Wie die Industrialisierung der Batterieproduktion gelingen kann

Der Umstieg auf Elektroautos nimmt weltweit rasant an Fahrt auf. Entsprechend ist die Nachfrage nach Batterien in die Höhe geschnellt. Automobil- und Batteriehersteller können schwer einschätzen, wie sich die Batterielieferkette entwickeln wird, und um der angespannten Angebotssituation zu begegnen, setzen viele auf den Bau eigener Batterie-Gigafabriken oder auf Joint Ventures.

Die Nachfrage dürfte bis 2030 um 30 Prozent pro Jahr auf weltweit rund 4.500 GWh steigen. Für Batteriehersteller bedeutet dies Investitionen in nie dagewesener Höhe, um wettbewerbsfähig zu bleiben – während sie mit anderen Industrien um dieselben knappen Ressourcen konkurrieren. Gleichzeitig bietet die Regionalisierung der Lieferkette – sprich der Aufbau großer Kapazitäten in Europa und Nordamerika für den jeweils regionalen Markt – große Wachstumschancen für alle Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette. Nicht zuletzt ist der Aufbau regionaler Batteriekapazitäten ein großer Schritt bei der Dekarbonisierung der Automobilindustrie, die damit zu einem "Frontrunner" einer klimaneutralen Wirtschaft werden kann.

Die zunehmende Industrialisierungsgeschwindigkeit für diese Technologie bringt jedoch erhebliche Herausforderungen mit sich: Arbeitskräfte- und Materialmangel, fehlende Maschinenbaukapazitäten, Verzögerungen beim Bau von Gigafabriken für die Serienproduktion von Batterien und ein harter Wettbewerb um Ressourcen in der Lieferkette, um nur ein paar zu nennen.

Die Situation ist schwierig und neu. Und doch bieten sich entlang der Wertschöpfungskette auch enorme Wachstumsmöglichkeiten für all jene, die die oben genannten Herausforderungen aktiv angehen und ihren Einstieg in den Batteriemarkt beschleunigen.

In diesem Artikel zeigen wir einige wichtige Bereiche auf, mit denen es Unternehmen gelingen kann, Batterieengpässe zu überwinden. Für jeden Bereich stellen wir Best Practices vor, die Branchenakteuren am Ende zu einer erfolgreichen Industrialisierungs- und Skalierungsstrategie verhelfen könnten.

Unternehmen müssten vier zentrale Aspekte angehen, um die Herausforderungen zu lösen: die Industrialisierung und Skalierung von Gigafabriken, Strategien zur Personalgewinnung und ‑bindung, der Aufbau einer robusten und effizienten Lieferkette und Strategien zum Thema Lebensdauer und Recycling von Batterien.

Kosteneffektiver Bau und Industrialisierung von Gigafabriken

Angesichts des rasanten Wachstums in der Batterielieferkette – zwischen 2020 und 2030 dürfte sie um das Zehnfache wachsen und einen jährlichen Umsatz von 445 Milliarden US-Dollar erreichen – haben die meisten OEMs und Batteriehersteller allein oder im Rahmen von Joint Ventures eigene Gigafabriken für die Serienproduktion von Lithium-Ionen-Batterien gebaut oder planen, dies zu tun.

Zwei Drittel dieses Umsatzes dürften bis 2030 aus der Produktion von Rohstoffen, Aktivmaterialien, Zellen oder Akkus stammen, wobei die Zellproduktion mit rund 150 Milliarden Dollar den größten Einzelposten darstellt.

Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien dürfte bis 2030 rasant steigen, zu 40 Prozent aus China stammen, wenngleich Europa und Nordamerika die höchsten Wachstumsraten aufweisen  und sich gleichmäßig auf Lithium-Eisenphosphat (LFP) und Nickel-Mangan-Kobalt-Verbindungen (NMC) verteilen (siehe Abbildung unten). Rund 90 Prozent dieser Nachfrage entfallen auf Mobilitätsanwendungen und hier vor allem auf Elektrofahrzeuge.

Dieses Wachstum bietet enorme Chancen für etablierte wie auch für neue Marktteilnehmer, die sich im Wesentlichen in drei Kategorien unterteilen lassen: traditionelle Batteriehersteller, die ihr Geschäft erweitern, Automobil-OEMs, die in die Produktion von E-Autos einsteigen, und neu gegründete Unternehmen, die durch den Einsatz disruptiver Technologien wachsen wollen.

Der Bau einer Gigafabrik ist allerdings ein sehr anspruchsvolles Unterfangen. Selbst bei den erfahrensten Batterieherstellern sind Verzögerungen des Produktionsanlaufs von bis zu einem Jahr eher die Regel als die Ausnahme. Das hat natürlich Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit eines Projekts. Für eine 50-GWh-Fabrik bedeutet jeder Tag Produktionsausfall beispielsweise steigende Kosten und entgangener Deckungsbeitrag von rund 4 Millionen US-Dollar.

Ein weiteres Problem sind Qualitätsmängel bei der Batterieproduktion, und zwar sowohl für die Reputation als auch für die Finanzen. So kann der Rückruf eines Volumens von 9 GWh, der Umsatzeinbußen und Erstattungskosten nach sich zieht, aus einem Gewinn von 5 Prozent einen Nettoverlust von mehr als 150 Prozent machen.

Drei Elemente sind für den Umgang mit diesen Herausforderungen entscheidend: das Fabrikdesign, die Optimierung des Bauzeitenplans und die Strukturen für Governance und Leistungsmanagement.

Fabrikdesign: Unternehmen sollten für ihr Fabrikdesign ein möglichst stark modularisiertes Modell in Erwägung ziehen, inklusive vorgefertigter komplexer Werkskomponenten. Des Weiteren könnten sie ihr standardmäßiges Fabrikdesign an die Designstandards lokaler Batteriefabriken anpassen und es kosten- und flächentechnisch (z.B. im Hinblick auf die Größe des Reinraums) optimieren. Eine weitere Maßnahme ist die Untersuchung der grundlegenden Designanforderungen des Produktionsprozesses und ihrer Umsetzung in einem detaillierten Design, um Komplexität und Größe zu verringern, statt später Sicherheitsfaktoren und zusätzliche Elemente zu ergänzen.

Ein Layout, das auf einem einfachen Prozessfluss basiert, deutlich weniger Materialförderung erfordert und die einzelnen Produktionsprozesse nicht in einzelnen "Räumen" denkt, sondern eher als "Tetris-Bausteine", kann Betriebskosten und Produktionszeit verringern. Und wer ausreichend Platz für zusätzliche Kapazitäten einplant, muss die Fabrik später nicht möglicherweise komplett umgestalten.

Bauzeitenplan: Sobald das Design steht, muss ein optimaler Bauzeitenplan entwickelt werden, der einen Bau ohne Verzögerungen und Zusatzkosten gewährleistet. Hauptaufgabe des Bau- oder Projektteams ist es, kritischen Pfaden der Anlagenproduktion „nicht im Weg zu stehen“, da Auslieferung und Hochlauf dieser Anlagen deutlich komplexer sind. Der Bedarf an Arbeitskräften könnte im Vorfeld für jede Projektphase mit dem lokalen Angebot abgeglichen werden, um Engpässe zu antizipieren und den Zeitplan entsprechend anzupassen. Eine hochmoderne, KI-gestützte Planungssoftware kann helfen, den optimalen Pfad zu ermitteln (z.B. die verschiedenen Gewerke auf der Baustelle gleichmäßig auszulasten) und den Zeitplan bei Eintreffen neuer Informationen in Echtzeit zu aktualisieren. Die Zusammenführung von Ideen und die Abstimmung zwischen Ingenieuren und Ingenieurinnen sowie Bauarbeitern/Bauarbeiterinnen anhand eines integrierten digitalen Zwillings der Fabrik als Ort der Ideenfindung und -umsetzung tragen enorm zu einer effektiven Bauplanung bei.

Strukturen für Governance und Leistungsmanagement: Um das Bauprojekt erfolgreich und zum geplanten Produktionsstart abzuschließen, müssen detaillierte Governance-Verfahren und ein entsprechendes Leistungsmanagement sichergestellt werden.

Dazu müssen Unternehmen sowohl in der Zentrale als auch lokal die notwendigen Systeme für Kompetenz- und Leistungsmanagement installieren, zum Beispiel eine Kennzahl, die die Ausschussquote misst. Denkbar wäre auch die Errichtung eines "Kompetenzzentrums", um sicherzustellen, dass die Arbeitskraft im Rahmen eines EPCM-Systems (Engineering, Procurement and Construction Management) effektiv eingesetzt wird, und dann ein Kooperationsmodell zwischen der lokalen Fabrik, der Zentrale und dem Kompetenzzentrum zu etablieren. Alle Angestellten könnten von unternehmensinternen oder branchenweiten Fachkräften so früh wie möglich geschult werden – eine Art "SWAT-Team" ist ein guter Ansatz, um die Organisation schnell auf Geschwindigkeit zu bringen. Führungskräfte müssen anwesend sein, dürfen bei Entscheidungen aber nie einen Engpass darstellen. Verantwortungsbewusstsein und Flexibilität im Entscheidungsprozess sollten integraler Bestandteil von Trainings und Unternehmenskultur sein.

Und schließlich könnten Unternehmen die Fabrik mit Hilfe digitaler Tools in die übergeordnete Wertschöpfungskette von Elektroautos integrieren, um Tests auf Komponenten- und Systemebene zu ermöglichen.

Um erfolgreich eine Gigafabrik aufzubauen, bedarf es einer hochqualifizierten und produktiven Belegschaft – sowohl zunächst für den Bau als auch später für den Betrieb.

Hierfür empfiehlt es sich, den lokalen Talentmarkt zu einem wichtigen Kriterium für die Standortwahl zu machen, damit sichergestellt ist, dass Schlüsselkompetenzen in ausreichender Menge vorhanden sind. Entscheidungskriterien können z.B. das Angebot an qualifizierten Arbeitskräften, die Attraktivität der Region innerhalb eines angemessenen Pendelradius oder zugängliche regionale Talentpools sein (z.B. für Gewerke, in denen es lokal nicht genügend Arbeitskräfte gibt). Weiterhin empfehlen sich Investitionen in die lokale Infrastruktur, um eine lokale Angebotsbasis für Zellkomponenten und die Bindung wichtiger Talente zu ermöglichen.

Für den Bau und den Produktionsbetrieb sollten Unternehmen das Sourcing von Anfang an mitdenken – insbesondere von Anlagen und Rohmaterialien für die Batterieproduktion –, um Verzögerungen und Kostenüberschreitungen zu vermeiden. In allen Stufen der Batteriewertschöpfungskette wird bis 2030 ein rasantes Wachstum erwartet. Die größten Märkte stellen hier die Zellproduktion und die Rohstoffgewinnung dar.

Durchlaufzeiten von eineinhalb Jahren von der Bestellung bis zur Inbetriebnahme batteriespezifischer Anlagen sind auf Grund der zahlreichen Gigafabriken, die vielerorts entstehen, keine Seltenheit. Manche OEMs fangen sogar an, sich bereits jetzt kritische Anlagen für einen für 2025 geplanten Bau zu sichern.

Um sich die notwendigen Anlagen für die Batterieproduktion zu sichern, gibt es vier Möglichkeiten: Ideal wäre der Einkauf bei Anlagenlieferanten, die bereits über Expertise in diesem Bereich verfügen, oder wenigstens die Suche nach Lieferanten mit ähnlicher Expertise. Alternativ könnten OEMs auch ihre eigene Anlagenkompetenz aus anderen Industrien nutzen, um Batterieanlagen zu revolutionieren, oder – und das wäre das disruptivste Szenario – den Prozess der Zellproduktion mit Hilfe technologischer Innovationen ganz neu gestalten.

Gerade in Europa und Nordamerika kann es zu Engpässen bei ausgewählten Anlagenbereichen wie z.B. Coating, Electrolyte Filling kommen – die Anlagen- und Maschinenbauer sind aktuell dabei, die geforderten Kapazitäten Stück für Stück aufzubauen.

Für den Rohmaterialeinkauf sollten Unternehmen eine robuste Strategie haben, um die Kosten zu kontrollieren und einen sicheren Hochlauf der Fabrik zu gewährleisten. Die Rohmaterialien stammen entweder aus frisch geförderten und veredelten Metallen oder aus recycelten ausgedienten Batterien oder Ausschussware.

Frisch geförderte Rohmaterialien bringen jedoch einige Herausforderungen mit sich: Bis 2030 dürften sie die wichtigste Bezugsquelle sein, Batteriehersteller werden also in hohem Maße von den Rohstoffpreisen abhängig sein. Zudem haben jüngste Disruptionen in der Lieferkette den Preis wichtiger Materialien teilweise bis zu verfünffacht, so dass die Kosten für Lithium-Ionen-Batterien 2021 zum ersten Mal seit vielen Jahren erstmals gestiegen sind.

Längerfristig dürften geopolitische Faktoren Auswirkungen auf die Rohstoffversorgung haben. Lithium gibt es beispielsweise im Überfluss, allerdings werden etwa 70 Prozent des aktuellen globalen Produktionsvolumens in Australien und Chile abgebaut. Damit haben diese Länder einen maßgeblichen Einfluss auf die Angebotssituation.

Ähnlich verhält es sich mit Kobalt: Hier wird der Großteil des globalen Produktionsvolumens in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut.

Auch der signifikante Nachfrageanstieg bei Rohmaterialien dürfte die Preise in die Höhe treiben. So dürfte der Lithiumbedarf in der Batterieindustrie von 2020 bis 2030 auf Grund der insgesamt gestiegenen Nachfrage jährlich um durchschnittlich 25 Prozent wachsen, während bei Nickel angesichts der wachsenden Popularität von nickelreichen Batterien mit einem zehnfachen Wachstum zu rechnen ist - vor allem für Class-1 Nickel.

Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, könnten Batteriehersteller versuchen, sich eine erweiterte Rohstoffversorgung zu sichern.

Kurzfristig bietet sich hier möglicherweise der Abschluss mehrjähriger Verträge mit Bergbauunternehmen an, um den Effekt von Preisschwankungen zu minimieren und gleichzeitig Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Längerfristig könnten die benötigten Materialien aus recycelten Batterien gewonnen werden, da immer mehr Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreichen – sowohl die eigenen Batterien der Hersteller als auch andere Lithium-Ionen-Batterien. Hersteller könnten beim Verkauf der Originalbatterie eine Recycling-Vereinbarung aufnehmen, die die Versorgung sicherstellt.

Für größere Hersteller könnte es sich auch anbieten, direkt in die Rohstoffgewinnung und ‑veredelung zu investieren, um sich ausreichend Material zu sichern und Zugang zum rasch wachsenden Value Pool zu erhalten.

Auch wenn weltweit mit erheblichen Investitionen entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu rechnen ist, geht der Trend zunehmend dahin, die Batterieproduktion in der Nähe der Produktionsanlagen von Elektroautos anzusiedeln.

Mehr als 70 Prozent der größten Lieferanten von Beschichtungs- und allgemeinen Zellmontageanlagen befinden sich beispielsweise in Asien, die übrigen verteilen sich in gleichem Maße auf Nordamerika und Europa. Dementsprechend sollten Unternehmen in Nordamerika und Europa darüber nachdenken, starke internationale Einkaufsbeziehungen aufzubauen.

Auch die Veredelung findet überwiegend in Asien statt. Hier sind die Lokalisierungsmöglichkeiten potenziell geringer als in der Batterie- und Anlagenproduktion. Da unveredelte Rohstoffe in der Regel geringere Anteile des Zielmaterials enthalten, sind die Veredelungsanlagen zumeist in der Nähe der Rohstoffquelle und nicht in den Endmärkten angesiedelt.

Angesichts dieser Herausforderungen und der hohen Kapitalkosten von Gigafabriken kaufen manche Hersteller von Elektroautos Batterien bei größeren Lieferanten, statt in eigene Gigafabriken zu investieren.

Für kleinere Anbieter, die nur in begrenztem Maße in das E-Auto-Geschäft einsteigen wollen, und für Unternehmen, die strategisch flexibel bleiben wollen, ist dies häufig die beste Option. Start-ups verfügen z.B. möglicherweise nicht über die erforderlichen Mittel für den Bau einer Gigafabrik oder können nicht warten, bis ein solcher Bau abgeschlossen ist.

Größere Unternehmen, die in gerade erst entstehende Märkte einsteigen – z.B. elektrische Lkw oder Busse –, könnten sich für den Kauf entscheiden, weil sie in absehbarer Zukunft nur ein geringes Volumen benötigen dürften. Und Unternehmen, die auf eine "Fast Follower"-Strategie setzen, könnten sich zunächst ebenfalls für den Kauf entscheiden, um besser zu verstehen, welche Technologien sich durchsetzen werden, und zu prüfen, ob ihr antizipierter Batteriebedarf in der Realität auch zutrifft, bevor sie hohe Investitionen tätigen.

Mit zunehmendem Wachstum und Reifegrad der Industrie werden das Recycling und die Wiederverwendung von Batterien sowohl für die Lieferkette als auch für die Erfüllung der ESG-Anforderungen immer entscheidender.

Für ausgediente Batterien gibt es drei Möglichkeiten, die jeweils einen anderen Verarbeitungsschritt erfordern: die Reparatur von Akkus zur anschließenden Verwendung in Elektroautos, die Wiederverwendung von Batterien in anderen Second-Life-Anwendungen (z.B. Netzspeicher) und die Verwendung recycelter Batteriematerialien als Input für die Herstellung neuer Batterien.