Volle Ladung

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Nichts wird beim Thema Elektrofahrzeuge so heiß dis-kutiert wie die Batterie. Wie umweltfreundlich ist ihre Herstellung? Wie soll die wachsende Nachfrage bedient werden? Wie 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.    

Die globale Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIB) schätzte der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA) in der „Road-map 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 Über-gang vom Nischen- in den Massen-markt. 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.

ERFOLGSFAKTOR BATTERIE

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.

Europa positioniert sich

Aktuell ist die Zellherstellung für Batterien fest in den Händen von China, Japan und Korea. Europa spielt keine Rolle und Investitionen im europäischen Markt erfolgen hauptsächlich durch die asiatischen Player. Soll sich das ändern, sieht das Fraunhofer Institut in seiner Studie erhebliche Anstrengungen, die unternommen werden müssen: „Wollen Deutschland bzw. Europa langfristig im Batteriezellgeschäft erfolgreich sein, so sind mittelfristig Investitio-nen 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 Be-reich investieren müssen.“ Erste Schritte in diese Richtung sind bereits unternommen. So hat Volks-wagen in Salzgitter im September 2019 eine Pilotlinie für Batteriezellen eröffnet. Im Joint Venture mit dem schwedischen Batteriehersteller Northvolt soll im Jahr 2023/24 eine Gigafabrik am gleichen Standort er-öffnet werden. Der Konzern spricht von Investitionen von einer Milliarde Euro – allein die Pilotlinie liegt bei über 100 Millionen Euro. Dr. Stefan Sommer, Beschaffungsvorstand bei Volkswagen, betonte bei der Eröffnung die Bedeutung der Batterie für die E-Offensive des Konzerns: „Durch die Bündelung der Kompetenzen am Standort stellen wir sicher, dass wir die Weiterentwicklung der Batteriezellen als Schlüsselkomponente der Elektrifizierung selbst vorantreiben, neue Standards entwickeln und schnell in die Serienfertigung über-führen können.“

Recycling gegen Rohstoffdilemma

Als Ziele nennt Volkswagen die Erhöhung der Kapazität für mehr Reichweite, die Reduzierung seltener Rohstoffe und die Optimierung nachhaltiger Fertigungsprozesse bis zum Recycling der Batteriesysteme. Da Europa nicht über die entsprechenden Rohstoffe verfügt, kommt dem Recycling hier nicht nur eine ökologische, sondern auch eine wirtschaftliche Notwendigkeit zu. Aus diesem Grund verkündeten ebenfalls im September 2019 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 ist es, 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.
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

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 Verarbeitungsschrit-te 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. Wieso beschäftigt sich ein Unternehmen wie Brabender Technologie mit diesem Thema? 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 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 mit Brabender Technologie

Seit einiger Zeit kommen Brabender-Produktionslinien sowohl im Batch- und noch nicht so lange im kontinuierlichen Verfahren in der Batterie herstellenden Industrie 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 Brabender Technologie Produktionslinien aus überwiegend platzsparenden Rührwerksgeräten, wie beispielsweise die Reihen DDSR20 bis DDSR60 und DSR28 bis 103. Dadurch können Kunden in weniger Zeit mehr produzieren. Bei der Batterieherstellung haben wir es mit unterschiedlichen, teils gesundheitsgefährdenden Materialien zu tun: Grafit, Lithium-Metalloxide, Additive, Kobaltsulfat-Gemische für die Kathode sowie Grafit, Binder und Lithiumtitanat für die Anode. Alle von Bra-bender Technologie eingesetzten Dosierer garantieren die für die Batterieherstellung nötige Staubdichtigkeit und Genauigkeit. Zu-dem 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.“

(erschienen in FLUX 1/2020)