TA-Projekte

von Manuel Baumann, ITAS/Universidade Nova de Lisboa, Benedikt Zimmermann, ITAS, und Marcel Weil, ITAS/Helmholtz Institut Ulm

Aktuelle Entwicklungen im Bereich Elektromobilität und bei der Energiewende gehen einher mit einem erhöhten Bedarf an elektrochemischen Speichern. Diese gesteigerte Nachfrage nach nachhaltigen, günstigen, sicheren und effizienten Batteriespeichersystemen hat die Technologie stärker in den Fokus des gesellschaftlichen Diskurses gerückt. Um Innovationsrisiken neuer Batterietechnologien zu identifizieren und zu reduzieren, müssen entlang des potenziellen Lebenszyklus ökologische, ökonomische und soziale Aspekte prospektiv analysiert und bewertet werden. Die Verwendung lebenszyklusbasierter Systemanalyseverfahren sowie konstruktiver Technikfolgenabschätzung (CTA) erlaubt die Abschätzung nicht intendierter Nebeneffekte sowie eine nachhaltige Gestaltung des batterietechnologischen Entwicklungsprozesses.

1     Problemaufriss

Leistungsfähige elektrochemische Speicher gelten als technologische Vorrausetzung für andere Technologien. Nachdem die Verbreitung deutlich verbesserter Energiespeicher maßgeblich zum Markterfolg von Notebooks und Mobiltelefonen beigetragen hat, spielen diese Speicher nun eine bedeutende Rolle bei der Markterschließung im Bereich Elektromobilität und könnten ein Standbein beim Ausbau erneuerbarer Energien darstellen (Korthauer/Pettinger 2013). Die Anwendungsgebiete werden durch die kontinuierliche Verbesserung der Technologie also erheblich erweitert.

Besonders das Bestreben der Bundesregierung, die Elektromobilität und die Energiewende voranzutreiben, haben den Bedarf an nachhaltigen, günstigen, sicheren und effizienten Batteriespeichersystemen erhöht und die Technologie stärker in gesellschaftliche Debatten gerückt.

Aus diesen Entwicklungen ergibt sich ein gesteigertes Interesse seitens relevanter Akteure aus Wirtschaft, Forschung, Gesellschaft und Politik hinsichtlich der technischen, ökologischen und ökonomischen Auswirkungen neuer Batterietechnologien und deren Entwicklung. Aufgrund des frühen Entwicklungsstadiums emergenter Batterietechnologien und einer daraus resultierenden Datenknappheit, ist es nicht unproblematisch, in dieser Phase Auswirkungen vorausschauend abzuschätzen. Hinzu kommt, dass in einem frühen Technologieentwicklungsstadium potenzielle Anwendungsgebiete erst identifiziert werden müssen. In der Anwendung angelangt, stellen Batterien eine Komponente eines i. d. R. komplexeren Systems dar (z. B. Elektrofahrzeug oder netzangebundener stationärer Speicher), was es schwierig macht, relevante Einflussfaktoren direkt zu bestimmen.

Um den Verwertungserfolg neuer Batterietechnologien zu erhöhen und potenzielle Innovationshemmnisse zu adressieren, müssen entlang des potenziellen Lebenszyklus prospektiv ökologische (z. B. Umweltwirkung, Toxizität, Rezyklierbarkeit), ökonomische (z. B. Lebenszykluskosten in verschieden Anwendungskontexten) und soziale Aspekte identifiziert, analysiert und bewertet werden.

Die Verwendung lebenszyklusbasierter Systemanalyseverfahren sowie konstruktiver Technikfolgenabschätzung (CTA) erlaubt die Integration und Kombination quantitativen sowie qualitativen Wissens für die Szenarienerstellung und die Abschätzung möglicher nicht intendierter Nebeneffekte für die anwendungsabhängige Analyse neuer Batteriesysteme. Der folgende Beitrag gibt einen Einblick über Forschungsaktivitäten und Methoden im Bereich der emergenten, elektrochemischen Energiespeicher für stationäre Anwendungen am ITAS.[1]

2    CTA zur Unterstützung einer akteursorientierten Systemanalyse

Hintergrund der CTA ist die Annahme, dass technologische Entwicklungsprozesse ein nahtloses Gewebe von sozialen, kulturellen, ökonomischen, technischen und naturwissenschaftlichen Faktoren darstellen und von diesen permanent beeinflusst werden (Grunwald 1999). Der CTA-Ansatz hat zum Ziel, diese Faktoren und Auswirkungen im Umfeld einer Technologie durch eine Verbreiterung des Entwicklungsprozesses frühzeitig systematisch zu identifizieren und positiv zu beeinflussen, um potenzielle Innovationshemmnisse rechtzeitig zu adressieren (Hochgerner et al. 2008; Braun et al. 2014). Kern der CTA stellt dabei die Beteiligung verschiedener relevanter Akteure in Form von Fragebögen, Interviews oder Workshops dar. Relevante Gruppen sind zum einen Technologieentwickler sowie zum anderen Akteure, welche i. d. R. erst mit einem fertigen Produkt, in diesem Fall einer Batteriezelle, konfrontiert werden. Als angebracht erscheint im genannten Kontext die Schaffung eines technologischen Nexus, in dem besonders jene entwicklungsfernen Akteure eingebunden werden, welche bereits Erfahrung mit Energiespeicherung, -technik und -märkten haben (Hochgerner et al. 2008). Dies ermöglicht es, Technologieentwickler mit den Ansichten der potenziellen Nutzer zu konfrontieren und Annahmen im Rahmen einer Systemanalyse auf Praxisnähe und Plausibilität zu prüfen, zu erweitern oder technische und wirtschaftliche Konsequenzen quantitativ abzuleiten.

Als Systemanalyse wird hierbei ein Sammelbegriff für etwaige, meist quantitative aber auch teils qualitative Methoden verstanden, welche zur Technologieplanung, Entwicklung, umfassenden Bewertung, auch außertechnischer Kriterien verwendet werden, und die aus der steigenden Komplexität moderner Technik entstanden sind (Grunwald 2002). Einige Systemanalyseverfahren sind z. B. die Ökobilanz (Life Cycle Assessment – LCA), ökonomische Analysen (z. B. Lebenszykluskosten – Life Cycle Costs/LCC) oder statische und dynamische Stoffstromanalysen (Material Flow Analysis/MFA) (Grunwald 1999; Grunwald 2002). Die Wahl einer geeigneten Methode ist dabei abhängig von der jeweiligen Zielsetzung und Technologie sowie von deren Entwicklungsstand.Eine Übersicht über die methodische Verschmelzung bzw. Nutzung der CTA als Rahmenbedingung oder Ergänzung für die Systemanalyse ist in Abbildung 1 gegeben.

Abb. 1: Wechselwirkung zwischen CTA und Systemanalyse sowie deren Methoden und Reichweiten

Quelle: Eigener Entwurf auf Basis von Weil 2012

Wie in Abbildung 1 dargestellt, dient die CTA als Input für die Systemanalyse, um zusätzliche Informationen von Seiten relevanter Stakeholder zu erhalten. Dies erfolgt aktuell auf Basis einer Umfrage mittels eines quantitativ auswertbaren Fragebogens auf Entwickler- und Nutzerseite. Die gewonnenen Erkenntnisse der Umfrage können dann in einem Workshop, in welchem Technologieentwickler sowie externe Experten zusammengebracht werden, diskutiert werden (Braun et al. 2014). Dadurch können potenzielle Anwendungsgebiete, rechtliche Fragen, Umwelt-fragen sowie ökonomische Rahmenbedingungen identifiziert werden, die bei der Entwicklung und späteren Nutzung von elektrochemischen Speichern von Relevanz sein können und im Rahmen einer Systemanalyse nicht erfasst worden sind.

3    Stationäre elektrochemische Energiespeicher

Generell sind die Anforderungen an eine Batterie geprägt vom jeweiligen stationären, portablen oder mobilen Anwendungsgebiet. So müssen Traktionsbatterien[1] andere Anforderungen erfüllen als Speichersysteme im stationären Bereich. Dies sind z. B. höhere Ansprüche in die Höhe der Energie- und Leistungsdichte sowie Sicherheit (z. B. Brandschutz, Stoßfestigkeit etc.), Funktionsfähigkeit bei üblichen Umgebungstemperaturen (Mauch et al. 2009), während bei stationären Speichern von stetigeren Betriebsbedingungen (z. B. kontinuierliche Temperatur etc.), aber höheren Lebensdaueranforderungen auszugehen ist.

Im stationären Anwendungsbereich stehen Batterietechnologien in einem Wettkampf zu anderen Speicher- (z. B. Pumpspeicherkraftwerke etc.) und Ausgleichstechnologien (flexible Kraftwerke). Dabei stellt sich die Frage, welche Technologie für den jeweiligen Bereich die kostengünstigste Option darstellt. Bereits verfügbare und ebenfalls im Wettbewerb stehende Akkumulatorsysteme sind z. B. Blei-Säure, Hochtemperatur-Akkumulatoren, LiIon-Batterien unterschiedlicher Elektrodenkombinationen[3] oder RedoxFlow-Batterien. Neben den genannten Systemen gibt es einige vielversprechende, sich in der Entwicklung befindliche, verwandte Technologien, wie z. B. Li-Luft oder Li-Schwefelbatterien[4], welche sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden. Diese Systeme können theoretisch bis zu zehnmal höhere Energiedichten erreichen als bisherige Systeme (Tarascon 2010). Ein Überblick über einige unterschiedliche Akkumulatorentypen mit ihren aktuellen Eigenschaften ist in Abbildung 2 gegeben.

Abb. 2: Eigenschaften unterschiedlicher Batterietechnologien

Quelle: Eigene Darstellung

Aktuelle Problemfelder im Bereich der Batterieentwicklung sind u. a. Kosten, Lebensdauer, Energie- und Leistungsdichte sowie Sicherheit. Je nach Anwendungsgebiet müssen oftmals entsprechende Trade-Offs bei der Batteriewahl hingenommen werden, da gewünschte Eigenschaften nur auf Kosten anderer optimiert werden können. Generell sind die potenziellen Anwendungsgebiete von Batteriespeichern breit gefächert, was auch für Anwendungen im stationären Bereich gilt. So können stationäre Batteriespeicher z. B. für erzeugernahe Speicherdienstleistungen, Vermarktung von Windstrom und Netzdienstleistungen genutzt werden. Eine Auswertung realisierter und geplanter Energiespeicherprojekte bzw. deren Anwendungsgebiete (nur die wichtigsten sind hervorgehoben) sind zur Veranschaulichung in Abbildung 3 gegeben. Die Anwendungsgebiete wurden für alle Batterietypen auf Basis der Projektzahl gleichgewichtet (die Zahl in der Legende stellt die Anzahl untersuchter Projekte dar). Die Höhe des relativen Wertes gibt Auskunft darüber, für welche Dienstleistungen ein Speicher hauptsächlich eingesetzt wird. Diese Auswertung kann als Grundlage für weitere anwendungsorientierte lebenszyklusbasierte Analysen dienen. Im Rahmen des Artikels wurde die markierte Anwendung Electricity Energy Time Shift (Lastspitzenverlagerung) als Referenzbeispiel für eine LCC gewählt.

Abb. 3: Potenzielle Anwendungsgebiete elektrochemischer Speicher

Quelle: Eigene Darstellung, Daten von SNL 2014

4    Systemanalysebeispiel: LCC von E-Speichern für Arbitragegeschäfte

Im Folgenden werden die Life Cycle Costs (LCC) unterschiedlicher Speichertechnologien für mehrere Anwendungsgebiete berechnet. Grundlage des Vergleichs bildet eine umfassende Energiespeicherdatenbank (Stenzel et al. 2014) in Kombination mit einem probabilistischen LCC-Modell für Speichertechnologien. Die Analyse ermöglicht einen Vergleich mehrerer Technologien und gibt Auskunft über die Eignung dieser für ein spezifisches Anwendungsgebiet. Hinterlegte Anwendungsfälle werden auf Basis von Literatur und Zeitreihen entwickelt (Baumann et al. 2013). In Abbildung 4 sind die Lebenszykluskosten (€ pro umgesetzte kWh) für den Referenzfall der Lastspitzenverlagerung gegeben.

Abb. 4: Ergebnisse für eine LCC-Bewertung unterschiedlicher Energiespeicher für die Lastspitzenverlagerung (Annahme 10 MW / 40 MWh, 2 Zyklen pro Tag, Zinssatz 8 % bei 10.000 Simulationsdurchläufen)

Quelle: Eigene Darstellung

Der Lebenszykluskostenvergleich zeigt, dass Redox-Flow, Blei und Hochtemperaturbatterien relativ niedrige Kosten in dem betrachteten Anwendungsgebiet aufweisen. Li-Ionen-Batterien unterschiedlicher Elektrodenkombinationen weisen noch ein hohes Kostensenkungspotenzial auf, wobei besonders LiFePO4 als günstigste Variante ermittelt worden ist. Bei NiCd und NiMH sind die Kosten sehr hoch und es sind in Zukunft keine größeren Entwicklungen mehr zu erwarten. Die Ergebnisse zeigen, wie unterschiedlich die Kosten der jeweiligen Batterietechnologieoptionen sowie unterschiedlicher Li-Ionen Elektrodenkombinationen für das gewählte Einsatzgebiet unter aktuellen Bedingungen sind. Im Rahmen einer Detailanalyse können für die jeweilige Technologie die potenziellen Hot Spots in der Produktion weitergehend identifiziert und deren quantitativen Kostenbeiträge bestimmt werden. Des Weiteren können für unterschiedliche Anwendungsgebiete marktseitige Zielkosten für die Batteriesysteme berechnet werden, um so entsprechende Entwicklungsziele festzulegen.

5     Ausblick

Neben den gezeigten ökonomischen Rahmenbedingungen hängt der Erfolg elektrochemischer Speicher von weiteren Faktoren ab (z. B. politscher Regulierungsbedarf), die innovationshemmend sein können. Diese Faktoren können, wie zuvor beschrieben, mithilfe einer CTA adressiert werden. Der dargestellte Ansatz liefert die Möglichkeit, weitere Aspekte und Faktoren, welche im Rahmen einer Systemanalyse ggf. nicht erkannt werden, mittels CTA zu identifizieren und in den Entwicklungsprozess einzubinden. Beide Ansätze ergänzen sich somit und ermöglichen eine umfassendere Unterstützung und im Idealfall Gestaltung eines Technologieentwicklungsprozesses gerade im Hinblick auf „Responsible Research and Innovation“. Die gezeigten LCC-Analysen werden im weiteren Verlauf der Arbeiten durch LCA- und social-LCA-Analysen komplettiert. Aktuelle Stakeholderbefragungen werden zukünftig genutzt, um weitere Informationen zu Bedürfnissen, Anforderungen und Präferenzen zu erhalten.

Anmerkungen

[1]Aktuelles Forschungsprojekt am ITAS im genannten Bereich ist das „Helmholtz-Portfolio: Elektrochemische Speicher im System – Zuverlässigkeit und Integration“.

[2]Als Traktionsbatterien werden Akkumulatoren für den Einsatz in elektrischen Antriebssträngen bezeichnet.

[3]Besonders Li-Ion-Akkumulatoren gelten derzeit als die Speichertechnologie mit dem größten Potenzial in multiplen Anwendungsbereichen. Dies liegt u. a. an ihrem hohen energetischen Wirkungsgrad und ihren langen Lebensdauern gegenüber anderen Akkumulatorsystemen (Korthauer/Petttinger 2013).

[4]„Lithium/Schwefel“ und „Lithium/Luft“ stellen Zukunftstechnologien dar, die eine von den klassischen Lithium-Ionen-Batterien grundsätzlich verschiedene Zellchemie aufweisen und bei denen auf teure Übergangsmetallverbindungen verzichtet werden kann, wodurch theoretisch kostengünstigere Batterien hergestellt werden können (Korthauer/Pettinger 2013).

Literatur

Baumann, M.; Zimmermann, B.; Dura, H. et al., 2013: A Comparative Probabilistic Economic Analysis of Selected Stationary Battery Systems for Grid Applications. In: ICCEP (Hg.): Proceedings of the 4th International Conference on Clean Electrical Power Renewable Energy Resources Impact (ICCEP). Alghero, Italien, 11.–13.6.13, S. 87–92

Braun; A.; Korte, S.; Rijkers-Defrasne, S., 2014: Abschlussbericht für Modul D des BMBF‐Projektes: Begleitende Evaluierung der Fördermaßnahme „Validierung Des Innovationspotenzials Wissenschaftlicher Forschung – VIP“. Düsseldorf

Grunwald, A., 1999: Rationale Technikfolgenbeurteilung: Konzepte und Methodische Grundlagen. Wissenschaftsethik und Technikfolgenbeurteilung Band 1. Berlin

Grunwald, A., 2002: Technikfolgenabschätzung – Eine Einführung. Berlin (Gesellschaft – Technik – Umwelt, Neue Folge 1)

Hochgerner, J.; Feichtinger, J.; Ornetzeder, M. et. al., 2008: Open Innovation. Wien; https://zsi.at/attach/Open_Innovation_Endbericht.pdf (download 1.10.14)

Korthauer, R.; Pettinger, K.-H., 2013: Handbuch Lithium-Ionen-Batterien. Instrumente und Strategien zur aktiven Einbeziehung von NutzerInnen und anderen relevanten sozialen Gruppen in technische Innovationsprozesse am Beispiel Brennstoffzellen-Technologie und Wood-Plastic-Composites. Berlin

Mauch, W.; Mezger, T.; Staudacher, T., 2009: Anforderungen an elektrische Energiespeicher. Stationärer und mobiler Einsatz. In: VDI-Wissensforum (Hg.): Elektrische Energiespeicher. Schlüsseltechnologie für energieeffiziente Anwendungen. VDI-Berichte 2058. Düsseldorf, S. 3–23

SNL – Sandia National Laboratories, 2014: DOE Global Energy Storage Database; http://www.energystorageexchange.org (download 1.10.13)

Stenzel, P.; Baumann, M.; Fleer, J. et al., 2014: Database Development and Evaluation for Techno-Economic Assessments of Electrochemical Energy Storage Systems. IEEE International Energy Conference ENERGYCON 2014, 11.–16.5.14. Dubrovnik, Croatia

Tarascon, J.-M., 2010: Key Challenges in Future Li-Battery Research. In: Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 368/1923 (2010), S. 3227– 3241; doi:10.1098/rsta.2010.0112

Weil, M., 2012: System Analysis in the Early Phase of Technology Development – Responsible Development and Production of Carbon Nanotube. In: Decker, M.; Grunwald, A.; Knapp M. (Hg.): Der Systemblick auf Innovation – Technikfolgenabschätzung in der Technikgestaltung. Berlin, S. 301–312

Dipl.-Ing. Manuel Baumann
Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS)
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
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Tel.: +49 721 608-23215
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