Wie kommt die Batterie ins Elektroauto?

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Wie kommt die Batterie ins Elektroauto?
Marktstudie der Lithium-Ionen-Batteriewertschöpfungskette im Hinblick auf Unternehmensstruktur, Logistikwege und -kosten
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Autoren: Ahmet Yilmaz, Mario Kehrer
Veröffentlicht am: 18.09.2020
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Lithium-Ionen-Batterien sind eine Kerntechnologie zur Reduktion von Emissionen und für nachhaltige Mobilität. Mit dem zunehmenden Einstieg der Automobilindustrie in die Elektromobilität, hat sich die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren gesteigert.

Im Rahmen einer ganzheitlichen Betrachtung der Lithium-Ionen-Batterie ist es erforderlich, die gesamte Wertschöpfungskette zu untersuchen, beginnend bei der Ressourcengewinnung über die Weiterverarbeitung bis hin zur finalen Montage der Batterie. Ein Beleg hierfür ist die Klage der Menschenrechtsorganisation International Rights Advocates gegen Technologiekonzerne wie Apple, Google, Dell, Microsoft und Tesla. Die Anklageschrift lautet, dass das Kobalt der Batteriezellen für Produkte dieser Konzerne unter schlechten Arbeitsbedingungen und durch Ausbeutung von Kindern gewonnen wurde.[1]
 Potentiale der Wertschöpfungskette für Unternehmen
Mittels Partnerschaften über die Wertschöpfungskette hinweg haben Unternehmen zum einen eine höhere Ressourcenversorgungssicherheit und können somit mögliche Ressourcenkapazitätsengpässe abwenden. Zum anderen können transparente und nachhaltige Lieferketten aufgebaut werden. Anfang des Jahres 2019 hat die Ford Motor Company in Zusammenarbeit mit der International Business Machines Corporation (IBM) und weiteren Industriepartnern aus der Lithium-Ionen-Batteriewertschöpfungskette Pilotprojekt „Responsible Sourcing Blockchain Network“ (RSBN) gestartet. Ziel des RSBN ist es, die gesamte Lieferkette einer Batterie mit allen Stationen transparent zu gestalten. Das übergeordnete Ziel ist die Etablierung eines offenen, branchenweiten Netzwerkes zur Rückverfolgung und Validierung von Mineralien und anderen Materialien für die Automobil- und Unterhaltungselektronikindustrie. Im ersten Schritt wird die Lieferkette des Rohstoffes Kobalt durchleuchtet. Seit der Einführung haben sich bereits zahlreiche weitere OEMs der RSBN angeschlossen und sind dem Netzwerk beigetreten. Dazu gehören Volvo, Volkswagen und Fiat Chrysler.[2]

Eine Analyse des Unternehmens McKinsey in Zusammenarbeit mit dem World Economic Forum zeigt auf, dass im Jahr 2030 die Einnahmemöglichkeiten für Unternehmen über die gesamte Lithium-Ionen-Batteriewertschöpfungskette hinweg bei ca. 300 Milliarden Dollar liegen. Im Jahr 2018 betrug dieser Wert lediglich 39 Milliarden Dollar. Dies bedeutet einen Anstieg um den Faktor acht. Der größte Teil dieser Einnahmen fällt mit 46% in die Zellfertigung gefolgt von 25% in der Rohstoffraffinerie und 16% in der Batteriepackfertigung. Es wird erwartet, dass China seine aktuelle starke Position im Lithium-Ionen-Batteriemarkt noch weiter ausbaut und ca. 41% der möglichen Einnahmen für sich beansprucht. Dies geht einher mit der Elektrofahrzeugnachfrage in China, welche im Jahr 2030 43% der globalen Nachfrage ausmachen wird.[3]
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Abbildung 1: Chancen der Lithium-Ionen-Batteriewertschöpfungskette im Jahr 2030 (Vgl. World Economic Forum  2019, S. 17)
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Wertschöpfungskette der Lithium-Ionen-Batterie
Immer mehr OEMs haben das Ziel der Sicherstellung einer nachhaltigen Lieferkette.[1] Jedoch erfordert eine nachhaltige Lieferkette eine grundlegende Neuausrichtung der Ressourcenbeschaffung, der Fertigung und des Einsatzes der Lithium-Ionen-Technologie. Zur Verbesserung der sozialen, ökologischen und wirtschaftlichen Bilanzen von Lithium-Ionen-Batterien müssen Unternehmen konsistent und transparent auf der Grundlage etablierter Nachhaltigkeitsnormen und -prinzipien entlang der Wertschöpfungskette agieren.[2]

Die Lithium-Ionen-Batteriewertschöpfungskette bis zum Einbau ins Elektrofahrzeug lässt sich vereinfacht in vier Stufen zusammenfassen. Die erste Stufe umfasst die Gewinnung der verschiedenen Rohstoffe, welche für die Batteriefertigung benötigt werden. Bei der zweiten Stufe werden diese Rohstoffe weiterverarbeitet und auf höhere Reinheiten gebracht, bevor sie in der nächsten Stufe zu Elektroden verarbeitet werden können. Abschließend erfolgt die Batteriefertigung. Dies beinhaltet neben der Zellfertigung ebenfalls die Modul- und Packfertigung.
Step 1 – Rohstoffgewinnung
Die Rohstoffgewinnung umfasst die Gewinnung der Elemente Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit. Die Verfügbarkeit dieser Elemente ist der Schlüssel einer konsistenten Lieferkette. Kobalt wird vor allem in der Demokratischen Republik Kongo gewonnen und gilt als der Rohstoff mit erhöhtem Versorgungsrisiko. Die Förderung von Lithium erfolgt zum einen aus Festgesteinvorkommen und zum anderen aus Solevorkommen. Während Australien größter Förderer von Lithium aus Festgestein ist, wird Lithium aus Solevorkommen hauptsächlich in den Ländern Chile und Argentinien gefördert. Mangan wird im Tagebau bzw. im Kammerbauverfahren unter Tage aus Manganerzen abgebaut. Größter Manganförderer war im Jahr 2018 mit einer Gesamtfördermenge von 5.500 t das Land Südafrika.[3] [4] Die Nickelförderung erfolgt im Tagebau und unter Tage. Die größten Abbauregionen waren 2018 Indonesien mit 560.000 t und die Philippinen mit 340.000 t.[5] [6] Bei Graphit werden zwei verschiedene Formen unterschieden. Diese sind zum einen natürlicher Graphit und zum anderen synthetischer Graphit. Für beide Formen von Graphit dominiert die Volksrepublik China sowohl das Angebot als auch die Nachfrage. So wurden im Jahr 2018 mehr als zwei Drittel des natürlichen Graphits von China gefördert.[7] [8]
Step 2 – Raffinerie bzw. Weiterverarbeitung
Beim Raffinerieprozess werden die verschiedenen gewonnenen Elemente veredelt und auf eine höhere Reinheit gebracht. Für die Weiterverarbeitung zu Batteriezellen werden die einzelnen Ressourcen in sehr hohen Reinheiten benötigt. Das globale Raffinerieangebot wird von chinesischen Unternehmen dominiert. Eine Studie des Unternehmens Benchmark Mineral Intelligence zeigt auf, dass im Jahr 2018 mit 51% mehr als die Hälfte des gesamten Lithiumangebots in China raffiniert wurde, gefolgt von Chile mit 29%. Auch bei der Kobaltraffinerie ist China mit einem Gesamtanteil von 62% an der globalen Raffinerie Spitzenreiter. Auf dem zweiten Platz liegt Finnland mit lediglich 13%. Besonders stark zeigt sich die Dominanz Chinas im Raffinerie- bzw. Weiterverarbeitungsprozess bei Graphit und Mangan. Zur Herstellung von Anoden wird Graphit hauptsächlich in weiterverarbeiteter Form als Kugelgraphit benötigt. Im Jahr 2018 wurde Kugelgraphit ausschließlich in China gefertigt.[9] Ein ähnliches Bild zeichnet sich auch für Mangan ab. Obwohl im Jahr 2019 nur 6% des globalen Manganabbaus in China erfolgten, wurden 93% des weltweiten Mangans in China raffiniert.[10]
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Abbildung 2: Anteile einzelner Länder an der Lithium Wertschöpfungskette 2017 (Vgl. Wills et al.  2018, S. 5.)
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Step 3 – Elektrodenfertigung
Bei der nächsten Wertschöpfungsstufe werden die verschiedenen raffinierten Elemente zu Anoden und Kathoden weiterverarbeitet. Im derzeitigen Lithium-Ionen-Batteriemarkt kommen zumeist Graphit-Anoden zum Einsatz. Andere Anodenarten wie beispielsweise Lithium-Titanat-Oxid (LTO) Anoden kommen nur vereinzelt zum Einsatz.[1] Im Bereich der Kathoden haben sich für Automobilanwendungen drei Kathodenarten global durchsetzen können. Diese sind Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide (kurz NMC bzw. NCM), Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminium-Oxide (kurz NCA) und Lithium-Cobalt-Oxid (kurz LCO). Während japanische Unternehmen wie Panasonic oder Toyota bei der Batteriefertigung NCA-Kathoden verwenden, setzen chinesische und südkoreanische Unternehmen wie CATL oder LG Chem NMC-Kathoden ein.

In Abbildung 2 werden die verschiedenen Stationen der Lithium-Ionen-Batteriewertschöpfungskette abgebildet. Ebenfalls wird veranschaulicht in welchen Weltregionen die einzelnen Stationen zumeist stattfinden. Aus dieser Abbildung geht die starke Dominanz Chinas über die gesamte Lithium-Ionen-Batteriewertschöpfungskette hinweg hervor. So fanden etwa 89% der globalen Lithiumraffinerie und dreiviertel der Batterieelektrodenfertigung im Jahr 2017 in China statt.
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Ahmet Yilmaz hat Maschinenbau an der RWTH Aachen studiert und sich im Master auf Produktionstechnik spezialisiert. Seit dem Jahr 2018 arbeitet er für die Streetscooter GmbH und ist hier seit März 2019 als Produktionsingenieur für die Hochvoltbatteriefertigung tätig. Aufgrund seiner Tätigkeit hat er intensive Erfahrungen im Bereich Lithium-Ionen-Batteriemontage sammeln können. Im Rahmen seiner Masterarbeit zum Thema „Marktspiegel der Lithium-Ionen-Batterie – Betrachtung der Wertschöpfungskette von der Ressourcengewinnung bis zur Integration des Batteriesystems“ konnte er sein spezifische Wissen und seine Erfahrungen einbringen um die gesamte Batteriewertschöpfungskette mit allen dazugehörigen Stationen zu analysieren und zu beschreiben. Er versteht die Batteriefertigung als ein ganzheitliches System von der Zellfertigung über die Modul- und Packmontage bis hin zur finalen Systemintegration ins Endprodukt.

Mario Kehrer studierte Elektro- und Informationstechnik in der Vertiefungsrichtung Elektromobilität am Karlsruher Institut für Technologie sowie der Shanghai Jiao Tong University. Während seines Studiums arbeitete er bei verschiedenen Automobilzulieferern in der Serien- und Vorausentwicklung. Seit 2017 ist Herr Kehrer als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Chair of Production Engineering of E-Mobility Components der RWTH Aachen unter Professor Kampker angestellt und arbeitet, seit 2019 als Gruppenleiter, in der Gruppe Battery Engineering.
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Quellen:

Absatz

[1] Vgl. Kort  2019.

[2] Vgl. All Electronics  2019.

[3] Vgl. World Economic Forum  2019, S. 16f.

2. Absatz

[1] Vgl. Volkswagen AG  2019a.

[2] Vgl. World Economic Forum  2019, S. 5ff.

[3] Vgl. Marbler  2017, S. 12ff.

[4] Vgl. Corathers  2019.

[5] Vgl. McRae  2019.

[6] Vgl. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe  2017, S. 2ff.

[7] Vgl. Olson  2019.

[8] Vgl. Research and Markets  2019.

[9] Vgl. Moores  2019.

[10] Vgl. Battery News  2020.

3. Absatz

[1] Vgl. Thielmann et al.  2015, S. 6.
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