Die wichtigsten Trends im Bereich Elektrofahrzeuge und Mobilität im Jahr 2021 und was 2022 auf der Agenda steht

Die Analysten von IDTechEx haben einen Blick zurück auf die wichtigsten Ereignisse und Trends in der Welt der Elektromobilität im vergangenen Jahr geworfen. Zudem wagen sie einen Blick in die nahe Zukunft und auf das, was im kommenden Jahr 2022 zu erwarten ist.

Große Markteinbrüche: Der Tech-Gigant Tesla, riesige IPOs und SPACs

Wenn Sie in diesem Jahr etwas über Elektrofahrzeuge gehört haben, dann wahrscheinlich, dass Tesla den Status eines Tech-Giganten erreicht hat. Im November 2021 überschritt Tesla die Marktkapitalisierung von $1000.000.000.000, angetrieben durch eine etwas verwirrende Bestellung von Hertz über 100.000 Tesla-Elektroautos zum vollen Preis (die Verträge waren offenbar noch nicht unterzeichnet, als die Auslieferungen begannen).

Generell ist der Aktienkurs von Tesla so hoch, weil die Anleger auf das Potenzial des Unternehmens setzen. Trotz seiner enormen Erfolge befindet sich Tesla erst am Anfang seiner S-Kurve.

Heute erreicht Tesla seine Verkaufsziele (nahezu 1 Million verkaufte Autos im Jahr 2021) und beweist, dass das Unternehmen kontinuierlich Gewinne erwirtschaften kann. Morgen werden die neuen Giga-Fabriken dem Unternehmen helfen, sein Ziel zu erreichen, bis 2030 jährlich 20 Millionen Autos zu verkaufen (mehr als ein Fünftel der heutigen weltweiten Autoverkäufe).

Geht man von einem Durchschnittspreis von 30.000 Dollar pro Tesla-Auto aus, so entspricht selbst ein Viertel davon einem Umsatz von 150 Milliarden Dollar – ein Drittel des von IDTechEx für das Jahr 2030 prognostizierten Marktes für Plug-in-Elektroautos in Höhe von 450 Milliarden Dollar (www.IDTechEx.com/EV). Dabei sind das wachsende Energiegeschäft und das Potenzial künftiger Technologien wie der Autonomie noch gar nicht berücksichtigt.

Obwohl Tesla auch an elektrischen Lastwagen arbeitet, geht IDTechEx davon aus, dass Personenkraftwagen jetzt und in Zukunft der profitabelste Markt für Elektrofahrzeuge bleiben und die Hauptantriebskraft für das Wachstum von Tesla darstellen werden.

Die Erfolge von Tesla ebnen den Weg für andere Unternehmen. Rivian, das von Ford und Amazon unterstützt wird, ging Anfang November 2021 mit 93 Milliarden Dollar an die Börse. Die hundert Jahre alte Ford-Aktie hat sich in diesem Jahr selbst erholt, aber ihre Marktkapitalisierung liegt mit 77,7 Milliarden Dollar immer noch unter der von Rivian.

Der traditionelle Börsengang von Rivian stand im Gegensatz zum SPAC-Trend, für den sich zahlreiche andere Unternehmen entschieden haben (SPACS gelten als einfacher und haben ein geringeres Bewertungsrisiko als ein traditioneller Börsengang). SPAC-Börsengänge haben sich quer durch alle Unternehmenstypen gezogen, und dies ist keine Ausnahme in der Elektrofahrzeugbranche: von Ladeinfrastrukturunternehmen (Tritium) über Fahrzeughersteller (Lucid Motors, Nikola) bis hin zu Elektrotaxis (Lilium). Die Ergebnisse waren unterschiedlich – sowohl katastrophal (Nikola) als auch erfolgreich.

Klar ist, dass es auch im Jahr 2022 noch jede Menge Drama rund um die Start-ups im Bereich der Elektrofahrzeuge geben wird, da sie nach wie vor auf großes Interesse stoßen und einen – unbegründeten oder unbegründeten – Hype auslösen, der über Erfolg und Misserfolg entscheidet.

Autonome Fahrzeuge auf dem Vormarsch

Bei autonomen und selbstfahrenden Autos hat es in den letzten Jahren große Veränderungen gegeben. Im Jahr 2021 haben weitere Robotaxi-Tests begonnen, bei denen fahrerlose Fahrten für die Öffentlichkeit angeboten werden, z. B. AutoX in China, und es ist zu erwarten, dass im Jahr 2022 weitere Tests beginnen werden. Deutschland lässt jetzt fahrerlose Dienste der Stufe 4 auf seinen Straßen zu, und für 2022 erwarten wir weitere Roboshuttle-Projekte und weitere Versuche mit Robotaxis.

Auch bei den privat betriebenen autonomen Fahrzeugen gab es in diesem Jahr einige Durchbrüche. Tesla hat das Radar aus seiner autonomen Sensorik gestrichen, macht aber weiterhin Fortschritte mit einer reinen Kameraausrüstung.

Honda hat mit dem Legend das erste Level-3-Fahrzeug in Japan auf den Markt gebracht. Es wurden nur 100 Honda Legends zum Leasen zur Verfügung gestellt, aber Modelle von anderen Herstellern werden wahrscheinlich 2022 folgen. IDTechEx rechnet auch in Europa mit dem Aufkommen von Level-3-Fahrzeugen für den Privatgebrauch. Deutschland, Frankreich und England haben bereits ihr Interesse bekundet, ihre Nutzung auf öffentlichen Straßen zu erlauben. Diese Technologie wird wahrscheinlich zuerst auf dem Luxusmarkt eingeführt werden, wobei die Mercedes S-Klasse als Favorit gilt, die Anfang nächsten Jahres als erste mit dieser Technologie ausgestattet wird.

Der technische Fortschritt, den die OEMs bei der Markteinführung von Fahrzeugen der Stufe 3 machen, wird durch die zunehmende Raffinesse der Sensortechnologien unterstützt. Die Radargeräte werden immer leistungsfähiger, und Continental und ZF werden 2022 die ersten 4D-Radargeräte in Serienfahrzeuge einbauen.

Auch die Preise für LiDAR sinken weiter: Bosch erklärte gegenüber IDTechEx, dass sein LiDAR für 250 bis 500 US-Dollar erhältlich sein wird. Diese Fortschritte bieten den OEMs die für einen höheren Automatisierungsgrad erforderliche Robustheit und Leistung zu einem serienfreundlichen Preis.

Der IDTechEx-Bericht „Autonome Autos, Robotaxis & Sensoren 2022-2042“ prognostiziert die Verbreitung autonomer Fahrzeuge auf verschiedenen Ebenen sowie den sich entwickelnden Sensorbedarf für jeden Fahrzeugtyp: Kamera, Radar, LiDAR und mehr.

Vermehrte Wetten auf schwere Brennstoffzellen-Fahrzeuge

Die Aussichten für den Einsatz von Wasserstoff-Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen sind aufgrund der hohen Kosten, der teuren Wasserstoffbetankungsinfrastruktur, die sich noch nicht durchgesetzt hat“, der hohen Wasserstoffpreise und der fragwürdigen Emissionsreduzierung bei Nichtverwendung von grünem Wasserstoff gering. Dies wurde Anfang dieses Jahres deutlich, als Honda aus dem Markt für Brennstoffzellenautos ausstieg.

Die Reichweite und der Tankvorteil von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen bedeuten jedoch, dass Schwerlastanwendungen wie Langstrecken-LKWs oder Busse mit hoher Kilometerleistung seit langem ein potenzielles Einsatzgebiet für die Technologie darstellen, und im Jahr 2021 wurden Fortschritte erzielt.

Während der Tesla Semi zunehmend verschoben wird, um den Batterien für rentablere Elektroautos den Vorrang zu geben, kündigte Hyundai im September 2021 an, bis 2028 Brennstoffzellenvarianten für alle seine Nutzfahrzeuge zu entwickeln.

Hyundai führt derzeit in der Schweiz kommerzielle Versuche mit einer Flotte von 46 FCEV-Lkw durch und plant, diese bis 2025 auf 1.600 Lkw zu erhöhen. Hyundai hat außerdem bevorstehende FCEV-Lkw-Projekte in den USA und Aufträge für 4.000 FCEV-Lkw in China angekündigt.

Darüber hinaus werden FCEVs auch auf dem Busmarkt gut angenommen: In Europa sind mehr als 150 Brennstoffzellenbusse in Betrieb, in den USA 65 und in China mehr als 3.000. Ein wachsender Auftragsbestand für FCEV-Busse deutet darauf hin, dass die Nachfrage steigt, zumindest bis zu einem Pilotmaßstab für Tests.

Der IDTechEx-Bericht „Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge 2022-2042“ untersucht den Einsatz und das Wachstum von Brennstoffzellenfahrzeugen in schweren Nutzfahrzeugen über einen Zeitraum von 20 Jahren.

Neue Technologien für Elektrofahrzeuge im Jahr 2022 (nicht batteriebetrieben)

Es gibt viele Möglichkeiten, die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Neben der Erhöhung der Batteriekapazität sind die wichtigsten Bereiche die Leistungselektronik (Wechselrichter, Umrichter, Ladegeräte) und die elektrischen Fahrmotoren.

Axialfluß-Motoren

Eine aufstrebende Motorentechnologie, die in diesem Jahr an Bedeutung gewonnen hat, sind Axialflussmotoren, die so genannt werden, weil der magnetische Fluss parallel zur Rotationsachse verläuft (im Gegensatz zu Radialflussmotoren, die senkrecht dazu stehen).

Während fast der gesamte Elektrofahrzeugmarkt eine Form von Radialflussmotoren verwendet, bieten Axialflussmotoren mehrere Vorteile. Dazu gehören eine höhere Leistungs- und Drehmomentdichte und ein Pancake-Formfaktor, der sich ideal für die Integration in verschiedene Szenarien eignet, vom Auto bis zum Flugzeug.

Die Technologie hat im Jahr 2021 einen Meilenstein erreicht. Der Aftermarket-Marktführer YASA schloss Ende 2019 den ersten großen Axialflussmotor-Deal mit Ferrari ab und wurde im Juli 2021 von Daimler für die Verwendung in der kommenden AMG-Elektroplattform übernommen. Im Juli 2021 ging auch Renault eine Partnerschaft mit WHYLOT ein, um ab 2025 Axialflussmotoren in seinen Hybridfahrzeugen einzusetzen. Andere innovative Unternehmen wie Magnax haben noch keine größeren Lieferverträge abgeschlossen (siehe unser IDTechEx-Abonnentenprofil über Magnax).

Der Markt für Axialflussmotoren in Elektrofahrzeugen ist heute noch sehr klein, aber IDTechEx erwartet in den nächsten 10 Jahren einen enormen Anstieg der Nachfrage, mit ersten Anwendungen in Hochleistungsfahrzeugen und bestimmten Hybridanwendungen.

IDTechEx prognostiziert in „Elektromotoren für Elektrofahrzeuge 2022-2032“ einen starken Anstieg der Nachfrage nach Axialflussmotoren für Kraftfahrzeuge.

Leistungselektronik aus Siliziumkarbid und gesinterte Die-attach-Materialien

In der Leistungselektronik hat sich der Übergang zu Siliziumkarbid-MOSFETs und Hochspannungssystemen über 800 V im Jahr 2021 beschleunigt. Renault, BYD und Hyundai kündigten neue 800-V-Fahrzeugplattformen an, die bis 2025 Siliziumkarbid-MOSFETs in ihrer Leistungselektronik einsetzen werden. Mit dem Mach E, der Ende 2021 auf den Markt kommt, hat auch Ford nach Tesla, BYD und Toyota (Mirai) ein Modell mit Siliziumkarbid-Leistungselektronik auf dem Markt. Der Übergang stellt neue Herausforderungen an die Gehäusematerialien von Leistungsmodulen, da höhere Schaltfrequenzen, höhere Leistungsdichten und höhere Betriebstemperaturen erwartet werden – und das bei einer Lebensdauer von 15 Jahren.

Da die Leistungsdichte von Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge in den letzten zehn Jahren exponentiell gestiegen ist, wurden neue doppelseitige Kühlungsdesigns, Kupferdrahtverbindungen und Leadframes entwickelt. Da die Anforderungen an die Sperrschichttemperaturen auf 175 bis 200 Grad gestiegen sind, haben die Grenzen herkömmlicher Lote den Weg für neuartige Die-Attach-Materialien geebnet.

Nanosilber- und Kupfersintermaterialien haben im Vergleich zu herkömmlichen bleifreien Loten auf Zinnbasis einen hohen Schmelzpunkt und unterstützen hohe thermische Temperaturen über 250 Grad, was den Übergang zu leistungsdichten Siliziumkarbid-MOSFETs erleichtert.

Während Nanosilber-Sinterpasten bereits auf dem Markt sind (z. B. Argomax von Alpha), stehen leistungsfähigere Kupfersintermaterialien noch vor der Tür. Unternehmen wie Hitachi, Showa Denko und Mitsui demonstrieren die Technologie und/oder befinden sich in der letzten Qualifikationsphase für die Automobilindustrie.

Weitere Informationen und Prognosen mit Kommentaren finden Sie in dem IDTechEx-Bericht „Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge 2022-2032“.

Wärmemanagement bei Cell-to-Pack-Designs

Das Wärmemanagement für Elektroautos war auch 2021 ein heißes Thema. Die Rückrufaktion für den Chevrolet Bolt, die aufgrund von Herstellungsfehlern bei den von LGChem gelieferten Zellen ungefähr 1,9 Milliarden Dollar gekostet hat, scheint ein Ende zu haben. Auch wenn diese Geschichte nun zu Ende geht, besteht bei Lithium-Ionen-Batterien immer ein Risiko des thermischen Durchgehens, das nicht bei Null liegt. Das bedeutet, dass die Zellen auf ihrer optimalen Betriebstemperatur gehalten werden müssen, aber auch, dass Brandschutzmaterialien für den Fall eines thermischen Durchgehens bereitgestellt werden müssen.

Ein wichtiger Trend, der sich auf die Materiallieferanten in diesem Bereich auswirken wird, ist die Einführung der Cell-to-Pack-Technologie. BYD hat seine Blade-Batterie auf die Straße gebracht, und viele Autohersteller, darunter Tesla, VW und Stellantis, haben angekündigt, dass sie in den kommenden Jahren die Cell-to-Pack-Technologie einsetzen wollen. Bei der Cell-to-Pack-Technologie werden die Module entfernt und alle Zellen zu einem großen Paket gestapelt. Dies verbessert die Energiedichte, die Fertigungskomplexität und die Kosten. Allerdings ergeben sich daraus Herausforderungen in Bezug auf den Brandschutz und veränderte Anforderungen an das thermische Material im Vergleich zu einem herkömmlichen modularen Batteriepack.

In einem typischen modularen Batteriesatz sitzen die Zellen in einem Modul mit einem thermischen Schnittstellenmaterial (TIM), normalerweise in Form eines entbehrlichen Lückenfüllers. Ein weiteres TIM wird dann verwendet, um den Kontakt zwischen dem Modul und der Kühlplatte herzustellen. Bei Cell-to-Pack können die Zellen direkt mit der Kühlplatte verbunden werden. Dadurch verringert sich die Anzahl der thermischen Schnittstellen und es kann ein TIM mit geringerer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden. Allerdings besteht nun ein Bedarf an einer höheren Haftfestigkeit. Der Übergang von modularen Batterien zu Cell-to-Pack ist auch ein Übergang von Wärmelückenfüllern zu wärmeleitenden Klebstoffen. Was den Brandschutz angeht, so können die Module in einem modularen System isoliert und geschützt werden. Bei Zelle-zu-Pack wird es schwieriger, die Ausbreitung des thermischen Durchgehens in der Batterie zu begrenzen. Dadurch ergeben sich mehr Möglichkeiten für Materialien zur Verhinderung der Ausbreitung zwischen den Zellen und für höhere Schutzniveaus für das Gehäuse der Batterie, sowohl innen als auch außen. Da es nur wenige Vorschriften gibt, die sich speziell mit dem thermischen Durchgehen befassen, gibt es eine Vielzahl geeigneter Lösungen wie Pulverbeschichtungen, intumeszierende Beschichtungen, keramische Materialien und Aerogele.

Der IDTechEx-Bericht „Wärmemanagement für Elektrofahrzeuge 2021-2031“ beschreibt detailliert die OEM-Strategien, Trends und aufkommenden Alternativen rund um das Wärmemanagement von Li-Ionen-Batterien, elektrischen Fahrmotoren und Leistungselektronik mit Überlegungen zur optimalen Betriebstemperatur und zum Feuerschutz.

Die Hybriden schlagen zurück: Jüngste Verkaufssprünge

Die Verkäufe von Nicht-Plug-in-Hybriden und Plug-in-Hybriden sind in den letzten Jahren sprunghaft angestiegen, wobei sich die Verkäufe von Plug-in-Hybriden im Vergleich zum Vorjahr verdreifacht haben und im Jahr 2020 allein in Europa bei über 600 000 Fahrzeugen liegen werden. Im schlimmsten Fall sind Hybride ein Umweltschwindel. Für die Verbraucher sind sie verwirrend: 48V-Mildhybrid, 48V-Vollhybrid, Vollhybrid (Hochspannung), Plug-in-Hybrid, Nicht-Plug-in-Hybrid. Die Befürworter der einzelnen Modelle behaupten, dass sie eine zufriedenstellende Lösung zur Verringerung der Emissionen im Straßenverkehr darstellen, und verkünden lange Reichweiten und kurze Ladezeiten.

In der Vergangenheit hat die norwegische Regierung irreführende Werbung für selbstaufladende HEVs verboten, und das Vereinigte Königreich hat die Anreize für PHEVs reduziert und dann gestrichen, weil die Fahrer sie nicht an die Steckdose angeschlossen haben (ein Verhalten, das nicht nur auf das Vereinigte Königreich beschränkt ist).

Im besten Fall sind Hybride ein kurzfristiger Übergangsschritt zu emissionsfreien Antrieben. Ein altes Märchen, das jetzt aber in vollem Gange ist. Die jüngsten Zuwächse wurden von Europa unterstützt, da die Autohersteller die Strafen vermieden, die durch das EU-Ziel von 95 g CO2 pro km festgelegt wurden.

Aber der Todesstern wird immer wieder gesprengt. Und der Verkaufsanstieg bei Hybriden wird nur von kurzer Dauer sein. Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge sind der einfachste Weg, um die Emissionsziele zu erreichen, und sie sind sehr gefragt, so dass ihnen zunehmend Vorrang eingeräumt wird. Im Sommer wurde der Entwicklungschef von Daimler, Markus Schäfer, mit den Worten zitiert: „Es sind keine weiteren Neuentwicklungen [von PHEV] geplant“.

Auch die politischen Entscheidungsträger erkennen die Grenzen des Hybrids, was sich in der kommenden Politik widerspiegelt. Darüber hinaus beinhalten Verbote fossiler Brennstoffe zwischen 2030 und 2040 in der Regel auch Verbote für Hybride, auch wenn diese in der Regel weit in der Zukunft liegen und absichtlich unklar sind. Chile und Griechenland waren die letzten Länder, die sich in diesem Jahr diesem Club angeschlossen haben.