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EPA-IEA-Studie Stromspeicher Wird die Batterietechnik zur Schlüsseltechnologie in der Energiewende?

Patentanmeldungen im Bereich der Stromspeicherung haben im letzten Jahrzehnt um jährlich 14 % zugenommen. Um die weltweiten Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen, muss die Verfügbarkeit von Batterien und anderen Energiespeichern bis 2040 verfünfzigfacht werden. Welche Branche der Haupttreiber für Innovation im Batteriesektor ist und welcher Bereich der Batterieforschung zumeist im Fokus steht, hat PROCESS recherchiert.

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(Bild: gemeinfrei/kreatiker / Pixabay )

München – Die Verbesserung der Stromspeicherkapazitäten spielt eine Schlüsselrolle für den Übergang zu sauberen Energietechnologien. Zwischen 2005 und 2018 nahm die weltweite Patentierungstätigkeit in der Batterietechnik und anderen Stromspeichertechnologien mit einer jährlichen Durchschnittsrate von 14 % viermal schneller zu als im Querschnitt aller technischen Gebiete – dies zeigt eine gemeinsame Studie, die heute vom Europäischen Patentamt (EPA) und der Internationalen Energieagentur (IEA) veröffentlicht worden ist.

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Aus dem Bericht „Innovationen bei Batterien und Stromspeichern – eine globale Analyse anhand von Patentdaten“ geht hervor, dass fast 90 % der gesamten Patentierungsaktivität im Bereich der Stromspeicherung auf die Batterietechnik entfällt und dass der Zuwachs an Innovation vor allem durch Fortschritte bei wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien für Verbraucherelektronik und für Elektroautos beschleunigt wird. Insbesondere die Elektromobilität verlangt nach der Entwicklung neuer chemischer Zusammensetzungen für Lithium-Ionen-Batterien, die deren Leistung, Haltbarkeit, Lade-/Entladegeschwindigkeit und Recyclingfähigkeit verbessern sollen. Der technologische Fortschritt wird auch von der Notwendigkeit begünstigt, größere Strommengen aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Solarenergie in die Netze einzuspeisen.

Energiespeicherkapazität muss exponentiell wachsen

Die Studie zeigt weiter, dass Japan und Südkorea in der Batterietechnik eine starke weltweite Führungsposition innehaben und dass technischer Fortschritt und Massenproduktion in einem zunehmend ausgereiften Industriezweig in den letzten Jahren zu einer deutlichen Preissenkung am Batteriemarkt geführt haben – bei Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge um fast 90 % seit 2010 und bei stationären Anwendungen einschließlich Stromnetzmanagement im gleichen Zeitraum um rund zwei Drittel.

Die Entwicklung besserer und billigerer Energiespeicher ist eine der großen Herausforderungen der Zukunft: Die IEA geht in ihrem Nachhaltigkeitsszenario davon aus, dass 2040 eine Energiespeicherkapazität von annähernd 10.000 GWh in Form von Batterien und sonstigen Speichern benötigt wird, damit die Welt die Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsziele einhalten kann – fast das Fünfzigfache des heutigen Werts.

„Die Stromspeichertechnologie ist ausschlaggebend, wenn es darum geht, die Nachfrage nach Elektromobilität zu decken und den notwendigen Übergang zu erneuerbaren Energien zu schaffen, um dem Klimawandel entgegenzuwirken“, sagte EPA-Präsident António Campinos. „Der rapide und anhaltende Innovationszuwachs im Bereich der Stromspeicherung zeigt, dass Erfinder und Unternehmen die Herausforderung der Energiewende angehen. Die Patentdaten lassen erkennen, dass Asien in dieser strategischen Branche zwar deutlich führt, die USA und Europa aber auf ein breites Innovationsökosystem mit einer Vielzahl von KMU und Forschungseinrichtungen zählen können und so bei der Entwicklung der nächsten Generation von Batterien im Rennen bleiben dürften.“

„Die IEA-Prognosen machen deutlich, dass die Energiespeicherung in den kommenden Jahrzehnten exponentiell wachsen muss, damit die Welt die internationalen Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsziele einhalten kann. Beschleunigte Innovation wird für dieses Wachstum von entscheidender Bedeutung sein“, sagte IEA-Exekutivdirektor Fatih Birol.

Patentanmeldungen als Frühindikator zukünftiger Technolgietrends

Der Bericht stellt die wichtigsten Innovationstrends im Bereich der Stromspeicherung zwischen 2000 und 2018 vor, gemessen an sog. internationalen Patentfamilien, denen jeweils eine hochwertige Erfindung zugrunde liegt, für die Patentanmeldungen bei zwei oder mehr Patentämtern weltweit eingereicht worden sind. Da solche Anmeldungen viele Monate oder gar Jahre vor der Vermarktung eines Produkts eingereicht werden, gelten sie häufig als Frühindikator für zukünftige Technologietrends.

Zusamenfassung der Studie (deutsch) herunterladen:


Gesamte Studie (englisch) herunterladen:

Im Bereich der Stromspeicherung haben Unternehmen weltweit seit 2000 mehr als 65.000 internationale Patentfamilien (IPF) angemeldet. Die jährliche Zahl der IPF in diesem Sektor ist von rund 1 500 im Jahr 2005 auf über 7 000 im Jahr 2018 stark gestiegen. Mit einer durchschnittlichen jährlichen Zuwachsrate von 14 % seit 2005 haben diese IPF den durchschnittlichen jährlichen Anstieg in allen Technologiefeldern im gleichen Zeitraum (3,5 %) erheblich übertroffen.

Batterietechnik bei den Stromspeicherpatenten führend

Zwischen 2000 und 2018 entfielen neun von zehn Stromspeicherpatenten auf Erfindungen in der Batterietechnik, mit sehr großem Abstand gefolgt von elektrischen (9 %), thermischen (5 %) und mechanischen (3 %) Speicherlösungen. Hinzukommt, dass der starke Aufwärtstrend der letzten Jahre – mit einem neuen Höchststand 2018 – so nur in der Batterietechnik zu verzeichnen war, was unterstreicht, wie stark das aktuelle Innovationsgeschehen bei Stromspeichern durch die Batterietechnik dominiert wird.

Der Bericht zeigt zudem, dass die bei tragbaren Elektronikgeräten und bei Elektrofahrzeugen dominierende Lithium-Ionen-Technik seit 2005 der stärkste Innovationstreiber im Batteriesektor ist. 2018 entfielen 45 % der Patentierungstätigkeit bei Batteriezellen auf Innovationen rund um Lithium-Ionen-Zellen und gerade einmal 7 % auf Zellen aus anderen Materialien.

2011 löste Elektromobilität die Verbraucherelektronik als größten Wachstumstreiber für Erfindungen im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien ab (Siehe Grafik: Zahl der internationalen Patentfamilien für Anwendungen von Batteriepacks 2000 – 2018). Verbesserungen bei den Batteriepacks für Elektroautos hatten positive Auswirkungen auf stationäre Anwendungen einschließlich des Stromnetzmanagements.

Batteriezellfertigung- und konstruktion zieht deutlich an

Des Weiteren zeigt der Bericht auch, dass sich die Patentierungstätigkeit im Bereich der Batteriezellfertigung und -konstruktion in den letzten zehn Jahren verdreifacht hat. Diese beiden Bereiche zusammen machten 2018 fast die Hälfte (47 %) der gesamten Patentierungstätigkeit bezüglich Batteriezellen aus – ein klarer Hinweis auf die industrielle Reife der Branche und die strategische Bedeutung der Entwicklung einer effizienten Massenproduktion.

Darüber hinaus gewinnen auch andere Speichertechnologien wie Superkondensatoren und Redox-Flow-Batterien rasch an Bedeutung: Sie haben das Potenzial, einige der Schwächen von Lithium-Ionen-Batterien zu überwinden.

Die Studie zeigt, dass Unternehmen aus Asien im globalen Wettlauf um Batterietechnik eine klare Führungsposition belegen, wobei japanische und südkoreanische Unternehmen an der Spitze stehen. Neun der zehn führenden Anmelder von Patenten auf Batterien sind asiatische Unternehmen. Zwei Drittel der 25 wichtigsten Anmelder stammen aus Asien, aber immerhin auch sechs aus Europa und zwei aus den USA. Auf die fünf führenden Anmelder (Samsung, Panasonic, LG, Toyota und Bosch) entfiel zwischen 2000 und 2018 über ein Viertel aller internationalen Patentfamilien.

Die Innovation in der Batterietechnik wird zwar noch weitgehend von einigen wenigen Großunternehmen beherrscht, doch spielen in den USA und Europa auch kleinere Unternehmen, Hochschulen und öffentliche Forschungseinrichtungen eine wichtige Rolle. In den USA entfallen 34,4 % der entsprechenden internationalen Patentfamilien auf KMU und 13,8 % auf Hochschulen und Forschungseinrichtungen; in Europa sind dies 15,9 % bzw. 12,7 %. Ganz anders stellt sich die Situation in Japan (3,4 % bzw. 3,5 %) und in der Republik Korea (4,6 % bzw. 9,0 %) dar.

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