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Über dieses Buch

Das vorliegende Fachbuch entwickelt neue Konzepte und Lösungen für die Umwidmung und Weiterverwendung von Traktionsbatterien, die in der E-Mobilität zum Einsatz kamen. Dabei werden ausgewählte Weiterverwendungsszenarien detailliert, technische und betriebswirtschaftliche Herausforderungen betrachtet sowie neue Konzepte und Informationssysteme entwickelt. Das Fachbuch integriert hierzu technische Grundlagen der Batterieforschung, eine wirtschaftswissenschaftliche Betrachtung der Umwidmung und Weiterverwendung von Traktionsbatterien sowie die Konzeption und Implementierung prototypischer Software-Lösungen. Hierdurch wird ein ganzheitlicher Einblick in das Themenfeld gegeben und neue Impulse für die Energiewende entwickelt. Während ihrer Nutzung in Elektrofahrzeugen altern Traktionsbatterien durch Lade- und Entladevorgänge sowie über die Zeit. Alterungseffekte resultieren in einer sinkenden Reichweite sowie einer verringerten Beschleunigungswirkung und Ladeleistung des Fahrzeugs, so dass ein Austausch der Batterie erforderlich sein kann. Allerdings kann eine gebrauchte Traktionsbatterie häufig noch in anderen Szenarien zum Einsatz gebracht werden. Weiterverwendungsszenarien schließen etwa einen Einsatz der Batterie als Hausspeicher für Solaranlagen oder eine Verwendung in Batteriegroßspeichern ein und können betriebswirtschaftlich attraktive Einnahmequellen darstellen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung in die Umwidmung und Weiterverwendung von Traktionsbatterien

Elektromotoren zum Antrieb von Fahrzeugen haben im Vergleich zu Verbrennungsmotoren einige Vorteile, wie geringere Geräuschemissionen und einen höheren Wirkungsgrad (Wachter 2009; Govindswamy und Eisele 2011; Marx 2015; Hagman et al. 2016). Der Hauptvorteil wird generell jedoch in der Vermeidung des CO2‐Ausstoßes durch die Substitution von fossilen Brennstoffen durch elektrischen Strom gesehen. Elektromobilität ist jedoch nur dann eine saubere und umweltfreundliche Art der Fortbewegung, wenn der benötigte Strom aus erneuerbaren Energien, wie zum Beispiel Solar oder Windkraft, stammt. In Deutschland wurden im Jahr 2016 29,5 % des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt und dieser Anteil soll bis 2025 auf 40–45 % steigen (Strom‐Report 2016). Elektrofahrzeuge in Deutschland fahren heute also mit Strom, der noch zu rund 70 % aus konventionellen Quellen (fossile Brennstoffe, Kernenergie) stammt und tragen entsprechend indirekt zu CO2‐Emissionen bei. So beträgt der CO2‐Ausstoß des Nissan Leaf, einem derzeit sehr beliebten Elektrofahrzeug, im deutschen Strommix noch immer ca. 106 g/km (Schwarzer 2014). Aufgrund der Potenziale zur Reduktion des CO2‐Ausstoßes und der Unabhängigkeit von fossilen Brennstoffen wird die Elektromobilität weltweit jedoch sehr positiv gesehen und in vielen Ländern entsprechend durch die öffentliche Hand gefördert.
Daniel Beverungen, Sebastian Menne, Sascha Nowak, Shamahmood Obeidi, Florian Plenter, Christoph Hindersmann

2. End-of-Life-Strategien für Traktionsbatterien

Traktionsbatterien kommen in Elektrofahrzeugen in unterschiedlichen Formen und Größen vor und unterscheiden sich etwa entsprechend ihres Einsatzes in vollelektrischen Fahrzeugen, Plugin‐Hybrid‐Fahrzeugen und Hybrid‐Fahrzeugen (vgl. Kap. 1). Sie stellen zudem komplexe Systeme dar, die neben den Batteriemodulen und den in diesen enthaltenen Batteriezellen vor allem aus einem Batteriemanagementsystem zum Monitoring und zur Steuerung der Lade‑ und Entladezyklen, einem System zur Regelung der Temperatur und dem Gehäuse zum Schutz gegen Außeneinwirkung bestehen. Diese Komponenten müssen entsprechend des Einsatzzweckes des Batteriesystems aufeinander abgestimmt werden. Da Batterien sowohl über die Zeit als auch durch Zyklisierung (d. h. Lade‑ und Entladezyklen) altern, nimmt ihre Leistungsfähigkeit zunehmend ab und ihr automobiles Leben ist somit begrenzt.
Sebastian Bräuer, Alexander Stieger

3. Die Umwidmung gebrauchter Traktionsbatterien in der Detailbetrachtung

Nachdem im vorherigen Kapitel der Grundstein für ein konsistentes Begriffsverständnis geschaffen wurde und Begriffe wie Weiter‐ und Wieder‐ sowie Verwendung und Verwertung (Martens und Goldmann 2016) definiert wurden, sind erste EOL‐Strategien der Umwidmung und der Weiterverwendung von Traktionsbatterien beschrieben worden. Das Kapitel war denen empfohlen, die einen Überblick über die Gesamtproblemstellung der Behandlung gebrauchter Traktionsbatterien nach ihrem Ausscheiden aus der automobilen Erstverwendung wünschten.
Sebastian Menne, Shamahmood Obeidi, Christoph Hindersmann, Sebastian Bräuer, Markus Monhof, Sascha Nowak

4. Szenarien und Geschäftsmodelle für die Vermarktung umgewidmeter Traktionsbatterien

Im bisherigen Verlauf dieses Buches standen zunächst der Vergleich verschiedener End‐of‐Life‐Strategien für gebrauchte Traktionsbatterien und die Erläuterung mit der Strategie der Umwidmung und Weiterverwendung in Verbindung stehender zentraler Konzepte (z. B. des eEOL‐Passes) und Prozesse (z. B. für die Zustandsbestimmung gebrauchter Traktionsbatterien) im Vordergrund. Aufbauend auf diesen Ausführungen fokussiert das vorliegende Kapitel das Aufzeigen von konkreten Potentialen, Szenarien und Geschäftsmodellen für die Vermarktung von umgewidmeten Traktionsbatterien aus Elektroautos.
Florian Plenter, Sebastian Menne, Christoph Hindersmann, Sebastian Bräuer, Johannes Voscort, Robert Mittmann

5. Modellgetriebene Entscheidungsunterstützung für die Umwidmung gebrauchter Traktionsbatterien

Für künftige Akteure eines Geschäftsmodells mit gebrauchten Traktionsbatterien ist insbesondere die technisch zulässige und ökonomisch erfolgreiche Umwidmung der Batteriesysteme zu geeigneten Weiterverwendungsszenarien als ein komplexes Unterfangen zu bewerten. Mit einer zunehmenden Anzahl gebrauchter Traktionsbatterien, die in den nächsten Jahren ihren Weg zurück aus der Erstanwendung in den Elektroautos finden (Hoyer et al. 2011; Foster et al. 2014), wird für menschliche Entscheider sowohl der Entscheidungsaufwand als auch eine zufriedenstellende Entscheidungsqualität mit den bisher zur Verfügung stehenden Hilfsmitteln nicht beherrschbar bzw. erreichbar sein. Dennoch müssen zukünftige Akteure auf dem Markt für gebrauchte Traktionsbatterien effiziente (Aufwand) und effektive (Qualität) Entscheidungen treffen, um geeignete bzw. optimale Dispositionen für die Weiterverwendung von Gebrauchtbatterien zu identifizieren und das Geschäft erfolgreich betreiben zu können.
Benjamin Klör, Markus Monhof

6. Leistungskonfiguration zur Vermarktung gebrauchter Traktionsbatterien

Die Umwidmung und Weiterverwendung gebrauchter Traktionsbatterien aus Elektrofahrzeugen unterliegt einigen Hindernissen. Insbesondere der hohe Grad an Unsicherheit der zukünftigen Alterung der Energiespeicher aus gebrauchten Traktionsbatterien und des Zustands der Batterie erfordern über die Sicherstellung der technischen Eignung hinaus Maßnahmen, um eine erfolgreiche Vermarktung zu ermöglichen. Insbesondere gilt es, Risiken für den Kunden zu verringern (siehe Kap. 4). Diese ergeben sich zum einen aus den Charakteristiken des gebrauchten Guts (Bräuer et al. 2016), zum anderen aus der Immaterialität sowie der Untrennbarkeit von Erstellung und Konsum von Dienstleistungen (Fließ 2009). Eine Möglichkeit, diese Unsicherheiten und Risiken zu reduzieren, ist die Vermarktung der gebrauchten Traktionsbatterien als kundenindividuelle hybride Leistungsbündel, bestehend aus der Sachleistung Batterie und ergänzenden Dienstleistungen. Ein solches hybrides Leistungsbündel wird auch als Energiespeicherlösung bezeichnet (Beverungen et al. 2017).
Im Folgenden wird das zugehörige Entscheidungsproblem und der Entscheidungsprozess dargestellt (Abschn. 6.2). In Abschn. 6.3 und 6.4 werden Leistungskonfiguratoren und Empfehlungssysteme als Informationssysteme zur Unterstützung bei der Erstellung von Angeboten vorgestellt. Anschließend folgt in Abschn. 6.5 die Beschreibung des im EOL‐IS Projekts entwickelten Leistungskonfigurators für Energiespeicherlösungen aus gebrauchten Traktionsbatterien.
Markus Monhof, Benjamin Klör, Sebastian Bräuer

7. Demonstration des EOL-IS-Softwaresystems zur Entscheidungsunterstützung

Das Forschungsprojekt EOL‐IS wurde im Sinne eines gestaltungsorientierten Forschungsvorgehens (Hevner et al. 2004) durchgeführt. Die gestaltungsorientierte Forschung kennzeichnet sich durch den Nachweis der Nützlichkeit der erstellten Problemlösungen, die durch die Konstruktion von innovativen IT‐Artefakten (u. a. Softwaresystemen) dokumentiert werden kann. Um die Nützlichkeit gestaltungsorientierter Forschungsergebnisse nachzuweisen, sieht der gestaltungsorientierte Forschungsprozess (Peffers et al. 2007) eine umfangreiche Demonstration und Diskussion der Ergebnisse vor. Für die Dokumentation der Zielerreichung eines Softwaresystems wird dies typischerweise durch die Darstellung und Diskussion der Benutzeroberflächen erreicht. Die Demonstration belegt somit die Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse, was einhergeht mit dem Nachweis der Lösbarkeit der anvisierten Problemstellung.
In den vorangehenden beiden Kap. 5 und 6 wurden die beiden Hauptfunktionalitäten des Softwaresystems zur Entscheidungsunterstützung konzipiert sowie deren konkrete Implementierung vorgestellt. Diese beiden ineinandergreifenden Funktionalitäten ermöglichen es einem menschlichen Entscheider sowohl technisch zulässige als auch optimale Umwidmungsentscheidungen zu treffen und für jede ausgewählte Batterieumwidmung die erforderliche Dienstleistungskonfiguration vorzunehmen, um das spezifische Kundenproblem zu lösen.
Benjamin Klör, Markus Monhof

8. Forschungsausblick zur Umwidmung und Weiterverwendung von Traktionsbatterien

In Kap. 1 wurden die ökologischen sowie ökonomischen Argumente für eine Umwidmung und Weiterverwendung gebrauchter Traktionsbatterien vorgestellt. Weiterhin wurden chemische, technische, und ökonomische Eigenschaften der Traktionsbatterie sowie deren Bedeutung für die Umwidmung und Weiterverwendung im Sinne des EOL‐IS‐Konzepts dargestellt.
Daniel Beverungen, Christoph Hindersmann, Sebastian Menne, Sascha Nowak, Shamahmood Obeidi, Florian Plenter
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