Geschäftsmodelle für Batterie-Wechselstationen

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Nomenklatur der verwendeten Variablen

1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgehen und Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen
2.1 Begriffe
2.2 Elektrofahrzeuge mit Batteriewechsel-Technologie
2.2.1 Beispiele für E-Fahrzeuge mit Wechseltechnologie
2.2.2 Obere Preisgrenze von Fahrzeugen mit Elektroantrieb
2.3 Batterien
2.3.1 Technologie der Zukunft
2.3.2 Kapazität der Batterie
2.3.3 Nutzungsdauer
2.3.4 Benötigte Batterien und Batteriekosten
2.3.5 Weitere Einflussparameter
2.4 Wechselstationen
2.4.1 Lithium Force der Firma EVida
2.4.2 Change it der Firma Wallner
2.4.3 Better Place
2.4.4 Tabellarische Übersicht über die Systeme

3 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit
3.1 Allgemeine Einflussgrößen
3.1.1 Diesel- und Benzinpreis
3.1.2 Strompreis
3.1.3 Batteriepreis
3.1.4 Bodenpreis
3.1.5 Stromanschluss
3.1.6 Wartung und Instandhaltung
3.1.7 Informations- und Kommunikationstechnologie
3.1.8 Steuern
3.1.9 Versicherungen
3.1.10 Kapitalmarktzins
3.1.11 Personalkosten
3.1.12 Inflationsrate
3.1.13 Abschreibung
3.2 Preis pro eingewechselter Kilowattstunde
3.2.1 Busse im ÖPNV
3.2.2 Pkw und Kleintransporter
3.3 Drei ausgewählte Geschäftsmodelle
3.3.1 Wechselstationen für den Busverkehr im ÖPNV am Beispiel der Stadt Karlsruhe
3.3.2 Wechselstationen für eine Unternehmensflotte
3.3.3 Wechselstationen für private Pkw
3.3.4 Grundlegende Annahmen zu den Geschäftsmodellen
3.4 Nachfrage nach Wechseln in den beispielhaften Geschäftsmodellen
3.4.1 ÖPNV - Haltestelle Turmberg in Karlsruhe-Durlach
3.4.2 Unternehmensflotte - CitiCargo
3.4.3 Private Pkw - Autobahndreieck Mönchhof
3.5 Einnahmen und variable Kosten
3.5.1 Erzielbare Einnahmen durch Wechsel
3.5.2 Variable Kosten
3.6 Investitionen und Fixkosten
3.6.1 Wechselstation
3.6.2 Batterien
3.6.3 Fahrzeuge
3.6.4 Kapitalbedarf und Kapitalkosten

4 Berechnungen zur Wirtschaftlichkeit
4.1 Break-Even Punkt
4.1.1 Wechselstationen von EVida und Wallner
4.1.2 Wechselstation von Better Place (Unternehmensflotte)
4.1.3 Wechselstation von Better Place private Pkw)
4.2 Kapitalwert
4.2.1 ÖPNV.
4.2.2 Unternehmensflotte CitiCargo
4.2.3 Private Pkw
4.3 Sensitivitätsanalyse
4.3.1 ÖPNV in Karlsruhe
4.3.2 Pkw -Unternehmensflotte CitiCargo
4.3.3 Private Pkw
4.3.4 Geschäftsmodellübergreifende Analysen

5 Ergebnis
5.1 Zusammenfassung und Fazit
5.2 Kritische Reflexion und weiterer Forschungsbedarf

6 Anhang
6.1 Zeitreihen
6.2 Erläuterungen zu den Wechselstationen
6.2.1 Lithium Force der Firma EVida
6.2.2 Change it der Firma Wallner
6.2.3 Better Place
6.3 Nachfrage nach Wechseln an der Haltestelle Turmberg
6.4 Wechselpreis im Vergleich zu Pkw mit Ottomotoren
6.5 Verbesserung der Wechselstrategie bei CitiCargo
6.6 Verbrauch durch Klimatisierung bei Pkw
6.7 Kostenstruktur beim System von Better Place beim Einsatz mit CitiCargo
6.8 Theoretisch erzielbare Erlöse durch V2G
6.9 Buslinien-Netzplan in Karlsruhe-Stadt
6.10 Investitionen für Batterien bei privaten Pkw
6.11 Kapitalbedarf/Kapitalkosten
6.12 Gewinn und Verlust

7 Literaturverzeichnis

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird eine Analyse der Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit von Geschäftsmodellen mit Batterie-Wechselstationen vorgenommen. Neben einer Prog­nose der Entwicklung der wichtigsten mikroökonomischen Einflussfaktoren für die nächsten zehn Jahre werden ausgewählte Geschäftsmodelle mit einem starken Pra­xisbezug untersucht. Je ein Geschäftsmodell ist für den Öffentlichen Personen­Nahverkehr (ÖPNV), eines für Firmenflotten und eines für private Pkw. Der wirt­schaftliche Betrieb einer Batterie-Wechselstation im Busverkehr des ÖPNV ist ab so­fort möglich. Die Wirtschaftlichkeit dieser Investition ist robust gegenüber einer Ver­änderung der Umweltfaktoren. Um eine Batterie-Wechselstation für Firmenflotten oder private Pkw wirtschaftlich betreiben zu können, muss folgende Entwicklung der Einflussfaktoren eintreten: Die Nachfrage nach Wechseln muss unerwartet hoch sein, der Dieselpreis muss über das derzeitige Niveau von 1,30 € pro Liter ansteigen um eine Erhöhung des Wechselpreises zu ermöglichen, die Strompreise dürfen nur leicht ansteigen. Weitere wichtige Einflussfaktoren auf alle drei Geschäftsmodelle sind die Batteriekosten. Die Menge der benötigten Batterien wird maßgeblich vom Konzept der Wechselstation determiniert und kann durch eine Verkürzung der Lade­dauer reduziert werden. Zusatzdienstleistungen wie z.B. Vehicle-to-grid haben erst bei Erlösen von mehr als 25 € pro kWh Batteriekapazität und Jahr nennenswerten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit von Geschäftsmodellen mit Batterie - Wechselstationen.

Schlüsselwörter: Elektromobilität, Wechselstation, Geschäftsmodelle, Batterie, Ein­flussfaktoren, Wirtschaftlichkeit, Dieselpreis, Strompreis, Batteriepreis, V2G, switch station, swap station, profitability

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1-1 - Lösbare Kernprobleme der Elektromobilität durch den Einsatz von Batterie­Wechselstationen (blau schraffiert). Eigene Darstellung

Abb. 1-2 - Schematischer Aufbau der Arbeit. Eigene Darstellung

Abb. 2-1 - Bereitschaft potenzieller Käufer für Mehrkosten bei Neuanschaffung eines E- Fahrzeugs [Aral09, S.20]

Abb. 2-2 - Zusammensetzung des durchschnittlichen Listenpreises in den Jahren 2012-2014 von E- und V-Fahrzeugen, Datenquelle: [Bund09, S.6]

Abb. 2-3 - Potenzial verschiedener Batterietypen für den Einsatz in der Elektromobilität [KKSR07, S. 25]

Abb. 2-4 - Zyklenfestigkeit als Funktion der DoD [KKSR07, S.30]

Abb. 2-5 - „Lithium Force“ Swap Station mit Bus, zwei Robotern und Batterieregalen [MGL10, S.1]

Abb. 2-6 - Funktionsprinzip des Systems von Wallner für einen Solobus [WaSo10, S.4]

Abb. 2-7- Eine Wechselstation von Better Place für die Taxi-Flotte in Tokyo [Bepl11]

Abb. 3-1 - Das Verhältnis von Dieselpreis/Benzinpreis von 1960-2010 mit linearem Trend (dunkel, Primärachse), Benzinpreis (hell, Sekundärachse). Datenquelle: [Aral11b, S.1f], Eigene Darstellung

Abb. 3-2 - Inflationsrate in Prozent für Deutschland in den letzten zehn Jahren [Stat11]

Abb. 3-3 - Renault Fluence Z.E. [Rena11c, S.1]

Abb. 3-4 - Kleintransporter Fiat Ducato für den Warentransport [Fiat11, S.10]

Abb. 3-5 - Schematische Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Nachfrage mit dem Startwert nü in tü und dem Endwert nT. Eigene Darstellung

Abb. 3-6 - Drei Klassen von Geschäftsmodellen mit Batterie-Wechselstationen für die Nutzung durch private Pkw. Eigene Darstellung

Abb. 3-7- Das Karlsruher Busliniennetz [ist zweigeteilt und wird von zwei Depots (rote Kreise) aus bedient. Haltestellen: T=Turmberg, H=Hauptbahnhof Bild: [KVV10], eigene Darstellung

Abb. 3-8 - Anzahl der benötigten Wechsel pro Stunde an der Haltestelle Turmberg in Karlsruhe Montag-Freitag. Eigene Darstellung

Abb. 3-9 - ÖPNV Karlsruhe: Bedarf nach in Batterien gespeicherter Energie in kWh und Auslastung der Wechselstation von Wallner. Eigene Darstellung

Abb. 3-10 - ÖPNV Karlsruhe: Bedarf nach in Batterien gespeicherter Energie in kWh und Auslastung der Wechselstation von Wallner für eine zweite Wechselstation. Eigene Darstellung

Abb. 3-11 - Anzahl benötigter Wechsel pro Stunde (CitiCargo) [Loew11, S.6f] mit der maximalen Wechselkapazität der Wechselstation. Eigene Darstellung

Abb. 3-12 - Der potenzielle Standort am AD Mönchhof ist durch den roten Kreis gekennzeichnet

Abb. 3-13 -Anzahl der Wechsel pro Tag in den Jahren 2011 bis 2020 am AD Mönchhof bei linearer Steigerung. Eigene Darstellung

Abb. 3-14 - Investitionen für Batterien bei unterschiedlichen Anschaffungsintervallen. Eigene Darstellung

Abb. 3-15 - Der Kapitalbedarf des Systems von Wallner beim Einsatz in Karlsruhe Haltestelle Turmberg. Eigene Darstellung

Abb. 4-1 - Gewichte der einzelnen Einflussfaktoren (Wallner, Turmberg, 10 Perioden), die Auslastung wird als gegeben angenommen. Eigene Darstellung

Abb. 4-2 - Prozentuale Verteilung der Kosten über 10 Jahre beim Einsatz in Karlsruhe mit den Gesamtkosten in Tsd. €. Eigene Darstellung

Abb. 4-3 - Gewichte der einzelnen Einflussfaktoren (Better Place, Pkw am AD-Mönchhof, zehn Perioden). Die Auslastung wird durch die in Abschnitt 3.4.3.2 beschriebene Nachfrage gegeben. Eigene Darstellung

Abb. 4-4 - Prozentuale Verteilung der Kosten über 10 Jahre beim Einsatz am AD Mönchhof mit den Gesamtkosten in Tsd. €. Eigene Darstellung

Abb. 6-1 - Anzahl der benötigten Wechsel pro Stunde an der Haltestelle Turmberg in Karlsruhe an Samstagen. Eigene Darstellung

Abb. 6-2 - Anzahl der benötigten Wechsel pro Stunde an der Haltestelle Turmberg in Karlsruhe an Sonntagen. Eigene Darstellung

Abb. 6-3 - Anzahl der benötigten Wechsel pro Stunde an der Haltestelle Turmberg in Karlsruhe an den Tagen Montag bis Freitag für die zweite Wechselstation. Eigene Darstellung

Abb. 6-4 - Anzahl der benötigten Wechsel pro Stunde an der Haltestelle Turmberg in Karlsruhe an Samstagen für die zweite Wechselstation. Eigene Darstellung

Abb. 6-5 -Anzahl benötigter Wechsel pro Stunde (CitiCargo) [Loew11, S.6f] mit der maximalen Wechselkapazität der Wechselstation bei verbesserter Wechselstrategie. Eigene Darstellung

Abb. 6-6 - Gewichte der einzelnen Einflussfaktoren (Better Place, CitiCargo, 10 Perioden), die Auslastung wird als gegeben angenommen. Eigene Darstellung

Abb. 6-7 - Prozentuale Verteilung der Kosten des Systems von Better Place über 10 Jahre beim Einsatz mit der Unternehmensflotte von CitiCargo. Eigene Darstellung

Abb. 6-8 - Busliniennetz des KVV[KVV10]

Abb. 6-9 - Investitionen für Batterien bei unterschiedlichen Anschaffungsintervallen. Eigene Darstellung

Abb. 6-10 -Der Kapitalbedarf des Systems von Better Place beim Einsatz mit der Firmenflotte von CitiCargo. Eigene Darstellung

Abb. 6-11 - Der Kapitalbedarf des Systems von Better Place beim Einsatz am AD Mönchhof Eigene Darstellung

Abb. 6-12 -Eingangsgrößen und Gewinn und Verlust des Systems Wallner

Abb. 6-13 -Eingangsgrößen und Gewinn und Verlust des Systems von Better Place

Abb. 6-14 -Eingangsgrößen und Gewinn und Verlust des Systems von Better Place

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2-1 - Tabellarischer Vergleich der Wechselstationen von EVida, Wallner und Better Place

Tabelle 3-1 - Ölpreisszenarien nach Weyerstrass et al. [WeJa09, S. 297]

Tabelle 3-2 - Batteriepreise in € pro kWh im Jahr 2007 [KSSR07, S.47]

Tabelle 3-3 - Batteriepreise in € pro kWh.

Tabelle 3-4 - Verbrauch Diesel und Elektrizität pro 100 km

Tabelle 3-5 - Verbräuche pro 100 km, Zahlun.gsbereitsch.aft und Deckungsbeitrag. Grundlage: Diesel; Preisstand: 2011

Tabelle 3-6 - Zuordnung der Geschäftsmodelle zu den Wechselstationen

Tabelle 3-7 - CitiCargo: Bedarf nach in Batterien gespeicherter eingewechselter Energie (kWh.) und Auslastung der Wechselstation

Tabelle 3-8 - Einnahmen mit dem System von Wallner an der Haltestelle Turmberg im Jahr 2011

Tabelle 3-9 - Einnahmen mit dem System von Better Place bei CitiCargo

Tabelle 3-10 - Einnahmen in Tsd. € mit dem System von Better Place am AD Mönchhof.

Tabelle 3-11 - Fixkosten der Wechselstationen von EVida,Wallner und Better Place in € im Jahr 2011

Tabelle 3-12 -Anzahl, Kapazität und Kosten der Batterien in den verschiedenen Wechselstationen und Geschäftsmodellen

Tabelle 3-13 - Gesamtkosten für die Anschaffung von Batterien über 10 Perioden zweier Fahrtenverteilungen in Tsd. € bei unterschiedlichen Anschaffungsintervallen

Tabelle 3-14 - Differenzielle Anschaffungskosten Dieselbus/Elektrobus [Wall11, S.1]

Tabelle 3-15 - Differenzielle Anschaffungskosten Dieselbus/Elektrobus Fortsetzung [Wall11].. 67 Tabelle 4-1 - Fixkosten in € der drei Wechselstationen in den Jahren 2011 und 2020. Eigene Berechnung

Tabelle 4-2 -Anstieg (c.p.) des Strompreises in % pro Jahr und daraus resultierendem Kapitalwert in Tsd. €

Tabelle 4-3 - Dieselpreis in € pro Liter im Jahr 2020 mit daraus resultierendem Kapitalwert in Tsd. € und Tauschpreis in 2020 in €

Tabelle 4-4 - Kapitalwert (in Tsd. €) und Break-Even Menge (in GWh) für verschiedene Auslastungen (in %) und Szenarien der größten Einflussfaktoren (Flotte)

Tabelle 4-5 - Kapitalwert (in Tsd. €) und Break-Even Menge (in GWh) für verschiedene DoD beim Wechsel (in%) und Szenarien der größten Einflussfaktoren (Pkw)

Tabelle 4-6 - Konzeptbedingte Effizienz der Batterienutzung ^Batt für die Bezugsräume Wechselstation, Fahrzeuge und Gesamt bei den drei verschiedenen Systemen

Tabelle 6-1 - Zeitreihe für Batteriepreise in € pro kWh für OEM >40 kWh.

Tabelle 6-2 - Zeitreihe für Batteriepreise in € pro kWh für OEM <25 kWh.

Tabelle 6-3 - Zeitreihe für die Entwicklung des Ölpreises

Tabelle 6-4 - Zeitreihe für die Entwicklung des Benzinpreises

Tabelle 6-5 - Zeitreihe für die Entwicklung des Dieselpreises

Tabelle 6-6 - Zeitreihe für die Entwicklung des Strompreises

Tabelle 6-7 - Zeitreihe für die Entwicklung des Wechselpreises im ÖPNV.

Tabelle 6-8 - Zeitreihe für die Entwicklung des Wechselpreises für Kleintransporter

Tabelle 6-9 - Zeitreihe für die Entwicklung des Wechselpreises für private Pkw

Tabelle 6-10 - Verbräuche pro 100 km. Grundlage: Benzin; Preisstand 2011

Tabelle 6-11 - CitiCargo: Bedarf nach in Batterien gespeicherter eingewechselter Energie (kWh)

und Auslastung der Wechselstation mit verbesserter Wechselstrategie

Tabelle 6-12 - Beispielhaftes Wetterprofil für Frankfurt am Main [ScFi00, S.15] und angenommenen Häufigkeiten für Klimatisierung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nomenklatur der verwendeten Variablen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Bundesregierung verabschiedete im August 2009 den „Nationalen Entwicklungs­plan Elektromobilität“, dem zufolge Deutschland zum „Leitmarkt für Elektromobili­tät“ werden solle. Im Jahr 2020 sollen in Deutschland eine Million elektrisch betrie­bener Fahrzeuge in Deutschland zugelassen sein [Bund09a, S.18]. Gleichzeitig war im Frühjahr 2010 zu beobachten, wie der Unternehmenswert des Startup- Unternehmens Better Place auf $ 1,25 Milliarden geschätzt wurde [Bepl10, S.2]. Bet- ter Place bietet unter anderem Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge an und ver­wendet dabei Batterie-Wechselstationen, die Batterien von Personenkraftwagen (Pkw) vollautomatisch tauschen und aufladen können [Bepl11, S.1]. Diese beiden Aspekte zeigen beispielhaft, dass die Elektromobilität und deren Entwicklung in Deutschland von „strategischer Bedeutung“ [Bund09a, S.3] sind. Die Industrie investiert deshalb in die Elektromobilität und die erforderliche Infrastruktur, zu der auch Batterie­Wechselstationen gehören.

1.1 Problemstellung und Motivation

Wird ein ökonomischer und technischer Fokus vorausgesetzt, manifestieren sich die zentralen Herausforderungen für die Elektromobilität in den drei folgenden Aspekten:

- Geringe Reichweite von Elektrofahrzeugen

Die Reichweite eines E-Pkw nach heutigem Stand der Technik wird mit bis zu 160 km nach dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) angegeben [Re- na11b]. Die geringere Reichweite ist „wesentliches Hemmnis“ [KGEM09, S.44] für den Erfolg der Elektromobilität.

- Lange Ladezeiten der Batterien

Entladene Batterien können mit einem für deutsche Haushalte üblichen Stromanschluss mit 3,7 kW Leistung innerhalb von sechs bis acht Stunden z. B. über Nacht wieder aufgeladen werden [TKSS09, S.4]. Sind die Fahrten zeitkritisch, so ist eine lange Ladedauer nicht akzeptabel, da die Fahrt für die­se Zeit unterbrochen werden müsste. Die Ladezeiten lassen sich mittels Stromanschlüssen mit höherer Leistung zwar verkürzen, eine mit einer Be­tankung vergleichbare Dauer ist jedoch bei derzeitigem Stand der Technik nicht realisierbar.

- Hohe Anschaffungskosten

Ein durchschnittliches „weniges Stadtauto“ [Bund09, S.6] (Kleinwagen) ist in der Ausführung als Elektrovariante mehr als doppelt so teuer wie die Variante mit Verbrennungsmotor. Die Mehrkosten für ein Elektrofahrzeug der Golf­Klasse mit derzeit fast 20.000 € zu beziffern. Eine tiefe Durchdringung des Mobilitätsmarktes durch Elektrofahrzeuge wird so verhindert [Wyma09, S.1f].

Wechselkonzepte könnten für die beiden erstgenannten Probleme eine Lösungsmög­lichkeit darstellen, die heute technisch bereits realisierbar wäre [Bepl11b], [Rena11b]. Die geringe Reichweite könnte ausgebaut werden, dass entladene Batterien physika­lisch gegen aufgeladene getauscht werden.

Beide Probleme, für die Batterie-Wechselkonzepte eine Lösungsalternative sein kön­nen, sind in Abb. 1-1 blau schraffiert dargestellt. Für die Problematik der hohen An­schaffungskosten kann ein solches Konzept keine Lösungsalternative sein, da es zu­sätzliche Technik wie z. B. die Wechselstation erfordert. Aus diesem Grund ist der entsprechende Bereich nicht schraffiert dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-1 - Lösbare Kernprobleme der Elektromobilität durch den Einsatz von Batterie-Wechselstationen (blau schraffiert). Eigene Darstellung.

Auch wenn Batterie-Wechselkonzepte technisch realisierbar wären, stellt sich unter ökonomischen Gesichtspunkten die Frage, ob sie auch umgesetzt werden. Dazu muss erstens geklärt werden, wie beispielhafte Konzepte und Geschäftsmodelle aus­sehen könnten. Für die verschiedenen Bereiche der Mobilität wie z. B. der privaten Nutzung von Pkw, bei Firmenflotten oder im Öffentlichen Personen-Nahverkehr (ÖPNV) können sich hier verschiedene Erfolgsfaktoren ergeben, die jeweils andere Geschäftsmodelle erfordern. Deshalb ist eine Analyse aller Bereiche der straßenge­bundenen Mobilität von Interesse, für die technische Lösungen von Batterie­Wechselstationen existieren. Dies ist insbesondere sowohl der öffentliche Bereich (z. B. der ÖPNV), der Bereich von Unternehmen (z. B. Lieferdienste) als auch der Be­reich der privaten Fahrzeugnutzung von Pkw.

Zweitens muss geklärt werden, ob diese Konzepte wirtschaftliche Vorteile im Ver­gleich zu Mobilität auf Basis fossiler Kraftstoffe erzielen können. Denn nur dann wer­den sie langfristig betrieben.

1.2 Zielsetzung

Das Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Einflussfaktoren und Voraussetzungen für die Wirtschaftlichkeit von Geschäftsmodellen für Wechselbatteriekonzepte in der Elektromobilität.

Es sollen die für ein Verständnis solcher Geschäftsmodelle benötigten technischen und wirtschaftlichen Grundlagen dargestellt werden. Darauf aufbauend soll mit öko­nomischem Fokus geprüft werden, ob Geschäftsmodelle mit Wechselbatteriekonzep­ten mit einem Planungshorizont von zehn Jahren¹ ab sofort in Deutschland wirt­schaftlich betrieben werden können. Es wird geklärt, welches die Erfolgsfaktoren sind und welche Faktoren gegebenenfalls eine Wirtschaftlichkeit verhindern können.

Um einen möglichst breiten Bereich straßengebundener Mobilitätsformen in Deutschland abzudecken, werden die drei Bereiche des ÖPNV, der Fahrzeugflotten von Unternehmen (Unternehmensflotten) sowie der privat genutzten Pkw untersucht. Durch die Analyse beispielhafter konkreter Geschäftsmodelle soll ein möglichst gro­ßer Praxisbezug hergestellt werden.

Folgende Fragen sollen innerhalb dieser Arbeit beantwortet werden:

1. Können Batterie-Wechselstationen ab sofort in Deutschland wirtschaftlich be­trieben werden - ohne dabei flächendeckende Infrastruktur weiterer Lademög­lichkeiten wie z. B. sogenannte Ladesäulen bereitzustellen, wie es das Unter­nehmen Better Place plant [Bepl11c, S.2]?
2. In welchen der drei Bereichen (ÖPNV, Unternehmensflotte oder privaten Pkw) ist dies gegebenenfalls möglich?
3. Wie können Geschäftsmodelle mit Wechselbatteriekonzepten beispielhaft ge­staltet sein?
4. Welches sind die Einflussfaktoren und die Voraussetzungen für die Wirt­schaftlichkeit beispielhafter Geschäftsmodelle und wie beeinflusst deren Ver­änderung die Wirtschaftlichkeit?
5. Was ist gegebenenfalls erforderlich, um eine Wirtschaftlichkeit realisieren zu können?

Um die erläuterte Zielsetzung zu erreichen, wird der nachfolgend beschriebene Lö­sungsweg eingeschlagen.

1.3 Vorgehen und Aufbau der Arbeit

Nach dem einleitenden Kapitel werden in Kapitel 2 die Grundlagen von Geschäftsmo­dellen mit Wechselbatteriekonzepten erläutert. Es werden einige Begriffsdefinitionen gegeben und die größten technischen Komponenten (Fahrzeuge, Batterie, Wechsel­station) des derzeitigen Stands der Technik mit dem Fokus auf ökonomisch relevan­ten Parameter wie z. B. der Anschaffungspreise von Gegenständen beschrieben.

In Kapitel 3 werden zunächst allgemeine und über alle Geschäftsmodelle übergrei­fende Einflussfaktoren beschrieben. Dabei wird auch auf die zeitliche Entwicklung eingegangen. Anschließend werden allgemeine Anforderungen an Geschäftsmodelle aus den drei Bereichen ÖPNV, Unternehmensflotten und private Pkw-Nutzung darge­legt. Beispielhaft wird dann für jeden der drei Bereiche ein konkretes Geschäftsmo­dell beschrieben und untersucht. Es wird jeweils die Abschätzung einer möglichen

Nachfrage vorgenommen. Daran schließt sich eine Analyse der Erfolgsfaktoren sowie deren Einfluss auf die Kosten und Erlöse der Geschäftsmodelle an. Die Struktur ei­ner allgemeinen Untersuchung, die dann für die drei ausgewählten Geschäftsmodelle konkretisiert wird, zieht sich durch das gesamte Kapitel.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1-2 - Schematischer Aufbau der Arbeit. Eigene Darstellung.

Kapitel 4 beinhaltet die Bewertung der Wirtschaftlichkeit der Geschäftsmodelle mit Batterie-Wechselstationen. Anhand der Break-Even Menge und des Kapitalwertes wird berechnet, ob die im Verlauf der Arbeit konkretisierten Geschäftsmodelle ab so­fort in Deutschland wirtschaftlich sein können. In einer Sensitivitätsanalyse werden die Einflussfaktoren mit dem größten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Ge­schäftsmodelle bestimmt. Für diese Erfolgsfaktoren wird analysiert, wie sich eine Veränderung auf die Wirtschaftlichkeit auswirken würde. Daraus werden schließlich Voraussetzungen für einen wirtschaftlichen Betrieb von Geschäftsmodelle mit Batte- rie-Wechselstationen in Deutschland abgeleitet.

Die Kapitel 3 und 4 werden begleitet von einer Excel-Datei, in der die Berechnungen erfolgen: Die beschriebenen Einflussfaktoren sowie die Auswirkungen von Verände­rungen dieser Faktoren auf die Wirtschaftlichkeit können in der Excel-Datei „Ein­gangsgrößen und Gewinn und Verlust.xls“ nachvollzogen werden. Auszüge befinden sich im Anhang.

Kapitel 5 fasst die wesentlichen Aspekte der Arbeit zusammenfassen und gibt nach einer kritischen Reflexion der Arbeit einen Ausblick auf weitere Forschungsaspekte.

2 Grundlagen

Dieses Kapitel behandelt die für ein Verständnis der Geschäftsmodelle mit Wechsel­batterien erforderlichen Grundlagen. Hierzu zählt nach einer Begriffserklärung die Nennung einiger Modelle von Elektrofahrzeugen mit Wechselbatterie sowie der Herlei­tung einer Preisobergrenze von Elektromobilität mit Wechselbatteriekonzepten. Es folgt die Betrachtung der Batterie als wesentlichem Bestandteil der Geschäftsmodelle sowie der Batterie-Wechselstation an sich.

2.1 Begriffe

In diesem Abschnitt werden Begriffe erläutert und gegebenenfalls für den Gebrauch in dieser Arbeit definiert. Es soll die Wirtschaftlichkeit von Geschäftsmodellen mit Batterie-Wechselstationen analysiert werden, für die auch E-Fahrzeuge mit Batterien relevant sind. Demnach handelt sich um die Begriffe

- Geschäftsmodell
- Wirtschaftlichkeit
- E-Fahrzeug
- Batterie
- Batterie-Wechselstation

Geschäftsmodell

Das Wirtschaftslexikon Gabler definiert den Begriff „Geschäftsmodell“ wie folgt:

Das Geschäftsmodell bezeichnet die Abbildung des betrieblichen Leistungs­systems eines Unternehmens, also die Funktionen einer Unternehmung in ihren Erträgen und Aufwendungen. (...) Entscheidende Bedeutung für die Beurteilung eines Geschäftsmodells haben immer die Zahlungsbereitschaft der Kunden [und] die unternehmerische Preispolitik (...). [Gabl11a, S.1]

In dieser Arbeit wird der Begriff in Anlehnung an Gabler und Rentmeister et al. [ReKl03, S.18ff.] in dem Sinne verstanden, dass das Geschäftsmodell die

- Beschreibung der Geschäftsidee
- beteiligten Rollen und Akteure sowie deren Nutzen
- Einnahmemöglichkeiten
- Investitions- und Kostenstrukturen

für eine Idee beinhaltet. Dabei ist ein Geschäftsmodell nicht als Modell im Sinne von Organigrammen, Prozessmodellen oder formalen Diagrammen, sondern als Beschrei­bung der Geschäfts-Idee und der Grundstrukturen der Ideenumsetzung zu verste­hen. Der Kundennutzen wird in dieser Arbeite für alle Geschäftsmodelle als gleich angesehen: es wird eine Verlängerung der Reichweite von E-Fahrzeugen durch das Tauschen der Batterie ermöglicht und damit das Problem der geografischen Fixierung der Fahrzeuge durch die langen Ladezeiten umgangen.

Wirtschaftlichkeit

Wirtschaftlichkeit steht in dieser Arbeit für die absolute Wirtschaftlichkeit eines Ge­schäftsmodells. Nach Gabler (Hrsg.) meint dies die

[f]ür eine bestimmte Handlung ermittelte Beziehung zwischen dem Hand­lungsergebnis und dem dafür erforderlichen Mitteleinsatz. Der Wert (...) wird (. ) in einem erwerbswirtschaftlichen Unternehmen durch Erträge und Auf­wendungen oder Erlöse und Kosten gemessen. [Gabl11c, S.1]

Die genannte Definition muss um eine konkrete Kennzahl erweitert werden, da in dieser Arbeit eine wertmäßige Betrachtung erfolgen soll: In dieser Arbeit wird die Wirtschaftlichkeit durch die zwei Kennzahlen „Break-Even-Punkt“ und „Kapitalwert“ bestimmt. Ein Geschäftsmodell wird als wirtschaftlich betrachtet, wenn die Break­Even Menge oberhalb des Break-Even-Punktes liegt und wenn der Kapitalwert größer als Null ist.

E-Fahrzeug

Als Elektrofahrzeug (E-Fahrzeug) werden in dieser Arbeit Fahrzeuge verstanden, die ausschließlich durch mitgeführte Batterien und der dadurch zur Verfügung gestell­ten Elektrizität angetrieben werden. V-Fahrzeuge sind im Gegensatz dazu Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, sie werden mit Diesel oder Benzin betrieben. Hybridfahr­zeuge werden in dieser Arbeit nicht betrachtet. Die in dieser Arbeit betrachteten E- Fahrzeuge besitzen eine technische Vorrichtung, die das Auswechseln der Batterien durch eine Batterie-Wechselstation ermöglicht. E-Fahrzeuge können sowohl Nutz­fahrzeuge wie z. B. Busse oder Kleintransporter als auch Pkw sein. In dieser Arbeit bezeichnet der Begriff E-Fahrzeug Fahrzeuge mit durch eine Wechselstation aus­wechselbaren Batterien. Die „Umweltverträglichkeit“ [Aral09, S.20] von E-Fahrzeugen wird für diese Arbeit vorausgesetzt.

Werden Fahrzeuge angeschafft, so werden nur die „differenziellen Kosten“ berück­sichtigt. Dieser Begriff bezeichnet die Differenz zwischen den Anschaffungskosten für E- und V-Fahrzeuge vergleichbaren Typs. Diese Vorgehensweise dient dazu, dass die Wirtschaftlichkeit von Wechselbatteriekonzepten im direkten Vergleich zu Mobilität mit V-Fahrzeugen bewertet werden kann.

Batterie

Der Begriff „Batterie“ wird in dieser Arbeit synonym zum Begriff des Akkumulators (kurz: Akku) verwendet. Batterien dienen der Speicherung von elektrischer Ladung, die in einem reversiblen Vorgang zugeführt und abgerufen werden kann. Batterien sind aus einzelnen Batterie-Zellen aufgebaut und werden daher auch als „Batterie­packs“ bezeichnet.

Batterie-Wechselstation

Die Batterie-Wechselstation (kurz: Wechselstation) ist eine Vorrichtung, die in E- Fahrzeugen mitgeführte Batterien physikalisch gegen in der Station vorhandene und geladene austauschen kann. Ziel des Tauschvorganges ist es, innerhalb kurzer Zeit die volle Betriebsbereitschaft von E-Fahrzeugen wiederherzustellen. Dieser Vorgang kann halb- oder vollautomatisch ablaufen. Damit wird eine geografische Fixierung des Fahrzeugs über einen längeren Zeitraum umgangen. Die in dieser Arbeit betrach­teten Batterie-Wechselstationen bestehen aus zwei Komponenten: Erstens die den Wechsel durchführende Wechselvorrichtung (Wechselroboter) und zweitens die Lade­einheit, in der die Batterien geladen und gelagert werden. Es werden bestehende Technologien beschrieben.

2.2 Elektrofahrzeuge mit Batteriewechsel-Technologie

In diesem Abschnitt wird anhand von Beispielen ein Überblick über die Verfügbarkeit von Fahrzeugen mit Wechseltechnologie gegeben und eine obere Preisgrenze für Elektromobilität mit Wechselbatterien im Vergleich zu Mobilität mit Kraftstoffen auf Basis fossiler Energieträger gefunden.

2.2.1 Beispiele für E-Fahrzeuge mit Wechseltechnologie

Renault-Nissan plant als einziger Fahrzeughersteller weltweit im Jahr 2011 zuerst in Frankreich und anschließend auch in Deutschland das Modell „Fluence Z.E.“² in Se­rie zu produzieren. Bei diesem Mittelklasse-Pkw kann die Lithium-Ionen-Batterie (Li- Ion-Batterie) an einer Wechselbatteriestation des Unternehmens Better Place gegen eine voll aufgeladene getauscht werden. [Wolf10, S.2f.]

Nissan hat im Mai 2010 für ein Testprojekt mit Taxis in Tokyo Geländewagen des Modells „Qashquai“ mit einer Wechselvorrichtung versehen, dessen Batterien an ei­ner Wechselstation von Better Place getauscht werden. Ergebnisse der Testphase sind noch nicht bekannt [vgl. Grün10, S.1f.]. Schließlich sei erwähnt, dass Better Place der Firma Baran einen Auftrag über 40,2 Millionen Euro für 51 Wechselstatio­nen erteilt hat, die noch im Jahr 2011 in Israel installiert werden und als Vorbild für andere Länder wie Dänemark, Australien und die USA dienen sollen [Kudl11, S.1].

Aufgrund des Designs von Pkw kann ein Tauschen der Batterien am besten über den Fahrzeugboden, also „von unten“, erfolgen. Auch aus Gründen der Fahrdynamik bie­tet sich diese Lösung an, da die Batterie mit ihrem relativ zum restlichen Fahrzeug hohen Gewicht zu einem tiefliegenden Schwerpunkt des Fahrzeugs beiträgt. Gleich­zeitig schränkt das Tauschen der Batterie über den Fahrzeugboden jedoch das De­sign des Fahrzeugs ein. Dies hat insbesondere bei Kleinwagen aufgrund ihrer kom­pakten Größe Auswirkungen auf die Gestaltungsfreiheit der Autohersteller hinsicht­lich ihrer Produkte. Es bleibt daher fraglich, ob sich deutsche Autohersteller einem derartigen Konzept anschließen werden. [Domr10] Erwähnenswert in diesem Zu­sammenhang ist, dass die Daimler AG in enger Kooperation mit Renault-Nissan steht [Daim10], wodurch die Wechseltechnologie unabhängig vom Entwicklungsstandort der deutschen Autohersteller relativ schnell auch in Deutschland verfügbar sein könnte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Konzepte für Pkw mit Wechselbatterien getestet werden, konkrete Erfolge für eine Serienproduktion aber noch nicht zu ver­zeichnen sind.

Ähnlich verhält es sich mit dem Entwicklungsstand von Bussen mit Wechselbatte­rien. Hier gibt es bereits erprobte Systeme. Ein Modell mit seitwärts zu tauschenden Batterien wird von der Firma EVida Powder, Inc. (im Folgenden „EVida“) angeboten, das seit 2008 in Peking mit 50 Bussen erfolgreich im Einsatz ist. Das System funkti­oniert halbautomatisch und erfordert 7-8 Personen zur Bedienung. Es ist im Ver­gleich zu anderen Modellen teuer. [Shin10, S. 3]

Ein zweites System wird vom deutschen Ingenieurbüro Wallner Energietechnik GmbH (im Folgenden „Wallner“) angeboten, das jedoch noch nicht getestet ist. Bei diesem System sind weniger aufwändige Umrüstungen der Busse erforderlich, die Batterien werden bei einem handelsüblichen Elektro-Bus auf das Dach montiert und mittels einer hängenden Vorrichtung von oben ausgetauscht. Aufgrund der geringen Fahrdynamik der Busse im innerstädtischen Linienverkehr stellt der hohe Schwer­punkt sowie der höhere Luftwiderstand kein gravierendes Problem dar [Wall10, S. 1].

Da sich diese Arbeit auf die Wirtschaftlichkeit für Wechselbatteriekonzepte fokussiert, wird der Stand der technischen Entwicklung der Elektrofahrzeuge an dieser Stelle nicht näher untersucht. Es wird angenommen, dass Fahrzeuge mit Wechselvorrich­tungen vorhanden sind, beziehungsweise in naher Zukunft auf dem Markt verfügbar sind und dort auch gekauft werden.

2.2.2 Obere Preisgrenze von Fahrzeugen mit Elektroantrieb

In diesem Abschnitt wird beschrieben, inwieweit Endkunden bereit sind, für einen umweltverträglichen Antrieb Mehrkosten zu akzeptieren. Daraus soll eine Basis für den Preis des Batteriewechsels (Wechselpreis) abgeleitet werden. Weiter wird darge­stellt, aus welchen Baugruppen des Fahrzeugs der Kostenunterschied resultiert.

Der Aral-Studie 2009 [Aral09, S.20] zu folge ist knapp die Hälfte der potenziellen Au­tokäufer bereit, 1.000 bis 2.000 € Mehrkosten bei der Anschaffung zu akzeptieren, wenn das neue Auto mit „umweltverträglichem Antrieb“ [Aral09, S.20] ausgestattet ist, siehe dazu Abb. 2-1. Für Unternehmen verhält sich dies im Regelfall ähnlich, da die Mehrkosten an den jeweiligen Endkunden weitergegeben werden müssen [vgl. z. B. VBK11, S. 2].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-1 - Bereitschaft potenzieller Käufer für Mehrkosten bei Neuanschaffung eines E-Fahrzeugs [Aral09, S.20].

Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) be­ziffert nach Quellen der Unternehmensberatung McKinsey den durchschnittlichen Listenpreis (Jahr 2012-2014) eines durchschnittlichen „wendigen Stadtautos“ in der Ausführung als Elektroauto mit 26.400 € mehr als doppelt so hoch wie den Preis in der Ausführung eines herkömmlichen V-Pkw (10.800 €) [Bund09, S.6]. Die Kostendif­ferenz (differenzielle Kosten) wäre deutlich höher, als laut der Aral-Studie durch den Endkunden akzeptiert wird.

Auf Grund der geringen Bereitschaft, für Mehrkosten zu bezahlen, wird für diese Ar­beit davon ausgegangen, dass ein Endkunde für Elektromobilität maximal die Ge­samtkosten zu zahlen bereit ist, die er für die gleiche Mobilität mit V-Fahrzeugen zahlen würde. Die Mehrkosten, die zu dem höheren Preis führen und beim Hersteller anfallen, können daher nur zum Teil durch einen höheren Verkaufspreis kompen­siert werden. Die Zusammensetzung des Listenpreises ist in Abb. 2-2 dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-2 - Zusammensetzung des durchschnittlichen Listenpreises in den Jahren 2012-2014 von E- und V-Fahrzeugen, Datenquelle: [Bund09, S. 6]

Die Kosten für den Antriebsstrang unterscheiden sich im Wesentlichen in den Batte­riekosten. Sie machen ca. 40% des Listenpreises und gut zwei Drittel der Herstellkos­ten eines kleinen Pkw aus [Bund09, S. 6].Die Kosten für die Leistungselektronik des E-Fahrzeugs entsprechen knapp denen des Antriebsstrangs des V-Fahrzeugs. Die Umsatzsteuer ist prozentual in beiden Fällen identisch, auch die Marge unterscheidet sich prozentual betrachtet kaum. Die Entwicklungskosten für das beispielhafte E- Fahrzeug sind mehr als doppelt hoch wie die Entwicklungskosten des V-Fahrzeugs.

Die Elektrizität steht demnach bei der Frage des Kraftstoffes für Fahrzeuge in direk­ter Konkurrenz mit fossilen Brennstoffen wie Benzin und Diesel. Ist der Preis „mobi­ler“ Elektrizität geringfügig höher (siehe oben), gleich teurer oder gar günstiger als fossile Brennstoffe, wird sie die Chance haben, sich langfristig durchsetzen können, andernfalls nicht. Dies bedeutet, dass sich die Gesamtkosten für Mobilität mit E- Fahrzeugen an den Gesamtkosten für Mobilität mit V-Fahrzeugen orientieren müs­sen und insbesondere nicht wesentlich höher sein dürfen. Insgesamt sind die Batte­rie und ihr Preis ein Erfolgsfaktor für die Wirtschaftlichkeit von Elektromobilität mit Wechselbatteriekonzepten und soll daher nachfolgend untersucht werden.

2.3 Batterien

Die Batterie wird im Folgenden hinsichtlich ihrer wichtigsten Einflussparameter auf die zu betrachtenden Geschäftsmodelle untersucht:

1. Batterie-Technologie
2. Kapazität der Batterie
3. Nutzungsdauer
4. Benötigte Batterien und Batteriekosten
5. Weitere Einflussparameter

Andere Parameter wie z. B. Robustheit, Handhabbarkeit, Umweltverträglichkeit und Wiederverwertbarkeit werden hier aus Platzgründen nicht betrachtet.

2.3.1 Technologie der Zukunft

In diesem Abschnitt wir die Batterie-Technologie mit den derzeit vielversprechendsten Eigenschaften für den Einsatz in E-Fahrzeugen beschrieben und als Grundlage für die weitere Arbeit ausgewählt.

Die Wahl der Batterie-Technologie hat entscheidenden Einfluss auf die Wirtschaft­lichkeit von Geschäftsmodellen, die diese Technologie verwenden. Von der Wahl der Technologie hängt z. B. ab, wie groß die Reichweite der E-Fahrzeuge ist, wie oft die Batterien in der Wechselstation gewechselt werden, wie lange die Nutzungsdauer der Batterie sein kann, oder wie sicher die Batterien hinsichtlich Ausfällen sind, etc. Ziel bei der Batterieentwicklung ist eine Optimierung der Parameter Energiedichte (Spei­cherkapazität pro Gewichtseinheit, Einheit: Wh/kg) und Leistungsdichte (Leistung pro Gewichtseinheit, Einheit: W/kg).

Aus Abb. 2-3 wird ersichtlich, dass für den Einsatz in Elektrofahrzeugen, die mit Wechselbatterien ausgestattet sind, bei derzeitigem Stand der Technik auf Grund der vergleichsweise hohen Werte von Energie- und Leistungsdichte vor allem Lithium- Ionen-Technologien (Li-Ion) die Parameter für eine große Reichweite und gute Be­schleunigungsfähigkeit am besten erfüllen. Dies ist konsistent mit [Oert08, S.115]. Kalhammer et al. geben in [KKSR07] insbesondere für Li-Ion-Batterien einen großes Intervall für die Parameter Energie- und Leistungsdichte an. Die für (Hybrid-) Fahr­zeuge bereits eingesetzten Batterietypen Nickel-Cadmium (Ni-Cd) und Nickel­Metallhydrid (Ni-MH) sind der Li-Ion-Technologie sowohl hinsichtlich der Werte für Energie- als auch Leistungsdichte unterlegen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-3 - Potenzial verschiedener Batterietypen für den Einsatz in der Elektromobilität [KKSR07, S. 25].

Legende:

Full HEV = Hybrid Electric Vehicles PHEV = Plug In Hybrid Electric Vehicles

FPBEV = Full Performance Battery Electric Vehicles (entspricht hier E-Fahrzeug)

Die Li-Ion Technologie vereint hohe Energiedichten (Energy Density) mit hohen Leis­tungsdichten (Power Density) unter akzeptablen Randbedingungen [Oert08, S.114]. Dennoch ist auch bei Li-Ion-Technologie die Energiedichte pro Kilogramm Gewicht im Vergleich zu Benzin niedrig, sie beträgt heutzutage nur ungefähr 1 % von Benzin [Aral11]. Für den derzeitigen Praxiseinsatz kommen Batterien im Bereich des blauen Rechtecks in der Grafik als Kompromiss zwischen hoher Energie- und Leistungsdich­te in Frage: Die Energiedichte von Batteriezellen liegt nominal bei 140 bis 170 Wh/kg. Reale Werte von Batteriepacks liegen etwa 30 bis 40 Prozent darunter [DMMR09, S. 4], nämlich bei 90 bis 118 Wh/kg [TKSS09, S. 6]. Die Leistungsdichte sie liegt für Li-Ion-Batterien derzeit bei 210 bis 912 W/kg [TKSS09, S. 6]. Damit kön­nen gegenüber anderen Batteriematerialien hervorragende Werte erzielt werden [Oert08, S. 161ff].

Li-Ion als Technologie des „Baukastenprinzips“ macht den Einsatz zahlreicher Mate­rialien und Materialkombinationen möglich [WiKL10, S.1]. Dabei unterscheidet sich im Wesentlichen das Material der Kathode [Oert08, S. 59], vergleiche z. B. auch Axsen et al. [AxBK08, S.4]. Es wird angenommen, dass die Preisentwicklungen der verschiedenen Li-Ion-Technologien annähernd ähnlich verlaufen.

Für die nachfolgenden Ausführungen wird die Li-Ion Technologie als Berechnungs­grundlage verwendet und unterstellt, dass keine revolutionäre (disruptive) technische Entwicklung stattfindet, die das Verhältnis von Leistungsfähigkeit und Kosten einer Batterie grundlegend verändert oder gar Batterie-Wechselkonzepte überflüssig macht.

2.3.2 Kapazität der Batterie

Die Kapazität einer Batterie ist eine entscheidende Größe für den wirtschaftlichen Betrieb von Wechselbatteriestationen. Sie wird hier qualitativ betrachtet, da keine eigene Anforderungsanalyse für die Batteriekapazität erstellt werden soll. Es werden stattdessen die Werte der Fahrzeughersteller verwendet. Je höher die Kapazität einer Batterie ist, desto seltener muss sie geladen beziehungsweise getauscht werden. Sie ermöglicht eine größere Reichweite, bevor ihre Ladung verbraucht ist.

Für das Geschäftsmodell mit Batterie-Wechselstationen, bei denen der Fokus auf dem Tauschen von Batterien für Fahrzeuge beruht, ist es folglich nachteilig, wenn die Batteriekapazitäten im Allgemeinen ansteigen. Dadurch wird die Wechselfrequenz und die Anzahl der Wechsel reduziert, wodurch sich der Umsatz reduziert³.

Alternativ kann der Fokus des Geschäftsmodells auf anderen Dienstleistungen lie­gen, wie z. B. bei der Dienstleistung Vehicle-to-grid (V2G), die mit Batteriekapazität auf eine Unterstützung des Stromnetzes abzielt. In diesem Fall ist eine höhere Batte­rieleistungsfähigkeit bei gleichen Preisen aus Sicht des Nutzers einer Batterie allge­mein von Vorteil, da weniger Batterien für die gleiche Leistungserbringung benötigt werden.

2.3.3 Nutzungsdauer

Ein wichtiger Faktor für die Betrachtung der Batteriekosten ist die Alterung der Bat­terie, aus der die Nutzungsdauer resultiert. Die Nutzungsdauer bestimmt, wann die Batterie erneuert werden muss. Sie bestimmt damit zusammen mit den Anschaf­fungskosten die Abschreibungsbeträge. Die Alterung ist an einem irreversiblen Kapa­zitätsverlust messbar. Eine Batterie gilt als verbraucht, wenn sie nur noch 80 % ihrer Nennkapazität besitzt [KKSR07, S.31]. Die Alterung der Batterie wird durch die An­zahl möglicher Ladezyklen und durch die kalendarische Lebensdauer bestimmt. Der kleinere Wert der beiden Parameter limitiert die mögliche Einsatzdauer der Batterie.

Zyklenfestigkeit

Ein Ladezyklus zählt genau dann vollständig als Ladezyklus, wenn die Batterie unter 80 % Depth-of-Discharge (DoD, Entladungstiefe) entladen wurde [vgl. KKSR07, S.29]. In der Literatur wird die Anzahl möglicher Ladezyklen pro Lebensdauer (Zyklenfestig­keit) mit großer Varianz angegeben. In dieser Arbeit wird die zu erwartende Zyklen­festigkeit mit 2.000 Zyklen angenommen werden [Cont06, S. 428], [Bepl11a, S.3]. Dies ist konsistent zu Kalhammer et al, die die Zyklenzahlen zwischen 1.000 und 3.200 angeben [KKSR07, S.29]. In dieser Arbeit ist die nutzbare Batteriekapazität durch einen vollen Ladezyklus bestimmt (80 % der Nennkapazität).

Die Batterie eines Fahrzeugs, das z. B. zweimal täglich über die volle Reichweite zehn Jahre lang gefahren wird, müsste etwa 7.300 Ladezyklen standhalten, was bei dem derzeitigen Stand der Technik nicht realisierbar ist. In der Praxis berührt jedoch nicht jeder Ladevorgang die Kapazitätsgrenze der Batterie. Deshalb wird für den Be­trieb von E-Fahrzeugen nur von etwa 1.000 Zyklen über den Zeitraum von 10 Jahren ausgegangen [KKSR07, S. 22]. Durch den Einsatz der Batterien in Wechselstationen kann der Fall eintreten, dass in zehn Jahren mehr als 1.000 Zyklen benötigt werden, da eine Batterie mehrmals am Tag eingewechselt werden kann. Dies soll nicht weiter analysiert werden. Abb. 2-4 veranschaulicht den Zusammenhang zwischen Entladetiefe (DoD) und Zyklenzahl.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-4 - Zyklenfestigkeit als Funktion der DoD [KKSR07, S.30]

Aus der Funktion der Zyklenfestigkeit ist abzuleiten, dass es zu vermeiden gilt, die Batterie stark zu entladen. Vielmehr ist es für die Maximierung der Batterie­Lebensdauer von Vorteil, wenn sie frühzeitig wieder geladen wird, wenn also die Zyk­len relativ flach gehalten werden. Die Ladestrategie hat damit entscheidenden Ein­fluss auf die Lebensdauer der Batterie.

Kalendarische Lebensdauer

Die Geschwindigkeit der Entwicklung der Batterien hinsichtlich der kalendarischen Lebensdauer ist hoch: So werden von Kalhammer et al. aus Sicht des Jahres 2000 mögliche Lebensdauern von zwei bis vier Jahren angegeben [KKSR07, S.19]. Die glei­ chen Quelle gibt die kalendarische Lebensdauer von Li-Ion-Batterien mit zehn Jah­ren und mehr an [KKSR07, S. 29]. Unklar sind die Einsatzbedingungen der Batte­rien, unter denen die Lebensdauer erwartet wird.

Better Place als aktuelle Quelle berichtet im Gegensatz dazu von kürzeren kalendari­schen Lebensdauern von ungefähr 8 Jahren [Bepl11a, S.3]. Das Ingenieurbüro Wall­ner berichtet im Jahr 2010 von einer Lebensdauer von ca. 6-7 Jahren im Praxisein­satz ohne Angabe einer konkreten Zyklenzahl [Wall10, S. 1]. Für diese Arbeit wird aufgrund der Aktualität der Quellen eine kalendarische Lebensdauer von NBatterie = 7 Jahren angenommen. Die kalendarische Lebensdauer entspricht der Nutzungsdauer.

Eine Vergrößerung der Anzahl der möglichen Ladezyklen und eine Verlängerung der kalendarischen Lebensdauer bringen in jedem Fall Vorteile für ein Geschäftsmodell mit Batterie-Wechselstationen. Je öfter eine Batterie nachgeladen werden kann und je länger ihre Lebensdauer ist, desto länger kann sie verwendet werden.

Bei einem Planungshorizont von zehn Jahren (Perioden) müssen die Batterien mit der angenommenen Lebensdauer von sieben Jahren jeweils einmal erneuert werden.

2.3.4 Benötigte Batterien und Batteriekosten

In der Wechselstation muss eine ausreichende Anzahl an Batterien vorgehalten und geladen werden, damit ein unterbrechungsfreier Wechselbetrieb möglich ist. Die Mindestmenge an vorzuhaltenden und gleichzeitig zu ladenden Batterien errechnet sich mit der Formel ( 2-1 )

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Ladedauer hängt bei gegebener Leistung der Ladevorrichtung von der Entla­dungstiefe und der Kapazität der Batterie ab. Die Dauer eines Wechsels ist für jede Wechselstation spezifisch und konstant.

Zusammen mit der Batteriekapazität einer Batterie nKapa lässt sich damit die Menge der anzuschaffenden Batteriekapazität für die Vorhaltung in der Wechselstation be­stimmen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit nBatt und dem Anschaffungspreis pro kWh Batteriekapazität pBatt,t errechnet sich der Gesamtanschaffungspreis der Batterien. Die jährlichen Kosten für Batterien er­rechnen sich, indem die Batterien über die Nutzungsdauer NBatterie abgeschrieben werden. Der Batteriepreis pBatt,t wird in Abschnitt 3.1.3 analysiert, die Abschreibung wird in Abschnitt 3.1.13 behandelt.

2.3.5 Weitere Einflussparameter

Ladedauer

Die Ladedauer bestimmt maßgeblich, wie viele Batterien in der Wechselstation vorge­halten werden müssen. Je geringer die Ladezeiten einer Batterie sind, desto schneller steht sie wieder für den mobilen Einsatz bereit. Es müssen also weniger Batterien vorgehalten werden, um einen Non-Stop-Betrieb der Wechselstation gewährleisten zu können. Mit der Verringerung der Ladezeiten erhöht sich bei gleichbleibender Kapazi­tät der Batterie der erforderliche Ladestrom.

In dieser Arbeit werden die von den Herstellern angegebenen Werte verwendet. Wall- ner geht von einer Ladedauer von einer Stunde aus, wenn die Batterie nur auf 50 % DoD entladen ist [Wall10, S.1]. Für die Wechselstation von Better Place wird eine La­dedauer von drei Stunden angenommen (bei einem DoD von 80% zu Beginn der La­dung). Limitierender Faktor für die Ladezeiten ist einerseits die maximale Leistung des zu Verfügung stehenden Stromanschlusses sowie andererseits die für die Batte­rie passende Ladecharakteristik.

Ladewirkungsgrad

Der Ladewirkungsgrad r/Ladung bezeichnet den Quotienten aus von der Batterie ge­speicherten Ladung Qge und zugeführter Ladung Qzu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Ladewirkungsgrad beeinflusst direkt die variablen Kosten von Geschäftsmodellen mit Batterie-Wechselstationen. Je höher der Ladewirkungsgrad ist, weniger Verluste treten beim Ladevorgang auf. Dies senkt die Kosten des Ladestroms der Batterien.

Nach Chen et al. kann der Ladewirkungsgrad bis zu 91,2% betragen [CYLH09, S. 2.478]. Für diese Arbeit wird ein Ladewirkungsgrad von 85% angenommen [Enge07, S. 30], da der Wert von 91,2% unter idealen Bedingungen mit einer nicht serienreifen Technologie erzielt wurde. Der Ladewirkungsgrad von 85 % stellt eine untere Grenze dar, da mit fortschreitender Entwicklung der Ladetechnik eine Steigerung des Wir­kungsgrades zu erwarten ist.

Selbstentladung

Eine weitere gebräuchliche Kennzahl für eine Batterie ist die Selbstentladung pro Zeiteinheit bei Nichtnutzung. Sie wird üblicherweise in Prozent pro Monat angegeben. Für Li-Ion-Technologie liegt sie bei ca. 3% pro Monat [Schu09, S. 13]. Bei einem täg­lichen Einsatz der Batterie kann die Selbstentladung vernachlässigt werden (0,1 % pro Tag).

2.4 Wechselstationen

In diesem Abschnitt wird grundlegend auf die Technik von Batterie-Wechselstationen eingegangen, der Preis analysiert und einige Charakteristika mit Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit vorgestellt.

Zuerst werden zwei existierende Konzepte für Wechselstationen für den Einsatz mit Bussen vorgestellt: „Lithium Force“ der US-amerikanischen Firma EVida sowie die Studie „Change it“ des Ingenieurbüros Wallner aus Unterhaching bei München. An­schließend wird die Wechselstation der Firma Better Place beschrieben, die für den Einsatz mit Pkw konzipiert wurde.

Funktionsweise einer Batterie-Wechselstation

Das Fahrzeug wird durch den Fahrer an oder in die Wechselstation gefahren und geeignet positioniert. Nach einer optionalen Identifikation des Fahrzeugs bezie­hungsweise des Fahrers wird der Tauschvorgang ausgelöst. Anschließend wird die leere Batterie entfernt und mittels eines beweglichen Schlittens in eine Ladevorrich­tung verbracht. Eine volle Batterie wird aus ihrer Ladevorrichtung entnommen und in das Fahrzeug transportiert. Nun findet optional die Bezahlung statt. Der Tausch­vorgang ist damit abgeschlossen und das Fahrzeug kann mit vollgeladener Batterie seine Fahrt fortsetzen.

Der Wechsel der gesamten Fahrzeugbatterien dauert heute je nach System zwischen zwei Minuten (für das reine Austauschen der Batterie) [btrp09] bei Pkw und gut sie­ben Minuten [ashe08] bei Bussen. Die Dauer ist damit kürzer als das Volltanken mit Benzin oder Diesel. Bei einem halbautomatischen System wird der beschriebene Vor­gang durch Personal unterstützt.

Klassifizierung

Wechselstationen lassen sich nach der Richtung des Tausches und des verwendeten Batterietyps klassifizieren. Der Tausch kann

1. seitlich,
2. von oben oder
3. von unten erfolgen.

Eine Unterscheidung in hinten und vorne wird nicht vorgenommen, da das techni­sche Prinzip der Wechselstation in diesen beiden Fällen das gleiche ist. Es unter­scheidet sich lediglich die Positionierung des Fahrzeuges. Es können pro Fahrzeug sowohl einzelne Batterien als auch Sets, die aus mehreren einzelnen Batterien beste­hen, zum Einsatz kommen. Auf die prinzipielle Funktionsweise der Batterie­Wechselstation hat dies keinen Einfluss, der Vorgang ist für jede einzelne Batterie der Sets gleich.

Im Folgenden werden die genannten drei Systeme kurz beschrieben und tabellarisch verglichen.

2.4.1 Lithium Force der Firma EVida

Dieser Abschnitt basiert auf der Quelle [Shin10], soweit nicht anders angegeben.

Die Wechselstation der Firma EVida Power, Inc. aus San Francisco, CA ist für 50 Elektrobusse (Solobusse) im Dauerbetrieb ausgelegt. Es wechselt die Batterien von der Seite. Dafür ist eine Umrüstung der Fahrzeuge in mittlerem Umfang erforderlich. Der bei der Olympiade 2008 in Peking in Betrieb genommene Prototyp wird nun für den regulären Busverkehr in Peking eingesetzt.

Es werden zwei Roboter mit Wechselvorrichtungen verwendet, die um die vertikale Achse rotieren, die Wechselvorrichtung in der Höhe variieren und sich parallel zu den Bussen bewegen können. Dabei entnehmen sie die leeren Batterien aus dem Bus und ersetzen sie durch volle Batterien aus den parallel zum Bus aufgestellten, regal­artigen Ladestationen, siehe Abb. 2-5. Der Bus muss manuell für den Wechsel vorbe­reitet werden (es müssen z. B. die seitlich im hinteren Bereich angebrachten Batte­rieschächte geöffnet werden) und der Wechselvorgang muss teilweise manuell über­wacht und gesteuert werden. Es handelt sich um eine relativ komplexe und personal­intensive Lösung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-5 - „Lithium Force“ Swap Station mit Bus, zwei Robotern und Batterieregalen [MGL10, S.1]

Eine sehr gute Auslastung kann bevorzugt in großen Städten oder an verkehrsinten­siven Orten (z. B. Flughäfen) erfolgen. Es muss ein Busliniennetz vorliegen, bei dem 50 Busse die Möglichkeit haben, für den Austausch der Batterien die Wechselstation zu passieren.

Die Herausforderung besteht darin, einen in der Praxis geeigneten Standort zu fin­den: Es muss an Orten, die durch große Menschenmengen und mindestens 50 Busse hoch frequentiert sind, eine freie Fläche von ca. 1.000 m2 gefunden werden, auf der die Wechselstation aufgebaut werden kann. Weiter stellt sich die Herausforderung einer möglichst hohen Auslastung, die durch die Fahrtenverteilung der E-Busse be­stimmt wird.

2.4.2 Change it der Firma Wallner

Dieser Abschnitt basiert auf der Quelle [Wall10], soweit nicht anders angegeben.

Die Wechselstation für Busse der Firma Wallner Energietechnik GmbH ist konzeptio­nell auf die Buslinie 53 in München zugeschnitten. Das System ist derzeit noch nicht im praktischen Einsatz, das Ingenieurbüro Wallner ist auf der Suche nach Partnern für ein Pilotprojekt.

Die Station wechselt die auf dem Dach montierten Batterien über eine Hängekon­struktion von oben, wodurch der Platzbedarf der Station im Vergleich zu anderen Modellen von Wechselstationen gering ist. Da die Batterien der Linie 53 bereits nach 12,7 km Fahrleistung gewechselt werden, ist eine schlanke Lösung mit relativ kleinen und leichten Batterien möglich. Es ist nur eine geringe Umrüstung der Busse erfor­derlich. Die Platzierung der Batterien auf dem Dach erhöht im Vergleich zu dem Sys­tem von EVida die Sicherheit der Fahrgäste (im Brandfalle der Batterien). Außerdem wird kein Fahrgastraum durch Batterien in Anspruch genommen [WaSo10, S.4].

Bei dem System handelt es sich auf Grund der geringeren Größe der Stationen um ein im Vergleich zum System von EVida „dezentrales“ Konzept, das je nach Routen­länge mehrere Wechselstationen erfordert. Auf Grund der kleinen Einheiten kann das System flexibel eingesetzt werden und leicht an die Bedarfe angepasst werden. Die Systeme von EVida und Wallner genügen damit unterschiedlichen Anforderungen und können nur ungenügend direkt miteinander verglichen werden.

Eine einzelne Wechselstation von Wallner benötigt im Gegensatz zu der von EVida lediglich sechs Busse im Dauerbetrieb, um vollständig ausgelastet zu sein: Dies ent­spricht z. B. einer Linie, die im Takt von 10 Minuten fährt, für Hin- und Rückweg eine Stunde benötigt und an den Endhaltestellen mehr als fünf Minuten pausiert. Jeweils in der Pausenzeit wird der Batteriewechsel durchgeführt. Das System Wallner kann folglich bereits für eine einzelne Linie eingesetzt werden.

Die Herausforderung, einen in der Theorie geeigneten Standort zu finden, ist wegen der geringen Anforderungen an die Nachfrage nach Wechseln und des geringen Platzbedarfs begrenzt. Sie besteht bevorzugt darin, eine gleichmäßige und gute Aus­lastung rund um die Uhr über alle Wochentage zu realisieren. In Abb. 2-6 das Sys­tem von Wallner schematisch dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-6 - Funktionsprinzip des Systems von Wallner für einen Solobus [WaSo10, S.4]

Besonderheiten

Das System ist beliebig modular erweiterbar. So wie das System konstruiert ist, stellt die Vorhaltung der Batterien den limitierenden Faktor für die Anzahl der Wechsel pro Zeiteinheit dar. Die Wechselvorrichtung könnte die doppelte Anzahl von Wechseln bewältigen. Je nach Einsatzbedingungen ist es daher denkbar, die Anzahl der Batte­rien erhöhen um mehr Wechsel pro Zeiteinheit zu ermöglichen. Die Batterien werden nur teilweise entladen (ca. 50% DoD) und werden dann innerhalb von ca. 1 Stunde wieder aufgeladen.

2.4.3 Better Place

Dieser Abschnitt basiert auf der Quelle [Bepl11], soweit nicht anders angegeben.

Das Unternehmen Better Place will im Jahr 2011 51 Wechselstationen für Pkw in Israel durch die Firma Baran Group installieren lassen [Kudl11, S.1]. Das Ge­schäftsmodell von Better Place sieht vor, ähnlich der Abrechnung von Handytarifen nicht Elektrizität sondern Kilometer zu verkaufen. Die Wechselstationen dienen hier lediglich dazu, die Reichweite von Pkw zu vergrößern, die in der Regel jedoch an sta­tionären Ladesäulen über ein Kabel geladen werden sollen. Die Handhabung der Wechselstation durch den Fahrzeugführer soll ähnlich der einer Waschanlage sein.

Die Tauschdauer ist im Vergleich zu den beiden anderen Systemen kurz und es wer­den mehrere verschiedene Batterietypen unterstützt. Das System funktioniert vollau­tomatisch.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2-7 -Eine Wechselstation von Better Place für die Taxi-Flotte in Tokyo [Beplll]

Die Wechselstation von Better Place benötigt 360 Wechsel pro Tag, um zu 100% aus­gelastet zu sein. Das maximale Tauschvolumen (80 % DoD) liegt mit 22 kWh- Batterien mit 6.336 kWh pro Tag in der Größenordnung der Station von Wallner. Bei 40 kWh-Batterien beträgt das maximale Tauschvolumen 11.520 kWh pro Tag. Wer­den zwei Wechsel pro Fahrzeug und Tag unterstellt, müssten also 225 Fahrzeuge im 24-Stunden-Betrieb gleichverteilt ihre Batterien ausschließlich an dieser einen Stati­on wechseln (mit einem DoD von 80 %). Es gilt in der Praxis deshalb, einen Standort zu finden, der diesen Charakteristika möglichst nahe kommt und an dem 1.000 m2 bebaubare Fläche vorhanden ist. Das System ist durch den Einsatz mehrerer Wech­selstationen beliebig nach oben hin skalierbar.

Die Herausforderung in der Praxis besteht vor allem darin, eine gute Auslastung ge­währleisten zu können. Die Herausforderung, einen geeigneten Bauplatz zu finden, ist durch die erforderliche Größe höher als bei der Wechselstation von Wallner. Sie ist jedoch geringer als bei der Wechselstation von EVida, da die Fahrzeuge keinem fixen Zeitplan unterliegen, wie es im ÖPNV der Fall ist. Dadurch sind kurze Umwege für die Pkw akzeptabel.

2.4.4 Tabellarische Übersicht über die Systeme

In der nachfolgenden Tabelle 2-1 findet sich eine Übersicht über charakteristische Daten der drei Wechselstations-Systeme. Eine Erläuterung befindet sich im Anhang in Abschnitt 6.2.

Tabelle 2-1 - Tabellarischer Vergleich der Wechselstationen von EVida, Wallner und Better Place.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

EVida: Für den Anschaffungspreis wurde ein Umrechnungskurs von 1 Euro (EUR) = 8,78 Renminbi Yuan (RMB, CNY) verwendet [Fina11, S.1]. Der Preis ist gerundet. Für eine detaillierte Erläuterung vergleiche Abschnitt 6.2 im Anhang.

Wallner: Die Werte in den Klammern geben die Anzahl bei Verdoppelung der Batte­rien an. Planmäßig befinden sich sechs Batterien in einer Wechselstation. Damit kann, durch die Ladedauer bedingt, ein Wechsel alle 10 min. stattfinden. Verdoppelt man die Anzahl der Batterien, so kann ein Wechsel alle 5 min. erfolgen.

Better Place: Die Batterie von 22 kWh ist für den Einsatz in Mittelklasse-Pkw be­stimmt. Für Kleintransporter werden größere Batterien mit einer Kapazität von 40 kWh benötigt. Vergleiche dazu Abschnitt 3.2.2. Die Ladedauer beträgt für beide Bat­terietypen 180 min. Weitere Daten liegen über diese Wechselstation nicht vor.

Es wird von einem Jahr mit genau 52 Wochen ausgegangen (entspricht 364 Tagen), da die Betrachtungen der Nachfragen für den ÖPNV und die Firmenflotten auf Wo­chenbasis erfolgen.

3 Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit

Das Ziel dieses Abschnitts ist, Einflussfaktoren auf die Wirtschaftlichkeit von Ge­schäftsmodellen mit Batterie-Wechselstationen zu analysieren. Zu diesem Zweck werden im Sinne des Eingangs definierten Begriffs der Wirtschaftlichkeit die Ein­nahmen und Ausgaben, sowie die Kosten und Erlöse bestimmt.

Das Kapitel gliedert sich in sechs Teile:

1. Es werden allgemeine und über alle Geschäftsmodelle übergreifende Einfluss­größen untersucht.
2. Mit diesen Einflussgrößen wird ein Wechselpreis für eingewechselte kWh be­stimmt.
3. Dann werden drei konkrete Geschäftsmodelle für Batterie-Wechselstationen dargestellt und
4. Nachfragen nach Batteriewechseln hergeleitet.
5. Für die Geschäftsmodelle werden dann die für eine Berechnung der Wirt­schaftlichkeit der Geschäftsmodelle relevanten ökonomischen Größen Ein­nahmen und variable Kosten, sowie
6. Investitionen und Fixkosten analysiert, indem die Einflussfaktoren auf die je­weilige Größe hergeleitet und beschrieben werden.

Dies erfolgt jeweils wie erwähnt zuerst allgemein und dann fokussiert auf die drei Geschäftsmodelle.

3.1 Allgemeine Einflussgrößen

Nachfolgend werden die wichtigsten ökonomischen Einflussfaktoren auf Geschäfts­modelle mit Batterie-Wechselstationen betrachtet, die für alle Geschäftsmodelle übergreifenden gelten.

Es handelt sich um die/den:

1. Benzinpreis pBt und Dieselpreis pDt in Periode t
2. Strompreis pst in Periode t
3. Batteriepreis pBatt,t in in Periode t
4. Pachtpreis pGt in in Periode t
5. Kosten für den Stromanschluss k in in Periode t = 2011
6. Kosten für Steuerung des Systems durch IKT klKT t in in Periode t
7. Kosten für Wartung und Instandhaltung kW[ t in in Periode t
8. Steuerlast kst t in in Periode t
9. Versicherungsprämien kvt in in Periode t
10. Kapitalmarktzinsen: Kapitalkosten kz t in t bei Zinssatz i
11. Personalkosten kP t in in Periode t.
12.Inflationsrate j
13. Abschreibungsdauer und -methode

t = 1 entspricht z. B. dem Jahr 2011. Weitere Einflussfaktoren werden hier aus Platz­gründen nicht betrachtet.

3.1.1 Diesel- und Benzinpreis

Die Preise von Benzin und Diesel bilden in Abschnitt 3.2 die Grundlage für die Be­rechnung des Preises pro eingewechselter kWh. Der Benzin- und Dieselpreis lässt sich zu großen Teilen durch den Ölpreis erklären (vgl. [Mo0B10, S. 13]). Deshalb ist der Ölpreis die Grundlage für die Prognosen von Benzin- und Dieselpreis. Außerdem ist der Ölpreis eine entscheidende Einflussgröße auf den wirtschaftlichen Batterie­preis, vgl. Abschnitt 3.1.3. Daraus ergib sich die große Bedeutung des Ölpreises für die Wirtschaftlichkeit von Geschäftsmodellen mit Batterie-Wechselstationen. Deshalb wird die derzeitige Höhe und Entwicklung des Ölpreises in diesem Abschnitt analy­siert. Aus der Entwicklung des Ölpreises werden wahrscheinliche Preisentwicklungen für Benzin und Diesel abgeleitet.

Einig ist sich die Literatur darüber, dass der Ölpreis langfristig ansteigen wird. Es ist unsicher, wie stark der Anstieg sein wird und zu welchem Zeitpunkt er zu erwarten ist. Die Prognose des Rohölpreises über große Zeiträume ist vor allem aufgrund exo­gener Einflüsse mit erheblichen Unsicherheiten behaftet [WeJa09, S. 296]. Zu diesen Faktoren zählt vor allem das Wirtschaftswachstum [KRFB09, S. 2] der Nicht-OECD- Staaten, das 93 % des erwarteten Preisanstieges ausmacht. Der Großteil davon wird von China, Indien und Brasilien verursacht [IEA10, S.5-6].

Für die Prognose des Ölpreises in dieser Arbeit wird der Mittelwert aus existierenden Prognosen angenommen. Weyerstrass et al. bilden in drei Szenarien den Ölpreis für 2015 und 2020 [WeJa09, S.296f.]:

Tabelle 3-1 - Ölpreisszenarien nach Weyerstrass et al. [WeJa09, S. 297].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

a) Das Basisszenario entspricht einer kontinuierlichen Fortschreibung des Prei­ses, der am 1. Juli 2009 für ein Barrel Brent zu zahlen war. Dies ist für die Zukunft als nicht realistisch zu betrachten und wird daher nicht berücksich­tigt.
b) Das WEO-Szenario basiert auf den Voraussagen der International Energy Agency (IEA) im World-Energy-Outlook 2008. Es wird zusätzlichen detaillierte­re Inflationsraten sowie einer höheren Gewichtung der für Europa besonders relevanten Rohölsorte Brent Rechnung getragen.
c) Im Terminmarktszenario werden Terminkontrakte der NYMAX (New York Mercantile Exchange) herangezogen, die bis zum Jahr 2015 reichen. Für 2020 wird die Wachstumsrate zwischen 2014 und 2015 fortgeschrieben.

Die beiden letztgenannten Ansätze weisen in die gleiche Richtung. Der Mittelwert aus diesen beiden Szenarien trifft mit etwas zu hoher Tendenz gut den Preis des Jahres 2010. Die Ergebnisse decken sich mit denen aus [KRBF09, S.6ff.] und aus [IEA10, S.6f]. Die Prognosen der IEA sind konsistent zu denen der Energy Information Agency EIA von 2009 und unterstützen damit das WEO-Szenario, das damit an Gewicht ge­winnt. Es ist folglich davon auszugehen, dass der für die Zukunft angenommene Mit­telwert etwas zu niedrig ist. Dies ist jedoch insofern unproblematisch, als dass es dem Vorsichtsprinzip dient (mehr Kostendruck durch einen geringeren Ölpreis).

Nachfolgend wird erläutert, wie der Ölpreis mit den Preisen der Brennstoffe Benzin und Diesel zusammenhängt.

Zusammenhang zwischen Benzinpreis und Ölpreis

Nach Moda et al. so ergibt sich eine Korrelation von R = +0,875 zwischen dem Benzin­preis in Deutschland und dem Ölpreis der OPEC (Barrel Brent) [Mo0B10, S. 12]⁵. Wegen des Bestimmtheitsmaßes von R2 = 0,765 ist der Benzinpreis zu 76,5% mit dem Ölpreis erklärbar. Aus der Korrelation kann jedoch nicht auf Kausalitäten geschlos­sen werden. Eine Regressionsanalyse ergibt für den Öl- und Benzinpreis eine Regres­sions von Y = 34,92 + 1,446 x. ⁶ Nach den obigen Daten der Entwicklung des Ölpreises kann also davon ausgegangen werden, dass der Benzinpreis pro Liter c.p. in 2011 ungefähr pB,2ou = 1,48€,⁷ in 2015 ungefähr pß,2oi5 = 1,78€ und in 2020 ungefähr Pb,.2020 = 2,06 € betragen wird. Die Jahre 2015 bis 2020 basieren auf der Regressions­analyse bei unterstelltem linearen Trend, von 2011 bis 2014 wurde der Ist-Preis aus 2010 linear bis zum Niveau von 2015 hochgerechnet⁸.

Zusammenhang zwischen Dieselpreis und Benzinpreis

Aus dem Verhältnis von Benzinpreis zu Dieselpreis kann der Dieselpreis abgeleitet werden. Aufgrund des langfristigen fallenden Trends, des Mittelwerts von 0,89 und der Umkehr der Entwicklung ab Mitte der 1990er Jahre kann das Verhältnis von Diesel- zu Benzinpreis langfristig mit ca. 0,80-1,00 angenommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3-1 -Das Verhältnis von Dieselpreis/Benzinpreis von 1960-2010 mit linearem Trend (dunkel, Primär­achse), Benzinpreis (hell, Sekundärachse). Datenquelle: [Aral11b, S. 1f]. Eigene Darstellung.

Daraus ergibt sich, dass der Dieselpreis pro Liter in 2015 wahrscheinlich zwischen Pd,2oi5,i = 1,42 € und pD,2ois,u =1,78 € sowie in 2020 zwischen pDi2o2o,i = 1,64€ und Pd,2020,u = 2,06 € liegen wird. Es wird von diesen Werten jeweils der Mittelwert ange­nommen. Damit beträgt der Preis für Diesel in dieser Arbeit im Jahr 2011 pD,2ou = 1,30 €, im Jahr 2015 pD,2015 = 1,60 € und im Jahr 2020 pD,2020 = 1,85 €.

3.1.2 Strompreis

Der Strompreis beeinflusst die Kosten für das Laden der Batterien in der Wechselsta­tion und ist damit eine der entscheidenden Einflussgrößen auf Geschäftsmodelle mit Wechselbatterien. Deshalb wird im Folgenden eine wahrscheinliche Entwicklung des Strompreises dargestellt. Grundlage der Prognose ist die aggregierte Marktinformati­on in Form von Futures an der Strombörse.

Strompreise können regional verschieden sein, denn er ist von Anbieter und Zusam­mensetzung des Stroms aus den verschiedenen Erzeugungsquellen (Atom, Kohle, Regenerativ etc.) abhängig. Dennoch sind die regionalen Unterschiede des jeweils günstigsten Strompreises gering. Eine Prognose für den Strompreis für Endkunden existiert nicht für einen längeren Zeitraum als 4 Jahre. Diese ist jedoch nicht öffent­lich zugänglich. [Wiec11, S.1]

Der Energiepreis am Terminmarkt der European Energy Exchange AG (EEX) Börse in Leipzig betrug am 30.11.2009 in den Phelix Futures für das Jahr 2010 47,43 € pro MWh⁹ [EXX11b, S.1]. Am 24.01.2011 betrug der Wert der Phelix Futures für das Jahr 2016 57,93 € pro MWh¹⁰. Die Phelix Futures für den Strommarkt besitzen einen maximalen Zeithorizont von sechs Jahren. Da die Werte jeweils den gleichen Wertpa­pieren entnommen wurden, können sie direkt miteinander verglichen werden. Die Analysten gehen also von einer Preissteigerung in den Großhandelspreisen von rund 22% zwischen 2010 und 2016 aus. Wird dieser Trend linear fortgeschrieben, so ergibt sich bis 2020 eine Preissteigerung von ca. 37 % gegenüber 2010.

Nach Kemfert et al. setzt sich der Strompreis in Deutschland aus den folgenden vier Komponentengruppen zusammen [KeTA08, S. 180]:

1. Energiepreis für Stromanbieter (vergleiche Daten von der EEX)
2. Netzdurchleitung
3. Umlagen und Steuern
4. Vertrieb und Messkosten

Es wird angenommen, dass die Komponenten 2. bis 4. über die Jahre konstant blei­ben.

In den Jahren 2007-2010 hat der Strompreis für Gewerbekunden mit einer Abnah­memenge zwischen 2.000 und 20.000 MWh in Deutschland im Mittel 11,3 Cent pro kWh gekostet (inkl. Steuern) [Stat10a, Tab.5.10.3]. Es wird eine lineare Preissteige­rung zwischen 2010 und 2020 unterstellt und der Preis wird auf Basis der Futurepreise prognostiziert. Damit ergibt sich in 2011 ein Preis von ca. pS2oii = 12,4 Cent, in 2015 von ca. ps,2015 = 14,2 Cent und in 2020 von ca. ps,2020 = 16,4 Cent pro kWh.

3.1.3 Batteriepreis

In diesem Abschnitt wird die Preisentwicklung des Preises pBatt,t von Li-Ion-Batterien bis zum Jahr 2020 prognostiziert. Der Batteriepreis determiniert die Wirtschaftlich­keit von Geschäftsmodellen mit Batterie-Wechselstationen zu großen Teilen. Es ist zu unterscheiden zwischen einerseits dem wirtschaftlichen Preis für den Einsatz in Bat- terie-Wechselstationen, bei dem mit dem Geschäftsmodell ein wirtschaftlicher Vorteil erzielt werden kann und andererseits dem tatsächlich zu beobachtenden Preis, der hierprognostiziert wird.

Die vier Wertschöpfungsstufen bei der Produktion von Batterien sind

1. Rohmaterialien
2. Zellherstellung aus den Rohmaterialien
3. Modulherstellung aus den Zellen
4. Fertigung des Batteriepacks aus den Modulen [vgl. DMMR09, S. 6]

Der Batteriepreis ist abhängig von der produzierten Menge pro Zeiteinheit [DMMR09, S.6], von der Größe der in den Modulen der Batterie verwendeten Zellen und schließ­lich von der Kapazität der Batterie. Je kleiner die Einheiten sind, desto höher ist der Preis [KSSR07, S.47-48]. Für diese Arbeit wird von geringen Produktionsmengen ausgegangen. Es werden die Preise für Batterien von Pkw und Bussen unterschieden.

Die Preise des Jahres 2007 sind nach Kalhammer et al. in Tabelle 2-1 aufgelistet

Tabelle 3-2 - Batteriepreise in € pro kWh im Jahr 2007 [KSSR07, S.47]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Preise gelten für Produktionsmengen von 500 MWh pro Jahr [KSSR07, S.47]. Der verwendete Euro-Dollar-Kurs von 1,35 ist der Mittelwert des Jahres 2010 [Fina10, S.1]. Weicht die Größe der benötigten Batterien in dieser Arbeit von den beiden ange­gebenen ab, so wird der Wert der jeweils näher liegenden Batteriegröße verwendet.

Die Veränderung der Preise in Abhängigkeit der genannten Parameter ist stark. Die Batteriepreise sind um ungefähr 32 % geringer, wenn sich die jährliche Produkti­onsmenge auf 2.500 MWh erhöht [KSSR07, S.47]. Verringert sich die Menge, so er­höhen sich die Preise signifikant. Der Batteriepreis im Jahr 2009 wurde von Dinger et al. für eine 15 kWh-Batterie bei Produktionsmengen von 7,5 MWh pro Jahr mit ungefähr 820 € pro kWh angegeben [DMMR09, S.6].

Preisentwicklung der Batterien

Das „United States Advanced Battery Consortium¹¹ “ (USABC) hat im Jahr 2003 ein langfristiges Ziel von $100 pro kWh als Preis für OEMs festgelegt [USAB03, S.1]. Durch den steigenden Ölpreis wurde es möglich, dieses außerordentlich ehrgeizige Ziel im Jahr 2009 auf $250 kWh anzuheben [Maju09, S. 10]. Dennoch besteht gege­ben die heutige Technologie eine „substanzielle Herausforderung“ [DMMR09, S. 5] in der Zielerreichung dieses Preises bis 2020. Für diese Arbeit wird angenommen, dass dieser Preis für die betrachteten Batterien erreicht wird.

Unterstellt eine lineare Entwicklung, ergibt sich Tabelle 3-3 für die Batteriepreise pro kWh¹²:

Tabelle 3-3 - Batteriepreise in € pro kWh

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Alternativ zum Kauf bietet z. B. Renault ein Leasing der Batterie an. Der Leasingpreis für eine Batterie mit 22 kWh beträgt 79 € pro Monat¹³ [Rena11b, S.2]. Das Leasing einer kWh Batteriekapazität kostet den Kunden damit 43,10 € pro Jahr. Bei einer Lebensdauer von sieben Jahren ergibt sich ein Gesamterlös von 301,70 € pro kWh. Dies ist kongruent zu dem von Kalhammer et al. angegebenen Preis.

Tatsächlicher und wirtschaftlicher Batteriepreis

Der tatsächliche Batteriepreis, der nicht zwingend auch wirtschaftlich für den Einsatz in der Elektromobilität sein muss, hängt im Wesentlichen von der technologischen Entwicklung und der Verfügbarkeit der benötigten Ressourcen ab [DMMR09, S. 5-7]. Damit liegt keine vollständige positive Korrelation oder Kausalität mit dem Ölpreis vor.

Der wirtschaftliche Preis von Batterien hingegen wird durch den Preis fossiler Kraft­stoffe auf der Basis von Rohöl bestimmt, denn die Batteriekosten fließen in die Ge­samtkosten der E-Mobilität ein. Damit hängt der wirtschaftliche Preis von Batterien direkt mit dem Ölpreis zusammen. Steigt der Ölpreis an, ist der Kostendruck auf die Batterieherstellung weniger hoch, bleibt er konstant oder sinkt gar, steigt der Kos­tendruck an. Belegen lassen sich diese Thesen weiter mit der Anpassung der erwähn­ten Ziele für Batteriepreise um den Faktor +2,5 durch die USABC zwischen 2003 und 2009. Im gleichen Zeitraum stieg der Rohölpreis um einen ähnlichen Faktor von 28 $ pro Barrel im Jahr 2003 auf über 70 $ pro Barrel im Jahr 2009 [Tesc10, S.2].

3.1.4 Bodenpreis

Je nach Konzept braucht eine Wechselstation bis zu 1.000 m2 freie Fläche, auf der sie aufgestellt werden kann (vergleiche Abschnitt 2.4.4). Damit ist der Bodenpreis eine ökonomische Einflussgröße auf Geschäftsmodelle für Wechselbatteriekonzepte und wird im Folgenden analysiert. Konzeptionell ähneln Batterie-Wechselstationen aus Sicht des Nutzers Tankstellen, weshalb die Bodenpreise für Grundstücke von Tankstellen betrachtet werden.

Preise für Boden hängen von lokalen Gegebenheiten ab. Deshalb kann hier keine pauschale Aussage getroffen werden hinsichtlich eines bestimmten landesweit gülti­gen Wertes.¹⁴ Für den Standort Karlsruhe kann davon ausgegangen werden, dass für die momentan von Tankstellen verwendeten Grundstücke auf Grund der guten Er­tragsmöglichkeiten und der zentralen Lage einer Tankstelle mit dem relativ hohen Kaufpreis von ca. 200-250 € pro m2 gerechnet werden muss (sogenannter Boden­wert). Für Gewerbe ist es oftmals üblich, einen Erbbaurechtvertrag mit einer Laufzeit von 50 Jahren zu schließen. In Karlsruhe werden hierfür pro Jahr 6 % des Boden­wertes fällig, was mit der Basis von 250 € pro m2 als Grundlage für diese Arbeit ver­wendet wird. Dieser Wert wird konsistent mit Karcher als konstant angenommen. [Karc11, S.1]

Es ergibt sich ein Pachtpreis von pGt = 15 € pro m2 und Jahr über den gesamten Pla­nungshorizont.

3.1.5 Stromanschluss

Für jedes der drei vorgestellten Konzepte der Batterie-Wechselstationen ist ein Stromanschluss unabdingbar.

Im Kleinspannungsbereich mit 78 kW Leistung (3x125A) kostet ein Anschluss mit 5 Meter Kabellänge ab Mitte Bürgersteig ca. 5.000 Euro. Eine Mittelspannungsan­schluss mit Verteilnetztrafo und 630 kW Nennleistung kostet in Karlsruhe im Mittel ca. 30.000 €. Der genaue Preis hängt von den individuellen Gegebenheiten ab und kann dementsprechend nicht pauschal angegeben werden. Die Anschlusskosten im Gewerbegebiet liegen bei ca. 15.000 €. In Wohngebieten, in denen noch keine Mittel­spannung verfügbar ist, kann der Anschlusspreis auch deutlich über den 30.000 € liegen (ca. 60.000-100.000 €). [Dres11, S.1]

Für diese Arbeit werden Installationskosten von pAi2ou = 30.000 € für einen Stroman­schluss mit 630 kW Nennleistung angenommen.

3.1.6 Wartung und Instandhaltung

Für eine Maschine fallen neben den Investitionen beim Betrieb Wartungs- und Instandhaltungskosten an. Die Wartungs- und Instandhaltungskosten einer noch nicht langjährig erprobten Technologie zu bewerten ist mit Unsicherheiten behaftet. Das Ingenieurbüro Wallner gibt ein Intervall von 5-10 % der Investitionssumme pro Jahr als Richtwert an [Wall11]. In dieser Arbeit wird für alle Wechselstationen von Wartungskosten in Höhe von 7,5 % der Investitionssumme pro Jahr ausgegangen.

3.1.7 Informations- und Kommunikationstechnologie

Die Kosten für benötigte Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT) werden in dieser Arbeit nicht berücksichtigt. Es ist nur dann ein besonderer Bedarf an IKT gegeben, wenn das Fahrzeug nicht ausschließlich an der Wechselstation aufgeladen wird und sich verschiedene Abrechnungsstellen ergeben.

[...]

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¹ Zeitgleich zum durch die Bundesregierung vorgegebenen Ziel von einer Million Pkw für das Jahr 2020 [Bund09a, S.2].

² Z.E. steht für „Zero Emission“

³ Dies gilt nur, wenn andere Lademöglichkeiten als die Wechselstation zur Verfügung stehen und anstelle eines Batterietausches genutzt werden und damit die Nutzung der Wechselstati­on umgangen werden kann.

⁴ Die Flexibilität wird jeweils begrenzt durch ein Mindestmaß an Standardisierung der Bau­form der Batterie und die Richtung des Wechsels.

⁵ Datenbasis bilden die jährlichen Durchschnittspreise von Öl und Benzin von 1960-2009

⁶ X = durchschnittlicher Ölpreis (OPEC; pro Barrel in USD) Y = durchschnittlicher Benzinpreis in Deutschland (in Euro-Cent)

⁷ Der historische Durchschnittspreis des Monats Januar 2011 hat für Benzin 1,489 € pro Liter betragen [Aral11a, S1].

⁸ Eine ausführliche Zeitreihe für den Benzinpreis findet sich im Anhang. Weiter sind dort Zeit­reihen für den Diesel, den Strompreis und den Batteriepreis zu finden.

⁹ Tageswerte der letzten drei Monate gemittelt. Der Wert Ende November 2009 wurde gewählt, um eventuelle Verzerrungen durch den Jahreswechsel am 31.12.2009 auszuschließen. Da­tenquelle: [EXX11b].

¹⁰ Tageswerte der letzten drei Monate gemittelt. Datenquelle: [EXX11c]. Es werden keine Futu­res mit längeren Laufzeiten als bis 2016 gehandelt, für die eine dreimonatige Datenbasis exis­tiert.

¹¹ Die USABC ist Bestandteil der Organisation „United States Council for Automotive Research LLC“ (kurz: USCAR), die eine Kooperation der drei großen amerikanischen Autohersteller Ford, Chrysler und GM (General Motors) darstellt.

¹² Eine vollständige Zeitreihe findet sich im Anhang.

¹³ Bei 0 € Anzahlung, 10.000 km/Jahr Laufleistung, 36 Monaten Laufzeit [Rena11b].

¹⁴ Unter anderem hängt der Bodenwert ab von: Lage, Fläche, Form/Schnitt des Grundstücks, Altlasten, Erschließungsstand, Topografie, Denkmalschutz, wirtschaftliche Nutzungsmöglich­keiten, Konjunktur. [Karc11, S.1]