Neuer FVA-Arbeitskreis geht offene Fragen der Batterieproduktion an

(PresseBox) (Frankfurt, ) Deutschland möchte Leitanbieter für Elektromobilität werden und so die Spitzenstellung seiner Industrie im Fahrzeugbau behaupten. Doch gerade das zentrale Thema Energiespeicherung wirft noch viele Fragen auf. Im letzte Woche konstituierten Arbeitskreis "Elektrische Speichertechnik" der Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA) machen sich Forscher und Entwickler aus Industrie und Wissenschaft daran, sie zu klären.

"Produktionstechnik ist der Schlüssel zu bezahlbarer Elektromobilität", stellt Dr. Walter Begemann von der Initiative E-MOTIVE klar. Doch gerade die Produktionsforschung für Elektromobilität sei hierzulande noch unterbelichtet.

Das will die Netzwerkinitiative E-MOTIVE des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) ändern. Unter anderem, indem sie Entwickler aus dem Maschinenbau, der Elektro- und der Fahrzeugindustrie mit Spitzenforschern aus Hochschulen und Forschungsinstituten in Arbeitskreisen zusammenbringt.

Energiespeicher stehen dabei jetzt auch seit letzter Woche weit oben auf der Agenda. Am 13. Juli versammelten sich knapp 50 Experten aus mittelständischen Betrieben, Autokonzernen und Hochschulen in Frankfurt zur konstituierenden Sitzung des Arbeitskreises "Elektrische Speichertechnik". Neben bereits laufenden Projekten wollen sie weitere gemeinsame Forschungsthemen rund um Energiespeicher für mobile und stationäre Einsätze identifizieren. "Ziel ist es, die gemeinsam mit den Teilnehmern entwickelten Themen in Forschungsprojekten an Hochschulen zu vertiefen und die Ergebnisse dann den Unternehmen zugänglich zu machen", so Begemann. Dieser gemeinschaftliche Ansatz solle es auch kleineren Betrieben ermöglichen, bei der ungeheuren Entwicklungsdynamik der Elektromobilität mitzuhalten.

Koordinierte Gemeinschaftsforschung setzt neue thematische Schwerpunkte

Der Arbeitskreis folgt dem bewährten Ansatz der Forschungsvereinigungen für Antriebstechnik (FVA) und Verbrennungskraftmaschinen (FVV) im VDMA. Sie treiben schon seit den 60er Jahren Forschungsthemen voran, die ihre vor allem mittelständischen Mitgliedsunternehmen anregen. "Meist sind das Themen, die für die weitere Forschung und Entwicklung in den Betrieben grundlegend sind, aber die Kapazitäten einzelner Firmen übersteigen", erklärt Bernhard Hagemann, stellvertretender Geschäftsführer der FVA. Stattdessen würden sie in der vorwettbewerblichen Gemeinschaftsforschung mit Mitgliedsbeiträgen oder mit staatlichen Fördermitteln weiter entwickelt. "Das sind die Themen, die nicht in der Fachliteratur zu finden sind - dort aber zu finden sein sollten", ergänzt er.

Jährlich kommen so allein in der FVA über 100 Forschungsprojekte zusammen. "Viele erfolgreiche Getriebetechnologien, Softwaretools oder Qualitätsstandards haben ihren Ursprung in unserer Gemeinschaftsforschung", berichtet Hagemann. Überdies fördere sie das gemeinsame Verständnis der beteiligten Unternehmen und biete eine ideale Basis für weiterführende bilaterale Entwicklungsprojekte.

Diesem Beispiel folgt E-MOTIVE nun für die Elektromobilität. Sie ist für das Gros der mittelständischen Mitglieder ein Zukunftsfeld, das sie zwar angehen wollen und müssen. Doch die mangelnde technologische Reife und die unklare Vermarktungsperspektive machen es kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) schwer, Kapazitäten dafür frei zu machen. Es drängt sich also förmlich auf, das Thema gemeinsam anzugehen. Zumal die Betriebe in der FVA auf Tuchfühlung zu den Autoherstellern und Systemzulieferern bleiben. Und über die beteiligten Experten ist E-MOTIVE eng in die verschiedenen nationalen Elektromobilitäts-Netzwerke eingebunden - ob in die Nationale Plattform Elektromobilität, das Forum Elektromobilität oder die Forschungsunion Wirtschaft - Wissenschaft der Bundesregierung. "So ist gewährleistet, dass die Inhalte abgestimmt werden und wir dort identifizierte Aufgabenfelder direkt in unseren Arbeitskreisen angehen können", so Hagemann.

Kräftiger Schub für die Batterieforschung

Der neue Arbeitskreis knüpft an Forschungsprojekte an, die E-MOTIVE und die FVA mit Mitteln aus dem Konjunkturpaket II und im Zuge des Pilotprojekts "E-Antrieb.NET" koordinieren. Letzteres ist auf vier Jahre angelegt und wird mit Förderung des Bundeswirtschaftsministeriums (BMWi) Produktionstechnik für die Elektromobilität entwickeln. Projektziel ist es dabei, KMU aus dem Bereich der Produktionstechnik mit auf die Reise zu nehmen.

Auf der ersten Sitzung des Arbeitskreises Elektrische Speichertechnik machten Wissenschaftler der beteiligten Hochschulen deutlich, dass die Batterieforschung durch die Förderprojekte kräftigen Schub bekommt. Gerade die RWTH Aachen und die Universität Münster gehen mit jungen Forschergruppen die Grundlagen an, um die Produktion der kostspieligen Energiespeicher effizienter zu gestalten und ihre bislang begrenzte Lebensdauer zu verlängern.

"Über allem liegt dabei die Produktionstechnik", stellte Begemann klar. Was er damit meint, wurde in den Vorträgen der Wissenschaftler klar. So erläuterte Max Marwede vom Berliner Institut für Zukunftsstudien und Technologiebewertung (IZT), welche Bedeutung effizientem Materialeinsatz bei der Batteriefertigung zukommt. Denn mittelfristig drohen Rohstoffengpässe.

In einer Studie für die FVA ist das IZT den Reichweiten der Rohstoffe Lithium und Kobalt auf den Grund gegangen. Beide sind grundsätzlich in ausreichender Menge verfügbar. Doch gerade beim Kobalt, das vor allem in kongolesischen Kupferminen als Kuppelprodukt gewonnen wird, drohen Probleme. Bis 2015 wird der Kobaltbedarf laut Marwede um 40 bis 70 Prozent zulegen. "Der Ausbau der Produktion kann mit diesem Wachstumstempo nicht mithalten", erklärte er, "wir rechnen mit temporären Engpässen". Für flächendeckende Elektromobilität müsste die Produktion sogar um ein Vielfaches steigen. Die Vorkommen gäben das her. Doch die Preisentwicklung wird vom Kapazitätsausbau abhängen - und sie unterliegt wegen der Konzentration der Vorkommen im Kongo recht starken geopolitischen Einflüssen.

Effizienterer Ressourceneinsatz durch automatisierte Prozesse Bei Lithium erwartet das IZT auf lange Sicht eine Verdrei- bis Verfünffachung des Marktes - abhängig davon, welche Batterietypen sich durchsetzen. Bis 2015 rechnet Marwede mit 30 Prozent Zuwachs. Mit Bolivien stehe ein Produzent in den Startlöchern, der den begehrten Rohstoff aus Salzseen gewinnen kann. "Das Verfahren ist um Faktor zwei günstiger als die Gewinnung aus Gestein", erklärte er. Doch noch ist unklar, wie schnell das südamerikanische Land die Produktion aufnimmt und die nötige Infrastruktur auf die Beine stellt. Bisher teilen Chile (42 %), Australien (25%), China (13%) und Argentinien (12%) den Lithium-Markt unter sich auf.

Vor dem Hintergrund ist ein effizienterer Umgang mit den Werkstoffen geboten, wobei neben Produktionsverfahren möglichst bald geeignete Recyclingkonzepte entwickelt werden müssen. Noch sieht die Realität anderes aus. Marktanalysen des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen haben ergeben, dass in den bisher weitgehend manuellen Fertigungsprozessen viele Lithium-Ionen-Zellen auf der Strecke bleiben. "Das ist eine Ursache der hohen Kosten", erklärte Tobias Reil, Ingenieur im WZL. Die Fehlerursachen seien vielfältig und zögen sich von der Produktion der Anoden, Kathoden oder Separatoren, über die Zell- Montage bis hin zur Kontaktierung der Module und Batteriesysteme durch den gesamten Prozess.

Unter Leitung von Prof. Achim Kampker wollen die Aachener Forscher im Zuge von E-Antrieb.NET effizientere, skalierbare Produktionsprozesse für die begehrten Energiespeicher entwickeln. Um unberechenbare Fehler auszuschließen, sind laut Reil automatisierte Prozesse mit durchgängige Qualitätsstandards geplant. "Dafür wollen wir zunächst Transparenz in die Fehlerketten bringen", erklärt er. Auf dieser Grundlage wollen die Forscher dann klären, wann in der Produktionskette welche Qualitätskontrollen eingezogen werden müssen, und wie sich diese Kontrollen bei steigenden Stückzahlen realisieren lassen.

Klimatisierung wirft grundlegende Fragen auf

Weitere Forschungen, die Hochschulen und FVA/FVV gemeinsam koordinieren, drehen sich um die Klimatisierung von Elektrofahrzeugen und Batterien. Bislang geht das Einschalten der Klimaanlage bei Stromern zu Lasten der Reichweite. Wer kühlt oder heizt, kommt nur halb so weit. Die Aachener Forscher wollen das mit adaptiven Systemen ändern, die sämtliche Wärmequellen und senken im Fahrzeug nutzen und koordinieren.

Wie die Fahrer reagieren die Batterien empfindlich auf Temperaturschwankungen. Gerade schnelles Be- und Entladen bei Kälte und Hitze beschleunigt die Alterung und sorgt für ein verfrühtes Ende der Lithium-Ionen-Batterien. Deshalb sammeln Dutzende Sensoren in heutigen Batterien Temperaturdaten auf Zell-, Modul- und Systemebene. Anhand dieser Messungen werden die Energiespeicher wahlweise gekühlt oder beheizt. Ein RWTH-Team um Dr. Michael Wittler vom Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (VKA) arbeitet daran, die Wärmeverteilung über die Batteriezyklen hinweg besser zu verstehen. Ziel ist es, die Zahl der Sensoren und damit die Komplexität und Kosten des Batteriemanagements drastisch zu senken. Ausgehend von Messreihen wollen die Forscher mathematische Temperaturmodelle entwickeln und diese nach entsprechender Verifizierung in Managementsysteme übersetzten.

Simulation setzt allerdings Detailkenntnisse darüber voraus, was genau sich in den Batterien abspielt. Weil sich diese wegen der hoch komplexen Chemie nicht einfach öffnen lassen, wollen die Forscher in Aachen und Münster den Prozessen im Innern rechnerisch auf die Schliche kommen. Ziel ist es dabei, genau zu errechnen, wo sich wann welche Veränderungen in der Batteriechemie abspielen. Letztlich wird es nur so möglich sein, Alterungsprozesse in Lithium-Ionen-Zellen zu verstehen und ihnen mit konstruktiven Mitteln vorzubeugen. Das ist nicht nur für Autohersteller wichtig, die ihren Kunden Garantien geben. Auch wenn Elektrofahrzeuge bei Bedarfsspitzen Strom ins Netz einspeisen sollen, brauchen die Besitzer klare Anhaltspunkte, wie die Belastung sich auf die Lebensdauer ihrer Batterien auswirkt. Auch Schnelltests, die Gebrauchtwagenkäufer über den Zustand der Energiespeicher aufklären, sind in der Entwicklung - wie vieles Andere allerdings noch im Frühstadium.

Blackbox Batterie

Noch tappen die Batterieforscher bei vielen Fragen im Dunklen. Sie legen gerade erst die Grundlagen für künftige Optimierungen. "Das gilt auch für die Produktion, deren Automatisierung bisher an den uneinheitlichen Standards und Schnittstellen scheitert", erklärt Walter Begemann. Um diese Standards oder Schnittstellen in den Lieferketten werde sich der neu gegründete Arbeitskreis ebenso kümmern, wie um gemeinsam nutzbare Simulationstools. Welche Projekte man in welcher Reihenfolge angehe, liege vor allem an den Ideen und Diskussionen der Mitglieder. "Sie wissen am allerbesten, wo der Schuh drückt und welche Forschungsthemen drängen", sagt er. Begemann ist überzeugt, dass der Arbeitskreis helfen wird, die Lücke zwischen Batterieforschung und fertigung zügig zu schließen. Denn die Erfahrung der FVA zeige: wo deutsche Autohersteller, Maschinenbauer und ihre Zulieferer die Köpfe zusammenstecken, sind erstklassige Lösungen nicht weit.

E-MOTIVE Expertenforum "Elektrische Fahrzeugantriebe" am 7./8. September 2010 in Darmstadt / darmstadtium

E-MOTIVE fördert die Zusammenarbeit von Maschinenbau, Automobilindustrie und Elektrotechnik zum Ausbau Deutschlands als Leitanbieter für Elektromobilität.

FVA Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V.
www.fva-net.de

Die FVA ist das führende Innovationsnetzwerk der elektrischen, mechanischen und mechatronischen Antriebstechnik.

FVV Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V.
www.fvv-net.de

Die FVV ist ein weltweit einmaliges Netzwerk der Motoren- und Turbomaschinenforschung - und das seit mehr als 50 Jahren.

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