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Strategische Rohstoffplanung zu elektrischen Antriebstechnologien im Automobilbau

Diplomarbeit 2009 75 Seiten

BWL - Beschaffung, Produktion, Logistik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung

2 Zielsetzung

3 Identifizierung kritischer Rohstoffe
3.1 Die Kritikalität von Rohstoffen
3.1.1 Verfügbarkeit von Rohstoffen
3.1.2 Strategische Bedeutung von Rohstoffen

4 Die Rohstoffanalyse
4.1 Versorgungssituation - Lithium
4.2 Reservenbasis / Reserven – Lithium
4.3 Analyse der Angebotssituation – Lithium
4.4 Analyse der Nachfrageentwicklung – Lithium
4.5 Angebot/Nachfrage Szenarien – Lithium
4.6 Beurteilung der Kritikalität von Lithium
4.7 Versorgungssituation - Neodym
4.8 Reservenbasis / Reserven – Neodym
4.9 Analyse der Angebotssituation – Neodym
4.10 Analyse der Nachfrageentwicklung – Neodym
4.11 Angebot/Nachfrage Szenarien – Neodym
4.12 Beurteilung der Kritikalität von Neodym
4.13 Versorgungssituation - Platin
4.14 Reservenbasis / Reserven – Platin
4.15 Analyse der Angebotssituation – Platin
4.16 Analyse der Nachfrageentwicklung – Platin
4.17 Angebot/Nachfrage Szenarien – Platin
4.18 Beurteilung der Kritikalität von Platin

5 Zusammenfassung und Ausblick

Quellenverzeichnis

Begriffsklärung

1 Einführung

Wie schnell die Stabilität der Weltwirtschaft zu beeinflussen ist, wurde in den letzten Monaten in beeindruckendem Maße durch tägliche Hiobsbotschaften der Weltwirschaftspresse vorgeführt. Gründe für die eintretende Weltwirtschaftskrise konnten jedoch keine genannt werden, denn die Einflüsse auf die heutige Weltwirtschaft wurden im Zuge der Globalisierung äußerst komplex.

So kam es in den letzten Jahrzenten zu einem starken Wachstum und einer Einflussnahme der sogenannten BRIC Staaten, bestehend aus Brasilien, Russland, Indien und China, welche mit hohen Wachstumsraten eine neue Rolle in der Weltwirtschaft einnehmen. Zudem haben China und einige weitere Schwellenländer wie zum Beispiel Süd Afrika eine starke Einflussnahme zur Versorgung mit einzelnen metallischen Rohstoffen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Lagerstätten dieser Rohstoffe auch in diesen Ländern zu finden sind, wodurch es zu einer Abhängigkeit der Weltwirtschaft kommt. Gleichzeitig wächst auch der Rohstoffbedarf der BRIC Staaten mit ihrem Wirtschaftswachstum an.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Chinesische Nachfrageentwicklung in Prozent der weltweiten Nachfrage für ausgewählte metallische Rohstoffe und Rohöl in den Jahren 2000 bis 2005. (Allianz, Global Investors, 2007)

So kam es in China in den Jahren 2000 bis 2005 bei vielen metallischen Rohstoffen zu einer großen Nachfragesteigerung mit einem bedeutenden, weltweiten Nachfrageanteil. Diese zusätzliche Nachfrage der BRIC Staaten führte zu enormen Preissteigerungen in den Roh-stoffmärkten. Als Beispiel ist der von der deutschen Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe regelmäßig errechnete Metallpreisindex genannt, der sich nach einem „trägen“ verlauf in den neunziger Jahren, im Zeitraum von 2003 bis 2008, mehr als verdreifacht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: BGR- Metallpreisindex und Sub-Index für Stahlveredler. (Ausgangswert: Januar 03) (Bundesamt für Geowissenschaften und Rohstoffe-BGR, 2008)

Durch einen Preisanstieg notwendiger Rohmaterialien kommt es zu einer starken finanziellen Belastung vieler Unternehmen. Darüber hinaus ist durch die derzeitige Weltwirtschaftskrise eine politische und eine wirtschaftliche Destabilisierung der zur Rohstoffversorgung wichtigen BRIC Staaten möglich. Eine solche Destabilisierung einiger Lieferländer würde die weltweite Rohstoffversorgung gefährden.

In dieser Krise steuert die Automobilindustrie immer näher auf einen technologischen Umbruch zu, der Wandel zur elektrischen Mobilität. Diese Umstrukturierung vom Verbrennungsmotor hin zum elektrischen Antrieb bedeutet für die Automobilindustrie einen Bedarf an völlig neuen Technologien wie sie in Elektromotoren, Batterien und Brennstoffzellen zu finden sind. Zumeist im Hintergrund bleibt bei dieser Diskussion, dass sich mit einem Wechsel der Automobilhersteller auf alternative Antriebe auch die Nachfrage nach Rohstoffen verändert. Die Nachfrage tendiert zu High-Tech-Rohstoffen mit einem breiten Anwendungsportfolio in alternativen Energietechnologien, welche im Zuge der immer wichtiger werdenden Steigerung der Energieeffizienz extrem hohe Wachstumspotenziale in sich tragen. Es ist daher davon auszugehen, dass neben den bisher bedeutenden Rohstoffen der Automobilindustrie wie den Stahlveredlern Nickel, Chrom, Mangan neue strategische Metalle hinzukommen werden.

Gegenwärtig wächst daher sowohl innerhalb als auch außerhalb der Automobilindustrie das Bewusstsein, dass mögliche Kostenrisiken und Ausfallrisiken von Rohstoffen eine verstärkte Beachtung erfordern.

2 Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit war es, Rohstoffe zu identifizieren, die für die Automobilindustrie von Bedeutung sind und gleichzeitig eine unsichere zukünftige Versorgungssituation aufweisen. Rohstoffe mit hoher strategischer Relevanz, bei einer gleichzeitig unsicheren Versorgungssituation, wurden dabei als kritischer Rohstoff definiert. Um den spezifischen Risiken dieser Rohstoffe vorzubeugen, wurden aus den in dieser Arbeit getätigten Studien Implikationen für die Automobilindustrie abgeleitet.

Als Risiko wird hierbei ein Ausfall, ein Engpass, oder eine drastische Preissteigerung von dringend benötigten Produktionsrohstoffen angesehen. Als Ausfallrisiko wird die Gefahr versiegender geologischer Vorkommen des benötigten Rohstoffes bezeichnet. Dies ist der Fall, wenn die Vorkommen eines Rohstoffes noch nicht ökonomisch oder nicht mehr technisch abgebaut werden können, und deshalb für die Industrie nicht mehr erreichbar sind. Ein Engpassrisiko ist gegeben, falls aus technischen Gründen die Rohstoffnachfrage nicht mehr gedeckt werden kann. Dieser technische Engpass kommt zustande, falls in der Wertschöpfungskette ein Stakeholder nicht in der Lage ist, der Nachfrage des Endverbrauchers nachzukommen. Gründe hierfür können ökonomischer, ökologischer oder politischer Natur sein. Des Weiteren wird das Kostenrisiko von Rohstoffen betrachtet. Bei Kostensteigerungen von Rohstoffen ist nicht die Verfügbarkeit des Rohstoffes gefährdet, es kommt lediglich zu einer Preissteigerung. Eine mögliche Ursache hierfür ist die Monopolstellung eines Rohstoff produzierenden Unternehmens und einer daraus resultierenden Preisdiktatur.

Um eine Analyse dieser Risiken von Rohstoffen durchzuführen, musste in einem ersten Schritt eine Identifizierung von risikoreichen Rohstoffen durchgeführt werden. Dazu wurden das Angebot, die Nachfrage und die äußeren Einflüsse der Rohstoffe untersucht, um den Grad der Gefährdung eines Rohstoffes für ein Unternehmen, bzw. die Kritikalität eines Rohstoffes, zu beurteilen. Zudem wurde eine weitere Einschränkung der zu betrachtenden Rohstoffe vorgenommen. Es wurden lediglich metallische Rohstoffe betrachtet, die sich im elektrischen Antriebstrang eines Automobils befinden. Hierzu gehören Rohstoffe, welche aufgrund ihrer Funktionalität dringend für die Technologien zum elektrischen Antrieb benötigt werden. Die betrachteten Technologien waren dabei die Batterietechnologie, die Brennstoffzelle und der Elektromotor.

3 Identifizierung kritischer Rohstoffe

Für die Identifizierung von kritischen Rohstoffen ist als Grundlage eine genaue Definition der Kritikalität von Rohstoffen nötig. Hierzu wird im Folgenden auf diese Kritikalität der Rohstoffe näher eingegangen.

3.1 Die Kritikalität von Rohstoffen

Die Kritikalität von Rohstoffen ist ein Konzept aus zwei Variablen. So ist die Kritikalität abhängig von der Verfügbarkeit des Rohstoffes und dessen strategischer Bedeutung.

Die Verfügbarkeit von Rohstoffen beinhaltet dabei vom Abbau bis zur Verarbeitung des Rohstoffes zum fertigen Produkt alle Schritte. Diese Art der Versorgung wird auch als primäre Rohstoffversorgung bezeichnet. Des Weiteren ist nach dem Verbrauch der Rohstoffe über Recycling-Prozesse eine sogenannte sekundäre Rohstoffversorgung vorhanden. (Graedel, 2008) Jedoch konnte aus zeitlichen Gründen im Rahmen dieser Arbeit lediglich die primäre Versorgung von Rohstoffen betrachtet werden.

Die strategische Bedeutung von Rohstoffen stellt deren Funktionalität dar. Es wird hier bewertet inwieweit der Rohstoff zur Umsetzung einer Technologie benötigt wird, beziehungsweise inwieweit dieser durch einen anderen Rohstoff substituiert werden kann. (Graedel, 2008)

Deutlicher wird dabei das Konzept der Kritikalität in der graphischen Darstellung einer Rohstofflandkarte. In dieser Rohstofflandkarte repräsentiert die horizontale Achse die strategische Bedeutung, während die vertikale Achse die Verfügbarkeit des Rohstoffes darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Graphische Darstellung der Kritikalität eines Rohstoffes in einer Rohstofflandkarte. Gekennzeichnet sind vier Regionen verschieden hoher Kritikalität( grün entspricht einer geringen Kritikalität. Gelb zeigt eine mittlere Kritikalität, orange eine erhöhte Kritikalität, während das rote Feld hohe Kritikalität darstellt.)

Ein Material, dessen Nutzen von hoher Bedeutung zur Umsetzung eines Produktes ist und zugleich Risiken bei der Verfügbarkeit besteht, ist in der Rohstofflandkarte im roten Feld der hohen Kritikalität zu finden. Für die Bestimmung der Kritikalität eines bestimmten Rohstoffes müssen detaillierte Informationen zur Verfügbarkeit und strategischen Bedeutung des Rohstoffes gesammelt werden, um eine Expertise zur Position des Rohstoffes im Diagramm treffen zu können. (Graedel, 2008).

3.1.1 Verfügbarkeit von Rohstoffen

Die Versorgungssituation stellt die erste Dimension der Kritikalität eines Rohstoffes dar. Zur Beurteilung der Versorgungssituation wurde auf die Reserve, die Reservenbasis, die Angebotssituation und die Nachfragesituation der Rohstoffe eingegangen.

- Reserve und Reservenbasis

Zur Beurteilung der Vorkommen eines Rohstoffes werden die Begriffe „Reserve“ und „Reservenbasis“ verwendet. Diese Begriffe wurden aus der Reserven und Ressourcen Klassifizierung des amerikanischen U.S. Geological Survey übernommen. (U.S. Geological Survey - Appendix A, 2008). Als Reserve werden Vorkommen von Rohstoffen bezeichnet, welche bereits heute ökonomisch abgebaut und unter den technischen Gegebenheiten weiterverarbeitet werden können. Die Reservenbasis beinhaltet dagegen zusätzlich zur Reserve ein Vorkommen von Rohstoffen, das aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften einen zukünftigen ökonomischen Abbau und eine Weiterverarbeitung des Rohstoffes möglich erscheinen lässt.

Für die so definierte Reserve eines Rohstoffes wird auf dem heutigen Nachfrageniveau eine statische Reichweite errechnet, um qualitativ die geologische Verfügbarkeit des Rohstoffes zu prüfen. Zudem wird eine länderspezifische und eine regionale Verteilung der Reservenbasis erstellt. Eine hohe länderspezifische oder regionale Konzentration von Reserve oder Reservenbasis eines Rohstoffes birgt die Gefahr eines technischen Engpasses großer Kapazitäten durch politische Interessen oder ökologische Einflüsse.

- Analyse der Angebotssituation

Die Analyse der Angebotssituation eines Rohstoffes ist das Herzstück zur Prüfung der Verfügbarkeit eines Rohstoffes. Hier wird möglichst die gesamte Wertschöpfungskette eines Rohstoffes vom Abbau über die Verarbeitung bis zum Endprodukt betrachtet.

- Abbauverfahren

Der Beginn einer Wertschöpfungskette liegt für jeden Rohstoff beim Abbau der geologischen Vorkommen. Dem Wissen um die Abbauverfahren eines Rohstoffes kommt große Bedeutung zu.

So befinden sich viele Rohstoffe in ihren Lagerstätten in Vergesellschaftung mit anderen Rohstoffen. Eine Förderung ist daher nur im Kollektiv möglich. Es ist daher für einen ökonomischen Abbau wichtig, die Wertschöpfung dieses Kollektiv an Rohstoffen zu betrachten. Denn je höher die Konzentration der Rohstoffe mit geringem Wertschöpfungsanteil im abzubauendem Erz, desto unwirtschaftlicher wird der Abbau. Des Weiteren wird erst in der Diskussion der Abbauverfahren deutlich (siehe Kapitel 4), welche Ressourcen zum Abbau der Rohstoffe benötigt werden. Oft werden große Mengen an Wasser und Energie zum Abbau benötigt, welche jedoch nicht immer in der abzubauenden Region in ausreichender Menge verfügbar sind. Das Verfahren zum Abbau der Rohstoffe beeinflusst daher im erheblichen Maß auch die Angebotssituation der Rohstoffe.

- Strategische Analyse von Produktionskapazitäten

Bei der strategischen Analyse wurden derzeitige und zukünftige Produktionskapazitäten untersucht. Besonders wurde dabei auf deren regionale und länderspezifische Verteilung eingegangen.

Bei der regionalen Verteilung von Produktionskapazitäten wurde besonders auf jene Abbaugebiete mit hohen Anteilen an der Weltproduktion geachtet. Hier könnten aufgrund regionaler Produktionshemmnisse technische Engpässe an Rohstoffen entstehen, deren Auswirkungen weltweit spürbar wären. Mögliche Hemmnisse könnten hier ökologische Schäden (z.B Stürme) in den Abbaugebieten oder Probleme bei der Verfügbarkeit der zum Abbau benötigten Ressourcen (z.B Stromausfälle) sein.

Die länderspezifische Verteilung von Produktionskapazitäten wurde hingegen aus politischen Gründen analysiert. Länder, die über hohe weltweite Produktionskapazitäten verfügen, könnten diese strategisch zur Durchsetzung politischer Ziele nutzen. Als Beispiel kann hier die Rohstoffstrategie der Volksrepublik China genannt werden. China versucht über die Regulierung der Verfügbarkeit von Rohstoffen, die Produktion von High-Tech und das dazu benötigte Know-how ins Land zu holen.

- Unternehmerische Konzentration der Rohmaterialhersteller

Zur Analyse der Angebotssituation eines Rohstoffes gehört auch die Analyse der Marktsituation von Rohmaterialherstellern. Durch die Marktform eines Monopols oder eines Oligopols von Minengesellschaften könnte es beispielsweise zu Preisdiktaturen bei bestimmten Produktionsrohstoffen kommen. Auch bei der Weiterverarbeitung kann es zu hohen Unternehmenskonzentrationen kommen, jedoch wurde im eingeschränkten Rahmen dieser Masterarbeit lediglich die Marktstruktur der Rohmaterialhersteller betrachtet, da hierzu Daten verfügbar waren.

- Handels- und Wertschöpfungskette

Auch die Handels- und Wertschöpfungskette eines Rohstoffes muss analysiert werden. Dabei gilt es die unterschiedlichen Stakeholder, die vom Abbau des Rohstoffes bis zur Anwendung im Produkt an der Wertschöpfung des Rohstoffs beteiligt sind, zu identifizieren. Dieser Schritt ist besonders wichtig für die spätere Formulierung von Implikationen. Über diese Wertschöpfungskette hinweg muss die Industrie ihre zukünftige Rohstoffversorgung absichern.

- Äußere Einflussfaktoren zur Rohstoffproduktion

Wie schon im Unterpunkt der strategischen Analyse der Produktionskapazitäten angesprochen, können Produktionshemmnisse zu einem Ausfall bedeutender Abbaugebiete führen. In diesem Unterpunkt werden die politische Lage der Abbauländer, die ökologische Situation der Abbaugebiete und politische Einflussfaktoren auf die Rohstoffproduktion, dargestellt.

- Analyse der Nachfragesituation

Neben der ausführlichen Analyse der jetzigen und der Projektion der zukünftigen Produktionskapazitäten muss auch die Nachfragesituation der Rohstoffe betrachtet werden. Hierfür werden die unterschiedlichen Anwendungsfelder des jeweils diskutierten Rohstoffes bestimmt und deren Größe und Wachstumsprognosen untersucht.

Zusätzlich wurden zur Analyse der Nachfragesituation Angebots-/Nachfrageszenarien entworfen, um auf der Grundlage verschiedener Expertenmeinungen und der gesammelten Informationen die Versorgungssituation des Rohstoffes einschätzen zu können.

3.1.2 Strategische Bedeutung von Rohstoffen

Die strategische Bedeutung zeigt als zweite Dimension der Kritikalität eines Rohstoffes, die Abhängigkeit eines Unternehmens von einem Rohstoff.

Um eine sinnvolle Einschränkung der vielen potenziellen Untersuchungskandidaten für diese Arbeit zu erreichen, wurde die strategische Bedeutung derjenigen Rohstoffe erarbeitet, die im Antriebsstrang eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges vorkommen. Die Arbeit konzentriert sich auf die Lithium-Ionen-Batterietechnologie, die Brennstoffzelle und den Elektromotor. Besonders wird dabei auf nichtsubstituierbare Rohstoffe mit hoher Funktionalität geachtet. Als Ergebnis dieser Betrachtung wurden die Rohstoffe Lithium, Platin und Neodym, als Rohstoffe mit besonders hoher strategischer Bedeutung identifiziert. Die Versorgungssituation und Kritikalität dieser Rohstoffe wird ausführlich in Kapitel 4 diskutiert.

- Lithium-Ionen-Batterie Technologie – Lithium

Um ein Fahrzeug mithilfe eines elektrischen Antriebsstrangs fortzubewegen muss unabhängig von der Art des Antriebs (z.B Brennstoffzelle, Hybrid etc.) elektrische Energie gespeichert werden. Als Zukunftstechnologie scheint sich in der Automobilindustrie aus der Vielzahl von Batterietechnologien die Lithium-Ionen-Batterietechnologie durchgesetzt zu haben. Viele große Automobilkonzerne wie VW und Daimler besitzen bereits strategische Partnerschaften mit Lithium-Ionen-Batterieherstellern. Daher wird in dieser Arbeit lediglich die Lithium Ionen Technologie als relevante Batterietechnologie betrachtet. Hierzu werden der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise der Batterie mit den dafür benötigten Materialien dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Schematische Zeichnung und Funktionsweise einer Lithium Ionen Batterie mit den dort verwendeten Rohstoffen. (Hake, 1996)

Die Batterie besteht grundsätzlich aus einer Kathode, einer Anode, einem Elektrolyt und einen Separator. Beim Ladevorgang werden positiv geladene Lithium-Ionen über den Elektrolyt durch den Separator von der Anode zur Kathode transportiert, während der Ladestrom die Elektroden über den äußeren Stromkreis liefert. (Hake, 1996) Die Lithium-Ionen bilden dabei mit der aus Graphit bestehenden Kathode eine Interkalationsverbindung, bei der die Ionen zwischen den Graphitebenen der Kathode eingelagert werden. Beim Entladen lagern sich die Lithium-Ionen wieder in die metalloxidische Verbindung der Anode ein, während sie über den äußeren Stromkreis ihre Elektroden abgeben und ein Stromfluss zustande kommt. Der für die Lithium-Ionen durchlässige Separator verhindert eine Kurzschlussreaktion, die durch einen direkten elektrischen Kontakt von Kathode und Anode auftreten würde. (Hake, 1996) Auf diesem Grundprinzip basiert eine ganze Klasse materialspezifisch verschiedenartiger Zellen. Jede einzelne Komponente des Systems lässt sich durch eine andere ersetzen. Über das jeweils verwendete Material lassen sich die spezifischen Eigenschaften der Batterie steuern. Derzeit setzt man häufig für das Anodenmaterial Graphit ein, während die Kathode aus Lithium-haltigen Metalloxiden besteht. Unter der Vielzahl von Anodenmaterialien hat sich Graphit, trotz seines theoretischen Kapazitätslimits von 372 mAh/g, aufgrund seiner exzellenten Lade- und Entladeeigenschaften durchgesetzt (Pu Wang, 2006). Die Auswahl des richtigen Kathodenmaterials dagegen hat einen entscheidenden Einfluss auf die elektrische Performance und auf die Sicherheit der der Zellen, wodurch die Auswahl des Kathodenmaterials in automobiler Anwendung von besonders hoher Bedeutung ist. (Tübke, 2009) Zum heutigen Zeitpunkt ist eine Vielzahl von verschiedenen Kathodenmaterialien im Gebrauch. Hierzu gehören Systeme aus Kobalt (LiCoO2), Mangan (LiMnO2), einem Nickel-Mangan-Kobalt Gemisch (NMC; LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) und Eisen-Phosphat (LiFePO4). Derzeit wird für die automobile Anwendung das NMC System mit der Verbindung Li Ni1/3Mn1/3Co1/3O2 bevorzugt, wie es beispielsweise bei der Firma Evonik als Kathodenmaterial verwendet wird. (Dr. Barenschee, 2009). Als Separatormaterialen wird ein mikroporöser Film aus Polypropylen (PP)oder Polyethylen (PE) verwendet. Zudem gibt es keramische Separatoren aus Aluminiumoxid oder Siliziumoxid. Als Elektrolyt wird ein Lithiumsalz wie LiPF6 verwendet, das mit speziellen Solventien wie z.B Kohlensäureestern vermischt ist. (Hake, 1996)

Bei der Batterie ist eine eindeutige Identifizierung von Rohstoffen mit hoher strategischer Bedeutung aufgrund der sich immer noch weiterentwickelnden Kathodenmaterialien nur schwer möglich. Aussagekräftig kann jedoch von einer hohen strategischen Bedeutung an Lithium ausgegangen werden, das als Basismaterial in jedem Fall benötigt wird. Diese Arbeit konzentriert sich daher auf Lithium, in der genaueren Betrachtung in Kapitel 4.

- Die Brennstoffzelle -Platin

Eine Möglichkeit zur Erzeugung von elektrischer Energie im Automobil ist die Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle erzeugt dabei aus Wasserstoff, der in gasförmiger Form in einem Drucktankbehälter gespeichert wird, elektrischen Strom. Große Automobilhersteller wie Honda und Daimler setzten auf die Anwendung dieser Technologie und haben diese bereits in Testfahrzeugen umgesetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Schematischer Aufbau einer Brennstoffzelle. (Ohl, 2009)

Prinzipiell besteht eine Brennstoffzelle aus einer Anode und einer Kathode zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet, welcher den Ionenaustausch ermöglicht. Die Elektroden sind dabei über einen äußeren Stromkreis verbunden. Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff ensteht elektrochemisch betrachtet ein Vorgang mit Elektronenübergang. Der Wasserstoff reagiert unter Elektronenaufnahme (Oxidation) mit dem Sauerstoff, der seinerseits Elektronen abgibt (Reduktion). Die freie Reaktion der beiden Gase wird durch Trennung des Reaktionsraumes durch den Elektrolyten verhindert. Der Elektrolyt lässt lediglich eine Übertragung von Ionen zu, wodurch es zu einem Stromfluss kommen kann. (Ohl, 2009)

Aufgrund der unterschiedlichen Betriebstemperaturen werden die verschiedenen Brennstoffzellentypen in Niedertemperatur- und Hochtemperaturbrennstoffzellen eingeteilt. Die Membranbrennstofzelle (PEM – Polymer Electrolyte Membrane) gehört mit einer Betriebstemperatur von 60 bis 120 Grad zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen. Auch aufgrund dieser verhältnismägig niedrigen Betriebstemperatur werden am ehesten der PEM-Niedertemperaturbrennstoffzelle Aussichten auf einen Einsatz in Personenkraftwagen eingeräumt. (Geitmann, 2004) Denn hier ist eine relativ kurze Aufwärmphase der Brennstoffzelle beim Kaltstart notwendig. Eine dünne Polymerfolie als Festelektrolyt bildet ihr zentrales Element. Sie besteht aus einem Spezialkunststoff Nafion® ein Tetraflourethylen Polymer (PTFE). (Sasikumar, 2003) Zudem benötigt diese Brennstoffzelle einen Platin-Katalysator, an dem die Wasserstoffmoleküle dissoziieren und als Atome nach Abgabe eines Elektrons ionisieren. Die so erzeugten ionisierten Wasserstoffatome (Protonen) können in den Elektrolyten übertreten, wodurch die an der Anode hinterlassenen Elektronen ein negatives Potenzial produzieren. Gleichzeitig werden an der Kathode Sauerstoffmoleküle am Platinkatalysator dissoziert, wodurch die enstehenden Atome Elektronen aufnehmen können und ein Stromfluss entsteht. Die durch die Aufnahme der Elektronen gebildeten Sauerstoffionen können mit den Protonen des Elektrolyten zu Wasser reagieren und ihre Ladung neutalisieren. Die Notwendigkeit des Platin-Katalysators für diesen Vorgang ist für die Membranbrenstoffzelle (PEM) ein durchaus zu berücksichtigender Kostenfaktor. Der benötigte Platinanteil konnte zwar reduziert werden, jedoch ist eine vollständige Substitution von Platin noch nicht möglich. (Bourzac, 2009)

Es wird derzeit davon ausgegengen, dass sich PEM-Brennstoffzellen zur automobilen Anwendung am besten verwenden lassen. Die geringe Arbeitstemperatur der Zelle erlaubt einen schnellen Kaltstart, einen geringen Wartungsaufwand und eine lange Lebensdauer. Zudem besitzt nur die PEM-Brennstoffzelle neben der PAFC-Brennstoffzelle (Phsphoric Acid-Fuel Cell) eine genügend hohe Energiedichte für den Einsatz im Automobil. (Geitmann, 2004). Platin ist somit als Katalysatormaterial von PEM-Brennstoffzellen nach dem derzeitigen Stand der Technik als nicht substituierbarer Rohstoff mit hoher strategischer Bedeutung anzusehen. Zudem besitzt Platin hohe strategische Bedeutung bei der aktuellen Verwendung von Dieselkatalysatoren, in denen Platin nur teilweise substituierbar ist. Wegen der hohen strategischen Bedeutung von Platin, wurde der Rohstoff Platin im Kapitel 4 ausführlich diskutiert.

- Der Elektromotor - Neodym

Bei der Wahl des Elektromotors in der automobilen Anwendung, lässt sich zwischen zwei verschiedenen Bauarten unterscheiden: Dem Asynchronmotor, welcher ohne den Einsatz eines Permanentmagneten auskommt und der Synchronmaschine, welche einen Permanentmagneten benötigt.

Der Synchronmotor besteht aus mindestens drei, im Kreis angordenten Spulen, an die jeweils eine Wecheselspannung angelegt wird. Die Phasen der einzelnen Spannungen sind zeitlich verschoben, sodass zwischen den Spulen ein rotierendes Magnetfeld entsteht. Ein mit Permanetmagneten bestückter Rotor wird in der Mitte des Spulenkreises gedreht, welcher den magnetischen Fluss zur Erzeugung eines Drehmoments bereitstellt. Bei dem sogenannten Asynchronmotor dagegen besteht der Rotor aus einem Zylinder kurzgeschlossener Metallstäbe. In diesem entsteht, durch das äußere Magnetfeld der Spulen, ein elektrischer Strom, der ebenfalls ein Magnetfeld induziert, und über den so erzeugten magnetischen Fluss eine Drehbewegung auslöst. (Stieler, 2009). Ein Nachteil dieses Asynchronmotors sind seine großen Ausmaße, aufgrund seines großen und schweren metallischen Rotor. Bei Anwendungen in denen die E-Maschine hoch integriert in bestehende Strukturen eingebunden werden muß und gleichzeitig sehr hohe Anforderungen an die Leistungsdichte und Performance gestellt werden, können permanenterregte Motoren ihre Vorteile ausspielen und stellen oft auch die einzigste Möglichkeit dar die Anforderungen zu erfüllen. Dies ist derzeit bei den getriebeintegrierten Elektromotoren im Hause Daimler der Fall. Bei allen anderen Anwendungen, welche auch mit anderen Elektromotortypen abdeckbar sind stellt sich immer die Kosten-Nutzen-Frage, bei der Asynchronmotoren oftmals kosten- und sicherheitsrelevante Vorteile gegenüber der Permanentmagnet erregten Synchronmotoren haben. Es ist daher eine Anwendung von Synchron- als auch Asynchronelektromotoren für zukünftige elektrische Traktionsantriebe absehbar. (Hartmann, 2009)

Bei den Permanantmagneten des Synchronelektromotors stehen derzeit aus materialspezifischen Gesichtspunkten zwei Alternativen zur Verfügung: Neodym-Eisen-Bor (Nd2Fe14B) und Samarium-Kobalt-Magnete (SmCo). Für eine Bewertung dieser Materialien wurde die Remanenz (Stärke der Magnetisierung), die Koerzitivfeldstärke (Feldstärke bei der äußere Felder vom Magneten kompensiert werden), die Curietemperatur (maximale Betriebstemperatur) und die Kosten der Magnetmaterialien betrachtet.

Tabelle 1: Eigenschaften eines NdFeB- und SmCo Magneten. (Die relativen Kosten wurden auf die Kosten für Ferrite bezogen) (Schatt, 2007), (Compter,2007)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus der Remanenz und Koerzitivfeldstärke der Magnete wird deutlich, dass der NdFeB Magnet das leistungsfähigere und gleichzeitig deutlich kostengünstigere Material ist. Dagegen ist der SmCo-Magnet aufgrund seiner höheren Curietemperatur temperaturstabiler. Zudem besitzt der SmCo-Magnet die besseren Korrosionseigenschaften. Dieser Vorteil kann jedoch durch Zusätze wie Dysprosium, Kobalt, Gallium und Kupfer im NdFeB-Magnten teilweise ausgeglichen werden.(Rodewald, 2008).

Zusammenfassend ist somit Neodym-Eisen-Bor technisch und ökonomisch gesehen das bessere Material zur Anwendung im elektrischen Antrieb eines Automobils. Wird im zukünftigen Automobil ein Synchronmotor eingesetzt, kommt es nach dem heutigen Stand der Technik voraussichtlich zu einer Anwendung von Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten. In Kapitel 4 dieser Arbeit wird daher Neodym das Grundmaterial dieses Magneten ausführlich diskutiert.

4 Die Rohstoffanalyse

4.1 Versorgungssituation - Lithium

Lithium ist unter jenen Rohstoffen, die im Zusammenhang mit elektrischer Mobilität stehen, der wohl wichtigste Rohstoff. Für Aufregung sorgte hierbei die von William Tahil und dem Meridian Research Institute veröffentlichten Berichte „ Trouble with Lithium“ (2007) und „ Trouble with Lithium 2 – Under the microscope“ (2008). In diesen Veröffentlichungen wurden ein zukünftiger Ressourcenmangel aufgrund der besonders starken Nachfrageentwicklung der Li-Ionen-Batterien prognostiziert. Aufgrund dieser verunsichernden Situation, fand im Januar 2009 eine Konferenz „Lithium Supply & Markets, Santiago de Chile“ zum Thema Lithium und dessen Versorgungssituation statt.

Im Folgenden Kapitel wird diese Diskussion ebenfalls aufgegriffen, und anhand verschiedener Quellen aufgearbeitet.

4.2 Reservenbasis / Reserven – Lithium

Für die weltweite Lithiumreservenbasis und Reserven sind sehr unterschiedliche Quellen zu finden. Im Folgenden werden die aussagekräftigsten Quellen untereinander verglichen. Dazu wurden Daten des U.S. Geological Survey (USGS), des Meridian Research Institute (MIR) und einer Veröffentlichung von Keith Evans (Evans, 2009) herangezogen. Keith Evans ist Geologe und arbeitet für das Explorationsunternehmen AMAX.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Weltweite Reserve und Reservebasis an Lithiummetall, der unterschiedlichen Institutionen und Experten. (Die Daten des Meridian International Research Institute und Keith Evans wurden dabei aus der Sekundärquelle entnommen. (Abell & Oppenheimer) Die Daten des Roskill Information Service wurden der Präsentation der Firma Chemetall entnommen. (Dr. Aul & Dr. Haber, 2009) Die Werte des U.S Geological Survey – USGS stammen aus der Primärquelle. (U.S. Geological Survey - Lithium, 2009) )

Im Vergleich zeigen die Reservenbasiswerte des Geologen Keith Evans und der Firma Roskill Information Service einen ähnlichen Reservenbasisumfang. Davon sich unterscheidende Aussagen des Meridian Research Institutes und des USGS, befinden sich beide deutlich unter dem Niveau der Angaben von Keith Evans und der Firma Roskill Information Service. Diese Abweichungen konnten jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht aussagekräftig erklärt werden. Es ist lediglich anzumerken, dass die verhältnismäßig kleine Reservenbasis des USGS kein Lithiumvorkommen in Argentinien berücksichtigt. (U.S. Geological Survey - Lithium, 2009). Zudem bleibt offen, ob die USGS und das Meridian Research Institute in ihren Angaben kein mineralisches Vorkommen von Lithium berücksichtigen, sondern lediglich die Reservenbasis der Vorkommen in Salzseen (Brines) darstellen.

Bei den aufgelisteten Reservenwerten fallen zwischen dem Meridian Research Insitute und der USGS Angabe keine größeren Unterschiede auf. Beide schätzen die Reserven auf zirka vier Millionen Tonnen. Dagegen wurde in einem von der Firma Roskill veröffentlichten Bericht[1] die derzeitige Reserve auf 14 Millionen Tonnen geschätzt (Dr. Aul & Dr. Haber, 2009). Jedoch konnte die genannte Primärquelle der Firma Roskill im Rahmen dieser Arbeit, aus finanziellen Gründen nicht erworben werden, somit war eine Interpretation dieses Reservenwertes nicht möglich. Es kann lediglich vermutet werden, dass Roskill bei den Reserven, im Gegensatz zum Meridian Reserch Institute und USGS, zusätzlich mineralische Vorkommen von Lithium berücksichtigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung 7 : Länderspezifische Reservenbasisverteilung des Geologen Keith Evans und des USGS (Keine Angabe des USGS über eine Lithiumreservenbasis in Argentinien). (Dr. Aul & Dr. Haber, 2009), (U.S. Geological Survey - Lithium, 2009)

Die Abweichung bei der Schätzung der weltweiten Reservenbasis- und Reservenverteilungen setzt sich auch bei der länderspezifischen Verteilung der Reservenbasis fort. So werden gerade Lithiumvorkommen in den USA und Bolivien von USGS und Keith Evans sehr unterschiedlich eingeschätzt. Bolivien besitzt hauptsächlich Brinevorkommen am Salar de Uyuni, weshalb hier der Unterschied in der Reservenbasis auf einer unterschiedlichen Einschätzung der technischen Abbaumöglichkeit dieser Brinevorkommen beruhen kann. In den USA dagegen sind keine größeren Brinevorkommen bekannt. Dies legt den Schluss nahe, dass der verhältnismäßig kleine Reservenbasiswert des USGS hier lediglich Brinevorkommen darstellt, während Keith Evans Brinevorkommen und mineralische Vorkommen berücksichtigt. Es konnten in dieser Arbeit somit Interpretationsansätze für die unterschiedlichen Reserve und Reservebasisangaben gefunden werden. Die Aufgabe weiterer Studien wird es sein, diese Interpretationen aussagekräftig zu begründen.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich ausgehend von den in dieser Arbeit berücksichtigten Quellen, bei der kleinsten Lithumreservenangabe anhand der Lithiumproduktion des Jahres 2008 eine statische Reservenreichweite von 190 Jahren errechnet. Ausgegangen wurde in dieser Abschätzung von der Reservenangabe des USGS (4,1 Millionen Tonnen Lithiummetall) (U.S. Geological Survey - Lithium, 2009) und der Lithiumnachfrage 2009 für Brineproduktion und mineralischer Produktion der Firma Roskill Information Service (22800 Tonnen Lithiummetall). (Dr. Aul & Dr. Haber, 2009)

4.3 Analyse der Angebotssituation – Lithium

Im Folgenden wird auf die aktuelle und die zukünftige Versorgungssituation des Rohmaterials Lithium eingegangen. Dabei werden in einem ersten Punkt die unterschiedlichen Abbauverfahren bei der Lithium Produktion angesprochen.

4.3.1 Die Abbauverfahren

Für den Abbau von Lithium gibt es zwei unterschiedliche Methoden. Im Folgenden wird auf die Förderung von Lithium aus mineralischem Gestein (Mineralische Produktion) und die Produktion von Lithium aus Salzseen (Brine Produktion) eingegangen. Zudem wird die Wirtschaftlichkeit der mineralischen Produktion analysiert.

- Die Brine Produktion

Der Brineproduktionsprozess findet an Salar Brines bzw. lithiumhaltigen Salzseen statt. Diese Salzseen befinden sich meist in unterirdischen Reservoiren und bestehen aus einer Sole-Mischung, welche Natriumchlorid, Kalium, Magnesium, Schwefeloxid und Lithium enthält. Diese Sole wird in einem ersten Produktionsschritt, über aufwendige Pumpsysteme in dafür installierte Evaporationsbecken gepumpt. In diesen auch „pounds“ genannten Evoporationsbecken kommt es zur Aufkonzentrierung der Solemischung. Der Wasserinhalt der Sole wird dabei durch Sonneneinstrahlung verdampft, während die Sole in immer kleinere Evaporationsbecken überführt wird. (siehe Abb. 8)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: (a,) Evaporationsbecken mit unterlegter PVC Folie (Berube & Diebel, 2007); (b,) Chemetall Produktionsanlage am Salar de Atacama (Dr. Aul & Dr. Haber, 2009)

Dieser Evaporationsprozess dauert von Beginn bis zur tatsächlichen Extraktion der aufkonzentrierten Sole bis zu einem Jahr. Die Extraktion der Sole findet bei einem Lithiumanteil von zirka sechs Prozent statt. (Dr. Aul & Dr. Haber, 2009) Bei diesem Lithiumanteil wird die Sole aus dem kleinsten Becken entfernt und zur Weiterverarbeitung abtransportiert. Im Weiterverarbeitungsprozess wird dann über Kristallisationsprozesse Lithiumcarbonat, das Rohmaterial der Lithium-Ionen-Batterie, hergestellt.

Die Evoporationsbecken sind dabei vollständig mit PVC-Geomembranen unterlegt, um ein Absickern der aufkonzentrierten Sole in den Untergrund zu vermeiden. Des Weiteren bilden sich beim Evaporationsprozess große Mengen von Natriumchlorid. Das Natriumchlorid wird in weiteren Schritten zerkleinert und getrocknet, um als Düngemittel, oder in chemisch reiner Form als Kaliumchlorid und Natriumsulfat, auf den Markt gebracht zu werden. Die Brineförderer richten dabei je nach Geschäftsfeld ihren Produktionsprozess auf den einen oder anderen Rohstoff aus. Die Firma Chemetall produziert primär Lithium, während Socidedad Quimica y Minera de Chile S.A. (SQM) ebenfalls am Salar de Atacama produziert und primär natriumhaltige Düngemittel herstellt. (Sociedad Quimica y Minera de Chile S.A.- SQM , 2009),

- Die mineralische Produktion

Es gibt drei Lithiummineralien, aus denen derzeit kommerziell Lithium gewonnen wird. Spoddumen, Petalit und Lepidolit, alle Lithiumsilikate, welche hauptsächlich in Graniten und Pergamiten vorkommen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Spodumen, ein Lithium-Mineral das häufig in sehr großen Lagerstätten auftritt und deshalb zur mineralischen Produktion von Lithium verwendet wird. Es kristallisiert in einem monoklinen Kristallsystem mit der Summenformel LiAl(SiO3)2 (Dr. Aul & Dr. Haber, 2009).

Der Spodumen das bedeutendste Mineral ist jedoch, aufgrund seines höheren Lithiumgehalts und der Tatsache, dass es oft in großen Lagerstätten vorgefunden wird. Aus diesem Grund wird im Folgenden auf den Abbau dieses Minerals näher eingegangen.

Das Mineral wird zum Abbau mechanisch zerkleinert und thermisch behandelt. Über einen Kalzinierungsprozess wird die beim Mischprozess hinzugefügte Schwefelsäure wieder entfernt. Anschließend wird das Mineral durch alkalische Aufschlussverfahren und Filtervorgänge in Lithiumcarbonat überführt. (Chemgaroo)

Aus diesem Produktionsprozess wird deutlich, dass es sich um ein energieaufwendiges, chemikalien- und damit kostenintensives Verfahren handelt.

- Wirtschaftlichkeit der mineralischen Produktion

Bisher wurde die mineralische Produktion lediglich qualitativ als eine kostenintensive Produktionsmethoden beschrieben.

Laut SQM werden die Produktionskosten im Jahr 2007 für Lithiumcarbonat, bei einer mineralischen Förderung aus Pergamiten in China, auf ca. 4 bis 4,5 $/kg geschätzt. Es ist somit bei einem derzeitigen Preis von zirka 6 $/kg für Lithiumcarbonat, eine wirtschaftliche Produktion möglich. (Evans, 2009) Bereits heute ist die mineralische Produktion von Lithiumcarbonat am Weltmarkt etabliert. Vor dem Hintergrund eines steigenden Bedarfs an Lithium, wird von steigenden Lithium Preisen ausgegangen, und damit eine Steigerung der bereits vorhandenen Profitabilität erwartet.

Dennoch ist bei der derzeitigen Marktstruktur von Lithiumminengesellschaften auch das Szenario eines sinkenden Preisniveaus möglich. Im dem Fall eines ruinösen Wettbewerbs, wie in Kapitel 4.3.3 auf Seite 22 beschrieben, wäre die Wirtschaftlichkeit einer mineralischen Förderung gefährdet.

[...]


[1] Roskill’s Lithium Digest No. 70 2008.1

Details

Seiten
75
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2009
ISBN (eBook)
9783836647489
Dateigröße
4 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v227813
Institution / Hochschule
Universität Augsburg – Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Institut für Physik
Note
1,3
Schlagworte
rohstoffstrategie automobilindustrie lithium platin neodym

Autor

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Titel: Strategische Rohstoffplanung zu elektrischen Antriebstechnologien im Automobilbau