Rückblick: Förderung seit 2007

Seit 2007 verfolgt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) konsequent und erfolgreich den Aufbau von elektrochemischer Kompetenz in Deutschland. Hier haben wir die vielfältigen Maßnahmen in einem Rückblick zusammengefasst.

Die Batterieforschung ist ein Aushängeschild des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Schon früh setzt es sich zum Ziel, dass leistungsstarke Batterien zukünftig aus Deutschland kommen sollen. Im August 2009 verabschiedete die Bundesregierung den Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität, in dem die Grundlagen für eine strategisch ausgerichtete Entwicklung gelegt wurden. Deutschland soll Leitmarkt und Leitanbieter für die Elektromobilität werden. Ein wichtiger Schritt dabei ist der Aufbau von geschlossenen deutschen Wertschöpfungsketten für Batterien mit dem zentralen Element einer Großserienfertigung von Batteriezellen.

Bereits seit 2007 stärkte das BMBF die Batterieforschung in Deutschland. Strategisch aufeinanderfolgende Maßnahmen zielten auf unterschiedliche Aspekte wiederaufladbarer Batterien. Im ersten Schritt galt es, eine starke international wettbewerbsfähige wissenschaftliche Infrastruktur in der Elektrochemie für Batterien aufzubauen. Das BMBF verfolgt einen breiten Ansatz: Es unterstützt den akademischen Wissensaufbau im Bereich der Batteriematerialien und Prozesstechnologien von Batteriezellen. Die Maßnahmen fokussieren unter anderem auf die Steigerung von Anzahl, Qualität und Ausstattung von elektrochemischen Kompetenzzentren. Weiterhin werden auch Batteriesysteme der Zukunft durch die Förderung von neuen Technologieansätzen unterstützt. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Transfer der Ergebnisse aus der Forschung in einen industrietauglichen Maßstab und schlussendlich in die industrielle Anwendung.

Die Fördermaßnahmen adressieren zum einen Werkstoff- und Prozessentwicklungen im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien. Auf Basis bestehender Technologien werden in evolutionären Ansätzen neue Materialien und Produktionsmethoden erforscht, die mittelfristig in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen werden. Zum anderen werden auch grundlegend neue Ansätze wie Metall-Luft-Batterien verfolgt, die möglicherweise erst langfristig industriell relevant werden. Neben der Steigerung der Energiedichte stehen Sicherheit und Lebensdauer im Mittelpunkt der Arbeiten. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Batterieaktivitäten des BMBF ist die gezielte Ausbildung und Förderung Nachwuchskräften im Bereich der Elektrochemie für Forschung und Industrie.

Mit Mitteln des Konjunkturpakets II wurden im Jahr 2009 die beiden Kompetenzverbünde Elektrochemie Nord und Süd aufgebaut. Die Forschungsverbünde zur Steigerung der Kompetenz in der Elektrochemie für die Elektromobilität setzen neben der standortübergreifenden Forschung auf die Entwicklung gemeinsamer Ausbildungsmodule. Hierdurch wird die Ausbildung von wissenschaftlich-technischem Nachwuchs im Bereich der Elektromobilität gestärkt und die Vernetzung gefördert. Die beiden Kompetenzverbünden zur Elektrochemie legten die Basis, um in der Batterieforschung wieder zur Weltspitze aufzuschließen.

Gemeinsam mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) wurde 2009 auch die Innovationsallianz Lithium-Ionen-Batterie LIB 2015 gegründet. Als erste große Maßnahme im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien wurden – ausgehend von grundlegenden Forschungsarbeiten – geeignete Materialien und Herstellungsverfahren entwickelt und damit Zellen hergestellt. In einem nächsten Schritt sollten die Zellen zu einem Gesamtsystem zusammengefasst werden, verbunden mit einem intelligenten Batteriemanagementsystem.

Im Rahmen der Bekanntmachung Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität (STROM) wurden ab 2011 Forschung und Entwicklung zu Energiespeichern der nächsten Generation gefördert. Hier standen im Wesentlichen grundlegende Arbeiten zu zukünftigen Batteriesystemen wie Lithium-Schwefel oder Metall-Luft im Fokus.

Seit 2012 wurden im Rahmen der Bekanntmachung Exzellenz und technologische Umsetzung der Batterieforschung (ExcellentBattery) an vier Zentren in Deutschland exzellente Forschungsarbeiten, der Transfer von Forschungs- und Entwicklungsergebnissen in die Anwendung sowie der wissenschaftliche Nachwuchs gefördert. Zwei Zentren waren verstärkt auf Batterietechnik (Elektrochemie, Materialien für Elektroden, Separatoren etc.) ausgerichtet (Münster-Jülich-Aachen, Ulm-Stuttgart), zwei verstärkt auf Prozesstechnik für Materialkomponenten für Zellen bis zur Zellfertigung (München, Dresden). Im Frühjahr 2016 wurden die Batteriezentren bewertet und entschieden, dass alle vier Zentren fokussiert auf entsprechende Schwerpunktthemen in einer zweiten Phase weitergefördert werden. Die zweite Phase lief bis Ende 2019. Die Strukturen und wesentlichen Erkenntnisse aus der Fördermaßnahme ExcellentBattery wurden im Kompetenzcluster für Batteriematerialien ExcellBattMat neu ausgerichtet und in das Materialmodul des BMBF-Dachkonzeptes Forschungsfabrik Batterie integriert.

Zwar gelang es, in Deutschland auf dem Gebiet der Batteriematerialien wieder den Anschluss an die asiatischen Länder zu erhalten, doch insbesondere bei der Produktion von Batteriezellen herrschten noch Kompetenzlücken. Diese adressierte das BMBF bereits im Jahr 2012 im Rahmen des Projekts „Aufbau und Erprobung einer Forschungsproduktionslinie zur Erforschung und Optimierung der Lithium-Ionen-Zellfertigung“, das es mit rund 26 Millionen Euro förderte. Hierzu wurde am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Ulm die Forschungsplattform für die industrielle Produktion von Lithium-Ionen-Zellen (FPL) eingerichtet. Dort ist es möglich, den Einsatz neuer Materialien, neuer Fertigungsprozesse und Anlagenkomponenten zu prüfen und im Hinblick auf eine industrielle Nutzung zu optimieren. Um den Transfer von der Forschung in die Praxis zu garantieren, sind Unternehmen entlang der Fertigungskette in die Forschungsarbeit am ZSW eingebunden.

Im Jahr 2014 wurde die Förderinitiative Batteriematerialien für zukünftige elektromobile, stationäre und weitere industrierelevante Anwendungen (Batterie 2020) gestartet. Im Mittelpunkt der angestrebten Forschungs- und Entwicklungsprojekte stehen Materialien und Prozesse für Sekundärbatterien mit Anwendungsschwerpunkten in der Elektromobilität, stationären Systemen und weiteren industrierelevanten Anwendungen. Dabei werden auch Aspekte des Recyclings, auch im Sinne eines „zweiten Lebens“ – dem sogenannten „second use“ – adressiert. Die Projekte können an verschiedenen Stellen der Wertschöpfungskette von der Materialentwicklung bis zur Batteriezelle ansetzen. Sie können punktuell auch Betrachtungen bis zum Modul- und Batteriesystem beinhalten, sofern diese einen wesentlichen Erkenntniszuwachs im Kernbereich des Vorhabens liefern. Die Förderinitiative adressiert vier Forschungsschwerpunkte: Material- und Prozesstechnik für Lithium-Ionen-Batteriesysteme, Material- und Prozesstechnik für sekundäre Hochenergie- und Hochleistungs-Batteriesysteme, zukünftige Batteriesysteme und Recycling der Batteriesysteme sowie auch „second use“ in stationären Speichern.

Qualität, Performance und Kosten von Batteriezellen basieren auf den eingesetzten Materialien und ebenso auf der Herstellung der Batteriezellen. Die Erforschung des komplexen Produktionsprozesses mit seinen Einzelschritten und das Zusammenwirken aller Einzelschritte untereinander bildet die wissenschaftliche Basis für den Aufbau einer international führenden, wettbewerbsfähigen Batteriezellproduktion in Deutschland. Dazu wird seit 2016 der Kompetenzcluster ProZell durch das BMBF gefördert. Im Forschungscluster werden die Kompetenzen und die Forschungsinfrastruktur von 22 Forschungseinrichtungen zur Batteriezellfertigung zusammengeführt. In einzelnen Verbundprojekten werden die Teilprozesse systematisch und gemeinsam erforscht. Die Forschungsergebnisse sollen in der Forschungsproduktionsanlage am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg in Ulm zusammenfließen und validiert werden.

Festkörper-Batterien werden aktuell als mögliche Weiterentwicklung von etablierten Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten gesehen – insbesondere für die Elektromobilität. Neben einer möglichen höheren Energiedichte und besseren Schnellladefähigkeit könnten Festkörperbatterien auch aufgrund der besseren intrinsischen Sicherheit deutliche Vorteile für die Batterietechnologie bieten. Während die Material- und Prozesstechnologien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen Elektrolyten weit entwickelt sind, bedarf es zur erfolgreichen Etablierung von Festkörperbatterien am Markt noch erheblicher Forschungsaktivitäten. Vor diesem Hintergrund wurde 2018 der Kompetenzcluster für Festkörperbatterien FestBatt zur Entwicklung von Festelektrolyten durch das BMBF initiiert. Der Forschungscluster ist in drei Materialplattformen (Thiophosphate, Oxide und Polymere) und zwei Methodenplattformen (Charakterisierung und Simulation) gegliedert, die durch eng vernetzte Hochschulen und Forschungseinrichtungen bearbeitet werden. Durch einen übergeordneten Managementkreis wird von Beginn an die Industrie eingebunden, sodass ein enger Schulterschluss zwischen Wissenschaft und Industrie erreicht wird. Der Forschungscluster FestBatt soll die wissenschaftliche Basis für eine Etablierung von Festkörperbatterien in Deutschland legen. Das BMBF fördert die 14 Partner des Clusters mit rund 16 Millionen Euro.

Zentrales Element der Energiewende ist die Nutzung von erneuerbarer Wind- und Sonnenenergie. Die Nutzung regenerativer Energien unterliegt aber Schwankungen wie dem Tag-Nacht-Rhythmus. Unterschiedliche Formen der Energiespeicherung stellen daher ein wichtiges Element für die Energiewende dar.

Zur Speicherung können unterschiedliche Technologien genutzt werden wie die elektrochemischen Energiespeicher Lithium-Ionen- und Redox-Flow-Batterien. Wird der Strom vor der Speicherung umgewandelt, etwa in Wasserstoff oder andere chemische Energieträger, besteht neben der Wiederverstromung überdies die Möglichkeit, die Energie in anderen energiewirtschaftlichen Sektoren zu nutzen.

Bisher haben jedoch erst wenige Speichertechnologien die notwendige technische Reife zu wettbewerbsfähigen Kosten erreicht. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und das Bundesministerium für Bildung und Forschung haben den Forschungs- und Entwicklungsbedarf auf dem Gebiet der Energiespeicher erkannt und entwickeln maßgeschneiderte Förderaktivitäten innerhalb des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung. Mit der Förderinitiative Energiespeicher unterstützen die beiden Ministerien seit 2011 Innovationen für eine sehr große Bandbreite an Speichertechnologien.

Auch in den anderen Initiativen wie Batterie 2020 spielt die Forschungsförderung zur Entwicklung sicherer, kostengünstiger und leistungsstarker stationärer Speicher eine wichtige Rolle.

Im April 2019 startete das BMBF den Pilotinnovationswettbewerb für Sprunginnovationen zum Thema „Weltspeicher“, um eine neue Generation Energiespeicher zu finden, die effizient, kostengünstig und langlebig ist und helfen kann, eine weltweite verlässliche Stromversorgung in naher Zukunft auch in bislang unterversorgten Weltregionen ermöglichen zu können. Gesucht wird eine erschwingliche Batterie in Kühlschrankgröße, die in jedes Haus passt. Die Anforderungen an einen „Weltspeicher“ sind sehr konkret: Mindestens so leistungsfähig wie bestehende Lösungen am Markt soll er sein und dabei deutlich günstiger in Anschaffung und Unterhalt. Außerdem muss er umweltfreundlich gebaut sein und gut mit Solaranlagen oder anderen regenerativen Stromerzeugern zusammen betrieben werden können. Die Zielregion für diese neue Batterie ist insbesondere Sub-Sahara-Afrika sowie der indische Subkontinent.

Der Innovationswettbewerb „Weltspeicher“ gliedert sich in zwei Phasen: In der ersten Phase konkurrieren die besten Konzepte um die Förderung der eigentlichen Projektphase. Diese einjährige Phase fördert das BMBF mit bis zu 250.000 Euro. Die beiden meistversprechenden Konzepte werden für die Projektphase ausgewählt. Sie werden vom BMBF mit bis zu fünf Millionen Euro für eine Laufzeit von maximal drei Jahren gefördert. In der Projektphase entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Weltspeicher mindestens bis zum Stadium des Labor-Demonstrators und legen Konzepte zur Markteinführung in den Zielmärkten vor.

Seit 2011 ermöglicht das BMBF im Rahmen des Nachwuchswettbewerbs NanoMatFutur herausragenden Köpfen unter dem wissenschaftlichen Nachwuchs den Aufbau einer eigenen, unabhängigen Gruppe an einer Forschungseinrichtung in Deutschland. Die ebenso innovativen wie fachübergreifenden Forschungsarbeiten bewegen sich im Bereich der anwendungsorientierten Grundlagenforschung mit einem erkennbaren Industriebezug. Sie setzen neue Impulse für innovative Anwendungen in vielfältigen Themenfeldern, die von Energietechnik über Mobilität und Transport bis zu Gesundheit und Lebensqualität reichen, wozu auch elektrochemische Energiespeicher zählen.