Chevrolet Volt und dem Toyota Prius. Weltweit fahren inzwischen sogar circa 400.000 Elektrofahrzeuge. Von einem deutschen Leitmarkt kann also keine Rede sein. Kein Wunder also, dass auch die günstigsten Zellen aus Asien kommen.

Um zusammen mit der Elektromobilität die Batterieproduktion in Deutschland nach vorne zu bringen, könnten Anreizprogramme dienen, die in anderen Ländern die Elektroautos auf die Straße bringen und ihren Preisnachteil ausgleichen. In Deutschland fehlen diese Anreize bislang. Die Steuerersparnis für einen E-up von VW beziffert der Bundesverband E-Mobilität auf gerade mal 45 Euro pro Jahr. Allein durch die zusätzliche Mehrwertsteuer auf das teurere E-Auto ist diese Ersparnis mehrfach wieder ausgegeben. In einer Stellungnahme zum neuen Elektromobilitätsgesetz begrüßt der Präsident des Verbandes Kurt Sigl die geplanten Privilegien zwar grundsätzlich, kritisiert jedoch, dass es nicht ausreichen wird, um der Elektromobilität einen entscheidenden Schub zu geben. Die Maßnahmen kämen zu spät und hätten schon vor einigen Jahren verabschiedet werden sollen.

Auch der stationäre Bereich würde von Anreizen sehr profitieren. Dann ließen sich Großspeicher vielleicht auch mit langlebigeren stationären Batteriezellen wirtschaftlich bauen. Stattdessen wurden gute Ansätze, wie die Förderung von Home-Speichern, im nächsten Moment durch die Diskussion um die Einführung von Abgaben auf den Eigenverbrauch konterkariert. Wenn Deutschland tatsächlich Leitmarkt werden möchte, muss sich das nach Ansicht vieler Experten ändern.

Produktion nicht ausgelastet

Firmen, die spezielle Batterien für stationäre Batteriespeicher entwickelt haben und produzieren, haben es schwer, den „zweiten Weg“ hierzulande zu etablieren. Derartige Zellen erhält man beispielsweise bei dem Schweizer Unternehmen Leclanché. Dieses hat 2012 eine Zellfabrik im badischen Willstätt eröffnet, die eine Million Lithium-Titanat-Zellen im Jahr herstellen soll. Nach anfänglichen Schwierigkeiten ist die Produktion nun im Gange, jedoch nicht voll ausgelastet. Statt der geplanten drei Schichten ist zur Abarbeitung der Aufträge nur eine Schicht nötig. „Der Markt ist noch sehr jung und braucht noch Zeit“, sagt Leclanchés technischer Leiter Pierre Blanc. Die Firma setzt ihre Hoffnungen auf Applikationen für Stromversorger.

Doch es werde noch etwas dauern, bis sich ein Standard durchsetze und das Volumen zunehme. Auch von Home-Speichern, einem bisher nur in Deutschland relevanten Produkt, könne die Firma allein nicht leben. „Das meiste sind bei uns Industrieapplikationen“, sagt Blanc. Lithium-Titanat-Zellen zeichnen sich durch hohe Sicherheit und eine lange Lebensdauer aus. Sie sollen 20.000 Zyklen schaffen und ohne Einbußen bei der Lebensdauer mit hoher Geschwindigkeit beladen und entladen werden können. Die Energiedichte pro Kilogramm, die beispielsweise bei Personenkraftwagen in der E-Mobilität eine entscheidende Rolle spielt, sei dagegen vergleichsweise gering. Die Forscher von Leclanché arbeiten vor allem daran, den Preis zu senken. Schon jetzt sei durch die Verbesserung der Kathode eine signifikante Reduktion zu erwarten, so Blanc. Die Fabrik sei darauf ausgelegt, die Weiterentwicklungen der nächsten zehn Jahre zu implementieren. Insbesondere Änderungen in der Chemie der Zellen könnten schnell übernommen werden. „Besonders kleinere Firmen haben das Henne-Ei-Problem“, sagt dazu der Professor für Energiespeichertechnik Andreas Jossen. Ohne Preissenkungen haben sie kein Massenprodukt und ohne Massenproduktion gibt es wenig Spielraum nach unten.

Entscheidungen stehen an

Während Blanc im stationären Bereich mit einer stetigen Zunahme des Volumens rechnet, kündigt sich im Automotivebereich auf den Leitmärkten eine sprunghafte Beschleunigung an. Um sich darauf vorzubereiten, hat der Elektroautohersteller Tesla gerade angekündigt, in den USA eine gigantische Batteriefabrik zu bauen, eine Maßnahme, wie sie Andreas Gutsch vom KIT auch für Europa einfordert (Interview auf Seite 42). Doch andere Branchenkenner sehen beides skeptisch. Wenn Tesla die Batterien selbst abnehme und die Fabrik modular aufbaue, könne das vielleicht funktionieren, glaubt Jossen. Eine andere Firma ohne garantierte Abnehmer wird sich eher nicht behaupten können. Auch Pierre Blanc hält das Risiko für hoch. „Sie benötigen Zellen mit niedrigen Kosten, die jetzt schon im großen Umfang produziert werden. Ich glaube nicht, dass Sie das so einfach schaffen können.“ Doch ohne Mut zum Risiko besteht die Gefahr, den Anschluss zu verpassen, allen Erfolgen in der deutschen Grundlagenforschung zum Trotz.

Unabhängig davon legen die Entwickler von neuen Anwendungsfeldern und neuen Geschäftsmodellen in Deutschland gerade ein hohes Tempo vor. Inseln sind beliebt und Netzdienstleistungen. So will Younicos die Insel Graciosa unabhängig von Diesellieferungen machen. SMA bietet mit dem Fuel Save Controller eine Dieselsparlösung für kleinere Netze an, bei der auch Speicher integriert werden. Belectric hat dafür ein Hybridkraftwerk im Portfolio. Lichtblick kündigt an, Home-Speicher zu Batteriekraftwerken zu vernetzen und mit der „Schwarmbatterie“ Netzdienstleistungen zu vermarkten. Die Hersteller von Home-Batteriespeichern entwickeln unter anderem Energiemanagementsysteme, Normen, Sichericherheitsstandards. Auch wenn Deutschland vielleicht kein Hotspot in der Zellherstellung werden sollte, in der Entwicklung von Speichersystemen stehen die deutschen Ingenieure ganz weit vorne. Eine Stärke, die es nun zum durchgreifenden Umbau der Energiesysteme zu nutzen gilt.