Bericht: Energiespeicher - systeme (Fokus Lithium- Ionen ... · Technology, Energy – Metzger,...

J. Gausemeier, M. Guggemos, A. Kreimeyer (Hrsg.)

Pilotphase Nationales Kompetenz-Monitoring (NKM)

Bericht: Energiespeicher-systeme (Fokus Lithium-Ionen-Speicher)Auswahl, Beschreibung, Bewertung und Messung der Schlüsselkompetenzen für das Technologiefeld Energiespeichersysteme

acatech DISKUSSION

Inhalt

Projekt 2

Einordnung des vor liegenden Berichts in das Gesamtprojekt 6

1 Executive Summary 7

2 Definitionen 102.1 Kompetenzen 102.2 Energiespeichersysteme 10

3 Methodik zur Identi fikation von Schlüsselkompetenzen 12

4 Schlüsselkompetenzen für Energiespeicher systeme 154.1 Schlüsselkompetenz: Batteriemanagementsysteme (BMS) 164.2 Schlüsselkompetenz: Aufbau einer Zellproduktion 214.3 Schlüsselkompetenz: Forschung und Technologie für Speicher (Fokus Lithium-Ionen-Speicher) 264.4 Schlüsselkompetenz: Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau) 294.5 Schlüsselkompetenz: Cyber Security in Energiesystemen 33

Anhang 40Anhang A: Abbildungsverzeichnis 40Anhang B: Tabellenverzeichnis 40Anhang C: Berechnungen und Auswertungen 40Anhang D: Kontaktdaten 41

Literatur 42

2

Projekt

Projektpartner

acatech, BDI, Hans-Böckler-Stiftung

Projektleitung

– Prof. Dr. Jürgen Gausemeier, Heinz Nixdorf Institut der Universität Paderborn/BMBF-Spitzencluster „it’s OWL“/acatech

– Dr. Andreas Kreimeyer, ehemals BASF SE/ehemals BDI- Ausschuss für Forschungs-, Innovations- und Technologie-politik/acatech

– Michael Guggemos, Hans-Böckler-Stiftung

Paten für den vorliegenden Bericht

– Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer, RWTH Aachen, Elektro chemische Energiewandlung und Speichersystem-technik/Akademienprojekt „Energiesysteme der Zukunft (ESYS)“

– Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Rehtanz, TU Dortmund, Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft

– Christian Arnold, EWE AG, Business Innovation – Dr. Andreas Fischer, BASF SE, Battery Materials Research – Dr. Klaus Leitner, BASF SE, Battery Materials Development

Expertenpanel

– Achatz, Dr.-Ing. Reinhold, ThyssenKrupp AG, Corporate Function Technology, Innovation & Sustainability

– Arnold, Christian, EWE AG, Business Innovation – Ausfelder, Dr. Florian, Dechema Gesellschaft für Chemische

Technik und Biotechnologie e. V., Research and Project Coordination

– Eigenberger, Prof. Dr. Gerhart, Universität Stuttgart, Institut für Chemische Verfahrenstechnik

– Fischer, Dr. Andreas, BASF SE, Battery Materials Research – Gössling-Reisemann, Prof. Dr. Stefan, Universität Bremen,

Fachgebiet „Resiliente Energiesysteme“ am Fachbereich Produktionstechnik

– Gröschl, Frank, DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V. (technisch-wissenschaftlicher Verein), Bereich Technologie und Innovationsmanagement

– Hutmacher, Dr. Karl Eugen, Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Abteilung 7 (Zukunfts vorsorge – Forschung für Grundlagen und Nachhaltigkeit)

– Kairies, Kai Philipp, ISEA Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe RWTH Aachen, Fachberatung und Schulung

– Kanacher, Dr. Jens, innogy SE (ehemals RWE AG), Energy Systems & Storage, Corporate Research and Development

– Kehr, Dr. Stefan, Linde Material Handling GmbH, Business Development

– Krieger, Gerd, VDMA, Arbeitsgemeinschaft „Brennstoff zellen“ – Leitner, Dr. Klaus, BASF SE, Battery Materials Development – Mayer, Dr. Christoph, OFFIS e. V. Institute for Information

Technology, Energy – Metzger, Christian, innogy SE (ehemals RWE AG), Bereich

Energy Systems & Storage – Moser, Prof. Dr.-Ing. Albert, RWTH Aachen, Institut für

elek trische Anlagen und Energiewirtschaft (IAEW) – Müller-Neumann, Dr. Markus, BASF SE, Innovation Policies

Europe – Pielke, Dr. Magnus, EWE AG, Energy Storage System, enera

Innovation – Rehtanz, Prof. Dr. Christian, TU Dortmund, Institut für

Energie systeme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft – Ringbeck, Florian, ISEA Institut für Stromrichtertechnik und

Elektrische Antriebe RWTH Aachen, Batteriesystemtechnik und Fahrzeugintegration

– Samuelis, Dr. Dominik, Heraeus Battery Technology GmbH, Innovation Battery

– Sauer, Prof. Dr. Dirk Uwe, RWTH Aachen, Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik am Institut für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA)/Akademienprojekt „Energiesysteme der Zukunft (ESYS)“

– Schüth, Prof. Dr. Ferdi, Max-Planck- Gesellschaft/Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

– Thess, Prof. Dr. André, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Technische Thermodynamik/Energiespeicherung an der Universität Stuttgart

– Weber, Dr. Thomas, BASF SE, Innovation Management – Zelinger, Matthias, VDMA, Bereich „VDMA Power Systems“

und „Energy Policy“

3

Projekt

Konzeption, Texte, Interviews, Projektkoordination

– Dr. Thomas Lange, acatech Geschäftsstelle – Dr. Jan Henning Behrens, acatech Geschäftsstelle – Dr. Ralph Seitz, acatech Geschäftsstelle

Mit Unterstützung von

– Luise Ortloff, acatech Geschäftsstelle – Dr. Anna Frey, acatech Geschäftsstelle – Stephanie Dachsberger, acatech Geschäftsstelle – Marvin Drewel, Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn – Maximilian Frank, Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn

Laufzeit

02/2016 – 12/2017

Finanzierung

Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

5

Vertiefungsberichte: Anwendung der Methode auf die Technologiefelder Data Science und Energiespeichersysteme

Basisbericht: Entwickelt und beschreibt Methode und Referenzvorgehen

acatech (Hrsg.)


Basisbericht Methodik und Verfahren

acatech DISKUSSION

acatech (Hrsg.)


Bericht: Data Science Auswahl, Beschreibung, Bewertung und Messung der Schlüsselkompetenzen für das Technologiefeld Data Science

acatech DISKUSSION

acatech (Hrsg.)


Bericht: Energiespeichersysteme (Fokus LithiumIonenSpeicher)Auswahl, Beschreibung, Bewertung und Messung der Schlüsselkompetenzen für das Technologiefeld Energiespeichersysteme

acatech DISKUSSION

Gesamtbewertung(Mittelwert)

Datengetriebene Geschäftsmodelle

Open Data bei staatlichen Daten

Klarheit in den Rechtsfragen

Forschung und Entwicklung für Data Analytics

Informatik –Universitätsniveau

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Schlüsselkompetenzen für Data Science

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Skala links (Länderfahnen):Direkter Vergleich von Deutschland mit anderen Ländern, indikatoren-basiert auf Basis öffentlich zugänglicher Studien8 – 10 = herausragend 6 – 7 = überdurchschnittlich4 – 5 = durchschnittlich2 – 3 = unterdurchschnittlich0 – 1 = Schlusslicht

Skala rechts (Querbalken):Einschätzung der Expertinnen und Experten zur

Position Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern

Pro einzelner Schlüsselkompetenz gemäß obiger Abbildung hat Deutschland im internationalen

Vergleich bei „10“ eine eindeutige Stärke und bei „0“ eine eindeutige Schwäche.

(8,6)

(6,3)

(8,75)(9,25)

(7,5)

(5,25)(5,75)

(4,5)

(7,0)

(EU ohne D)


Aufbau einer Zellproduktion

Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)

Cyber Security in Energiesystemen

Forschung und Technologie für

Speicher

Batteriemanagement-systeme (BMS)

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Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme (Fokus: Lithium-Ionen-Speicher)

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26

Technologie-Monitoring

Technologie-Scouting

Technologie-Auswahl

Kompetenz-Beschreibung*

Beobachtung bestehender Technologien aus der Technologieliste Desk Research: KET, FET Monitoring von Zukunftsstudien, Technologiereports usw.

Umfragen (AiF, Projektgruppe) acatech Zukunftsthemen Weak Signals Scout-Reports

Relevanzanalyse Wertschöpfungsanalyse Expertenpanel Auswahl anhand der Technologie aus Ranking oder aus aktuellem Anlass

Desk Research: Personelle und institutionelle Kompetenzen Berücksichtigung von Wertschöpfungsstufen Berücksichtigung von wissenschaftlichen und unternehmerischen (Kompetenz-)Perspektiven Expertenpanel

Neue Technologieentwicklungen Aktualisierte Herausforderungen und politische Handlungsfelder

Dokument: Technologieliste

Neue Technologien identi�ziert

Dokument: Technologieliste

Technologie(n), für die ein Kompetenz-Monitoring durchgeführt werden soll

Entscheidung: Kompetenzde�nition und -beschreibung, die wissenschaftlich fundiert sowie praktisch einsetzbar ist.

Phasen Aufgaben/Methoden Resultate

I

II

III

IV

Legende: (*) Phase I bis IV sind Pre-Phasen: Diese waren lediglich für den Piloten relevant und müssen in einem ausgerollten Nationalen Kompetenz-Monitoring

nicht erneut durchlaufen werden. Schwarze Schrift: im Pilotvorhaben durchgeführt Rote Schrift: Empfehlenswert bei einem ein Ausrollen des Piloten KET = Key Enabling Technologies (EU) // FET = Future and Emerging Technologies (EU)

Abbildung 19: Idealtypisches Referenzvorgehen für das Kompetenz-Monitoring (Pre-Phasen) (Quelle: eigene Darstellung)

Vorbemerkung: Die Dokumentation der Pilotphase besteht aus drei Berichten: 1. Basisbericht: Beschreibung der Methodik2. Bericht Data Science: Anwendung der Methodik auf das Technologiefeld „Data Science“3. Bericht Energiespeicher: Anwendung der Methodik auf das Technologiefeld „Energiespeichersysteme“

Vorbemerkung

Abbildung 1: Dokumentation der Pilotphase in drei Berichten (Quelle: eigene Darstellung)

6

Einordnung des vorliegenden Berichts in das GesamtprojektIm Innovationsdialog zwischen Bundesregierung, Wirtschaft und Wissenschaft wurde empfohlen, für Deutschland ein Nationales Kompetenz-Monitoring (NKM) aufzubauen. Das NKM soll einen Überblick über Kompetenzbedarfe für Zukunftstechnologien ermöglichen, die im Hinblick auf die zukünftige Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Volkswirtschaft von besonderer Bedeutung sind. Hintergrund dieser Empfehlung war die Diagno-se, dass in Deutschland ein Frühwarnsystem zum Erkennen drohender technologierelevanter Kompetenzlücken fehle.1 Die Empfehlung wurde in die neue Hightech-Strategie der Bundesre-gierung aus dem Jahr 2014 aufgenommen2 und 2017 auch von der Kommission Arbeit der Zukunft unter Leitung des DGB-Vor-sitzenden Reiner Hoffmann noch einmal bekräftigt.3

acatech hat diesen Impuls aufgegriffen und gemeinsam mit dem Bundesverband der Deutschen Industrie (BDI) und der Hans-Böckler-Stiftung einen Piloten gestartet, in dem erstmals Metho-dik und Prozesse für ein Nationales Kompetenz-Monitoring ent-wickelt werden. Dies geschieht anhand zweier beispielhafter Technologiefelder: Data Science und Energiespeichersysteme. Für das Pilotvorhaben wurden folgende Ziele formuliert:

1. Identifikation besonders relevanter technologiebezogener Kompetenzen mit Blick auf die zukünftige Wettbewerbsfä-higkeit der deutschen Volkswirtschaft.

2. Entwicklung eines standardisierten Vorgehens, mit dem Kompetenzbedarfe in einem robusten und wiederholbaren Prozess beschrieben und bewertet werden können.

3. Etablierung eines Kompetenz-Benchmarkings, durch das Deutschlands Position auf Technologiefeldebene im interna-tionalen Vergleich erkennbar wird („Dashboard“).

Das Nationale Kompetenz-Monitoring verfolgt einen Multi-Stake-holder-Ansatz. Die Ergebnisse dienen vor allem dazu, den Dialog zwischen Wissenschaft, Wirtschaft, Politik und Gesellschaft über Zukunftsthemen anzustoßen beziehungsweise zu begleiten. Es bietet einen standardisierten Zugang und eine pragmatisch zu handhabende Systematisierung, die einen sol-chen Dialog unterstützt. Der Mehrwert liegt vor allem im ge-meinsamen Verständnis von Kompetenzbedarfen. Ein Dialog kann sodann über Priorisierungen, zeitliche Reihungen und den Gesamtblick (im Sinne von: „Welches sind die zentralen Kompe-tenzbedarfe?“) angestoßen beziehungsweise begleitet werden.

Im Rahmen des NKM werden drei Berichte erstellt: § Basisbericht: Beschreibung der Methodik § Bericht Data Science: Anwendung der Methodik auf das

Technologiefeld „Data Science“ § Bericht Energiespeicher: Anwendung der Methodik auf das

Technologiefeld „Energiespeichersysteme“ (vorliegend)

Der vorliegende Bericht zeigt anhand des Technologiefeldes der Energiespeichersysteme, wie sich ein Nationales Kompetenz-Mo-nitoring realisieren lässt. Dabei werden Schlüsselkompetenzen beschrieben sowie in einem internationalen Vergleich bewertet und gemessen: „Wo steht Deutschland im Vergleich zu anderen Ländern bei den Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersyste-me (Fokus Lithium-Ionen-Speicher)?“

1 | Vgl. acatech 2011, S. 43.2 | Vgl. Bundesministerium für Bildung und Forschung 2014, S. 23.3 | Vgl. Jürgens et al. 2017, S. 93.

7

Executive Summary

1 Executive Summary

Im Rahmen des vorliegenden Berichts wurden 31 Kompetenzen identifiziert, die für einen Durchbruch des Technologiefeldes „Energiespeichersysteme“ wichtig sind – sogenannte Schlüssel-kompetenzen. Fünf dieser Schlüsselkompetenzen werden in die-sem Bericht detaillierter beschrieben, gemessen und internatio-nal verglichen. Das aggregierte Ergebnis wird in einem sogenannten Dashboard dargestellt (siehe Abbildung 2).

Gesamtbewertung: Deutschlands Kompetenzen im Technologiefeld der Energiespeichersysteme mit Fokus auf LithiumIonenSpeicher

Deutschland gehört bei fast allen betrachteten Schlüsselkompe-tenzen für Energiespeichersysteme zur Gruppe der weltweit bes-ten Länder (Benchmark-Länder). Innerhalb dieser Gruppe nimmt Deutschland jedoch keine Spitzenposition ein – je nach betrach-teter Schlüsselkompetenz sogar eher eine Schlusslicht-Position. So hat Deutschland bei den untersuchten Schlüsselkompetenzen „Batteriemanagementsysteme (BMS)“ sowie „Forschung und Technologie für Speicher“ im Vergleich mit den großen Industrie-nationen eine gute, wenn auch keine Spitzenposition inne. Bei den Schlüsselkompetenzen „Aufbau einer Zellproduktion“ und „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“ sind die Abstände

Deutschlands zu den besten Ländern der Welt jedoch größer. Bei der Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ stellt sich die Situation ambivalent dar: Einerseits hat Deutsch-land hier insgesamt eine gute Position im Vergleich zu anderen (Benchmark-)Ländern, andererseits ist die gesamte Gruppe der Benchmark-Länder für Cyberangriffe auf Energiesysteme noch nicht ausreichend gut vorbereitet. Oftmals fehlen Erfahrungen im Umgang mit solchen Attacken und die Verknüpfung allge-meiner Cyber-Security-Kenntnisse mit Energiespeicherthemen.

Die Entwicklung zukünftiger Batteriegenerationen, basierend auf neuen Technologien und Materialien, bieten für Deutsch-land chancenreiche Entwicklungspotenziale. Gleiches gilt für die Vernetzung der Batteriemanagementsysteme und die System integration verteilter Speicher. Gleichzeitig stellt der Mangel an gut ausgebildeten Fachkräften in den Bereichen Speichertechnologie, Batterietechnik und Elektrochemie eine Herausforderung dar. In den letzten Jahrzehnten sind hier zu wenige Fachkräfte ausgebildet worden – die heute, bei einer zunehmend wichtigeren Produktion und Entwicklung von Spei-chern, fehlen.

Insgesamt sind Japan und Südkorea in vielen Schlüsselkompe-tenzen für Energiespeichersysteme führend. In der Kompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“ führen mit Ab-stand die USA, während sie bei der Kompetenz „Batterie-managementsysteme (BMS)“ nicht überschätzt werden sollten.

Abbildung 2: Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme im internationalen Vergleich (Quelle: eigene Darstellung)






Speicher


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8

Einzelbewertung: Deutschlands Position bei den einzelnen Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme

1. Bei der Schlüsselkompetenz „Batteriemanagementsysteme (BMS)“ gehört Deutschland im internationalen Vergleich zur Spitzengruppe; führend sind aber Japan, Korea und – etwas kontroverser diskutiert – die USA. Japan hält die meisten Paten-te, wohingegen die USA die meisten herstellenden Unterneh-men beheimaten. Deutschland, China, Frankreich und Süd-korea folgen Japan und den USA, wobei Deutschland diese Gruppe anführt. Nach Meinung einiger befragter Expertinnen und Experten wird diese indikatoren-basierte Auswertung der Realität jedoch noch nicht ganz gerecht: Demnach sei Korea deutlich besser, als es einige Rankings suggerieren, die USA hingegen würden im Bereich der Batteriemanagementsysteme schnell überschätzt. Gemäß den interviewten Expertinnen und Experten verfügt Deutschland über eine sehr gute Kompetenz bei BMS, welche auch robuster seien als die asiatischen Varian-ten. Sowohl die intelligente Vernetzung der BMS als auch die Forschungen zum tatsächlichen Zellverhalten könnten nach Meinung einiger Expertinnen und Experten Zukunftschancen für Deutschland bieten. Allerdings entwickeln die führenden asiatischen Zellhersteller ebenfalls BMS und werden entspre-chendes Know-how in diesem Bereich sukzessive ausbauen.

2. Bei der Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“ sind China, Japan und Südkorea weltweit führend – in diesen Ländern werden die meisten Zellen produziert, und es existieren lückenlose Wertschöpfungsstufen rund um die Zellproduktion. Dabei sehen einige der befragten Expertin-nen und Experten Südkorea sogar noch vor China (im Gegen-satz zu indikatoren-basierten Auswertungen).China kündigt an, seine Zellproduktion weiter ausbauen zu wollen, auch mit weitreichenden staatlichen Subventionen. Die USA werden im Bereich der Zellfertigung ebenfalls sicht-barer, insbesondere durch das Unternehmen Tesla und eini-ge asiatische Produzenten, die in den USA produzieren. Im November 2017 hat Tesla in der Wüste Australiens beispiels-weise das weltweit größte Lithium-Ionen-Zellen-basierte Batteriesystem in Betrieb genommen (129 Megawatt).4 Nach Meinung einiger befragter Expertinnen und Experten werden die USA im Bereich der Zellproduktion aber oftmals noch überschätzt. So sind die Tesla-Zellen beispielsweise vom japanischen Hersteller Panasonic beziehungsweise beruhen auf einer Panasonic-Technologie.Deutschland verfügt generell über eine gute technologische Leistungsfähigkeit und stabile politische Rahmenbedingun-gen, allerdings findet bislang noch wenig Zellproduktion

statt. Da im Zuge der Elektromobilität die führenden Batterie hersteller geografisch näher bei den OEMs produzie-ren wollen, wird die Zellproduktion in Europa zukünftig wahrscheinlich steigen. Hiervon werden vor allem europäi-sche Standorte mit niedrigen Lohn- und Energiekosten profi-tieren. So planen beispielsweise Samsung SDI (Korea) und LG Chem (Japan) den Aufbau neuer Werke in Ungarn und Polen. Aber auch deutsche Autohersteller (OEMs) haben den Aufbau von Batteriekompetenz und Batteriefabriken in Deutschland angekündigt, und die BASF plant eine (Speicher-) Materialfertigung in der EU. Diese und ähnliche Vorhaben in Deutschland und der EU befinden sich momen-tan aber größtenteils noch in der Planungsphase, während die Zellfertigung in Asien bereits seit Jahren im Hochbetrieb läuft, mit entsprechender Erfahrung und Kompetenz vor Ort.

3. Bei der Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für LithiumIonenSpeicher“ ist Japan weltweit führend, was sich vor allem in der Anzahl der Patente äußert. Die Technologieführerschaft in Japan geht auf ein langfristig angelegtes politisches und wirtschaftliches Engagement zurück, da es sich das Land schon vor vielen Jahren zum Ziel gesetzt hat, sich von importierten fossilen Energie-trägern unabhängig zu machen. Die USA, Deutschland, Südkorea, China und Frankreich folgen Japan in dieser Schlüsselkompetenz. Die interviewten Expertinnen und Ex-perten sehen in den zukünftigen Batteriegenerationen Ent-wicklungschancen für Deutschland – insbesondere bei der Materialentwicklung (beispielsweise Kathoden- und Anoden materialien), der intelligenten Verknüpfung dezen-traler Speicher und der System integration (Power-to-X-An-sätze, Sektorkopplung).

4. Bei der Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“ sind die USA führend. Danach fol-gen Großbritannien, Singapur, China, Japan, Kanada, Deutschland und Südkorea. Die größten Unterschiede zwi-schen den deutschen und den global führenden Universitä-ten bestehen in den Rankings bei den Indikatoren „Reputa-tion der Universitäten aus Sicht der einstellenden Unternehmen/Institutionen“, „Akademische Reputation“, „Lernumgebung“ und „Internationale Ausrichtung“. Die be-fragten Expertinnen und Experten bestätigen die Ergebnis-se der Rankings und schätzen Deutschlands Kompetenz als durchschnittlich ein. Es mangele an gut ausgebildetem Fachpersonal in den Bereichen der Speichertechnologie und der Batterietechnik. Zudem sollten an den deutschen Uni-versitäten auch Hybridkompetenzen verstärkt aufgebaut werden. Es reiche demnach heute nicht mehr aus,

4 | Vgl. Zeit 2017 (Zugriff: 01.12.2017).

9

Executive Summary

Expertinnen und Experten aus dem Bereich Elektrotechnik, Chemie, IT und Maschinenbau auszubilden. Gefragt seien vielmehr Expertinnen und Experten mit systemischem Denken und Handeln, die beispielsweise als Elektro-ingenieurinnen und Elektroingenieure auch Energie systeme modellieren und damit zusammenhängende Wirtschaftlich-keitsszenarien („Case Studies“) berechnen können. Solche Kompetenzen gehen über die klassische Ausbildung der ein-zelnen Fachbereiche hinaus, sie sind besonders wichtig im Bereich eines energiesystemischen Denkens und Handelns – und sie sind (viel zu) selten verfügbar. Eine Stärke Deutsch-lands sehen einige der befragten Expertinnen und Experten im Praxisbezug der universitären Ausbildung. Demnach wer-den in Deutschland exzellente Ingenieurinnen und Ingeni-eure für die Praxis ausgebildet, das Lehrsystem in den USA ist dagegen viel forschungsbezogener.

5. Bei der Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ sind Japan, Großbritannien, Südkorea, USA und Deutschland gleichauf und weltweit führend; Kanada und China fallen etwas ab. Zwar existieren in allen Ländern bereits Maßnahmen zur Cybersicherheit, die auch kontinuierlich wei-ter ausgebaut werden. Allerdings „fühlen“ sich diese Länder noch zu unsicher und zu wenig auf Cyberattacken vorbereitet, gerade im Kontext der Energiewende und dem damit zusam-menhängenden Ausbaus eines vernetzten Energiesystems. Die für diesen Bericht befragten Expertinnen und Experten schätzen Deutschlands Position bei der Kompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ im internationalen Vergleich eher schwach ein. Innerhalb der Expertengruppe bewerten die Wirtschaftsvertreterinnen und -vertreter die Positionierung Deutschlands dabei tendenziell eher als Stärke – ausgehend von bereits vorhandenen und koordinierten Ansätzen sowie gemeinsamen Standards, die einen guten Basisschutz bieten.

10

2 Definitionen

2.1 Kompetenzen

In der Literatur sind verschiedene Kompetenzverständnisse aus unterschiedlichen Bereichen zu finden. Diese adressieren insbesondere:

§ das personenbezogene, meist (schul-)pädagogisch zentrierte Verständnis,5

§ das unternehmerische beziehungsweise institutionelle Kom-petenzverständnis der strategischen Managementlehre6 sowie

§ das kulturelle beziehungsweise staats- und gesellschaftsbe-zogene Kompetenzverständnis.7

Vor dem Hintergrund des technologiebezogenen Zugangs und der erstmaligen Entwicklung eines Nationalen Kompetenz- Monitorings hat die Projektgruppe eine eigene, passfähige, wis-senschaftlich fundierte, aber gleichzeitig auch praktisch an-wendbare Kompetenzdefinition erarbeitet. Die Syntax einer Kompetenz setzt sich demnach zusammen aus:

§ einer Fähigkeitenträgerin/einem Fähigkeitenträger (Wer?), § der/die eine Aufgabe/Hürde zu meistern hat (Was?) § und dafür spezifizierbare (materielle oder immaterielle) Res-

sourcen einsetzt (Wie/Womit?).

Daraus lässt sich für jede Kompetenz ein Kompetenzsatz (Se-mantik) bilden:

„Wer macht was und womit?“

Diese Semantik ermöglicht auch die Erfassung von Kompeten-zen bottom-up aus Experteninterviews heraus: Die soeben darge-stellte Syntax ist in den Interviews direkt oder indirekt abfragbar und erlaubt die Formulierung sowie Standardisierung von Kom-petenzen im jeweiligen Technologiefeld auf Basis von Experteninterviews.8

Perspektive: Bei der Frage nach Kompetenzen geht es in diesem Projekt darum, was getan werden muss, um die Erfolgspotenziale des jeweils betrachteten Technologiefeldes/der Technologie zu erschließen beziehungsweise zu nutzen. Das Kompetenzverständ-nis ist mit dieser Definition bewusst breit aufgestellt; es umfasst sowohl individuelle und (schul-)pädagogische als auch unterneh-merische beziehungsweise institutionelle Kompetenzen.

Als Schlüsselkompetenzen werden in diesem Bericht diejenigen Kompetenzen bezeichnet, die eine besonders hohe Hebelwirkung für den Innovationserfolg (im Sinne von Markterfolg) der jeweiligen Technologie haben. Sie werden durch eine geson-derte Expertenbefragung identifiziert (siehe Kapitel 3).

2.2 Energiespeichersysteme

Energiespeicher werden als die physikalische beziehungsweise chemische Technologie zum Speichern von Energie verstanden. Je nach Betrachtungswinkel lassen sich Energiespeicher unter-schiedlich klassifizieren, beispielsweise nach Art der Speicherung (mechanisch/chemisch/elektrochemisch/elektrisch/thermisch), nach Ort (Erzeugung/Nutzung; zentral/dezentral), nach Ver-wendungszweck oder nach Speicherkapazität (Kurz-/Mittel-/Langzeitspeicher).9 Für den vorliegenden Bericht wurde eine Klassifizierung nach Verwendungszweck gewählt: nach „Power-to-Power“10 und „Power-to-X“11.

5 | Individuelle beziehungsweise personenbezogene Kompetenzfelder wurden im Rahmen des OECD-Projektes „DeSeCo“ („Definition and Selection of Compe-tencies“) erarbeitet und in diesem Projekt berücksichtigt. Dazu gehören die Kompetenzfelder (1) in heterogenen Gruppen agieren können, (2) Medien und Tools interaktiv nutzen können sowie (3) autonom handeln können. Auch Weinert (2001) beschäftigt sich mit solchen personenzentrierten Kompetenzen.

6 | Unternehmerische/institutionelle Kompetenzfelder werden im Rahmen der strategischen Managementlehre und der dazugehörigen Theorien behan-delt und in diesem Projekt berücksichtigt. Dazu gehört insbesondere die Berücksichtigung der „Competence-Based-View“ (Prahalad und Hamel), der „Dynamic-Capability-Based-View“ (Teece) sowie der „Resource-Based-View“ (Barney).

7 | Vgl. Hofstede 1982.8 | Durch den im Projekt angewandten erweiterten Kompetenzbegriff (einschließlich individueller, unternehmerischer, institutioneller und nationaler bezie-

hungsweise gesellschaftlicher Kompetenzen) können bei der Abfrage beziehungsweise Festlegung von Kompetenzen unterschiedliche Abstraktionsgra-de beziehungsweise Granularitäten entstehen. Dies ist gewollt, um dem „Bottom-up-Prozess“ gerecht zu werden (im Sinne von: „Welches sind die wich-tigsten Kompetenzen bei gegebener Technologie?“).

9 | Vgl. Sterner und Stadler 2017, Teil III (Technologien der Energiespeicherung). Eine ähnliche Klassifizierung ist auch bei Wietschel et al. 2010 zu finden.10 | „Power-to-Power“ entspricht einer zeitlichen Verschiebung zwischen Stromangebot und Stromnachfrage. Im Mittelpunkt steht dabei die „Rückverstromung“,

das heißt die Bereitstellung von Strom zu einem Zeitpunkt, der deutlich nach der eigentlichen Stromherstellung liegt. Typische Beispiele sind Gasspeichersys-teme (der dabei erzeugte Wasserstoff kann gespeichert werden und später mittels „Rückverstromung“ wieder Strom bereitstellen), Batterien und SuperCaps.

11 | „Power-to X“ ist ein Konzept, bei dem überschüssiger Strom (entstanden aus regenerativen Energien) in andere Stoffe „umgewandelt“ wird, zum Beispiel Gase wie Wasserstoff oder Chemikalien (von „Power“ zu „X“). Das Power-to-X-Konzept versorgt damit andere Sektoren mit benötigten Hilfs- und Betriebs-stoffen. „Speichern“ ist streng genommen nicht der richtige Begriff, denn der überschüssige regenerative Strom wird im Stromnetz nicht gespeichert, sondern (in andere Stoffe) umgewandelt.

11

Definitionen

Energiespeicher sind als Element für ein flexibleres Energie-system zu verstehen. Speicher können überschüssig eingespeis-ten Strom aus Wind- und Sonnenenergie aus dem Stromnetz herausziehen, (zwischen-)speichern und bei Bedarf (zum Beispiel

bei wenig Sonne und Wind) wieder abgeben. Somit tragen Spei-cher dazu bei, Stromangebot und Stromnachfrage auszugleichen (sogenannter ausgeglichener Bilanzkreis).

12

3 Methodik zur Identifikation von Schlüsselkompetenzen

Ausgangspunkt für die Identifikation von Schlüsselkompetenzen waren die Ergebnisse der Experteninterviews im Technologiefeld Energiespeichersysteme und die angewandte Kompetenzdefini-tion aus Kapitel 2. Auf Basis dieser Daten wurden in drei Schrit-ten Schlüsselkompetenzen identifiziert. Die Schritte sind:

Schritt 1 – Erstellung einer KompetenzlisteStrukturierung der in den Interviews genannten Kompetenzen nach Häufigkeit (im Sinne von: „Welche Kompetenzen wurden in den Interviews sehr häufig/sehr selten genannt?“). Anschließend Validierung der Kompetenzen mit ausgewählten Energiespeicher-experten zur Erstellung einer Kompetenzliste (Short List).

Schritt 2 – Auswahl von SchlüsselkompetenzenVorlage der Kompetenzliste in Form eines Fragebogens, mittels dessen die Interviewpartner eine Validierung vornehmen. Dabei bewerten die Expertinnen und Experten a) die Position Deutsch-lands im internationalen Vergleich mit Blick auf jede einzelne Kompetenz und b) die Marktrelevanz beziehungsweise Hebel-wirkung jeder einzelnen Kompetenz für den Innovationserfolg der Technologie. Die Skalierung reicht von 0 (= sehr geringe

Bedeutung für den Markt) bis 10 (= höchste Bedeutung für den Markt). Alle Kompetenzen, die eine Bedeutung für den Markt von größer 5 erhalten, werden als Schlüsselkompetenzen bezeichnet.

Schritt 3 – Erstellung des Schlüsselkompetenz-BerichtsDer Bericht enthält eine Beschreibung, eine Bewertung und eine international vergleichende Messung für ausgewählte Schlüsselkompetenzen im Technologiefeld. Die international vergleichende Messung erfolgt durch die Gesamtschau einer in-dikatoren-basierten (quantitativen) und einer experten-basier-ten (qualitativen) Analyse.

Das Verfahren führte im Technologiefeld der Energiespeichersyste-me zu insgesamt 31 Schlüsselkompetenzen (siehe Abbildung 3). Der Blick auf diese Schlüsselkompetenzen ermöglicht einen fokus-sierten Dialog zwischen Wissenschaft, Wirtschaft und Politik. Zwei Perspektiven bieten sich dabei für die strategische Diskussion an:

§ Wohin entwickelt sich der Markt im Bereich einer bestimm-ten Technologie – und hat Deutschland die entsprechenden Kompetenzen, in dem Bereich führend zu sein beziehungs-weise zu werden?

§ In welchen Kompetenzbereichen ist Deutschland stark – und wie kann es diese Stärke(n) im Sinne eines Markterfol-ges weiter ausbauen?

Im vorliegenden Bericht werden dabei die folgenden fünf Schlüs-selkompetenzen vertiefend analysiert (siehe auch Abbildung 3, orange markiert):12 13

12 | Vgl. Kapitel 2 für eine allgemeine Kompetenzdefinition und -beschreibung im Rahmen dieses Projekts.13 | Ja = Länderübergreifendes Zahlenmaterial ist verfügbar. Die Kompetenz kann quantitativ gemessen werden, Deutschlands Position kann in einem in-

ternationalen Vergleich abgebildet werden. Bedingt = Keine offiziellen und umfassenden Statistiken vorhanden. Länderübergreifendes Zahlenmaterial muss manuell zusammengestellt werden

(aufwendig). Nein = Keine offiziellen und umfassenden Statistiken vorhanden. Länderübergreifendes Zahlenmaterial kann auch nicht manuell zusammengestellt

werden, weil die Art der Kompetenz eine quantitative Messung/die Gegenüberstellung mehrerer Länder mit Zahlenmaterial nicht zulässt (zum Beispiel bei Rechtsfragen). Bei solchen Kompetenzen ist auf andere Auswertungsformen auszuweichen – zum Beispiel qualitative Messungen.

Nr. Kompetenzname Kompetenzsatz gemäß Syntax/Definition12 Messbar?13

1) Batteriemanagementsysteme (BMS)

Unternehmen erhöhen Stabilität, Qualität und Leistungsfähigkeit von Batteriemanagement-systemen durch entsprechende (Weiter-)Entwicklung der Systeme. bedingt

2) Aufbau einer ZellproduktionStaat und Unternehmen stärken den Industriestandort Deutschland im Bereich der Energiespei-chersysteme durch gemeinsame Bemühungen für den Aufbau einer Zellproduktion im Land („Sicherung von Fertigungs-Know-how“).

ja

3) Forschung und Technologie für Speicher

Universitäre und außeruniversitäre Forschungsgruppen tragen durch die kontinuierliche (Weiter-)Entwicklung Lithium-Ionen-basierter Speicher dazu bei, dass Deutschland im Bereich Forschung und Technologie solcher Speicher zu den international führenden Ländern gehört.

ja

4) Elektroingenieurwesen(Universitätsniveau)

Universitäten bieten eine exzellente Forschung und Lehre im Bereich Elektroingenieurwesen an, um eine international führende Position für Lithium-Ionen-basierte Energiespeicher zu behaupten. ja

5) Cyber Security in Energiesystemen

Staat und Unternehmen schaffen Rahmenbedingungen für zunehmend vernetzte und IT-gesteuerte Energiesysteme mittels effektiver und effizienter Maßnahmen zur Abwehr von Cyberbedrohungen (Stichwort „Resilientes Energiesystem“).

bedingt

Tabelle 1: Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme, die in diesem Bericht untersucht werden

13

Methodik zur Identi fikation von Schlüsselkompetenzen

Abbildung 3: Schlüsselkompetenzen im Technologiefeld der Energiespeichersysteme – Ergebnisse (Quelle: eigene Darstellung)

sehr niedrig

eindeutige Schwäche eindeutige Stärke

sehr hoch

0

10

1021 3 4

5

4

3

2

1

5

6

6

7

7 8 9

8

9

Bede

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Derzeitige Position Deutschlands im internationalen Vergleich

3

30 2

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4

5

1

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26

24

31

18 1611

17

19

10

28

7

29

20

9 22

21

812

23276

Legende:Orange markierte Rauten: Diese Schlüsselkompetenzenwerden im vorliegenden Bericht vertiefend behandelt.

Nr. Kompetenzname Nr. Kompetenzname

1 „Batteriespeicher-Veredelung“ * 17 Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)

2 Batteriemanagementsysteme (BMS) 18 Hybridkompetenzen (z. B. Energie + Maschinenbau/IT) – Universitätsniveau

3 Aufbau einer Zellproduktion 19 Speicher als Flexibilisierungsinstrument – generell

4 Risikoreduzierung/-absicherung 20 Energiesystem-Flexibilisierung durch Demand-Side-Management

5 Modellregionen 21 Energiesystem-Flexibilisierung durch Elektromobilität

6 Finanzierung für Start-ups 22 Energiesystem-Flexibilisierung durch Hausspeicher

7 Klarheit in den Rechtsfragen 23 Energiesystem-Flexibilisierung durch Großspeicher

8 Definition von Speicher 24 Robustheit und Bedienerfreundlichkeit

9 Nutzerbeteiligung 25 Forschung und Technologie für Speicher

10 Globale CO2-Preisvorgabe 26 Dialogorientierte Einbindung der Zivilgesellschaft

11 Koordination EU–Nationalstaat 27 Umweltverträglichkeit chemischer Speicher

12 Strombasierte Heizungsanlagen 28 „Cross-Energienetz-Denken“

13 Energiespeicher-Plattformen 29 Öffentliche Ladeinfrastruktur

14 „Energieministerium“ 30 Cyber Security in Energiesystemen

15 Technologieoffene Speicher-Innovationsprogramme 31 Rolle der Erdgas-Infrastruktur

16 Erneuerbare-Energie-Anteile im Netz

Legende: § Orange Markierungen: Diese Kompetenzen werden im vorliegenden Bericht genauer untersucht. § Erklärung/Erläuterung zu Nr. 1: Gemeint ist der Einbau von Speichern in höherwertige/komplexere Produkte wie zum Beispiel Produktionssysteme, Elektro-

autos und Schwarmsteuerungen.

14

Die Entscheidungskriterien für die Wahl dieser fünf (von insge-samt 31) Schlüsselkompetenzen waren:

§ Die Schlüsselkompetenzen haben eine sehr hohe Marktrele-vanz (siehe Abbildung 3).

§ Die Schlüsselkompetenzen besitzen aus Sicht der beteiligten Expertinnen und Experten und Patinnen und Paten aktuell eine hohe Priorität.

§ Die Schlüsselkompetenzen decken gemeinsam betrachtet die Wertschöpfungsstufen ab (siehe Basisbericht).

15

Schlüsselkompetenzen für Energiespeicher systeme

4 Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme

Im Rahmen der Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme wurde der Fokus auf die besten Länder weltweit gelegt (sogenann-te Benchmark-Länder, siehe Abbildung 4). Dabei zeigt sich einer-seits, dass Deutschland zu diesen besten Ländern dazugehört, an-dererseits aber auch, dass es innerhalb dieser „Benchmark-Gruppe“ einen eher durchschnittlichen Platz einnimmt, je nach betrachteter Schlüsselkompetenz sogar Schlusslicht ist. So ist Deutschland bei den untersuchten Schlüsselkompetenzen „Batteriemanagement-systeme (BMS)“, „Forschung und Technologie“ sowie „Cyber Securi-ty in Energiesystemen“ vergleichsweise gut aufgestellt, während es bei der Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitäts-niveau)“ etwas schlechter positioniert ist und bei der Schlüsselkom-petenz „Aufbau einer Zellproduktion“ sogar Schlusslicht ist (siehe Abbildung 4 und die Ausführungen in diesem Kapitel für Details).

Die in Abbildung 4 ersichtliche Gesamteinschätzung ergibt sich aus einer indikatoren-basierten (quantitativen) und einer exper-ten-basierten (qualitativen) Analyse.

§ Die indikatorenbasierten Ergebnisse stützen sich auf die Auswertungen relevanter Studien mit entsprechenden Län-derrankings. Die Ergebnisse werden durch Länderfahnen und durch die linke Skala dargestellt.

§ Die expertenbasierten Ergebnisse beruhen auf Interviews mit den Mitgliedern des für diesen Bericht zusammengestell-ten Expertenpanels. Dabei schätzten die Expertinnen und Ex-perten auch die Position Deutschlands für jede Kompetenz im internationalen Vergleich ein. Die Ergebnisse werden auf Kompetenzebene als Median ausgewiesen, also als zentra-ler/mittlerer Wert nach Befragung aller Expertinnen und Ex-perten (siehe orangene Querbalken mit der dazugehörigen rechten Skala in Abbildung 4).

§ Beide Ergebnisse zusammengenommen ergeben eine Ge-samteinschätzung für Deutschlands Position im Bereich der Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme (siehe grau hinterlegter Bereich in Abbildung 4, Mittelwert aus den Ergebnissen der einzelnen Schlüsselkompetenzen).

Abbildung 4 entspricht der höchstmöglichen Aggregationsform für die Darstellung der Schüsselkompetenzen für Energiespei-chersysteme im internationalen Vergleich („NKM-Dashboard“). Die nachfolgenden Abschnitte 4.1 bis 4.5 gehen detailliert auf die Einzelergebnisse pro Schlüsselkompetenz ein.

Abbildung 4: Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme im internationalen Vergleich (Quelle: eigene Darstellung)






Speicher


0 0

10

Bew

ertu

ng (i

ndik

ator

en-b

asie

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1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Bew

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ng (e

xper

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basi

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1

2

3

4

5

6

7

8

9






16

4.1 Schlüsselkompetenz: Batteriemanagementsysteme (BMS)

4.1.1 Beschreibung und Zusammenfassung

Batteriemanagementsysteme (BMS) schützen die Zellen inner-halb einer Batterie vor Schäden, indem sie sicherheitsrelevante Daten erfassen und ausgeben sowie die Ladung beziehungswei-se Entladung steuern.14

Batterien bestehen aus gepackten Zellen, die sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet sein können. Aufgrund der chemischen Eigenschaften der Zellen nehmen sie bei falscher Ladung oder Entladung wie zum Beispiel Überladung oder Überentladung leicht Schaden.15 Durch die Erfassung der Parameter Zellspan-nung, Temperatur und Batteriestrom sowie deren Auswertung kann die Lebensdauer der Zellen verlängert werden.16 Das Sys-tem, das auf der einen Seite diese Daten erhebt und ausgibt und auf der anderen Seite die Ladung und Entladung der Batterie steuert, wird BMS genannt (Abbildung 5). Es hat folgende Schlüsselfunktionen:17

§ Vermeiden von Schäden an den Schaltkreisen durch elektri-sche Schwankungen

§ Vermeiden von Überladung oder Überentladung einzelner Zellen

§ Vermeiden von Überhitzung einzelner Zellen § Optimieren der Leistung einzelner Zellen in einem Pack § Erhalten eines stabilen Funktionszustandes § Aufzeigen von Abweichungen vom Normalzustand einzelner

Zellen

Die BMS sind hochangepasste Systeme. Je nach Verwendungs-zweck und Eigenschaften der Batterie werden sie individuell aus-gelegt. Dabei hängen die notwendigen Eigenschaften zum Bei-spiel von folgenden Charakteristika der Anwendung ab: Lade- und Entladespannung, Zeitraum zwischen der Beanspruchung, Fre-quenz des Wechsels zwischen Ladung und Entladung etc.18

Heutige BMS werden im Wesentlichen durch die Eigenschaften der Batteriezelle bestimmt – zukünftig werden jedoch die BMS die Zellen bestimmen. Dabei werden BMS deutlich leistungs-

stärker, hochangepasst19 und „intelligenter“ in der (selbstlernen-den) Zellsteuerung. Große Datenmengen über den Zustand der Zellen und deren Zusammenspiel werden dabei in Echtzeit im BMS gesammelt und interpretiert – zum Zwecke der optimalen Zellsteuerung und der Vernetzung von Lithium-Ionen-Speichern mit anderen Systemen.

Es lassen sich vier Anwendungsbereiche zusammenfassen:20

§ Telecom: Als stationäre Anwendung versorgt der Akkumula-tor Rechenzentren, Sicherungssysteme für IT, Versorgungs-knoten für die Telekommunikation etc. mit Energie.

§ Stationäre Energiespeicher: Als stationäre Anwendung dient die Batterie als Puffer für Systeme mit erneuerbaren Energiequellen und als Energiespeicher für Privathaushalte sowie gewerbliche und kommunale Anwendungen.

§ Automobil: Als mobile Anwendung dient die Batterie zur Speicherung von Energie in Elektro- und Hybrid-Autos.

§ Sonstiges: Als mobile Anwendung dient der Akkumulator zur Speicherung von Energie in militärischen Anwendungen und Kommunikationsgeräten.

Für Deutschland ist insbesondere die Anwendung von BMS in Automobilen interessant; ebenso wächst der Markt für das Netz-management, Energiespeichersysteme im Hausgebrauch und den Bereich Telecom. In den USA liegt der Anwendungsschwer-punkt im automobilen Bereich und im Bereich der stationären

14 | Vgl. Andrea 2011, S. 15 f. Ähnliche Beschreibungen finden sich auch bei Frost & Sullivan 2015, S. 5 sowie bei Alvarez et al. 2017, S. 15.15 | Vgl. Andrea 2011, S. 1.16 | Vgl. Dorn et al. 2013, S. 177.17 | Vgl. Frost & Sullivan 2015, S. 5.18 | Vgl. Alvarez et al. 2017, S. 19 ff.19 | Vgl. Alvarez et al. 2017, S. 19 ff.20 | Vgl. Frost & Sullivan 2015, S. 7.

Überwachungseinheit Steuerungseinheit

Sensor SensorSensor Sensor

Motor

Zelle Zelle Zelle Zelle ...

Ladeschnittstelle

Akk

umul

ator

BMS

Abbildung 5: Begriffsverständnis „ Batteriemanagementsysteme“ (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an Frost & Sullivan 2015)

17


Energiespeicher. Militärische Anwendungen überwiegen im Mittleren Osten, im asiatisch-pazifischen Raum ist der Markt stark fragmentiert.21

Die Kompetenz „Batteriemanagementsysteme“ lässt sich in ei-nem Kompetenzsatz zusammenfassen:

Unternehmen erhöhen Stabilität, Qualität und Leis-tungsfähigkeit von Batteriemanagementsystemen durch entsprechende (Weiter-)Entwicklung der Systeme.

Zusammenfassung:

Deutschland nimmt bei der Schlüsselkompetenz „Batterie-managementsysteme“ im internationalen Vergleich eine sehr gute Position ein. Dieses Gesamtergebnis setzt sich aus zwei von-einander unabhängig erarbeiteten Teilergebnissen zusammen:

§ Indikatorenbasierte Einschätzungen auf Basis passfähiger Rankings (Sekundärquellenanalyse): Demnach liegt Deutsch-land bei der Kompetenz „Batteriemanagementsysteme“ nach Japan und den USA auf dem dritten Platz. Japan hält in diesem Bereich die meisten Patente, während in den USA die meisten herstellenden Unternehmen beheimatet sind.

§ Expertenbasierte Einschätzungen auf Basis eigens durch-geführter und ausgewerteter Expertenbefragungen: Dabei schätzten die Expertinnen und Experten die Kompetenz „Bat-teriemanagementsysteme“ als eindeutige Stärke Deutsch-lands ein. Die deutschen BMS sind nach Aussage der befrag-ten Expertinnen und Experten derzeit robuster als die asiatischen, und Zukunftschancen werden sowohl in der intel-ligenten Vernetzung der BMS als auch in der Forschung zum tatsächlichen Zellverhalten gesehen.

4.1.2 Indikatorenbasierte Einschätzungen

Diskussion: Aussagekraft und Bedeutung von Rankings

Daten mit direktem Bezug zu Batteriemanagement-systemen (BMS) sind insgesamt nur sehr eingeschränkt verfügbar. Aufgrund des starken Wettbewerbs und Sicherheitsbedenken seitens der Unternehmen bleiben viele Informationen, insbesondere große Unternehmen betreffend, oft vertraulich. Insofern können die hier präsentierten Rankings bestenfalls erste Anhaltspunk-te geben. Im vorliegenden Bericht werden sie im Sinne eines doppelten Abgleichs den Einschätzungen des Ex-pertenpanels gegenübergestellt.

21 | Vgl. Frost & Sullivan 2015, S. 23.

18

Für die Messung der Schlüsselkompetenz „Batteriemanagement-systeme“ wurden Daten aus den Quellen „Relecura IP Intelli-gence Report 2014“, „Global Battery Management Systems“ so-wie „EVERLASTING“ ausgewertet.22

Top-Patentinhaber in der Batterietechnik für E-Autos (Abbil-dung 6, zweite Spalte)Die Plattform Relecura hat im September 2014 die Patentanzahl elektrisch angetriebener Fahrzeuge (Elektro- und Hybrid-Autos) der größten Konkurrenten von Tesla erfasst.23

Der zentrale Betrachtungspunkt der Analyse war der Bereich der Patententwicklung für Batterietechnologien. Dieser umfasst Techno-logien wie BMS, Lithium-Ionen-Speicher, Brennstoffzellen und Tem-peraturregelung. Unter den größten Patenthaltern befinden sich Unternehmen aus dem Automotive-Sektor sowie aus der Batteriefer-tigung. Die Unternehmen wurden ihren jeweiligen Ländern zuge-ordnet, um eine Vergleichbarkeit zwischen diesen herzustellen.

Bezüglich der Patentanzahl für Batterietechnologien sind japani-sche Unternehmen, wie beispielsweise Toyota, Honda und Nis-san, führend. Die USA, Südkorea, Frankreich und Deutschland fallen dagegen weit dahinter zurück – nicht nur im Hinblick auf die Anzahl ihrer Patente für Batterietechnologien, sondern auch die Anzahl der Unternehmen betreffend, die viele Patente hal-ten. Der Indikator „Top-Patentinhaber in der Batterietechnik für Elektroautos“ wird daher deutlich von Japan angeführt. In der Verfolgergruppe befindet sich Deutschland an der Spitze.

Anzahl von BMS herstellenden Unternehmen (Abbildung 6, dritte Spalte)Die Autorinnen und Autoren analysieren Unternehmen, die auf dem BMS-Markt tätig sind. Die entsprechenden Daten stammen aus zwei Quellen: der Studie „Global Battery Management Sys-tems“ von Frost & Sullivan und dem Projektbericht „EVERLASTING“24 von Alvarez et al.

22 | Vgl. Relecura 2014, Frost & Sullivan 2015 sowie Alvarez et al. 2017.23 | Vgl. Relecura 2014.24 | Im Rahmen von Experteninterviews wurde explizit auf den Projektbericht und seine hohe Qualität hingewiesen.

§ Japan hält mit Abstand die meisten Patente im Bereich der Batterietechnik für Elektrofahrzeuge. § Die USA beheimaten mit Abstand die meisten BMS herstellenden Unternehmen. § Deutschland führt die Verfolgergruppe an.

Abbildung 6: Schlüsselkompetenz „Batteriemanagementsysteme“ (BMS): Kernergebnisse der indikatoren-basierten Bewertung ( Quelle: eigene Darstellung)

Bew

ertu

ng

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Gesamteinschätzung(Mittelwert)

= +Top-Patentinhaber in der Batterie-technik für Elektrofahrzeuge (2014)

aus: Relecura IP Intelligence Report

Anzahl von Unternehmen, die Batterie-managementsysteme herstellen (2015-2017)

aus: Frost & Sullivan (2015) sowie aus dem EU-Projekt „Everlasting“ (2017)

(6,5)(6,0)

(10,0)

(6,0)

(8,0)

(10,0)

(5,5)(5,75)(5,75)

(5,25)

8 – 10 = herausragend 6 – 7 = überdurchschnittlich4 – 5 = durchschnittlich2 – 3 = unterdurchschnittlich0 – 1 = Schlusslicht

(6,0)(6,5)

(3,5)

(6,0)

(6,75)(6,75)

(5,75)

(8,25)

(5,5)

(6,0)

19


25 | Vgl. Frost & Sullivan 2015.

Die Untersuchung von Frost & Sullivan 2015 verschafft einen Gesamtüberblick über den BMS-Markt.25 Es werden die Wachs-tums- und Anwendungsbereiche der Systeme aufgezeigt sowie Treiber und Hürden der nächsten Jahre genannt. Die Technolo-gie wird detailliert erläutert und der zukünftige Bedarf an intelli-genten BMS herausgestellt. Im Rahmen einer Marktanalyse wer-den globale Player auf dem BMS-Markt charakterisiert. Die aufgeführten Player bilden einen Teil der Datengrundlage des Indikators „Anzahl BMS herstellende Unternehmen“.

Den anderen Teil der Datengrundlage bildet der Bericht „Analy-sis of the state of the art on Battery Management Systems“ des EU-geförderten Projekts „EVERLASTING”. Die Forschung zielt auf präzisere Vorhersagen zur verbleibenden Akkuleistung, auf eine verlängerte Zelllebensdauer durch optimale Beanspruchung und auf niedrigere Kosten der Batterien ab. In einem ersten Ergebnis-bericht werden 40 BMS von 29 Herstellern analysiert. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf den technischen Unter-schieden der Systeme. Die in dem Projekt aufgeführten Unter-nehmen bilden den zweiten Teil der Datengrundlage des Indika-tors „Anzahl BMS herstellende Unternehmen“.

Die USA beheimaten mit deutlichem Abstand die meisten BMS herstellenden Unternehmen (17), beispielsweise Ford, Intel, Tes-la und Texas Instruments. Die Folgegruppe, bestehend aus Deutschland, Großbritannien, Japan, Frankreich, China und der Republik Korea, liegt verhältnismäßig weit hinter den USA und Japan zurück; Deutschland und Großbritannien führen die Grup-pe mit jeweils sechs Unternehmen an, während die Republik Ko-rea das Schlusslicht der aufgeführten Top 7 ist (zwei Unterneh-men). Dementsprechend führen die USA beim Indikator „Anzahl BMS herstellender Unternehmen“. Wie auch im oben beschriebe-nen Indikator ist Deutschland an der Spitze der Folgegruppe in-ternational gut positioniert.

4.1.3 Expertenbasierte Einschätzungen

Im Rahmen des vorliegenden Berichts wurden insgesamt 26 In-terviews mit Expertinnen und Experten durchgeführt und analy-siert. Die Expertinnen und Experten wurden anhand eines Leitfa-dens (siehe Anhang) unter anderem danach gefragt, welche Hürden zu überwinden sind, damit sich das Technologiefeld Energiespeichersysteme in der Breite am Markt durchsetzen kann. Daran anschließend wurden die Expertinnen und Experten gefragt, welche Hürden speziell aus deutscher Sicht zu überwin-den sind, damit Deutschland im internationalen Vergleich eine nachhaltig gute Wettbewerbsposition hat – entlang der gesam-ten Wertschöpfungskette. Die gesamte Befragung orientierte sich dabei an der zuvor ausgearbeiteten und in Kapitel 2.1

vorgestellten Kompetenzdefinition. Nachfolgend werden die Er-kenntnisse aus dieser Expertenbefragung unter besonderer Be-rücksichtigung der Schlüsselkompetenz „Batteriemanagement-systeme“ vorgestellt.

Die befragten Expertinnen und Experten schätzen Deutsch-lands Kompetenz bei den Batteriemanagementsystemen als gut ein. Gerade die Weiterentwicklung der bestehenden BMS zu in-telligent vernetzten BMS wird als große Chance für den Wirt-schaftsstandort Deutschland gesehen. Im internationalen Ver-gleich bescheinigen die Expertinnen und Experten Deutschland dahingehend einen Vorsprung und bestätigen somit die indika-toren-basierten Ergebnisse.

„Unsere Chance liegt in der Zusammenführung der Zel-len. Wir müssen ‚Batterie-Packs‘ bauen mit 10 bis 200 Zellen. Diese Zellen müssen wir intelligent verbinden und steuern. Dafür brauchen wir ein BMS.“

Obwohl nach Meinung der Expertinnen und Experten die Zel-len und das BMS eng miteinander verknüpft sind, scheinen deutsche Unternehmen und Forschungseinrichtungen einen Wissens- und Erfahrungsvorsprung im Bereich BMS gegenüber der asiatischen Konkurrenz zu haben. Es wird jedoch erwartet, dass mehr und mehr asiatische Zellenfertiger ihre eigenen BMS herstellen und komplette Akkumulatoren in ihre Portfolios auf-nehmen werden.

„Eine Abgrenzung gegenüber der asiatischen Konkurrenz ist durch intelligente Systeme möglich, in denen der Spei-cher integriert ist.“

Im internationalen Vergleich wird Deutschlands Stellung von den Expertinnen und Experten als gut eingeschätzt: Gerade die Energie-wende leiste der Fokussierung auf Software- und Systemverständnis Vorschub. Es wird allerdings von Expertinnen und Experten auch darauf hingewiesen, dass die Systemintegration in den USA besser funktioniere als in Deutschland. Eine Ursache dafür sei die man-gelnde Wachstumsfinanzierung für erfolgreiche Start-ups. For-schungsgelder würden in den USA unbürokratischer und in höherer Summe vergeben als in Deutschland.

Alle befragten Expertinnen und Experten sind sich einig, dass das Thema BMS nur im Verbund vorangetrieben werden kann, also gemeinsam von Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Staat. Die Weiterentwicklung der BMS würde in Deutsch-land durch gemeinsame Bemühungen der Akteure in themen-übergreifenden Netzwerken bereits gut umgesetzt.

20

Laut einigen Expertinnen und Experten ist Asien momentan noch kein ernst zu nehmender Konkurrent auf dem Gebiet der Batterie-managementsysteme. Asiatische Länder, vor allem Japan, Süd-korea und China, seien sehr gut in der (Massen-)Zell fertigung, aber (noch) nicht im Bereich zukunftsweisender Batteriemanagement-systeme. Der Schritt von der reinen Zellfertigung hin zu guten Bat-teriemanagementsystemen sei jedoch naheliegend und müsse zu entsprechenden Bemühungen in Deutschland führen, den (noch) existierenden Vorsprung im Bereich BMS auch zukünftig beizube-halten beziehungsweise auszubauen.

„Asiatische Länder arbeiten natürlich auch an Batterie-managementsystemen. Dies sind aber meist rein theoreti-sche Arbeiten, etwa Simulationen. Das kann man ganz gut an den entsprechenden Publikationen zu dem Thema aus Asien erkennen. Deutschland ist hier viel weiter! Wir führen echte Messungen durch, die das Verhalten der Zel-len real abbilden und steuern. Außerdem sind die BMS aus Deutschland auch robuster. Nehmen Sie mal ein

BMS aus Asien in den Life-Betrieb von Hochleistungszel-len – die dahinter liegenden Algorithmen stürzen oft ab und funktionieren recht schnell überhaupt nicht mehr. Solche Themen laufen hier in Deutschland besser.“

Um die Entwicklung intelligenter BMS in Deutschland noch bes-ser voranzutreiben, müsse sich die Lehre an den Universitäten noch stärker an aktuellen Technologien orientieren, so einige Ex-pertinnen und Experten. Außerdem sei eine enge Zusammenar-beit mit Unternehmen notwendig, um die „Batterieexperten von morgen“ auszubilden.

„Es werden Querschnittsleute gebraucht: Sie brauchen Er-fahrungen im Bereich Software und im Bereich Elektro-technik/Elektrochemie.“

Angesichts der zu erwartenden Dynamik im Bereich der Elektro-mobilität werden BMS zukünftig immer wichtiger. Auch der Aus-bau erneuerbarer Energien treibt diese Entwicklung voran.

Expertenbasierte Einschätzungen:

§ In den Zellen einer Batterie ist keine Intelligenz implementiert. Die intelligente Steuerung beziehungsweise Vernetzung von Energiespeichern wird erst über die BMS geleistet. In dieser Komplexität liegt die Chance für Deutschland.

§ Deutschland testet die BMS in der tatsächlichen Anwendungs-umgebung; in Asien finden lediglich Simulationen solcher Systeme statt. Die deutschen BMS sind den asiatischen Varianten damit (noch) überlegen.

§ Zukünftige BMS werden hinsichtlich ihrer Fähigkeiten immer besser und vielfältiger, hinsichtlich ihrer Software und Algorith-men aber auch immer komplexer.

Zitate aus den Interviews (Auswahl):

§ „Aus Asien kommen (noch) keine guten BMS. Die großen Zellenhersteller bieten jedoch zunehmend auch eigene BMS an und sammeln so Erfahrung. Es ist eine Frage der Zeit, bis auch die Asiaten gute BMS für ihre Zellen bauen können. Daher muss Deutschland viel dafür tun, seinen momentanen Technologie-vorsprung bei BMS zu bewahren.“

§ „Die Systemintegration funktioniert in den USA schon erheblich besser, weil Forschungsvorhaben dort schneller und mit mehr Geld versorgt werden.“

§ „Im Gegensatz zu den BMS aus Asien ist die Robustheit der deutschen BMS erheblich besser.“

Abbildung 7: Schlüsselkompetenz „Batteriemanagementsysteme“: Einschätzung der Expertinnen und Experten zur Position Deutsch-lands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung)

Bei der Schlüsselkompetenz„Batteriemanagementsysteme“

hat Deutschland im internationalen Vergleich eine …

… eindeutige Stärke

… eindeutige Schwäche 0

10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

MD = 1,4

Legende:

x: Der angezeigte Wert entspricht dem Median – also dem zentralen/mittleren Wert nach Befragung aller Expertinnen und Experten zur Position Deutschlands für die angezeigte Kompetenz.

MD = mittlere absolute Abweichung vom Median (Streuung).

x = 8,0

21


4.2 Schlüsselkompetenz: Aufbau einer Zellproduktion


Zellen sind „der innerste Kern“ beziehungsweise das kleinste Ele-ment eines Lithium-Ionen-Speichers, und sie bilden erst gemein-sam mit Sensoren, Steuerungseinheiten und Ladeschnittstellen eine vollständige und gebrauchsfähige Lithium-Ionen-Batterie (siehe auch Abbildung 5 aus dem vorangegangenen Abschnitt über Batteriemanagementsysteme). In den Lithium-Ionen-Zellen laufen elektrochemische Reaktionen ab, weswegen sie auch der Kategorie elektrochemischer Speicher zugeordnet werden.

In den Zellen findet dabei ein Ladungsaustausch statt: Lithium-Ionen „wandern“ von der negativen zur positiven Elektrode. Bei-de Elektroden sind über einen ionenleitenden Elektrolyten mitei-nander verbunden (das „Transportmedium“ für die Lithium-Ionen). Die beiden Elektroden werden über den äußeren Stromkreis mit dem Verbraucher verbunden und können so elektrische Arbeit verrichten. Schematisch wird die Funktionsweise in der nachfol-genden Abbildung dargestellt.26

Entsprechend dem Aufbau und den elektrochemischen Reaktio-nen in einer Lithium-Ionen-Zelle werden diese üblicherweise nach Materialklassen differenziert.

Die Anwendungsbereiche für Lithium-Ionen-Zellen sind äußerst vielfältig. Insbesondere im Bereich der Elektromobilität, der „Consumer-Electronics“ (Laptops, Smartphones, Kameras etc.)

und zunehmend auch der stationären Speicher (Hausspeicher-systeme bei Endkunden und Großspeicher zur Netzstabilität bei Energieversorgern/Netzbetreibern) werden Lithium-Ionen-Zellen eingesetzt.

Die industrielle (das heißt standardisierte, großzählige, qualita-tiv hochwertige und trotz hoher Stückzahl sichere) Herstellung solcher Lithium-Ionen-Zellen entspricht dem Verständnis einer „Zellproduktion“ im Rahmen des vorliegenden Berichts.

Die Kompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“ lässt sich in einem Kompetenzsatz zusammenfassen:27

Staat und Unternehmen stärken den Industriestandort Deutschland im Bereich der Energiespeichersysteme durch gemeinsame Bemühungen um den Aufbau einer Zellproduktion im Land („Sicherung von Fertigungs-Know-how“).

Zusammenfassung:

In Deutschland findet keine nennenswerte Zellproduktion statt. Zwar haben die deutschen Autohersteller (OEMs) den Aufbau von Batteriekompetenz und Batteriefabriken angekündigt; eben-so plant beispielsweise die BASF eine Materialfertigung für che-mische Speicher in Europa. Zum jetzigen Zeitpunkt ist der Out-put einer Zellproduktion (gemessen in Stückzahlen oder Speicherkapazitäten) in Deutschland im Vergleich zu den global führenden Ländern jedoch kaum erwähnenswert. Entsprechend nimmt Deutschland bei der Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“ im Bereich Zellproduktion eine Schlusslicht-Posi-tion ein. Dieses Gesamtergebnis setzt sich aus zwei voneinander unabhängig erarbeiteten Teilergebnissen zusammen:

§ Indikatorenbasierte Einschätzungen auf Basis passfähiger Rankings (Sekundärquellenanalyse): Demnach ist Deutsch-land bei der Kompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“ zu-sammen mit Frankreich das Schlusslicht in der Gruppe der großen Industrieländer. Führend sind China, Japan, Südko-rea und die USA.

§ Expertenbasierte Einschätzungen auf Basis eigens durch-geführter und ausgewerteter Expertenbefragungen: Dabei schätzen die Expertinnen und Experten die Kompetenz „Auf-bau einer Zellproduktion“ als eindeutige Schwäche Deutsch-lands ein. Diese Einschätzung deckt sich mit der indikatoren-basierten Einschätzung für diese Schlüsselkompetenz.

26 | Vgl. Sterner/Stadler 2017.27 | Vgl. den Basisbericht sowie Kapitel 2 dieses Berichts für das Konzept der Kompetenzdefinition.

Laden

Kathode Anode

Entladenen

enen

en

Stro

mko

llekt

or

Stro

mko

llekt

or

Last

Ladegerät

Elektrolyt

Li+ ion

Abbildung 8: Schematischer Aufbau und Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Zelle (Quelle: Sterner und Stadler 2017, S. 284)

22



Die Aussagekraft des nachfolgenden NKM-Dashboards ist begrenzt. So sind die verwendeten und ausgewerte-ten Studien hinsichtlich ihrer Methodik und Datenlage

unterschiedlich gelagert und dabei auch nicht vollstän-dig transparent (Sekundärquellenarbeit). Ebenso fokus-sieren sie sich hauptsächlich (teilweise ausschließlich) auf die Zellproduktion für die Elektromobilität. Diese Branche ist zwar besonders wichtig für die Produktion von Lithium- Ionen-Zellen, sie ist jedoch nicht die einzig

§ Die weltweit führenden Länder für eine Zellproduktion sind China, Korea und Japan: In diesen Ländern existiert eine hohe technologische Leistungsfähigkeit für die Produktion von Lithium-Ionen- Speichern, sie beheimaten vergleichsweise viele Unternehmen aus dem entsprechenden Bereich, sie decken alle Wertschöpfungsstufen für die Produktion von Lithium-Ionen-Spei-chern ab (vom Handel mit Rohstoffen bis hin zum Recycling), und sie produzieren weltweit die meisten Zellen.

§ Die größten Zellfertigungsunternehmen kommen aus Korea (LG Chem) und Japan (Panasonic/Sanyo). In Stückzahlen gemessen ist jedoch China der größte Zellhersteller; das Land subventioniert seine heimische Zellfertigung sehr stark.

§ Die USA werden zunehmend zum wichtigen Player auf dem Markt der Zellfertigung. Das Land hat in den letzten Jahren viel Fachexpertise und „Produktionsoutput“ hinzugewonnen. Nach Meinung einiger der befragten Expertinnen und Experten sollten die USA bei der Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zellproduk-tion“ aber nicht allzu hoch bewertet werden, wie es die Rankings

teilweise suggerieren (siehe Abbildung 9). So stammen die Tesla-Zellen beispielsweise vom japanischen Hersteller Panasonic beziehungsweise beruhen auf einer Panasonic-Technologie.

§ Deutschlands Standortfaktoren für eine Zellproduktion sind eher durchschnittlich, im Vergleich zu den führenden Ländern ist Deutschland sogar Schlusslicht. Deutschland verfügt zwar über gute und stabile rechtliche Rahmenbedingungen sowie eine gute generelle technologische Leistungsfähigkeit – zwei wichtige Faktoren für ein gutes Marktumfeld. Speziell im Bereich der Zellproduktion gibt es hierzulande jedoch keine nennenswerten Aktivitäten (im Sinne von Output). Es fehlen die entsprechenden Unternehmen und damit auch die Erfahrungen.

§ Die Zulieferindustrie sucht die Nähe zu den OEMs. Darum wird erwartet, dass führende Zellhersteller auch sehr bald nach Europa kommen – allerdings nicht nach Deutschland, sondern in europäische Länder mit geringeren Lohn- und Energiekosten: Samsung SDI plant Werke in Ungarn, LG Chem in Polen.

Abbildung 9: Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“: Kernergebnisse der indikatoren-basierten Bewertung (Quelle: eigene Darstellung)

Bew

ertu

ng

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


= +Marktstrukturen für eine LIB-Produktion (2016)

aus: Energiespeicher Monitoring (Fraunhofer ISI)

Standortfaktoren zur Zellproduktion (2015)

aus: Bericht der Nationale Plattform Elektromobilität, NPE

(8,0)

(5,75)

(3,5)

(5,25)

(7,0)

(6,25)

8 – 10 = herausragend 6 – 7 = überdurchschnittlich4 – 5 = durchschnittlich2 – 3 = unterdurchschnittlich0 – 1 = Schlusslicht (0)

(3,5)

+ Inländische Zellproduktion in MWh (2015-2019)

aus: Index Elektromobilität von

Roland Berger und der FG Kraftfahrwesen

(5,5)

(4,5)(5,0)

(5,5)

(0,25)

(4,75)

(5,75)

(7,0) (7,25)

(10,0)

(9,25)

(7,5)

(6,5)

(3,5)(4,0)

(7,0) (7,0)

23


relevante Branche im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-basierten Speichern. Lithium-Ionen-Zellen werden bei-spielsweise auch für den Massenmarkt (Smartphones, Laptops etc.) und für stationäre Speicher (zum Beispiel Haus- und Groß speicher) produziert.

Die Rankings können jedoch Tendenzen für einen Län-dervergleich im Bereich der Zellproduktion aufzeigen. Ebenso sind die hier verwendeten und ausgewerteten Studien für die Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zell-produktion“ vergleichsweise passfähig und aktuell. Im vorliegenden Bericht werden solche Rankings auch ver-wendet, um die eigens erhobenen Einschätzungen des Expertenpanels zu validieren.

Die in Abbildung 9 dargestellten Ergebnisse stammen aus drei ausgewerteten und in das NKM-Dashboard übertragenen Sekundärquellen:

Marktstrukturen für die Produktion von Lithium-Ionen-Speichern (Abbildung 9, zweite Spalte)Das „Energiespeicher-Monitoring“ identifiziert die globalen Leitmärkte für Energiespeicher mit Fokus auf Lithium-Ionen- Speicher. Das Monitoring analysiert dabei die Rahmenbedin-gungen eines Landes für Unternehmen, um Lithium-Ionen-Speicher zu produzieren – über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg. Konkret werden vier Kategorien, sogenannte Komposit- Indikatoren, gebildet und ausgewertet: Forschung und Technologie, Nachfrage, Industrie und Markstrukturen. In der letztgenannten Kategorie, den Marktstrukturen, werden nationale Rahmenbedingungen für Lithium-Ionen-Speicher inter national verglichen – anhand der Indikatoren Qualität der Regierungsführung/Stabilität, generelle technolo gische Leistungs fähigkeit, Recycling, Produktion und Handel mit Rohstoffen, Abdeckung der Wertschöpfungskette, Unter-nehmensgröße sowie Anzahl Unternehmen 2015 (jeweils für Lithium-Ionen-Speicher).

Dabei zeigt sich, dass Japan, China und Korea über die besten Marktstrukturen für die Produktion von Lithium-Ionen-Speichern verfügen. Im japanischen Markt gibt es beispielsweise schon jetzt zahlreiche große Unternehmen, die das gesamte Spektrum einer Produktion für Lithium-Ionen-Speicher abdecken; entspre-chend „gereift“ sind die „Vor-Ort-Erfahrungen“ im Umgang mit solchen Speichern. Unter dem hier eingenommenen Blickwinkel – Marktstrukturen/Rahmenbedingungen für Lithium-Ionen-Spei-cher – gehört Deutschland nicht zu den führenden Ländern der Welt. Beispielsweise liegt es bei der Produktion von Rohstoffen

sowie von Kathoden- und Elektrolytmaterialien im Vergleich zu asiatischen Ländern weit zurück.

Standortfaktoren zur Zellproduktion (Abbildung 9, dritte Spalte)Im Rahmen der Arbeiten der „Nationalen Plattform Elektromobili-tät (NPE)“ wurde Deutschland als möglicher Standort für eine Zell-fertigung für Lithium-Ionen-Speicher untersucht. Dabei sind vor al-lem Personalthemen, Energiekosten und Subventionen wichtige Standortfaktoren, die – je nach Land – für oder gegen eine Zellpro-duktion sprechen.28 Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Südko-rea, China, Polen und die USA die besten Zellfertigungsstandorte darstellen. In diesen Ländern sind die Personalkosten niedrig, und der Staat subventioniert eine Zellproduktion. Deutschland gehört bei der Ausfertigung nicht zu den favorisierten Zellproduktionss-tandorten – die Lohn- und Energiekosten sind zu hoch, und staat-liche Subventionen sind vergleichsweise gering.

Auffallend ist ferner, dass Japan als Zellproduktionsstandort in der Studie am schlechtesten bewertet wurde – aufgrund hoher Energie- und Personalkosten bei gleichzeitig geringer Personal-verfügbarkeit.

Insgesamt zeigt die Untersuchung auch, dass keines der bewer-teten Länder besonders gut oder schlecht abschneidet: Sie lie-gen alle dicht gedrängt im Mittelfeld (siehe Abbildung 9).

Inländische Zellproduktion (Abbildung 9, vierte Spalte)Im Bericht „Index Elektromobilität“ (Roland Berger 2017) werden die Wettbewerbspositionen der sieben führenden Automobilnati-onen (Deutschland, Frankreich, Italien, USA, Japan, China, Südko-rea) unter anderem anhand der Batteriezellproduktion in Mega-wattstunden (MWh) pro Land von 2015 bis 2019 verglichen.

Dem Bericht zufolge kommen die meisten Batteriezellen aus China – das Land subventioniert die heimische Zellindustrie in hohem Maße und möchte seine weltweite Führungsposition in der Zellfertigung weiter ausbauen. Die größten chinesischen Zellhersteller sind BYD, CATL, Lishen und Wanxiang. Global be-trachtet kommen die größten Zellhersteller aus Japan (Panaso-nic/Sanyo) und Südkorea (LG Chem), in Summe stammen die meisten Batteriezellen aber aus China. Die USA liegen im Be-reich Zellproduktion in MWh hinter den asiatischen Ländern zurück – ihre Zellproduktion steigt aber durch japanische Un-ternehmen in den USA und durch Tesla an. Tesla wird im Ge-gensatz zu den meisten anderen OEMs seine eigenen Batterie-zellen produzieren (teilweise jedoch auf Basis von Panasonic-Technologien). Deutsche Autohersteller (OEMs) ha-ben den Aufbau von Batteriekompetenz und Batteriefabriken in Deutschland angekündigt. LG Chem und Samsung SDI

28 | Vgl. den Anhang für eine detaillierte Beschreibung der Einzelfaktoren zur Standortbewertung für Zellproduktionen der NPE.

24

melden für 2018/19 den Aufbau von Zellproduktionskapazitä-ten in Europa an – allerdings nicht im lohnkostenintensiven Deutschland, sondern in Ungarn (Samsung SDI) und Polen (LG Chem). Frankreich, obwohl weltweit einer der wichtigsten Her-steller für Automobile (Roland Berger 2017), hat keine signifi-kante Zellproduktion vorzuweisen.

Einschränkend sei erwähnt, dass sich die Daten der Studie aus-schließlich auf die Zellproduktion für den Automobilsektor bezie-hen. Da dieser jedoch der größte und vielversprechendste Markt für Zellproduktion ist29, sind die Auswertungen auch für den vor-liegenden Bericht richtungsweisend.


Im Rahmen des vorliegenden Berichts wurden insgesamt 26 In-terviews mit Expertinnen und Experten durchgeführt und analy-siert.30 Nach folgend werden die Erkenntnisse aus dieser Expertenbefragung unter besonderer Berücksichtigung der Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“ vorgestellt.

Die befragten Expertinnen und Experten schätzen die Kompe-tenz „Aufbau einer Zellproduktion“ in Deutschland als Schwäche ein. Diese Einschätzung deckt sich mit der indikatoren-basierten Bewertung (siehe Unterabschnitt 4.2.2).

„Bei uns fehlt es bei dem Thema komplett an Erfahrung und an Leuten. Das können andere einfach besser.“

Die Zellfertigung findet derzeit nicht in Deutschland statt, son-dern in Südostasien, und dort insbesondere in China, Japan und Korea. Auch die USA bauen nach Einschätzung der meisten Ex-pertinnen und Experten ihre Kompetenzen im Bereich der Zell-produktion zunehmend auf und aus – insbesondere Tesla.

Die Expertinnen und Experten der Nationalen Plattform Elektro-mobilität (NPE) empfehlen in ihrer Roadmap zur integrierten Zell- und Batterieproduktion den stufenweisen Aufbau einer Zell-fabrik mit einer Kapazität von 13 GWh/a bis 2025. Eine Zellpro-duktion in dieser Größenordnung sichert Know-how und schafft standortabhängig bis zu 1.300 Arbeitsplätze in der Fabrik sowie bis zu 3.000 neue Stellen in dessen Umfeld. Für den Aufbau ist ein Investment von etwa 1,3 Milliarden Euro und finanzielles Durchhaltevermögen notwendig: bis zur Amortisation der Pro-duktion ist ein Zeitraum von bis zu 10 Jahren zu überbrücken.

Die meisten der für diesen Bericht befragten Expertinnen und Experten raten, dass Deutschland keine Zellfertigung im Allein-gang aufbauen sollte. Stattdessen solle man mit asiatischen Län-dern zusammenarbeiten und dabei die wichtigsten Zulieferer für eine Zellfertigung nach Europa, in die Nähe der OEMs, holen.

„Ohne Asien geht hier gar nichts! Die arbeiten in dem Bereich seit 15 Jahren. Die können Zellen herstellen: hoch individualisiert, hoch durchorganisiert, mit Losgröße 1 und für spezifische Anforderungen. Die haben mechani-sche Füllungen für die Zellen – Wiegen und Laden geht alles automatisch, einschließlich riesiger und vollauto-matischer Hochregallager. Wie wollen wir das aufholen? Es gibt nur die Lösung, dass asiatische Firmen zu uns nach Europa kommen und wir ihre Zellen verwenden be-ziehungsweise mit ihnen hier in Europa kooperieren. Al-leine holen wir den Vorsprung niemals ein!“

„Wir besorgen uns die besten Zellen aus Asien, testen und entwickeln sie weiter, bauen Batteriemodule und BMS. Hier liegen unsere Chancen, aber nicht in der Zellproduk-tion. Die ist fest in asiatischer Hand.“

Darüber hinaus empfehlen die meisten Expertinnen und Exper-ten mit Blick auf Deutschland, sich eher auf Batteriemanage-mentsysteme als auf die reine Zellproduktion zu fokussieren (sie-he dazu auch Abschnitt 4.1). Auch in der Entwicklung neuer Batteriegenerationen (Gen 4) liegen höhere und bessere Chan-cen für die Wertschöpfung in Deutschland.

Zwar sei zu erwarten, dass die führenden Zellhersteller zukünftig räumlich näher bei den OEMs produzieren werden – davon wer-den aber wahrscheinlich europäische Länder mit niedrigeren Lohn- und Lohnnebenkosten profitieren. Einige wenige Expertin-nen und Experten sind der Meinung, dass der Aufbau einer deut-schen Zellproduktion wünschenswert wäre, um Erfahrungen in der Zellproduktion zu sammeln; diese Erfahrungen könnten dann auf die zukünftigen Batteriegenerationen 3 und 4 angewandt werden. Außerdem habe Deutschland traditionell sehr gute Kom-petenzen in der Fertigung, und diese könnten für den Aufbau ei-ner deutschen Zellproduktion genutzt werden. Einigkeit besteht darin, dass eine erfolgversprechende Marktstellung bei der Zell-produktion erst mit den zukünftigen Batteriegenerationen 3 und 4 realistisch ist, da diese auf neuen Technologien und Materiali-en basieren.

29 | Vgl. Bericht „Energiespeicher-Monitoring“ (2016) des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) sowie Roland Berger 2017.30 | Vgl. auch Kapitel 2 und 3 in diesem Bericht sowie den Basisbericht (separates Dokument) für die Methodik.

25



§ Im Vergleich zu den führenden Ländern im Bereich der Zell-produktion hat Deutschland eine eindeutige Schwäche.

§ Der Großteil der Expertinnen und Experten rät davon ab, eine Zellproduktion in Deutschland ohne erfahrene Partner aus Asien zu realisieren. Viele der befragten Expertinnen und Experten raten von einer eigenen Zellproduktion in Deutschland ganz ab.

§ Deutschland sollte derzeit Zellen bei den Marktführern kaufen und „Assembling“-Kompetenzen aufbauen.

§ Deutschland hat Stärken in der Zellenforschung, insbesondere in der Materialforschung für Anode und Kathode.

§ Im Zellen-Recycling und Second Life für Lithium-Ionen-Speicher (und auch für andere Speicher) werden von einigen Expertinnen und Experten zukünftige Wertschöpfungspotenziale gesehen.


§ „Japan und Korea sind Deutschland bei dem Thema Lithium- Ionen-Speicher deutlich überlegen.“

§ „Wir brauchen mehr Forschung auf dem Gebiet der zukünftigen Batteriegenerationen. Wir haben einen guten Forschungsstandort und sollten diesen nutzen, insbesondere in der Materialforschung von Zellen.“

§ „Es mangelt in Deutschland im Vergleich zu den USA an einer Anschluss-/Wachstumsfinanzierung für erfolgreiche Start-ups für Zellfertigung.“

Abbildung 10: Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“: Einschätzung der Expertinnen und Experten zur Position Deutsch-lands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung)

Bei der Schlüsselkompetenz„Aufbau einer Zellproduktion“




10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

MD = 1,1

Legende:



x = 2,0

Einige Expertinnen und Experten sehen auch heute schon Poten-zial im Bereich der Zellfertigung, indem man von den Marktfüh-rern Zellen bezieht und diese zu „Batterie-Packs“ veredelt. Hierfür benötigen die Unternehmen entsprechende Kompetenzen im Zu-sammenfügen der Zellen (Assembling). Dabei spielt auch das Batteriemanagementsystem eine entscheidende Rolle, das die Zellen untereinander verbindet und steuert. Bei den Kompeten-zen im Bereich der Batteriemanagementsysteme belegt Deutsch-land eine aussichtsreiche Position (siehe Kapitel 4.1).

Die Expertinnen und Experten sind sich auch einig, dass Deutschland in der Forschung und Entwicklung von Zellen bes-ser aufgestellt ist als in der Zellfertigung. Insbesondere bei der Materialforschung für Anoden- und Kathodenmaterial beschei-nigen die Expertinnen und Experten Deutschland eine sehr

gute Stellung, und sie raten, diese bei der Fertigung zukünfti-ger Batteriegenerationen zu nutzen. Aufgrund des bestehen-den Fachkräftemangels sollten heute schon Expertinnen und Experten ausgebildet und entsprechendes Know-how aufge-baut werden. Zudem sollten Forschung und Unternehmen stär-ker zusammenarbeiten, damit auch Letztere ihre Kompetenzen einbringen können und ein Wissenstransfer in beide Richtun-gen stattfindet.

Gerade in der anwendungsnahen Forschung wäre nach Mei-nung einiger Expertinnen und Experten eine Verbesserung der Wachstumsfinanzierung beziehungsweise Start-up-Finanzierung für die zukünftigen Batteriegenerationen wünschenswert. In den USA seien die Voraussetzungen in diesem Bereich besser.

26

„Wir haben uns das Thema selbst in den USA ange-schaut. Da erhalten junge Unternehmen aus dem Be-reich Zellfertigung für ihre Wachstumsphase bis zu 80 Millionen Dollar vom Staat und Investoren – und zwar schnell und unbürokratisch. Start-ups in Deutschland kämpfen dagegen monatelang mit Behörden und Anträ-gen, damit sie 200.000 Euro bekommen. Das führt dazu, dass das finanzielle Durchhaltevermögen von Start-ups in den USA viel besser ist. In Deutschland geben solche Unternehmen auf – mangels Finanzierung.“

Auch im Bereich des Zellen-Recyclings sehen viele Expertinnen und Experten zukünftige wirtschaftliche Erfolgspotenziale. Die in den Zellen enthaltenen Rohstoffe kann man zurückgewinnen, aufarbeiten und der Produktion wieder zuführen. Dies ist strate-gisch interessant, da die (zum Teil seltenen) Rohstoffe in Deutsch-land oftmals gar nicht verfügbar sind. Entsprechende Rückfüh-rungsrichtlinien und Gesetze könnten diese Entwicklung unterstützen und verhindern, dass Zellen im Ausland recycelt wer-den. Ein weiterer Aspekt ist die Wiederverwertung von Zellen für andere Verwendungszwecke (Second Life). Dabei könnten Zellen, die für ihren ursprünglichen Gebrauch nicht mehr die notwendige Leistung erbringen, in weniger leistungsintensiven Bereichen ein-gesetzt werden. Einige Expertinnen und Experten rechnen mit ei-nem erhöhten Rücklauf von Batterien in etwa fünf Jahren, die entweder auf Rohstoff- oder auf Nutzungsebene zur Wiederver-wertung bereitstehen.

4.3 Schlüsselkompetenz: Forschung und Technologie für Speicher (Fokus LithiumIonenSpeicher)


Die Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Spei-cher“ fokussiert sich auf die Lithium-Ionen-Speicher. Sie ist poli-tisch und gesellschaftlich von besonderer Relevanz, da Deutsch-land anstrebt, Leitanbieter und Leitmarkt für Elektromobilität zu werden.31 Um dieses Ziel zu erreichen, müssen Schlüsseltech-nologien für Elektromobilität intensiv erforscht und entwickelt werden; der Lithium-Ionen-Speicher ist eine dieser Schlüsseltech-nologien. Da ihr Anteil an den Herstellungskosten eines Elektro-fahrzeugs hoch ist (20 bis 40 Prozent), stellt sie einen der

wichtigsten Entwicklungs- und Kostenfaktoren dar.32 Neben den Batteriekosten sind für die Elektromobilität aber auch die Fakto-ren Reichweite, Ladedauer, Qualität und Lebensdauer von zent-raler Bedeutung. Expertinnen und Experten gehen davon aus, dass die Entwicklung optimierter Lithium-Ionen-Speicher für Elektrofahrzeuge (Plug-in-Hybride und rein batterieelektrische Fahrzeuge) entscheidend für die erfolgreiche Diffusion der Tech-nologie und damit für die Erschließung der Massenmärkte sein wird.33 Vor diesem Hintergrund wird die Kompetenz „Forschung und Technologie von Speichern“ im Folgenden genauer analy-siert und vergleichend dargestellt.

Die Kompetenz „Forschung und Technologie für Speicher“ lässt sich in einem Kompetenzsatz zusammenfassen:

Universitäre und außeruniversitäre Forschungsgruppen tragen durch die kontinuierliche (Weiter )Entwicklung Lithium-Ionen-basierter Speicher dazu bei, dass Deutsch-land im Bereich Forschung und Technologie solcher Spei-cher zu den international führenden Ländern gehört.

Zusammenfassung:

Deutschland gehört bei der Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Speicher“ zu den besten sechs Ländern. Japan ist in dieser Schlüsselkompetenz mit Abstand führend. Dieses Ge-samtergebnis setzt sich aus zwei voneinander unabhängig erar-beiteten Teilergebnissen zusammen:

§ Indikatorenbasierte Einschätzungen auf Basis passfähiger Rankings (Sekundärquellenanalyse): Die USA, Deutschland, Südkorea, China und Frankreich folgen Japan in dieser Schlüs-selkompetenz und bilden die Gruppe der besten Länder.

§ Expertenbasierte Einschätzungen auf Basis eigens durchge-führter und ausgewerteter Expertenbefragungen: Die Exper-tinnen und Experten betrachten die Schlüsselkompetenz „For-schung und Technologie für Speicher“ weder als eindeutige Stärke noch als eindeutige Schwäche Deutschlands. Entwick-lungschancen sehen die Expertinnen und Experten in den zu-künftigen Batteriegenerationen, im Speziellen in der Materi-alentwicklung, der intelligenten Vernetzung dezentraler Speicher und der Systemintegration.

31 | Bundesministerium für Wirtschaft und Energie 2017a.32 | Vgl. Nationale Plattform Elektromobilität 2011, Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI 2015a.33 | Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) 2016.

27




Die Aussagekraft des nachfolgenden Rankings muss differenziert betrachtet werden. Es beruht „nur“ auf einer ausgewerteten Studie – dem „Energiespeicher-Monitoring“ des Fraunhofer-Instituts für System- und In-novationsforschung (ISI) aus dem Jahr 2016. Wenn-gleich diese Studie hinsichtlich ihrer verwendeten Methodik und Datenlage vergleichsweise umfassend und aktuell ist (für Details siehe dieser Unterabschnitt sowie die Studie selbst), so fehlt dennoch eine zweite und gegebenenfalls auch dritte Studie zur Validierung der Ergebnisse (an dere, entsprechend passfähige und

aktuelle Studien/Berichte waren zum Zeitpunkt der Berichtserstellung jedoch nicht verfügbar). Darüber hinaus beschränkt sich die hier betrachtete Studie zum Energiespeicher-Monitoring des Fraunhofer ISI in wei-ten Teilen auf den Bereich von Lithium-Ionen-Speicher für die Elektromobilität (im Wesentlichen aufgrund der Zugänglichkeit entsprechender Daten und der hohen Relevanz der Elektromobilität für Lithium-Ionen-Spei-cher). Das verwendete Ranking kann jedoch Tendenzen bezüglich der aktuellen Positionierung eines Landes bei der Schlüsselkompetenz „ Forschung und Technolo-gie“ im Bereich Lithium-Ionen-Speicher liefern. Im vor-liegenden Bericht wird das Ranking auch zur Validie-rung der Experteneinschätzungen herangezogen.

§ Japan verfügt über ein langfristig angelegtes Engagement in der öffentlichen und unternehmerischen Forschung und Entwicklung von Lithium-Ionen-Speichern. Zudem liegt Japan in der anwen-dungsnahen Batterieentwicklung (Patentanmeldung) an erster Stelle und ist derzeit Technologieführer.

§ Die USA liegen bei der Forschung und Entwicklung von disruptiven Batterietechnologien und im Bereich der Publika-tionen zu Lithium-Ionen-Speichern mit an vorderster Stelle.

§ Südkorea und Deutschland liegen etwa gleich auf. Beide Länder zeichnen sich durch hohe Forschungs- und Entwicklungsanstren-gungen aus.

§ Die sechs Länder sind im Vergleich zum Rest der Welt führend im Bereich Forschung und Technologie für Lithium-Ionen-Speicher.

Abbildung 11: Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Speicher“: Kernergebnisse der indikatoren-basierten Bewertung (Quelle: eigene Darstellung)

Forschung und Technologie (2016)

aus: Energiespeicher-Monitoring des Fraunhofer ISI

0

10

Bew

ertu

ng

1

2

3

4

5

6

7

8

9

8 – 10 = herausragend6 – 7 = überdurchschnittlich4 – 5 = durchschnittlich2 – 3 = unterdurchschnittlich 0 – 1 = Schlusslicht

(5,5)

(6,5)

(8,5)

(6,0)

(6,5)(6,75)

28

Die indikatorenbasierten Ergebnisse für die Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Speicher (Fokus Lithium-Ionen-Speicher)“ beruhen auf einem Energiespeicher-Monitoring des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung aus dem Jahr 2016. Ein sogenannter Komposit-Indikator, bestehend aus acht gewichteten Subindikatoren zur Forschung und Tech-nologie von Lithium-Ionen-Speichern, stellt die global führen-den Länder einander vergleichend gegenüber. Es handelt sich um die Subindikatoren Patente, Publikationen, Verhältnis der F&E-Intensität privat/öffentlich, öffentliche Forschungsförde-rung, politische Ziele, Zielvorgaben bezüglich der Batterie-parameter, Ausbildung/Fachkräfte sowie F&E-Anteile der Unternehmen.34

Die weltweit besten Länder im Bereich der Forschung und Ent-wicklung von Lithium-Ionen-Speicher sind Japan, USA, Südkorea, Deutschland, China und Frankreich. Japans führende Stellung basiert zum einen auf einer langen und kontinuierlichen For-schungsförderung im Bereich der Lithium-Ionen-Speicher, da das Land schon seit Längerem das politische Ziel verfolgt, seine Ab-hängigkeit von fossilen importierten Energieträgern zu verrin-gern. Zum anderen betreibt die japanische Wirtschaft intensiv anwendungsnahe Forschung und hat mit Abstand den höchsten Anteil an Patentanmeldungen in diesem Feld (40 Prozent der weltweiten Patente). Japan ist demnach Technologieführer, die verbleibenden fünf Länder liegen in einem breiten Mittelfeld hinter Japan.

Die USA haben ausgewiesene Stärken bei der Beforschung und Entwicklung von disruptiven Batterietechnologien, also Techno-logien, die darauf abzielen, mindestens einen Leistungsparame-ter wie beispielsweise die Energiedichte ganz wesentlich zu ver-bessern. Dafür investiert das amerikanische Department of Energy deutlich mehr Geld in die Batterieforschung als andere Länder. Dadurch halten die USA einen hohen Anteil der weltwei-ten Publikationen, und sie konnten Fachpersonal im Bereich der Lithium-Ionen-Speicher aufbauen.

Südkorea und Deutschland liegen gleichauf. Deutschlands Unternehmen sind sehr aktiv in der unternehmenseigenen Forschung. Dank der Forschungsförderung konnte Deutschland zudem sein (wissenschaftliches) Fachpersonal ausbauen und hat den höchsten prozentualen Zuwachs bei wissenschaftlichen Publikationen (im Zeitraum 2011 bis 2015) zu verzeichnen. Aller-dings halten China und die USA die weltweit größten Anteile an Publikationen und tragen demnach „mehr“ zum Wissenszuwachs im Bereich der Lithium-Ionen-Speicher bei.


Im Rahmen des vorliegenden Berichts wurden insgesamt 26 In-terviews mit Expertinnen und Experten durchgeführt und ana-lysiert.35 Nach folgend werden die Erkenntnisse aus dieser Ex-pertenbefragung unter besonderer Berücksichtigung der Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Speicher (Fokus Lithium-Ionen-Speicher)“ vorgestellt.

Nach Aussagen der Expertinnen und Experten ist Japan bei der Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Lithium- Ionen-Speicher“ weltweit führend. Auch Südkorea wird von eini-gen Expertinnen und Experten vor Deutschland gesehen. Insge-samt sind sich die Expertinnen und Experten einig, dass Deutschland ein sehr gutes Wissenschaftssystem hat und gut beraten ist, sich auf neuere und nicht auf bestehende ( Lithium-Ionen-)Batterie generationen zu fokussieren:

„Die Batteriegenerationen 2 und 3 sind fest in asiati-scher Hand. Wir können hier nur noch zukaufen und zu-sammenführen für die Produktion. In Sachen Forschung brauchen wir hier nichts machen. Besser ist, dass Deutschland sich jetzt auf die Batteriegeneration 4 fo-kussiert. Diese basieren auf neuen Technologien, da sind Chancen für unsere Forschung und Entwicklungsleistun-gen drin! Wann und wie diese kommen werden, ist aber noch ungewiss.“

Die Expertinnen und Experten raten auch zu einer breiten und technologieoffenen Forschungsförderung für neue Speichertech-nologien, da bisher noch nicht abzusehen ist, welche „die bes-ten“ Speichertechnologien für zukünftige Anwendungen sein werden (sicher, günstig, effizient, nachhaltig).36

„Innovationsprozesse müssen technologieoffen bleiben. Keine Vorgaben für die eine, vermeintlich richtige Techno-logie seitens der Politik! Für die Wissenschaft ist dabei wichtig, dass Anreize für Investoren und die Wirtschaft-lichkeit mitgedacht werden müssen. Die Umsetzung sol-cher Innovationsprozesse sollte über Plattformen passie-ren. Hier müssen Wissenschaft, Wirtschaft und auch die Zivilgesellschaft eingebunden werden. Die Politik ist da-bei Motivator und Geldgeber.“

Die meisten befragten Expertinnen und Experten sehen ein beson-ders großes Potenzial in Lithium-Ionen-Speichern – aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, der wachsenden Märkte, die

34 | Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) 2016: Energiespeicher-Monitoring 2016, S. 24.35 | Vgl. auch Kapitel 2 und 3 in diesem Bericht sowie den Basisbericht (separates Dokument) für die Methodik.36 | Ein derzeit großes Potenzial haben die in diesem Bericht fokussierten Lithium-Ionen-Speicher: Sie sind massentauglich geworden, der Preis für den Speicher fällt,

und sie werden in großen Märkten mit entsprechendem Anwendungspotenzial eingesetzt (zum Beispiel stationäre Speichersysteme und Automobilindustrie).

29


solche Speicher einsetzen (insbesondere die Elektromobilität), und fallender Kosten für Lithium-Ionen-Speicher. Vielversprechendes Potenzial wird auch in der Verknüpfung vieler dezentraler Speicher gesehen, welche intelligent integriert sind. Neben der Speicher-technologieforschung und -entwicklung ist die Systeminte gration ein weiteres zukünftiges Forschungsgebiet. Das Thema Energie-speicher wird von den Expertinnen und Experten selten isoliert, sondern in seinem systemischen Ansatz betrachtet, der auch wei-tere (Forschungs-)Gebiete und Ansätze integrieren müsse:

„Speichern ist kein Selbstzweck! Der zentrale Punkt lautet: ‚Einspeisen = Verbrauch‘, also ein ausgeglichener Bilanz-kreis. Mit Speichern kann man dieser Gleichung näher kommen. Es gibt auch andere Ansätze, wie das Demand-Side-Management und eine größere Vernetzung verfügba-rer Speicher. Man muss also systemisch denken und for-schen – und dabei die Lithium-Ionen-Speicher als einen, aber nicht den einzigen Bestandteil verstehen.“

Einige Expertinnen und Experten wünschen sich darüber hinaus eine verlässliche politische Förderstrategie, welche die Rahmen-bedingungen für die nächsten Jahre schafft. Als sehr positives Beispiel wird hier Japan hervorgehoben, das aufgrund knapper fossiler Rohstoffe seine Abhängigkeit von den importierten fossi-len Energieträgern verringern möchte. Entsprechend setzt sich das Land schon lange und intensiv mit Speicher- und Batterie-technologien auseinander und hat verlässliche politische Rah-menbedingungen für alle Akteure entwickelt.

4.4 Schlüsselkompetenz: Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)


Exzellenz in der universitären Forschung und Lehre im Bereich des Elektroingenieurwesens wird als methodischwissenschaftliche


§ Deutschlands Position bei der Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Speicher“ wird von den Expertinnen und Experten weder als eindeutige Stärke noch als eindeutige Schwäche eingeschätzt.

§ Nach Meinung der Expertinnen und Experten bringt die dritte und vierte Batteriegeneration einen Technologiesprung mit sich (heute: Generation 2). In diesen neuen Batteriegenerationen liegen die Chancen für Deutschland.

§ Deutschland sollte sich auf die Forschung und Entwicklung von Materialien für Speichertechnologien fokussieren, da man in diesem Feld international anschlussfähig ist.


§ „Bei Speichern liegt Deutschland im Mittelfeld.“

§ „Japan und Korea sind Deutschland bei dem Thema Lithium -Ionen-Speicher deutlich überlegen.“

§ „Bei der Materialforschung sind wir im guten Mittelfeld, insbesondere bei der Forschung und Entwicklung von Kathoden- und Anodenmaterialien.“

§ „Zerstörungsfreies Batterie-Monitoring ist ein aussichtsreiches Forschungsfeld.“

Abbildung 12: Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Speicher“: Einschätzung der Expertinnen und Experten zur Posi-tion Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung)

Bei der Schlüsselkompetenz„Forschung und Technologie“




10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

MD = 1,6

Legende:



x = 5,5

30

Basis betrachtet, um das Erfolgspotenzial von Energiespeichersys-temen nutzen zu können. Ebenso ist eine exzellente Forschung und Lehre in diesem Fachgebiet eine wichtige Grundlage, um die Anwendungspotenziale von Energiespeichersystemen erschließen zu können. Das Fachgebiet des Elektroingenieurwesens sollte da-bei eingebettet in eine breit aufgestellte Forschungs- und Ausbil-dungslandschaft für Energiespeichersysteme betrachtet werden. Demnach sind beispielsweise auch Gebiete wie die Elektrochemie relevant. Darüber hinaus sichert die universitäre Ausbildung das zukünftige Fachkräfteangebot für Energiespeichersysteme.

Die Kompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“ lässt sich in folgendem Kompetenzsatz zusammenfassen:

Universitäten bieten eine exzellente Forschung und Leh-re im Bereich Elektroingenieurwesen an, um eine inter-national führende Position für Lithium-Ionen-basierte Energiespeicher zu behaupten.

Zusammenfassung:

Deutschland hat im weltweiten Vergleich bei der Schlüsselkom-petenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“ eine gute Position, fällt im Vergleich zu den Spitzenreitern allerdings etwas ab. Die USA sind klar führend. Dieses Gesamtergebnis setzt sich aus zwei voneinander unabhängig erarbeiteten Teilergebnissen zusammen:

§ Indikatorenbasierte Einschätzungen auf Basis passfähiger Rankings (Sekundärquellenanalyse): Deutschland liegt am unteren Ende einer Benchmark-Gruppe, bestehend aus Groß-britannien, Singapur, China, Japan und Kanada. Die größten Unterschiede zwischen den deutschen und den weltweit führenden Universitäten zeigen sich in den Indikatoren „Re-putation der Universitäten aus Sicht der einstellenden Unter-nehmen/Institutionen“, „Akademische Reputa tion“, „Lern-umgebung“ und „Internationale Ausrichtung“.

§ Expertenbasierte Einschätzungen auf Basis eigens durch-geführter und ausgewerteter Expertenbefragungen: Die Ex-pertinnen und Experten sehen in der Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“ weder eine eindeutige Stärke noch eine eindeutige Schwäche Deutsch-lands. Derzeit mangelt es an gut ausgebildetem Fachperso-nal – vor allem weil in der Vergangenheit der „Aufschwung“ heutiger Batterietechnologien (zum Beispiel durch Elektro-autos und die Energiewende) nicht ausreichend beachtet

wurde. Zusätzlich fehlen Hybridkompetenzen mit den Schnittstellen Energie, IT, Chemie und Systemverständnis.



Die Aussagekraft von Rankings wird kontrovers disku-tiert. Fachleute kritisieren zum Teil die Methodik der Stu-dien: Unter anderem lassen die aggregierten Rankings keinen Rückschluss auf die universitären Leistungen im Bereich von Lithium-Ionen-Speichern insgesamt zu. An-dererseits werden die Rankings von der Öffentlichkeit und den Akteuren im Feld durchaus wahrgenommen und diskutiert – sie können eine erste Orientierung bie-ten. Im vorliegenden Bericht werden sie im Sinne eines doppelten Abgleichs mit den Einschätzungen der Exper-tinnen und Experten genutzt.

Für die Messung des Indikators „Elektroingenieurwesen (Uni-versitätsniveau)“ im internationalen Vergleich wurden zwei Universitätsrankings analysiert: das „Times Higher Education World University Ranking 2018“37 („THE-Ranking“) und das „QS World University Ranking 2017“38 („QS-Ranking“). Der Vor-teil dieser beiden Rankings gegenüber weiteren Analysen im Bildungsbereich (wie beispielsweise Messungen der OECD) liegt in der Passgenauigkeit: Die Rankings bieten, im Gegen-satz zu anderen Quellen, eine Gegenüberstellung von Universi-täten und Ländern speziell für einzelne Fachbereiche (hier: Elektroingenieurwesen).

Für die indikatoren-basierten Einschätzungen wird mithilfe einer quantitativen Auswertung die Position der deutschen Universitä-ten mit den Top-100-Universitäten in diesem Bereich weltweit verglichen und auf einzelne Indikatoren zurückgeführt.

Times Higher Education (THE) World University Ranking 2018 (Abbildung 13, zweite Spalte) Das „THE-Ranking“ im Bereich Elektroingenieurwesen wird von Universitäten aus Großbritannien und den USA angeführt. So liegt die Oxford-Universität (GB) auf dem ersten Platz, gefolgt von der Cambridge-Universität (GB). Auf Platz 3 ist das amerika-nische California Institute of Technology (USA) zu finden. Insge-samt setzen sich die Top 10 größtenteils aus Universitäten aus

37 | Vgl. Times Higher Education 2017.38 | Vgl. QS Quacquarelli Symonds Limited 2017.

31


Großbritannien und den USA zusammen. Deutschland nimmt – verglichen mit den weltweit besten Universitäten im „THE-Ran-king“ – dabei nur eine Mittelposition ein. So befindet sich keine deutsche Universität unter den Top 10 oder Top 25. Mit der Tech-nischen Universität München auf Platz 41 ist eine deutsche Uni-versität zumindest unter den Top 50 vertreten. Insgesamt sind allerdings nur drei deutsche Universitäten unter den Top 100 zu finden (TU München auf Platz 41, RWTH Aachen auf Platz 79 sowie TU Berlin auf Platz 92).

Bei genauerer Betrachtung des „THE-Rankings“ wird deutlich, dass deutsche im Vergleich zu den weltweit besten Universitäten in fast allen Einzel-Indikatoren schlechter abschneiden. Der größ-te Abstand zu den Top-10-Universitäten weltweit zeigt sich in den Kernbereichen Lernumfeld für Studierende, Forschung sowie bei der internationalen Ausrichtung. Es gibt jedoch auch einen

Indikator, bei dem deutsche Universitäten im Vergleich mit den besten Universitäten weltweit überdurchschnittlich gut daste-hen: der Drittmittel-Akquise aus der Wirtschaft.39

QS World University Rankings (QS) 2017 (Abbildung 13, dritte Spalte)Die Spitzengruppe des „QS-Rankings“ für den Bereich „Electrical and Electronic Engineering“ wird ebenfalls von den USA und Großbritannien dominiert. Führend sind die USA mit dem Massa-chusetts Institute of Technology, der Stanford-Universität und der Universität of California, Berkely, auf den ersten drei Plätzen. Darüber hinaus sind unter anderem Singapur und China mit je einer Universität in den Top 10 vertreten. Die Technische Univer-sität München ist die einzige deutsche Universität unter den Top 50, das KIT, die RWTH Aachen und die TU Berlin befinden sich unter den Top 100.

§ Für die Kompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“ wurden nur solche Länder ausgewertet, die eine exzellente Forschung und Lehre in diesem Bereich anbieten. Hierzu zählen beispielsweise die USA, Großbritannien, Singapur, China, Kanada und Japan.

§ Insgesamt ist die Stellung Deutschlands dabei leicht überdurch-schnittlich, im Vergleich mit den besten Ländern der Welt fällt Deutschland jedoch etwas ab.

§ In beiden Rankings („THE“ und „QS“) haben die USA mit Abstand die meisten Universitäten mit weltweiten Spitzenpositionen im Bereich Elektroingenieurwesen (Top 10/Top 25/Top 100). Dies ist auch an ihrer herausragenden Position in der Gesamteinschätzung erkennbar.

§ Südkorea schneidet in den beiden Rankings höchst unterschied-lich ab – dies ist auf unterschiedliche Indikatoren und Erhebungs-methoden zurückzuführen (siehe Anhang für Details).

Abbildung 13: Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“: Kernergebnisse der indikatoren-basierten Bewertung (Quelle: eigene Darstellung)

Bew

ertu

ng

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


= +„THE“: Times Higher Education World University Rankings 2018

Auswertung für den Bereich „Elektroingenieurwesen“

„QS”: QS World University Rankings 2017

Auswertung für den Bereich „Elektroingenieurwesen”

(6,5)

(6,5)

(6,0) (6,0)

(10,0)

(6,75)

(10,0)

(6,75)

(4,75)


(6,0)

(7,0)

(10,0)

(7,75) (7,75)

(6,0) (6,5)

(2,5)

(6,25)(7,0)(7,5) (7,5)

(7,0)

(7,25)

(6,0)

39 | Alle hier genannten Indikatoren und Bewertungen gelten ausschließlich für die Auswertung der Daten aus dem Times Higher Education Ranking im Fachgebiet „Elektroingenieurwesen“. Die Zusammensetzung der erwähnten Einzelindikatoren (zum Beispiel Messung der Indikatoren „Forschung“ und „Lernumfeld für Studierende“) wird im Anhang A4 dieses Berichts genauer beschrieben – ebenfalls mit Bezug auf und abgeleitet vom Times Higher Education Ranking.

32

Bei den Indikatoren des „QS-Rankings“ werden Deutschland in Bezug auf alle Indikatoren schlechtere Ergebnisse als den Top-10-Universitäten des Rankings im Bereich Elektroingenieurwe-sen bescheinigt. Der größte Abstand zur Spitzengruppe ist im Indikator „Akademische Reputation“ zu finden, wohingegen die geringste Differenz bei den „Zitationen pro Publikation“ besteht (siehe Anhang für Details).

Deutschland schneidet beim „QS-Ranking“ im Bereich Elektro-ingenieurwesen insgesamt genauso ab wie im zuvor dargestell-ten „THE-Ranking“. Auch im QS-Ranking hat es (genauso wie im THE-Ranking) einige Universitäten, die im Fachbereich Elektro ingenieurwesen zu den Top 100 weltweit gehören. Dazu zählen die Technische Universität München (Platz 41 im QS-Ranking), das Karlsruher Institut für Technologie (Platz 59), die RWTH Aachen (Platz 72) und die Technische Universität Berlin (Platz 77).

Die Platzierungen der Universitäten sind im QS- und im THE-Ran-king nicht genau gleich. Zudem werden im QS-Ranking insgesamt mehr deutsche Universitäten unter den Top 100 weltweit geführt (vier Universitäten) als beim THE-Ranking (drei Universitäten). Diese Unterschiede lassen sich durch die unterschiedlichen Erhe-bungsmethoden und Indikatoren im jeweiligen Ranking erklären. Sofern verfügbar, werden die Erhebungsmethoden und Gewich-tungen der Indikatoren aus dem THE-Ranking und dem QS-Ran-king im Anhang dieses Berichts offengelegt. Beide Rankings er-möglichen jedoch keinen ausreichenden Einblick in die konkrete Form der Datenerhebung und in das Rohdatenmaterial (siehe auch die Diskussion zur Aussagekraft und Bedeutung von Ran-kings zu Beginn dieses Unterabschnitts).


Im Rahmen des vorliegenden Berichts wurden insgesamt 26 In-terviews mit Expertinnen und Experten durchgeführt und ana-lysiert.40 Nach folgend werden die Erkenntnisse aus dieser Expertenbefragung unter besonderer Berücksichtigung der Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitäts-niveau)“ vorgestellt.

Elektroingenieurwesen in Forschung und Lehre auf Universitäts-niveau wird von fast allen Expertinnen und Experten als eine der zentralen Kompetenzen für Energiespeicher genannt. Dabei schätzen die befragten Expertinnen und Experten diese Kompe-tenz weder als ausgewiesene Stärke noch als ausgewiesene Schwäche Deutschlands im internationalen Vergleich ein. In der Gruppe der besten Länder weltweit liegt es demnach im Mittelfeld.

Insgesamt bewerten die befragten Wissenschaftlerinnen und Wis-senschaftler und Wirtschaftsvertreterinnen und Wirtschaftsvertre-ter die Position Deutschlands in der Erforschung neuerer Batterie-techniken und disruptiver Innovationen als gut. In den Experteninterviews wurden aber auch Hürden genannt, die Deutschlands Leistungsfähigkeit in der Kompetenz „Elektroingeni-eurwesen (Universitätsniveau)“ behindern: Als besonders aktuell und wichtig schätzen einige der befragten Expertinnen und Exper-ten die Herausforderung ein, Fähigkeiten des Elektroingenieur-wesens mit Kompetenzen aus der Informatik im Sinne von Hybridkompetenzen zu koppeln. Hier gibt es derzeit zwar vereinzelt Studienangebote, aber diese sind nach Meinung der Befragten nicht ausreichend. Darüber hinaus wäre ein berufs begleitendes Studium an den Universitäten aus ihrer Sicht wünschenswert.

„Expertinnen und Experten mit Querschnittskompeten-zen werden gebraucht: Sie brauchen Erfahrungen im Bereich der Software und im Bereich der Elektrotechnik. Man muss das elektrische Verhalten der Zellen verstehen und dann die Algorithmen entsprechend anpassen.“

„Berufsbegleitende Studiengänge sollten insbesondere für jüngere Leute ermöglicht werden, um vorhandene Potenziale weiter zu heben.“

Im Bereich der universitären Forschung müsste ein Fokus auf die Batteriegenerationen 3 und 4 gelegt werden. Hierfür bedarf es eines Aufbaus weiterer Forschungskapazitäten. Um speziell Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaft-ler an den Universitäten halten zu können, sollten stabile univer-sitäre Karrierewege aufgezeigt werden.

Des Weiteren wäre es wünschenswert, wenn die deutschen Inge-nieure früh eine Kultur der zweiten Chance kennenlernten, die Scheitern im Innovationsprozess nicht stigmatisiert. Dies würde zu mehr Mut, Kreativität und damit zu mehr Dynamik in der Arbeitswelt führen, welche von schnellen Entwicklungszyklen und technischen Umbrüchen gekennzeichnet ist. Zudem sollten Interdisziplinarität und interkulturelle Kompetenz stärker in der Ausbildung verankert sein – die heutigen Arbeitsumgebungen sind international und multikulturell.

Obgleich es bislang noch keine finalen Antworten und Lösun-gen im Hinblick auf mögliche Herausforderungen rund um Energiespeicher gibt, sehen die Expertinnen und Experten in der Integration neuerer technologischer Ansätze in die Lehre eine wesentliche Notwendigkeit. Problematisch ist hierbei nach Aussage der befragten Expertinnen und Experten, dass sich einige Universitäten ausschließlich auf Grundlagenforschung

40 | Vgl. auch Kapitel 2 und 3 dieses Berichts sowie den Basisbericht (separates Dokument) für die Methodik.

33


fokussieren, was wiederum mit Schwierigkeiten im Theorie- Praxis-Transfer einhergeht.

„Wir müssen die Technologien von morgen auch schon heute in die Lehre einbauen. Nur so können die Batterie-experten von morgen existieren.“

4.5 Schlüsselkompetenz: Cyber Security in Energiesystemen


Der IKT-Einsatz in zunehmend vernetzten Energiesystemen macht das Energienetz und darin enthaltene Energiespeicher

anfälliger für Cyberangriffe.41 Derartige Vorfälle sind für die Energieversorgung besonders kritisch, da sie das Potenzial ha-ben, von der IKT-basierten in die physische Welt überzugehen. Insbesondere vernetzte zentralisierte Infrastrukturen sind dabei aufgrund des potenziellen „Domino-Effekts“ gefährdet. So könn-te eine Cyberattacke beispielsweise den Ausfall einer ganzen Energieanlage oder sogar des gesamten Energienetzes einer Stadt zur Folge haben.42

Im Dezember 2015 verschafften sich beispielsweise Hacker Zugang zum Hauptrechner sowie zur Überwachungs- und Steu-erungstechnik einer ukrainischen Stromverteilungsfirma und trennten sieben 110-kV- und weitere zwanzig 23-kV-Umspann-werke vom Netz. Dies führte zu einem dreistündigen Stromaus-fall für rund 80.000 Kunden. Dieser Cyberangriff gilt als einer


§ Die Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitäts-niveau)“ wird von den befragten Expertinnen und Experten weder als Stärke noch als Schwäche Deutschlands eingeschätzt.

§ Derzeit mangelt es an gut ausgebildetem Fachpersonal im Bereich der Speichertechnologien und der Batterietechnik.

§ Nach Meinung einiger Expertinnen und Experten sollte an den Batteriegenerationen 3 und 4 intensiver geforscht werden.

§ Die Batterietechnologie ist im Zuge der Energiewende und mit der aufkommenden Elektromobilität wichtiger geworden.


§ „Es besteht Bedarf an einer echten Hybridkompetenz Energie plus Informatik.“

§ „Vor zwanzig Jahren waren Fächer wie Elektrochemie und Elektro ingenieurwesen einfach nicht im Fokus. Man konzentrierte sich auf andere Themen. Dadurch sind bis heute vergleichsweise wenige Lehrstühle in diesem Bereich vorhanden, und es gibt zu wenig Ausbildungsangebote.“

§ „In den USA und in Großbritannien wird rein akademische Forschung betrieben. In Deutschland werden jedoch exzellente Inge nieure für die Praxis ausgebildet.“

Abbildung 14: Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“: Einschätzung der Expertinnen und Experten zur Position Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung)

Bei der Schlüsselkompetenz„Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“hat Deutschland im

internationalen Vergleich eine …



10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

MD = 1,43

Legende:



x = 5,0

41 | Vgl. acatech/Leopoldina/Akademienunion 2017. 42 | Vgl. World Energy Council 2016.

34

der ersten, der die Energieversorgung eines ganzen Landes be-einträchtigte. Auch in Deutschland kam es bereits zu derarti-gen Vorfällen: So griffen Hacker im Jahr 2014 das Geschäfts-netzwerk eines deutschen Stahlwerkes und von dort aus das gesamte Produktionsnetzwerk an. Dieser Störfall verursachte massive Schäden an den Industrieanlagen des Unternehmens. Cyberrisiken umfassen folglich sowohl nicht-physische als auch physische Beschädigungen durch einen Cyberangriff. Dabei kann der Schaden beispielsweise in der Infektion von Software bestehen, was zu Manipulationen an den Kontrollen und folg-lich zum Ausfall kritischer Maschinen und zu Versorgungs-störungen führen kann.43

Um die Funktionsfähigkeit in Energiespeichersystemen nachhal-tig sicherzustellen, müssen diese widerstandsfähig und flexibel sein. Bleibt das System auch unter hoher Belastung – wie bei-spielsweise bei Cyberattacken – funktionsfähig oder kann nach Versagen innerhalb kurzer Zeit wiederhergestellt werden, han-delt es sich um ein resilientes Energiespeichersystem. Auf-grund der Komplexität möglicher Einfallstore für digitale An-griffe ist nicht vorhersehbar, welche äußeren – aber auch inneren – Störfälle im Energiesystem zu massiven Beeinträchti-gungen der Funktionsfähigkeit des Energienetzes führen könn-ten. Deshalb müssen Schutzkonzepte eine Vielzahl möglicher Szenarien berücksichtigen. Resilienzstrategien setzen genau hier an. Sie dienen dazu, Systeme so zu ertüchtigen, dass sie auch bei unwahrscheinlichen und überraschenden Belastungen ihre Funk-tions- und Lernfähigkeit aufrechterhalten beziehungsweise kurz-fristig wiederherstellen können.44 Hierzu müssen potenzielle Risiken und Schwachstellen des Systems identifiziert und vorsor-gende Maßnahmen implementiert werden. Darüber hinaus ist es notwendig, Störungen im Energienetz zu kompensieren und flexible, sich selbst regulierende Systeme aufzubauen.45

Cyber Security stärkt folglich die Widerstandsfähigkeit von zunehmend vernetzten Energiespeichersystemen gegenüber Cyber angriffen. In diesem Zusammenhang wird im Energie-bereich auch von „Robustness“ gesprochen. Zentrale Fragen sind dabei unter anderem, wie abwehrbereit (robust) das Sys-tem gegenüber digitalen Attacken ist und welche Prozesse zur Stärkung der Funktionsfähigkeit des Systems vorhanden sind. Existieren in diesem Kontext Notfall- und Abwehrpläne, Schwachstellenanalysen und Handlungsoptionen für unter-schiedlichste Bedrohungs szenarien?

Die Kompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ lässt sich in einem Kompetenzsatz zusammenfassen:

Staat und Unternehmen schaffen Rahmenbedingungen für zunehmend vernetzte und IT-gesteuerte Energie-systeme mittels effektiver und effizienter Maßnahmen zur Abwehr von Cyberbedrohungen (Stichwort „Resilien-tes Energiesystem“).

Zusammenfassung:Insgesamt schneidet Deutschland in der Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ eher durchschnittlich ab. Diese Einschätzung setzt sich aus einer indikatoren-basierten und einer experten-basierten Einschätzung zusammen:

§ In der indikatorenbasierten Auswertung zeigt sich, dass Deutschland zur Gruppe der weltweit besten Länder im Be-reich Cyber Security gehört (Benchmark-Gruppe). Zwar ist die Position Deutschlands im direkten Vergleich mit anderen Ländern gut, doch ist hinsichtlich der Maßnahmen zur Er-höhung von Cyber Security bei allen Benchmark-Ländern noch „Luft nach oben“ – beispielsweise im Bereich des Auf-baus von Best Practices und der regulativen Rahmenbedin-gungen. Ebenso stellen mangelnde Erfahrungswerte im Um-gang mit Cyberattacken im Energiebereich noch eine Herausforderung dar.

§ In der expertenbasierten Einschätzung wird Deutschlands Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ im internationalen Vergleich eher als Schwäche gesehen; dies wird vor allem mit mangelnden Kenntnissen sowie einem fehlenden Bewusstsein für Cyberbedrohungen und damit einhergehenden Schwierigkeiten bei deren Bekämpfung be-gründet. Darüber hinaus fehlt es den Expertinnen und Exper-ten zufolge an konkreten handlungsleitenden Maßstäben für ein „kritisches Mindestmaß“ an Resilienz.



Die Aussagekraft der nachfolgenden Rankings ist limi-tiert. So bietet beispielsweise das erste Ranking, der „Glo-bal Cybersecurity Index“, ein vergleichsweise umfassendes und aktuelles Länderranking für Cyber Security – jedoch ohne Spezifizierung auf Energiesysteme. Rückschlüsse auf Energiethemen sind daher allenfalls indirekt möglich.

43 | Vgl. World Energy Council 2016.44 | acatech/Leopoldina/Akademienunion 2017, S. 6.45 | Vgl. acatech/Leopoldina/Akademienunion 2017; Renn 2017.

35


Insgesamt kann jedoch festgestellt werden, dass beide hier verwendeten Rankings vergleichsweise aktuell und passfähig sind. Sie können dazu beitragen, die eigens erhobenen Expertenaussagen im Sinne eines doppelten Abgleichs zu validieren.

Für die Messung der Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Ener-giesystemen“ wurden Rankings aus den Quellen „Global Cyber-security Index 2017“46 sowie „World Energy Issues Monitor 2017“47 ausgewertet. Diese sind nach Einschätzung von Exper-tinnen und Experten aus dem Bereich der Cybersicherheit in

Energiespeichersys temen zur Bewertung der Kompetenz auch angemessen und vergleichsweise aktuell. Im Einzelnen:

Cyber Security Commitment (Abbildung 15, zweite Spalte)Der Global Cybersecurity Index misst das „Commitment“ der be-fragten Länder für Maßnahmen im Bereich Cyber Security.48 Der Index bezieht sich dabei nicht speziell auf die Energiebranche, sondern betrachtet das generelle Cyber Security Commitment ei-nes Landes (wodurch die Energiebranche indirekt berücksichtigt wird). Dem Index zufolge hat ein Land ein hohes Commitment im Bereich Cyber Security, wenn dort

46 | Vgl. International Telecommunication Union 2017.47 | Vgl. World Energy Council 2017.48 | Anmerkung: Da Cyber Security als globales Thema nicht nur den Bereich der Energiesysteme, sondern beispielsweise auch kritische Infrastrukturen in

der Verkehrs- und Gesundheitsbranche betrifft, wurde dieser Index herangezogen, um Deutschlands Position bei Cyber Security im internationalen Ver-gleich kenntlich zu machen.

§ Insgesamt wurden nur Länder betrachtet, deren Gesellschaft bereits stark vernetzte IKT-basierte Systeme in verschiedensten Bereichen aufweist. Dem Thema Cyber Security wird in diesen Ländern eine höhere Bedeutung beigemessen, weil Cyberangrif-fe einen entsprechend höheren Schaden verursachen können. Für die Kompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ sind ebensolche Länder der Vergleichsmaßstab für Deutschland; hierzu zählen beispielsweise China, Kanada, Japan, die USA und Großbritannien.

§ In den genannten Regionen sind insgesamt zahlreiche Maßnah-men zur Cybersicherheit vorhanden und werden auch weiter ausgebaut ( siehe Abbildung 15: Global Cybersecurity Index). Dennoch „fühlen“ sich diese Länder noch größtenteils unsicher und unvorbereitet im Umgang mit Cyberattacken in zunehmend vernetzten Energiesystemen (siehe Abbildung 15: World Issues Monitor). Es fehlt die Erfahrung.

§ Deutschlands Stellung ist lediglich im Vergleich zu den anderen Ländern gut, in absoluten Maßstäben gibt es aber noch viel Nachholbedarf.

Abbildung 15: Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“: Kernergebnisse der indikatoren-basierten Bewertung ( Quelle: eigene Darstellung)

Bew

ertu

ng

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


= +“Cyber-Security-Commitment” (2017)

aus: Global Cyber Security Index der International Telecommunication

Union (ITU)

“Gefühlte” Abwehr-Bereitschaft/Sicherheit bei Cyber-Angriffen auf das Energiesystem (2017)

aus: World Energy Issues Monitor des World Energy Council

(7,0)(6,5)(6,5) (6,75)

(6,25)(6,25) (6,25)

(9,25)

(5,0) (5,0)(5,0)

(8,0)(7,75) (7,75) (7,75)

(8,25)

(5,25)

(9,0)

(6,0)

(4,0)

(5,75)

(Europa) (3,5)(3,75)

(Region Nordamerika)


(2,5)

36

§ gesetzliche und regulatorische Vorgaben vorliegen und in der Umsetzung ihre Entsprechung finden,

§ technische Standards implementiert und stetig weiterent-wickelt werden,

§ Organisationsstrukturen geschaffen wurden (zum Beispiel in Form einer Behörde), die sich des Themas Cybersicherheit annehmen und geeignete Abwehrmaßnahmen sowie Strate-gien entwickeln,

§ Forschungs- und Entwicklungskapazitäten vorhanden sind und Öffentlichkeitsarbeit wie auch Kompetenzentwicklung bezüglich Cyber Security erfolgen,

§ Kooperationen sowie Partnerschaften im Bereich Cyber Se-curity „gelebt“ werden (zum Beispiel Public-private-Partner-ships, bilaterale Vereinbarungen zwischen Behörden und Unternehmen etc.).49

In dem Index zeigt sich, dass das Commitment für Cyber Security in allen untersuchten Ländern überdurchschnittlich bis heraus-ragend ist. Singapur sowie die nordamerikanischen Staaten und Frankreich weisen die stärksten Bemühungen hinsichtlich Cyber-sicherheit auf.

Deutschland liegt auf Platz 24 und gehört innerhalb der 164 un-tersuchten Länder zur Spitzengruppe. Begründet wird die über-durchschnittliche Positionierung Deutschlands und das damit einhergehende Commitment unter anderem mit der 2009 zwi-schen dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Bundesministerium des Innern (BMI) unter-zeichneten Vereinbarung zur Zusammenarbeit in der IT-Sicher-heitsforschung.50 Darüber hinaus gibt es in Deutschland mehre-re Universitäten und Institute, die Abschlüsse und Zertifikate in Informationssicherheit anbieten. Beispielsweise fördert das BMBF das Kompetenzzentrum für angewandte Sicherheitstech-nologie (KASTEL), welches Fragen der IT-Sicherung anwendungs-bezogen und interdisziplinär nachgeht und einen spezialisierten Master in diesem Bereich ermöglicht. Weiterhin bietet auch die Technische Universität Darmstadt seit 2010 einen Master of Science in IT-Sicherheit an.51

Innerhalb dieser Spitzengruppe des Global Cybersecurity Index sind Länder wie Singapur, die USA, Frankreich und Großbritan-nien jedoch besser positioniert als Deutschland. So weist Singa-pur insbesondere aufgrund strategischer und regulatorischer Vorgaben, die von der Cyber Security Agency of Singapore als

dedizierte Einrichtung festgelegt und überwacht werden, ein hohes Commitment auf. Die Vereinigten Staaten können unter anderem mit diversen Initiativen zur Koordinierung der Cyber-sicherheit zwischen allen Staaten punkten; Frankreich zeigt spe-ziell im Hinblick auf seine Forschungskapazitäten und Möglich-keiten der Kompetenzentwicklung große Bemühungen im Bereich Cyber Security.

„Gefühlte“ Abwehrbereitschaft/Sicherheit bei Cyberangriffen auf das Energiesystem (Abbildung 15, dritte Spalte)Der World Energy Issues Monitor (2017) gibt einen länder-vergleichenden Überblick über aktuelle Trends und Heraus-forderungen sowie mögliche Unsicherheitsfaktoren für den Ener-giesektor. Dabei werden unter anderem Cyberbedrohungen betrachtet. Ziel der Analyse ist es, die Bedeutung von Energie-themen und deren Unsicherheit auf Länderebene darzustellen und darauf aufbauend Handlungsbedarfe zu ermitteln. Das Monitoring basiert dabei auf den Einschätzungen von Expertin-nen und Experten aus neunzig Ländern. „Welche Themen sind dieses Jahr relevant, welche haben an Relevanz verloren? Welche Themen werden von der globalen Energy Community als ‚unsi-cher‘ eingestuft?“52 Insgesamt werden in dem Monitor dreißig größere Länder einander gegenübergestellt.

In der Gesamtbetrachtung hat Deutschland im Vergleich zu an-deren Ländern wie Großbritannien, Nordamerika oder China zwar eine führende Position inne – einzig Japan hat in dem Monitoring einen höheren Indexwert –, verfügt insgesamt aber nur über ein durchschnittlich ausgeprägtes Sicherheitsempfin-den im Umgang mit Cyberbedrohungen.53 Cyberangriffe auf den Energiebereich werden in Deutschland dabei als wichtiges Thema für diesen Sektor eingeschätzt und stellen aufgrund der fehlenden Erfahrung im Umgang mit ihnen eine Herausforde-rung dar. Wenn zunehmend auch Privathaushalte in Energie-speichersystemen zu Stromlieferanten für das öffentliche Netz werden („Prosumenten“), müssen auch sie über ausreichende Cyber-Security-Kompetenzen verfügen.

Auf den ersten Blick ist die Positionierung der Länder im World Energy Issues Monitor erkennbar schlechter als im Global Cyber-security Index (siehe Abbildung 15). Der Unterschied liegt je-doch im Betrachtungswinkel: Einerseits unternehmen die Länder hohe Anstrengungen, um Cyber-Security-Maßnahmen umzuset-zen und die zunehmend vernetzten Systeme in allen

49 | Für weitere Details zum Index siehe Anhang.50 | Dieses IT-Sicherheitsforschungsprogramm umfasst die Forschung und Entwicklung neuer Informationssicherheitstechnologien.51 | Eine detailliertere Übersicht der im Global Cybersecurity Index analysierten fünf Säulen findet sich unter http://www.itu.int/en/ITU-D/Cybersecurity/

Pages/GCI.aspx. 52 | World Energy Council – Weltenergierat Deutschland 2017, o. S.53 | Eine genauere Darstellung der im World Energy Issues Monitor analysierten 41 Themenfelder wie auch die zugrunde liegende Methodologie findet sich

unter https://www.worldenergy.org/publications/2017/world-energy-issues-monitor-2017/.

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Lebensbereichen zu schützen (Global Cybersecurity Index). An-dererseits „fühlen“ sich ebendiese Länder im Umgang mit Cyber-bedrohungen noch nicht sicher. Der Global Cybersecurity Index misst damit tatsächliche, nachweisbare Maßnahmen zur Abwehr von Cyberbedrohungen, während der World Energy Issues Moni-tor ein Stimmungsbild zeichnet, inwiefern sich ein Land im Be-reich der Cyberabwehr sicher „fühlt“.


Im Rahmen des vorliegenden Berichts wurden insgesamt 26 Inter-views mit Expertinnen und Experten durchgeführt und analysiert.54 Nachfolgend werden die Erkenntnisse aus dieser Expertenbefra-gung unter besonderer Berücksichtigung der Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ vorgestellt.

Ausgehend von der zunehmenden Kopplung verschiedener Energiesysteme bewerten die befragten Expertinnen und Experten die Cyber sicherheit als eine zentrale Kompetenz für Energiespei-cher systeme. Entscheidend für die Widerstandsfähigkeit des Sys-tems ist dabei, dass sowohl gesamtwirtschaftliche als auch institu-tionelle und individuelle Regelungen sowie Schutzmechanismen bestehen und diese in der Breite implementiert werden.

„Nehmen Sie das Thema Carsharing und übertragen es auf den Speicherbereich. Wir ‚poolen‘ Speicher, fassen sie in einer Cloud zusammen und steuern sie intelligent. Eine Art Cloud für Speicher. Im Projekt ‚Green2Store‘ läuft das schon ganz ordentlich. Hier geht es um die Software und die Steuerung. Das ist die Zukunft von Deutschland im Speicherbereich. Dafür brauchen wir dann natürlich auch eine sehr gute Cyber Security.“

Mit Blick auf Deutschland schätzen die Expertinnen und Exper-ten die Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ jedoch eher als Schwäche ein. Wesentliche Schwachpunkte wer-den dabei zum einen in mangelnden Kenntnissen und dem feh-lenden Bewusstsein für Cyberbedrohungen und potenzielle Schäden gesehen. Zum anderen fehlen derzeit noch konkrete Maßstäbe, um Kosten-Nutzen-Abwägungen von Cyber Security zielführend durchführen zu können. Fragen nach dem „kritischen Mindestmaß“ an Resilienz und den damit verbundenen Aufwen-dungen bleiben somit unbeantwortet.

„Mit der immer stärkeren Vernetzung von Energiespeicher-systemen steigen die potenziellen Gefahren für Cyber-angriffe. Wir müssen uns dieses Risikos bewusster werden, die Risiken abwägen und Aufklärungsarbeit leisten.“

Die Bewertung der Expertinnen und Experten fällt insgesamt erkennbar pessimistischer aus, als es die indikatoren-basierten Ergebnisse nahelegen (siehe Abbildung 15). Dies könnte einer-seits daran liegen, dass bei einem der ausgewerteten Indizes Cy-ber Security lediglich im Allgemeinen gemessen wurde, während die Expertinnen und Experten Cyber Security direkt im Kontext von Energiespeichersystemen einschätzten. Andererseits wäre denkbar, dass die Expertinnen und Experten eher von einer abso-luten Perspektive („Welches Schutzniveau brauchen wir?“) an-stelle einer relativen Performance („Wie gut ist Deutschland im Vergleich zu anderen?“) ausgegangen sind. Ferner kann der Unterschied mit der Komplexität und Neuartigkeit des Themas begründet werden – es mangelt noch an großzähligen Messun-gen und entsprechenden Erfahrungswerten ( siehe auch Unter-abschnitt 4.5.2).

„Die erforderlichen Standards sind da – darin sind wir gut. Für die Sicherheit unseres Energiesystems müssen wir diese aber noch in die Breite bringen.“

Weiterhin begründen einige der befragten Expertinnen und Experten die Positionierung Deutschlands mit der heute noch vorherrschenden fehlenden Weitsicht für die Relevanz dieses Themas. Zwar ist Deutschlands Position in Bezug auf Cyber Se-curity im Energie bereich im internationalen Vergleich allge-mein vergleichsweise gut, insgesamt müsste das Bewusstsein für die Dringlichkeit strategischer Überlegungen und Maßnah-men gegen Cyberangriffe auf Energienetze in der Zukunft je-doch gestärkt werden. Vor handene Schnittstellen zwischen der Versorgungssicherheit im Stromnetz insgesamt und der Resili-enz von Informations- und Kommunikationssystemen im Ener-giebereich sollten dabei verstärkt in den Fokus politischer Dis-kussionen rücken.

„Derzeit liegt noch nicht mal ein Design für Themen wie die Cybersicherheit in Energienetzen vor. Die beiden The-men Cyber Sicherheit und Energie werden heute noch viel zu getrennt voneinander betrachtet. Es bedarf einer Zu-sammenführung dieser beiden Bereiche – gerade vor dem Hintergrund einer zunehmenden Vernetzung von Energie-systemen und Energiespeichern.“

Hinzu kommt nach Meinung einiger Expertinnen und Experten, dass im Zuge der Energiewende völlig neue Akteure wie beispiels-weise Liegenschaften und Wohnungsbaugesellschaften im Ener-giesektor auftreten, die zuvor keinerlei Berührungspunkte mit dieser Branche hatten und folglich keine Expertise in diesen Be-reichen haben. Durch die entstehende Komplexität des Energie-netzes können so beispielsweise vernetzte Energiespeicher in den

54 | Vgl. auch Kapitel 2 und 3 dieses Berichts sowie den Basisbericht (separates Dokument) für die Methodik.

38

verschiedenen Haushalten zu einem möglichen Einfallstor für digitale Angriffe auf das Energiesystem werden. Auch kleineren und mittelständischen Unternehmen sowie anderen kleinen Insti-tutionen fehlt das nötige Wissen und Bewusstsein für resiliente Energienetze.

„Für die Sicherstellung eines resilienten Energiesystems müssen auch kleine und mittelständische Unternehmen verstärkt in die Debatte eingezogen werden. KMUs wer-den sich nicht an Energiespeichersystemen über die eige-nen Unternehmensgrenzen hinweg beteiligen, wenn diese zum Einfallstor für Cyberattacken werden beziehungs-weise die Kosten zur Cyberabwehr explodieren.“

In diesem Zusammenhang bedarf es nach Meinung der befrag-ten Expertinnen und Experten einer Sensibilisierung und Aufklä-rung seitens Politik und Wissenschaft. Zielgruppengerecht sollte über das Ausmaß potenzieller Schäden durch Cyberangriffe in-formiert und sensibilisiert sowie technische Möglichkeiten zur Abwehr dieser Gefahren aufgezeigt werden. Zudem müssten auch für kleinere Akteure verpflichtende Regularien zum Schutz Kritischer Infrastrukturen implementiert werden. Das Gesetz zur Umsetzung der europäischen Richtlinie zur Gewährleistung ei-ner hohen Netzwerk- und Informationssicherheit (NIS-Richtlinie) bietet hier erste Ansatzpunkte.55

55 | Das Gesetz zur Umsetzung der NIS-Richtlinie enthält Neuerungen unter anderem in Bezug auf die Mindestsicherheitsanforderungen an Kritische Infra-strukturen (KRITIS) und vergrößert die Aufsichts- und Durchsetzungsrechte des BSI gegenüber KRITIS-Betreibern (vgl. Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik 2017b).


§ Die Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“ wird von den befragten Expertinnen und Experten für Deutschland im internationalen Vergleich eher als Schwäche eingeschätzt.

§ Insgesamt besteht unter den Expertinnen und Experten dabei keine einheitliche Einschätzung (Streuung MD = 2): Die Wirtschaftsvertreterinnen und Wirtschaftsvertreter bewerten die Positionierung Deutschlands tendenziell eher als Stärke, da bereits vorhandene koordinierte Ansätze und gemeinsame Standards einen guten Basisschutz gewährleisten. Nach Einschätzung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist Deutschlands Energienetz jedoch nicht flexibel genug, und es fehlt an einem systemischen Verständnis.

§ Die durchaus vorhandenen Cyber-Security-Kompetenzen in Deutschland sollten nach Meinung der meisten befragten Expertinnen und Experten noch gezielter auf Anwendungsbereiche im Energiesystem übertragen werden.


§ „Wir brauchen in Deutschland ein resilientes Energiespeicher-system. Die Verantwortung für die Umsetzung liegt dabei auf staatlicher Seite.“

§ „Wir haben die technischen Lösungen – uns mangelt es aber an der richtigen Implementierung.“

§ „Wie viel darf Resilienz kosten? Was wollen wir uns eigentlich leisten?“

Abbildung 16: Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“: Einschätzung der Expertinnen und Experten zur Position Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung)

Bei der Schlüsselkompetenz„Cyber Security in Energiesystemen“




10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

MD = 2,0

Legende:



x = 3,5

39


„Cyberbedrohungen gewinnen durch die IKT-basierte Ver-netzung eine ganz neue Dimension – mögliche Einfalls-tore für Angriffe auf das Energiesystem liegen dabei oft-mals in der Umsetzungswelt vorhandener technischer Lösungen begründet.“

Einige der befragten Expertinnen und Experten warfen hierbei die Frage auf, ob es einer eigenen Netz- beziehungsweise Kom-munikationsstruktur bedarf, die unabhängig vom heutigen – oft-mals angreifbaren – Internet ist. Für den Aufbau einer solchen Infrastruktur und die Schaffung sicherer Energienetze sehen die Expertinnen und Experten die Verantwortung aufseiten der Mi-nisterien. Insgesamt muss dabei immer die Gesamtinfrastruktur mitgedacht werden, da die Bedarfe sonst nicht zu den techni-schen Lösungen passen. Hierfür ist die Zusammenarbeit über Systemgrenzen und unterschiedliche Wertschöpfungsketten hin-weg erforderlich: Ganzheitliche Sicherheitskonzepte müssen ent-wickelt werden. Die 2014 gegründete Initiative zum Industrial Data Space kann hier als ein branchen- und grenzübergreifendes Beispiel gesehen werden. Durch die Schaffung eines virtuellen Datenraums sollen der sichere Austausch wie auch die Kopplung von Daten ermöglicht und somit skalierbare Lösungen gefunden werden.56

„Das Stromnetz muss funktionieren, auch wenn die Inter-netverbindung unterbrochen oder der Strom lokal ausge-fallen ist. Die heutigen Lösungen hierfür sind noch nicht ausreichend.“

Die Herausforderung für den Aufbau resilienter Strukturen in Energiesystemen sehen einige Expertinnen und Experten dabei unter anderem in der Schaffung von Vertrauen in sichere, vernetzte IT-Systeme im Energiebereich. Das in der Gesellschaft existierende Spannungsfeld zwischen dem Autarkiegedanken einzelner privater Prosumenten und der Integration in das Gesamtsystem steht dabei einem gemeinsamen Gefühl der IT- Sicherheit bei vernetzten Energiesystemen entgegen. Eine Möglichkeit zur Überwindung dieser Hürde sehen die befrag-ten Expertinnen und Experten beispielsweise in Förderprogram-men wie „Schaufenster intelligente Energie – Digitale Agenda für die Energiewende“ (SINTEG). Durch die Schaffung regiona-ler Versuchsfelder, sogenannter Schaufensterregionen, sollen in dem Programm neue Ansätze für die Digitalisierung der Energiewende entwickelt und somit zentrale Herausforderun-gen wie Systemintegration, Flexibilität und Systemsicherheit thematisiert werden.57 Ziel ist die Erprobung neuer Verfahren und Technologien für ein sicheres und stabiles Energiesystem. Gerade für kleine und mittelständische Unternehmen können solche Modellregionen wichtige Impulse zur Verbesserung der Cybersicherheit liefern. Weiterhin wäre es wünschenswert, eine persönliche und bürgernahe Technikkommunikation über Chancen, Grenzen, Risiken und Optionen für Energiespeicher zu fördern. Laut den befragten Expertinnen und Experten müss-ten Hochschulen und Verbände hier verstärkt aktiv werden und die Zusammenarbeit mit Kommunen und den Ansprechpartne-rinnen und Ansprechpartnern vor Ort auch in den kleineren Ortschaften ausbauen.

56 | Vgl. Fraunhofer-Gesellschaft/Industrial Data Space e. V. 2016.57 | Vgl. Bundesministerium für Wirtschaft und Energie 2017b.

40

Anhang C: Berechnungen und Auswertungen

Neben den selbst durchgeführten Experteninterviews wurden im NKM auch geeignete Rankings aus Sekundärquellen (Berichte, Studien, Reports) ausgewertet. Die Überführung der Ergebnisse aus den einzelnen Sekundärquellen in das NKM-Dashboard so-wie Fragebogen und Begleitschreiben werden im Anhang offengelegt.

Der Anhang kann durch Klicken auf den nachfolgenden QR-Code geöffnet wer-den. Alternativ kann der Anhang über die acatech Geschäftsstelle (Kontaktdaten siehe nächste Seite) angefordert werden.

Anhang

Anhang A: Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Dokumentation der Pilotphase in drei Berichten 5Abbildung 2: Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme im internationalen Vergleich (Quelle: eigene Darstellung) 7Abbildung 3: Schlüsselkompetenzen im Technologiefeld der Energiespeichersysteme – Ergebnisse (Quelle: eigene Darstellung) 13Abbildung 4: Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme im internationalen Vergleich (Quelle: eigene Darstellung) 15Abbildung 5: Begriffsverständnis „ Batteriemanagementsysteme“ (Quelle: eigene Darstellung in Anlehnung an Frost &

Sullivan 2015) 16Abbildung 6: Schlüsselkompetenz „Batteriemanagementsysteme“ (BMS): Kernergebnisse der indikatoren-basierten Bewertung

( Quelle: eigene Darstellung) 18Abbildung 7: Schlüsselkompetenz „Batteriemanagementsysteme“: Einschätzung der Expertinnen und Experten zur Position

Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung) 20Abbildung 8: Schematischer Aufbau und Funktionsweise einer Lithium-Ionen-Zelle (Quelle: Sterner und Stadler 2017, S. 284) 21Abbildung 9: Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“: Kernergebnisse der indikatoren-basierten Bewertung

(Quelle: eigene Darstellung) 22Abbildung 10: Schlüsselkompetenz „Aufbau einer Zellproduktion“: Einschätzung der Expertinnen und Experten zur Position

Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung) 24Abbildung 11: Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Speicher“: Kernergebnisse der indikatoren-basierten

Bewertung (Quelle: eigene Darstellung) 27Abbildung 12: Schlüsselkompetenz „Forschung und Technologie für Speicher“: Einschätzung der Expertinnen und

Experten zur Position Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung) 29Abbildung 13: Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“: Kernergebnisse der indikatoren-basierten

Bewertung (Quelle: eigene Darstellung) 30Abbildung 14: Schlüsselkompetenz „Elektroingenieurwesen (Universitätsniveau)“: Einschätzung der Expertinnen und

Experten zur Position Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung) 32Abbildung 15: Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“: Kernergebnisse der indikatoren-basierten

Bewertung ( Quelle: eigene Darstellung) 35Abbildung 16: Schlüsselkompetenz „Cyber Security in Energiesystemen“: Einschätzung der Expertinnen und Experten

zur Position Deutschlands im Vergleich zu anderen Ländern (Quelle: eigene Darstellung) 37

Anhang B: Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Schlüsselkompetenzen für Energiespeichersysteme, die in diesem Bericht untersucht werden 12

41

Anhang

Anhang D: Kontaktdaten

Dr. Jan Henning Behrens

Wissenschaftlicher Referent im Themenbereich Volkswirtschaft, Bildung und Arbeit

acatech – DEUTSCHE AKADEMIE DER TECHNIKWISSENSCHAFTEN

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Literatur

acatech/Leopoldina/Akademienunion 2017acatech/Leopoldina/Akademienunion (Hrsg.): Das Energiesys-tem resilient gestalten: Maßnahmen für eine gesicherte Versor-gung (Schriftenreihe zur wissenschaftsbasierten Politikbera-tung), München, Halle (Saale), Berlin 2017.

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FraunhoferInstitut für System und Innovationsforschung ISI 2015bFraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Hrsg.): Energiespeicher-Monitoring für die Elektromobilität EMO-TOR, 2015. URL: http://www.isi.fraunhofer.de/isi-de/t/projekte/emotor.php [Stand: 14.12.2017].

FraunhoferInstitut für System und Innovationsforschung ISI 2016Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI (Hrsg.): Energiespeicher-Monitoring 2016. Deutschland auf dem Weg zum Leitmarkt und Leitanbieter?, Karlsruhe 2016.

Fraunhofer Gesellschaft/Industrial Data Space e. V. 2016Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten For-schung e. V./Industrial Data Space e. V.: Industrial Data Space. Digitale Souveränität über Daten (White Paper), München, Ber-lin 2016.

Frost & Sullivan 2015Frost & Sullivan (Hrsg.): Global Battery Management Systems, 2015.

Hofstede 1982Hofstede, G (Hrsg.): Culture’s Consequences: International Diffe-rences in Work-related Values, Thousand Oaks: Sage Publications 1982.

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Literatur

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acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften

acatech vertritt die deutschen Technikwissenschaften im In- und Aus-land in selbstbestimmter, unabhängiger und gemeinwohlorientierter Weise. Als Arbeitsakademie berät acatech Politik und Gesellschaft in technikwissenschaftlichen und technologiepolitischen Zukunftsfragen. Darüber hinaus hat es sich acatech zum Ziel gesetzt, den Wissens-transfer zwischen Wissenschaft und Wirtschaft zu unterstützen und den technikwissenschaftlichen Nachwuchs zu fördern. Zu den Mitgliedern der Akademie zählen herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissen-schaftler aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Unternehmen. acatech finanziert sich durch eine institutionelle Förderung von Bund und Ländern sowie durch Spenden und projektbezogene Drittmittel. Um den Diskurs über technischen Fortschritt in Deutschland zu fördern und das Potenzial zukunftsweisender Technologien für Wirtschaft und Gesell schaft dar zustellen, veranstaltet acatech Symposien, Foren, Podiums diskussionen und Workshops. Mit Studien, Empfehlungen und Stellungnahmen wen det sich acatech an die Öffentlichkeit. acatech besteht aus drei Organen: Die Mitglieder der Akademie sind in der Mitgliederversammlung organisiert; das Präsidium, das von den Mit-gliedern und Senatorinnen und Senatoren der Akademie bestimmt wird, lenkt die Arbeit; ein Senat mit namhaften Persönlichkeiten vor allem aus der Industrie, aus der Wissenschaft und aus der Politik berät acatech in Fragen der strategischen Ausrichtung und sorgt für den Austausch mit der Wirtschaft und anderen Wissenschaftsorganisa-tionen in Deutschland. Die Geschäftsstelle von acatech befindet sich in München; zudem ist acatech mit einem Hauptstadt büro in Berlin und einem Büro in Brüssel vertreten.

Weitere Informationen unter www.acatech.de

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acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, 2018

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Vorstand i.S.v. § 26 BGB: Prof. Dr.-Ing. Dieter Spath, Karl-Heinz Streibich, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Gausemeier, Prof. Dr. Reinhard F. Hüttl, Prof. Dr. Hermann Requardt, Prof. Dr.-Ing. Thomas Weber, Prof. Dr. Martina Schraudner, Manfred Rauhmeier

Empfohlene Zitierweise:acatech (Hrsg.): Pilotphase Nationales Kompetenz-Monitoring (NKM): Bericht: Energiespeichersysteme (Fokus Lithium-Ionen-Speicher). Auswahl, Beschreibung, Bewertung und Messung der Schlüsselkompetenzen für das Technologiefeld Energiespeichersysteme (acatech DISKUSSION), München 2018.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Über setzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Wiedergabe auf fotomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben – auch bei nur auszugsweiser Verwendung – vorbehalten.

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Koordination und Redaktion: Dr. Thomas Lange, Dr. Jan Henning Behrens, Dr. Ralph SeitzLektorat: Lektorat Berlin, BerlinLayout-Konzeption: Groothuis, HamburgKonvertierung und Satz: Fraunhofer IAIS, Sankt Augustin

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Bericht: Energiespeicher - systeme (Fokus Lithium- Ionen ... · Technology, Energy – Metzger,...

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