In Deutschland wurden und werden staatliche Anreize gesetzt, um den Absatz von E-Fahrzeugen zu verstärken. Von monetärer Seite existiert eine staatliche Kaufprämie von 2000 Euro für reine Batterieelektrofahrzeuge und von 1500 Euro für Plug-In-Hybridfahrzeuge. Darüber hinaus beschloss der Deutsche Bundestag jüngst eine Verdopplung der Kraftfahrzeug-Steuerbefreiung für E-Fahrzeuge von fünf auf zehn Jahre. Trotz dieser staatlichen Subventionen schwächelt der Absatz von Elektrofahrzeugen in Deutschland. Einer der Hauptgründe für den schleppend verlaufenden Verkauf von Elektrofahrzeugen ist der trotz staatlicher Förderungen nach wie vor hohe Anschaffungspreis dieser Fahrzeuge.
Bei einer genaueren Betrachtung der Kostenstruktur von E-Fahrzeugen kann als wichtigster Kostentreiber die Traktionsbatterie identifiziert werden. Hierbei sind wiederum zwei Faktoren für die hohen Batteriekosten verantwortlich. Zum einen werden aktuell für die Herstellung leistungsfähiger Zellen seltene und in der Regel somit teure Rohstoffe wie Lithium, Graphit oder Kobalt benötigt, zum anderen ist die Produktion, insbesondere großformatiger Lithium-Ionen-Zellen, aufgrund des fehlenden Massenmarktes noch nicht ausgereift. Skalen- und Lerneffekte haben sich noch nicht vollständig materialisiert. Aufgrund des aktuell noch nicht wettbewerbsfähigen Preises der Lithium-Ionen-Technologie ist daher die Beantwortung der Frage, ob nennenswerte Kosteneinsparungen im Bereich der Fertigung und der Materialkosten realisierbar sind, von zentraler Bedeutung, um das zukünftige Potential von Elektrofahrzeugen abschätzen zu können.
Ziel dieser Arbeit ist das Entwickeln eines neuen Modells durch die systematische inhaltliche Erweiterung und methodische Verbesserung bestehender Kostenmodelle. Dabei umfasst die inhaltliche Weiterentwicklung funktionale Erweiterungen des Kostenmodells wie das Modellieren neuer, alternativer Produktionsstandorte. Methodische Weiterentwicklungen auf der anderen Seite haben zum Ziel, die Produktionswirklichkeit möglichst realistisch und theoretisch fundiert im Kostenmodell abzubilden, und etwaige strukturelle Schwachstellen bestehender Modelle aufzudecken und zu beheben. Dabei liegt der Fokus dieser Arbeit auf einer fundierten Kostenmodellierung und somit primär auf betriebswirtschaftlichen Fragestellungen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel und Vorgehensweise
2 Stand der Technik
2.1 Aufbau einer Lithium-Ionen-Zelle
2.2 Lithium-Ion-Zellen als Zukunftstechnologie
2.3 Zellarten
2.4 Hintergrund Fertigung
2.4.1 Von der Elektrode zur Traktionsbatterie
2.4.2 Die Zukunft der Zellfertigung
2.5 Aktuelle Selbstkosten- und Investitionskostenstruktur
3 Überblick der bestehenden Kostenmodelle
3.1 Klassifizierung der Kostenmodelle - Grundmodelle
3.2 Klassifizierung der Kostenmodelle - Erweiterte Modelle
3.3 Geeignete Modelle zur Weiterentwicklung
4 Anforderung an das neue Modell
5 Analyse der Kostenmodelle BatPac & Obermayer
5.1 Produktion in Abhängigkeit des Zelldesigns
5.1.1 Darstellung des Produktionsprozesses
5.1.2 Produktionskosten in Abhängigkeit des Zelltyps
5.1.3 Produktionskosten in Abhängigkeit der Zellgröße
5.1.4 Modellierung der Zukaufteile
5.2 Prognosefähigkeit
5.2.1 Produktionsplanung auf Jahresbasis
5.2.2 Produktions- und Investitionskostenentwicklung
5.2.3 Materialkostenentwicklung
5.3 Einfluss des Produktionsvolumens
5.4 Einfluss der Produktionsqualität
5.5 Modellierung der Standortalternativen
5.6 Kosteneinfluss der Zellchemien
5.7 Zusammenfassung Anpassungsbedarf
6 Im neuen Modell durchgeführte Anpassungen
6.1 Produktion in Abhängigkeit des Zelldesigns
6.1.1 Darstellung des Produktionsprozesses
6.1.2 Produktionskosten in Abhängigkeit des Zelltyps
6.1.3 Produktionskosten in Abhängigkeit der Zellgröße
6.1.4 Modellierung der Zukaufteile
6.2 Prognosefähigkeit
6.2.1 Produktionsplanung auf Jahresbasis
6.2.2 Produktions- und Investitionskostenentwicklung
6.2.3 Materialkostenentwicklung
6.3 Einfluss des Produktionsvolumens
6.4 Einfluss der Produktionsqualität
6.4.1 Zellausschuss in Abhängigkeit des Zelltyps
6.4.2 Zellausschuss in Abhängigkeit der technologischen Entwicklung
6.5 Modellierung der Standortalternativen
6.5.1 Identifikation geeigneter Standorte
6.5.2 Identifikation relevanter Standortfaktoren
6.5.3 Modellierung der harten Standortfaktoren
7 Validierung des neuen Modells
7.1 Validierung der Investitionskosten
7.2 Validierung der Rohstoffpreise
7.3 Validierung der Materialkosten
7.4 Validierung der Packselbstkosten
8 Analyse
8.1 Einfluss der Produktionsvolumina auf die Packprognosekosten
8.2 Einfluss der Standortwahl auf die Packprognosekosten
8.3 Einfluss des technischen Fortschritts nach 2020
8.4 Einfluss moderner Zellchemien auf die Packprognosekosten
8.5 Einfluss des Zelltyps auf die Packprognosekosten
9 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Modells zur Kostenbestimmung von Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge. Hierbei werden bestehende Kostenmodelle systematisch erweitert, um betriebswirtschaftliche Fragestellungen wie alternative Produktionsstandorte, unterschiedliche Zelldesigns und technologische Prognosen über den Zeitraum bis 2030 präziser abzubilden.
- Entwicklung eines Kostenmodells für verschiedene Zelldesigns (zylindrisch, prismatisch, Pouch)
- Methodische Verbesserung der Produktionskostenabbildung und Einbeziehung technologischer Lerneffekte
- Prognosefähigkeit hinsichtlich Batteriepreisentwicklungen und Materialkosten
- Analyse der Standortwahl und deren Auswirkungen auf die Selbstkosten innerhalb der EU
- Validierung der Modellergebnisse durch Vergleich mit realen Marktdaten
Auszug aus dem Buch
2.4.1 Von der Elektrode zur Traktionsbatterie
Die Zellherstellung kann in die Hauptprozesse Elektrodenfertigung, Zellassemblierung und Zellfinalisierung eingeteilt werden. Im Anschluss an die Zellherstellung werden die Zellen zu Modulen und schlussendlich zu Batteriepacks assembliert. Über den gesamten Herstellungsprozess fallen zudem Hilfsprozesse an. Abbildung 2.7 fasst die Hauptprozesse der Zellfertigung grafisch zusammen.
Im Folgenden werden nun sämtliche Hauptprozesse näher beleuchtet.
2.4.1.1 Fertigung der Elektrode
Der Zellherstellungsprozess beginnt mit der Fertigung von Anode und Kathode. Dieser Hauptprozess läuft fertigungstechnisch für alle drei Zelltypen sehr ähnlich ab [11, S. 61]. Abbildung 2.8 zeigt die die Elektrodenfertigung umfassenden Teilprozesse.
Die Elektrodenfertigung beginnt mit dem Mischprozess. Dabei werden Aktivmaterialien, Binder, Lösungsmittel, und Additive zu einer Beschichtungspaste, dem sogenannten Slurry, gemischt. Hierbei ist auf einen an den organischen Binder abgestimmten Temperaturbereich zu achten. Prozesskritisch ist es auch eine optimale Partikelgröße der Aktivmaterialien zu erreichen, höchstmögliche Homogenität des Slurrys zu gewährleisten, sowie Gasbläschenbildung zu verhindern [11, S. 62].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Motivation hinter der Arbeit, insbesondere die wirtschaftlichen Herausforderungen bei der Verbreitung von E-Fahrzeugen aufgrund der hohen Batteriekosten.
2 Stand der Technik: Vermittelt Grundlagen zur Lithium-Ionen-Technologie, den verschiedenen Zellarten und deren Herstellungsprozessen.
3 Überblick der bestehenden Kostenmodelle: Klassifiziert existierende Kostenmodelle in Grundmodelle und erweiterte Modelle, um geeignete Ausgangspunkte für das neue Modell zu identifizieren.
4 Anforderung an das neue Modell: Definiert die funktionalen und inhaltlichen Anforderungen für das zu entwickelnde Modell, insbesondere bezüglich der Flexibilität der Kostenmodellierung.
5 Analyse der Kostenmodelle BatPac & Obermayer: Untersucht kritisch zwei bestehende Modelle auf ihren Anpassungsbedarf hin zu den formulierten Zielen.
6 Im neuen Modell durchgeführte Anpassungen: Detailliert die konkreten methodischen und inhaltlichen Erweiterungen am bestehenden Modell, um die Anforderungen an zelltypabhängige und prognosefähige Modellierung zu erfüllen.
7 Validierung des neuen Modells: Überprüft die Modellergebnisse durch Vergleich mit Daten aus der Fachliteratur und realen Batteriebeispielen.
8 Analyse: Führt eine Sensitivitätsanalyse durch, um Einflüsse von Produktionsvolumen, Standortwahl und technologischem Fortschritt auf die Kosten zu untersuchen.
9 Zusammenfassung und Ausblick: Resümiert die Erkenntnisse der Arbeit und reflektiert kritisch über die Grenzen und das weitere Entwicklungspotenzial des Modells.
Schlüsselwörter
Lithium-Ionen-Batterie, Kostenmodell, Traktionsbatterie, Zellfertigung, Elektromobilität, Produktionskosten, Skaleneffekte, Batteriekosten, Standortwahl, Zelldesign, Batteriezellproduktion, Prognosemodell, Fertigungsprozesse, Prozesskostenrechnung, Materialkosten.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines betriebswirtschaftlichen Kostenmodells, um die Produktionskosten für Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen realistischer und flexibler abzubilden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit beleuchtet die Zellherstellung, die Kostenstruktur von Modulen und Batteriepacks, den Einfluss von Skaleneffekten sowie die Auswirkungen unterschiedlicher Standorte und Zellchemien.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die systematische inhaltliche und methodische Erweiterung bestehender Kostenmodelle, um eine realistische Kostenprognose für den Zeitraum bis 2030 unter Berücksichtigung technologischer und wirtschaftlicher Entwicklungen zu ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine modellbasierte Analyse durchgeführt, die bestehende Ansätze (wie BatPac) integriert und durch eigene Modellierungslogiken zur zelltypabhängigen Kostenberechnung und Standorterweiterung ergänzt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert bestehende Modelle, definiert Anforderungen, implementiert methodische Anpassungen (z. B. Prozessneuschaffungen) und validiert diese Ergebnisse anhand realer Beispiele wie dem Tesla Model S oder dem BMW i3.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zentrale Begriffe sind: Lithium-Ionen-Batterie, Kostenmodell, Traktionsbatterie, Zellfertigung, Produktionskosten, Skaleneffekte und Standortwahl.
Welche Zellarten werden im Kostenmodell differenziert?
Das Modell unterscheidet zwischen den drei gängigen Designs: zylindrische Zellen, prismatische Zellen und Pouchzellen.
Wie geht das Modell mit der Standortwahl um?
Es integriert Methoden zur Bewertung von Standortfaktoren innerhalb der EU, um beispielsweise Kostenunterschiede zwischen Hochlohnländern (Deutschland) und Niedriglohnländern (Rumänien) im Fertigungsprozess zu quantifizieren.
Warum ist eine Unterscheidung der Fertigungsprozesse nach Zelltyp notwendig?
Weil die einzelnen Prozessschritte, wie z.B. die Assemblierung (Stapeln vs. Wickeln) oder der Zellverschluss, technisch unterschiedlich komplex sind und somit signifikant unterschiedliche Kosten und Durchlaufzeiten verursachen.
- Quote paper
- Heinrich Stilling (Author), 2016, Ein Kostenmodell für Batteriepacks von Elektrofahrzeugen. Sind Kosteneinsparungen bei der Lithium-Ionen-Technologie möglich?, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/500504
