Stromspeicher wie etwa Batterien und Akkus spielen nicht nur bei E-Autos und Smartphones eine Schlüsselrolle, sondern sind auch für die Energiewende und den Klimaschutz zentral. Gemessen an der Zahl der Patente auf Stromspeichertechnologien gibt es in diesem Bereich grosse Fortschritte: Zwischen 2005 und 2018 nahm die Zahl der Patente auf Batterietechnik und andere Stromspeicher jährlich um 14 Prozent zu - viermal schneller als der durchschnittliche Zuwachs an Patenten in allen anderen Technologien. Dies zeigt eine gemeinsame Studie, die heute vom Europäischen Patentamt (EPA) und der Internationalen Energieagentur (IEA) veröffentlicht wurde.
Laut Studie entfallen fast 90 Prozent aller Patente im Bereich der Stromspeicherung auf Batterietechnik. Hier gibt es die meisten Innovationen bei wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterien für Verbraucherelektronik und für Elektroautos. Insbesondere die Elektromobilität beschleunigt die Weiterentwicklung von Lithium-Ionen-Batterien, um deren Leistung, Haltbarkeit, Lade-/Entladegeschwindigkeit und Recyclingfähigkeit zu verbessern. Der technische Fortschritt wird auch von der Notwendigkeit getrieben, grössere Strommengen aus erneuerbaren Quellen wie Wind- und Solarenergie in die Stromnetze einzuspeisen.
Im globalen Wettlauf um die führende Batterietechnik liegen Japan und Südkorea weltweit an der Spitze, vor Europa, China und den USA. Innerhalb Europas kommen die meisten Patente auf Batterien aus Deutschland (5.080 von 2000 bis 2018), gefolgt von Frankreich (1.354) und Grossbritannien (652). Aus der Schweiz heraus wurden im gleichen Zeitraum 232 internationale Patente angemeldet, davon rund 40 Prozent von 2014 bis 2018.
Der Fortschritt in Entwicklung und Massenproduktion liess die Preise für Batterien deutlich sinken: bei Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge seit 2010 um fast 90 Prozent und bei stationären Stromspeichern für die Einspeisung von Strom in Stromnetze um rund zwei Drittel.
Die Entwicklung besserer und billigerer Energiespeicher ist eine der grossen Herausforderungen der Zukunft: Die Internationale Energieagentur geht davon aus, dass 2040 eine Energiespeicherkapazität von annähernd 10.000 GWh in Form von Batterien und sonstigen Speichern benötigt wird, damit die Welt die Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsziele einhalten kann – fast das Fünfzigfache des heutigen Werts.
"Die stark steigende Zahl an Innovationen im Bereich der Stromspeicherung zeigt, dass Erfinder und Unternehmen die Herausforderung der Energiewende angehen. Die Patentdaten lassen erkennen, dass Asien in dieser strategischen Branche zwar deutlich führt, die USA und Europa sich aber auf ein breites Innovationsökosystem mit einer Vielzahl von KMU und Forschungseinrichtungen stützen können und so bei der Entwicklung der nächsten Generation von Batterien im Rennen bleiben dürften," kommentiert EPA-Präsident António Campinos.
"Die IEA-Prognosen machen deutlich, dass die Energiespeicherung in den kommenden Jahrzehnten exponentiell wachsen muss, damit die Welt die internationalen Klimaschutz- und Nachhaltigkeitsziele erreichen kann. Das wird nur mittels weiterer Innovationen in der Speichertechnik gelingen", sagte IEA-Exekutivdirektor Fatih Birol.
Im Bereich der Stromspeicherung haben Unternehmen seit 2000 weltweit mehr als 65.000 internationale Patentfamilien (IPFs) angemeldet. Die jährliche Zahl der Patente in diesem Sektor ist von rund 1.500 im Jahr 2005 auf eine neue Rekordzahl von über 7.000 im Jahr 2018 gestiegen. Mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 14 Prozent seit 2005 haben sie den durchschnittlichen jährlichen Anstieg im Vergleich zu allen anderen Technologiefeldern im gleichen Zeitraum (+3,5 Prozent) deutlich übertroffen.
Der stärkste Innovationstreiber im Batteriesektor ist die bei tragbaren Elektronikgeräten und bei Elektrofahrzeugen dominierende Lithium-Ionen-Technik. 2018 entfielen 45 Prozent aller Batterie-Patente auf Innovationen rund um Lithium-Ionen-Zellen und gerade einmal 7 Prozent auf Zellen aus anderen Materialien.
2011 löste die Elektromobilität die Verbraucherelektronik als grössten Wachstumstreiber für Erfindungen im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien ab. Verbesserungen bei Batterien für Elektroautos haben positive Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit stationärer Batterien, wie sie zum Management von Stromnetzen gebraucht werden.
Patente im Bereich der Batteriezellfertigung und -konstruktion haben sich in den letzten zehn Jahren verdreifacht. Diese beiden Bereiche zusammen machten 2018 fast die Hälfte (47 Prozent) aller Patente im Zusammenhang mit Batteriezellen aus – ein klarer Hinweis auf Fortschritte bei der Massenproduktion.
Darüber hinaus gewinnen auch andere Speichertechnologien wie Superkondensatoren und Redox-Flow-Batterien rasch an Bedeutung. Sie haben das Potenzial, einige der Schwächen von Lithium-Ionen-Batterien zu überwinden.
Unternehmen aus Asien liegen im globalen Wettlauf um die beste Batterietechnik klar in Führung, wobei japanische und südkoreanische Unternehmen an der Spitze stehen. Neun der zehn weltweit führenden Anmelder von batteriebezogenen Patenten kommen aus Japan (7 Unternehmen) oder Südkorea (2). Zwei Drittel der 25 wichtigsten Patentanmelder stammen aus Asien, sechs aus Europa und zwei aus den USA. Auf die fünf führenden Unternehmen (Samsung, Panasonic, LG, Toyota und Bosch) entfiel zwischen 2000 und 2018 über ein Viertel aller internationalen Patentfamilien.
Innovationen in der Batterietechnik werden zwar weitgehend von Grossunternehmen entwickelt, doch spielen in den USA und Europa auch KMU, Hochschulen und öffentliche Forschungseinrichtungen eine wichtige Rolle. In den USA entfallen 34.4 Prozent der internationalen Patentfamilien in Bereich Batterien auf KMU und 13.8 Prozent auf Hochschulen und Forschungseinrichtungen; in Europa sind dies 15.9 Prozent bzw. 12.7 Prozent. Ganz anders stellt sich die Situation in Japan (3.4 Prozent bzw. 3.5 Prozent) und Südkorea (4.6 Prozent bzw. 9.0 Prozent) dar.
