Energietechnik in der Batteriezellfertigung: Effizienz, Innovation, Nachhaltigkeit

Was macht eine Batteriezellfertigung in Europa, und genauer noch in Deutschland, aus? Und welche Rolle spielt dabei der Bereich Energietechnik? Die Batteriezellfertigung nimmt einen immer größeren Stellenwert in der Ausrichtung der Europäischen Union (EU) ein und hat einen erheblichen Einfluss auf das Selbstverständnis der EU. Um die Ziele des »European Green Deal« für 2030 zu erreichen, stellt eine effiziente und nachhaltige Batteriezellfertigung einen wichtigen Baustein für die EU dar. Die Herausforderungen liegen dabei vor allem in der zusätzlich benötigten Energiemenge. Aktuell wird für eine Batteriekapazität von 1 kWh ein Strombedarf von 30 bis 55 kWh für die Batterieproduktion erwartet. Diese Energiemenge soll zudem klimagerecht und energieeffizient gedeckt werden. Die Rahmenbedingungen dafür werden durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sowie das Energieeffizienzgesetz (EnEfG) gegeben. Um diese Ziele zu erreichen und gleichzeitig eine Alternative zu bestehenden Produktionsstandorten zu schaffen, ist es die Aufgabe der Energietechnik die hohen Energiekosten und die klimagerechte Produktion als Chance und Alleinstellungsmerkmal des Standortes Europa und speziell Deutschland zu verstehen. Die Aufgabenbereiche liegen dabei  in der Steigerung der Energieeffizienz und die Nutzung erneuerbarer Energien, welche mithilfe der Entwicklung eines Energiekonzepts erreicht werden können.

Im Zuge des voranschreitenden Klimawandels ist es essenziell, systemübergreifend Emissionen einzusparen, bestehende Strukturen und Abläufe zu optimieren und neue Wege zu gehen. Um dabei die nationalen und EU-weiten Klimaziele zu erfüllen, müssen alle Sektoren Einsparungen erzielen, wobei die Elektrifizierung des Verkehrs eine zentrale Rolle spielt. Dieser Bereich war für ein Viertel der gesamten  Emissionen der EU im Jahr 2019 verantwortlich, weshalb großes Potential in einer Elektrifizierung liegt. Dieses Potential wurde auch schon erkannt, weshalb allein in Deutschland eine Produktionskapazität von 400 GWh Batterien bis 2030 geplant ist. Aber warum müssen Batteriezellfertigungen nun Konzepte zu Einsparungen und Optimierungen entwickeln? Die Batteriezellfertigung ist ein energieintensiver Bereich.Im Zuge des voranschreitenden Klimawandels ist es essenziell, systemübergreifend Emissionen einzusparen, bestehende Strukturen und Abläufe zu optimieren und neue Wege zu gehen. Um dabei die nationalen und EU-weiten Klimaziele zu erfüllen, müssen alle Sektoren Einsparungen erzielen, wobei die Elektrifizierung des Verkehrs eine zentrale Rolle spielt. Dieser Bereich war für ein Viertel der gesamten  Emissionen der EU im Jahr 2019 verantwortlich, weshalb großes Potential in einer Elektrifizierung liegt. Dieses Potential wurde auch schon erkannt, weshalb allein in Deutschland eine Produktionskapazität von 400 GWh Batterien bis 2030 geplant ist. Aber warum müssen Batteriezellfertigungen nun Konzepte zu Einsparungen und Optimierungen entwickeln? Die Batteriezellfertigung ist ein energieintensiver Bereich.

Politische Rahmenbedingungen und ihre Bedeutung für die Energietechnikbranche

Die für die Produktion zusätzlich benötigte Energiemenge für die geplante Produktionskapazität beläuft sich auf 20 TWh pro Jahr. Dies entspricht für den deutschen Strommix aus dem Jahr 2022 einem  von 8.7 Mio. Tonnen. Auf der internationalen Ebene liegt dieser Wert bei einem Vielfachen, daher sind die politischen Rahmenbedingungen für diese Branche besonders relevant. In Deutschland stechen dabei das EEG und das EnEfG heraus. Das EEG hat schon seit dem Jahr 2000 einen entscheidenden Einfluss auf die Arbeit im Bereich der Energietechnik. Hier werden erneuerbare Stromquellen bevorzugt und zu einem festgelegten Preis abgenommen. Dies soll die Transformation der Stromerzeugung unterstützen. Dadurch wird zusätzlich der Anreiz, Strom selbst zu erzeugen und zu speichern für stromintensive Bereiche und Unternehmen erhöht. Dies hat einen großen Einfluss auf die Erstellung eines Energiekonzepts. Ein weiterer wichtiger Faktor ist das 2023 in Kraft getretene EnEfG. Dieses formuliert erstmalig verbindliche End-/ und Primärenergieeinsparziele, wobei unter anderem bis 2030 der Endenergieverbrauch um knapp 27 Prozent im Vergleich zu 2008 gesenkt werden soll. Das hat zur Folge, dass mit Hilfe von Energiemanagementsystemen bestehende Prozesse optimiert und abgehende Energieströme wie Abwärme besser in den Prozess eingebunden werden müssen, um den Gesamtenergieverbrauch zu reduzieren. Hier spielt der Fachbereich Energietechnik eine entscheidende Rolle, da die energieeffiziente und durch erneuerbare Energien gespeiste Batterieproduktion nicht nur ökologische Ziele verfolgt, sondern auch ein ökonomisches Alleinstellungsmerkmal darstellt. 

Energietechnik in der Entwicklung eines Energiekonzepts für die Batteriezellfertigung

In der Energietechnik werden alle energetischen Aspekte in der Batteriezellfertigung betrachtet. Hierzu zählen die Gewinnung, Umwandlung, Transport, Speicherung und Nutzung von Energie. Um sich einen Überblick zu verschaffen, wird dafür ein Energiekonzept entwickelt. Ein grundsätzlicher Ablauf zur Entwicklung eines Energiekonzepts für eine Batteriezellproduktion besteht aus den folgenden vier Punkten:

1. Inputermittlung
2. Lastprofilerzeugung
3. Erzeugervergleich
4. Energiekonzept

Inputermittlung
Bei der Inputermittlung wird das Fertigungskonzept mit allen Maschinendaten im Verlaufe eines Jahres ermittelt, um eine datenbasierte Grundlage  und Überblick zu erhalten. Darauf aufbauend kann ein Lastprofil erzeugt werden. Die energieintensivsten Prozessschritte sind die Trocknung der Elektroden mit 43 Prozent und der Erhalt der Trockenraumbedingungen mit 39 Prozent des gesamten Energieverbrauchs. Bei Fabriken mit kontinuierlicher Produktion liegt dieser bei etwa 1.800 GWh pro Jahr. Ein Grund ist die Trocknung, die hohe Temperatur von bis zu 200 °C und eine Trockenraumbedingung zwischen 0 °C und –70 °C bei hohem Volumenstrom benötigt.

Lastprofilerzeugung
Ein Lastprofil fasst alle Bereiche über ein Jahr zusammen, welche Energie verbrauchen. Dabei wird die durch die Prozesse und das Gebäude benötigte Menge an Strom, Wärme und Kälte zusammengeführt. Weiterführend kann mit dem Lastprofil eine passende Mischung aus Energieerzeugern ermittelt werden. Im Bereich der Strombeschaffung kann dabei zwischen interner und externer Energie unterschieden werden: Während die interne Energie die selbst erzeugt Energie durch bspw. Solar oder Windkraft beschreibt, meint die externe Energie  die von außen einzukaufende Energie vom Stromnetz. Unter den Energieerzeugern besteht eine große Auswahl: Hier können Kältemaschinen und Wärmepumpen zum Einsatz kommen, hohe Temperaturen durch Direktstrom oder Gaskessel erzeugt werden oder Energie auch sekundär aus Abwärme erzeugt, die nötigen Temperaturen genutzt werden. Auch mit sekundärer Energiegewinnung durch Abwärme kann Energie erzeugt werden. Abwasser, die Drucklufterzeugung, Rückgewinnung aus der Elektrodentrocknung oder die Wärmeentwicklung bei der Eigenstromerzeugung können dabei Quellen sein. Die Wärme kann dann, vergleichbar zur Stromspeicherung, thermisch für spätere Anwendung gespeichert werden.

Erzeugervergleich
Unter den Energieerzeugern besteht eine große Auswahl: Hier können Kältemaschinen und Wärmepumpen zum Einsatz kommen, hohe Temperaturen durch Direktstrom oder Gaskessel erzeugt werden oder Energie auch sekundär aus Abwärme erzeugt, die nötigen Temperaturen genutzt werden. Auch mit sekundärer Energiegewinnung durch Abwärme kann Energie erzeugt werden. Abwasser, die Drucklufterzeugung, Rückgewinnung aus der Elektrodentrocknung oder die Wärmeentwicklung bei der Eigenstromerzeugung können dabei Quellen sein. Die Wärme kann dann, vergleichbar zur Stromspeicherung, thermisch für spätere Anwendung gespeichert werden.

Energiekonzept
Das Energiekonzept ist das Herzstück, da dort alle energieverbrauchenden und erzeugenden Faktoren sowie deren Zusammenspiel abgebildet sind. Dort können Bereiche identifiziert werden, welche zu optimieren sind und welcher Effekt eine mögliche Optimierung auf das gesamte System hat. Mögliche Optimierungsbereiche, sind der Prozess, die Energiebeschaffung und das grundsätzliche Monitoring des gesamten Ablaufs.

Energiekonzept für eine effiziente und nachhaltige Batteriezellfertigung

Im Prozess kann hauptsächlich bei den oben genannten energieintensivsten Schritten angesetzt werden. Alternative Trocknungsverfahren, wie Laser-/ oder Induktionstrocknung, sowie neue Konzepte wie das Beschichten ohne Lösungsmittel sind vielversprechende Optionen. Bei der Erstellung der Trockenraumbedingungen kann das System mithilfe einer hocheffizienten Kombi-Wärmepumpe den Primärenergieverbrauch um bis zu 40 Prozent senken. Zudem kann auch hier das Konzept neu gedacht werden. Beispielweise kann die Einbindung von Minienvironments das zu trocknende Volumen drastisch senken. Die Effizienz der Wärmebereitstellung der Entfeuchtungstechnik der Trockenräume lässt sich auf zwei Faktoren zurückführen: Erstens erzeugt die Kombi-Wärmepumpe immer gleichzeitig Kälte und Wärme, sodass diese die Abwärme der Kälteerzeugung als Quelle der Wärmeerzeugung nutz. Zweitens kann durch dreifach hintereinander geschaltete Entfeuchtungsrotoren eine Systemtemperatur von 85 °C erreicht werden, die von der Wärmepumpe beliefert werden kann.

Im Bereich der Energiebeschaffung ist nicht nur der reine Einkauf oder Produktion der Energie gemeint. Mithilfe eines Lastmanagements kann zum Beispiel das Lastprofil analysiert werden und dadurch Spitzlasten identifiziert werden, welche in darauffolgenden Schritten reduziert oder abgefangen werden können. Ein Mittel ist dabei die Nutzung von Stromspeichern. Wenn es möglich ist, speichert diese die interne Energie und kommt bei Spitzlasten zum Einsatz. Dadurch können Kosten reduziert und selbst erzeugte Energie zu großen Teilen selbst genutzt werden. Schließlich können im Bereich der Digitalisierung durch voranschreitende Automatisierung, Digitale Zwillinge und datenbasierte Simulationen Fehler reduziert und Prozesse effizienter gestaltet werden.

Im Energiekonzept wird nach einer Optimierung deutlich, welche Effekte daraus resultieren. Außerdem zeigt sich, ob eine Optimierung an einer Stelle negative Auswirkung auf andere Bereiche hat. In Zahlen ausgedrückt kann ein optimiertes System den Primärenergiebedarf um bis zu 40 Prozent reduzieren. Dies entspricht einer Einsparung von 136 Mio. € pro Jahr bei einem Strompreis von Februar 2024 und dem Stromverbrauch einer Batteriezellproduktion. Insgesamt zeigen sich die Relevanz und die Aufgabenbereiche der Energietechnik in der Batteriezellfertigung, welcher umweltpolitische Ziele umsetzt, nachhaltige Konzept entwickelt und gleichzeitig für den erheblichen Kostenfaktor Energie verantwortlich ist.