Funktionale Dynamik von Technologischen Innovationssystemen im Bereich der Erneuerbaren Energietechnologien : Das Beispiel der weltweiten Durchsetzung von batteriebetriebenen Fahrzeugen und Plug-in-Hybridfahrzeugen

Abstract

Electric mobility received a new boost with the recent turn of the millennium, when mankind realized that the progressing climate change is attributable to the greenhouse gas carbon dioxide (CO2), which is also emitted through traffic worldwide. Within the traffic sector, CO2 emissions through road mobility increased in particular, which is why the focus is on electric vehicles and especially on plug-in hybrid electric vehicles (PHEV) and battery electric vehicles (BEV). For the realization of electric mobility, electrochemical energy storage is being considered a key technology primarily because of their significant contribution to value creation, for which reason an international competition has begun in order to secure large market shares as early as possible. As to the methodology for analysis which countries worldwide have the best prerequisites for this competition, the fundamentals of technological innovation systems (TIS) in the field of renewable energy technologies have been chosen, documented and discussed in detail. The TIS-approach developed evolutionary across different approaches of innovation system research and today allows not only for a functional analysis of TIS, but also offers a phase model for TIS development that is being discussed and revised in the present dissertation. An investigation of relevant case studies in renewable energy technologies according to the three criteria hypothesis, result and lesson learned allowed to derive best practices for the following, detailed comparative innovation system analysis. A comprehensive roadmapping until the year 2030 shows that technological development paths are available, which application variety and market development can be expected and which specific challenges have to be solved in order to reconcile technological progress with market-related demand. Hence, against this background, the TIS revolving around energy storage for electric mobility on battery system level and before the integration into specific vehicle concepts respectively in Germany in the context of the European Union has been analyzed and compared with the TIS in the countries China, Japan, Korea, the USA and France in this dissertation. These six countries have been determined as leading as a result of a patent analysis, whereby after initial leadership by the USA in the 80’s, in particular Japan is today by far the undisputed technology leader. The analysis started with significant structural components and therewith the energy storage industry/battery manufacturers. The automobile industry and electric vehicle manufacturers respectively have been analyzed, too, separated into PHEV and BEV manufacturing companies. With the three companies Toyota Motor Corp. (from the pioneer and innovation leader in hybrid electric vehicles (HEV) to the pioneer and innovation leader in fuel cell electric vehicles (FCEV)), Tesla Inc. (from attacker to world market leader in BEV) and the BMW Group (Plug-in-hybridization of the product range on the way to the premium manufacturer of BEV), three entirely different business strategies have been analyzed in detailed case studies. Further structural components like networks and non-technical institutions/framework conditions were also taken into account during the analysis. Subsequently, the functional pattern of the TIS in the six leading countries has been analyzed, along the seven key processes and functions respectively of the influence on the direction of search, knowledge development, entrepreneurial experimentation, knowledge diffusion/development of positive externalities, legitimation, resource mobilization and market formation. Overall, a big lead by the Asian countries follows from the investigation results and especially Japan ahead of China and Korea, ahead of the USA, France and Germany that becomes smaller but has still not been caught up yet. In conclusion, the functionality of the TIS surrounding energy storage for electric mobility in Germany has been evaluated, which is in a formative phase and therewith on one level with the neighbor country France and the USA. From the strengths and weaknesses, the inducing and blocking key factors of the TIS surrounding energy storage for electric mobility were derived and shown as drivers and blockages. From this, political key questions resulted, which need to be answered regarding the further positioning of the German automotive industry for electric mobility in general and electrochemical energy storage technologies in particular.

Die Elektromobilität erhielt einen neuen Aufschwung, als die Menschheit mit der jüngsten Jahrtausendwende realisierte, dass der fortschreitende Klimawandel u. a. auf das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid (CO2) zurückzuführen ist, welches auch durch den Verkehr weltweit emittiert wird. Innerhalb des Verkehrssektors nahmen insbesondere die CO2-Emissionen durch die Mobilität auf der Straße zu, weshalb der Fokus auf Elektrofahrzeuge und dabei vor allem auf Plug-in-Hybridfahrzeuge (engl. „plug-in hybrid electric vehicles“, Abkürzung PHEV) und rein batterieelektrische Fahrzeuge (engl. „battery electric vehicles“, Abkürzung BEV) fiel. Für die Verwirklichung von Elektromobilität stellen elektrochemische Energiespeicher vor allem angesichts ihres wesentlichen Wertschöpfungsbeitrages eine Schlüsseltechnologie dar, weshalb ein internationaler Wettlauf einsetzte, um möglichst früh große Marktanteile zu sichern. Als Methodik zur Analyse, welche Länder weltweit die besten Voraussetzungen für diese Konkurrenz aufweisen, wurden die Grundlagen zu Technologischen Innovationssystemen (TIS) in den Erneuerbaren Energietechnologien ausgewählt, dokumentiert und ausführlich diskutiert. Der TIS-Ansatz entwickelte sich evolutionär über verschiedene Ansätze der Innovationssystemforschung hinweg und erlaubt heute nicht nur eine funktionale Analyse von TIS, sondern bietet auch ein Phasenmodell zur Entwicklung von TIS, das in der vorliegenden Dissertation diskutiert und überarbeitet wird. Eine Untersuchung relevanter Fallstudien in den Erneuerbaren Energietechnologien nach den drei Kriterien Hypothese, Ergebnis und Lesson learned erlaubte es, bewährte Vorgehensweisen für die folgende, detailliert vergleichende Innovationssystem-Analyse abzuleiten. Ein umfassendes Roadmapping bis zum Jahr 2030 zeigt auf, welche technologischen Entwicklungspfade zur Verfügung stehen, welche Anwendungsvielfalt und Marktentwicklung zu erwarten ist und welche Herausforderungen konkret zu lösen sind, um den technischen Fortschritt mit der marktbezogenen Nachfrage in Einklang zu bringen. Vor diesem Hintergrund also wurde in dieser Dissertation das TIS rund um die Energiespeicher für die Elektromobilität auf Batteriesystemebene bzw. noch vor der Integration in spezifische Fahrzeugkonzepte in Deutschland im Kontext der Europäischen Union analysiert und mit den TIS in den Ländern China, Japan, Korea, den USA und Frankreich verglichen. Diese sechs Länder waren im Rahmen einer Patentanalyse als führend bestimmt worden, wobei nach anfänglicher Führung durch die USA in den 80er Jahren insbesondere Japan heute mit weitem Abstand unumstrittener Technologieführer ist. Die Analyse begann mit maßgeblichen strukturellen Komponenten und damit der Energie-speicher-Industrie/Batteriehersteller. Ebenfalls analysiert wurden die Automobilindustrie bzw. Elektrofahrzeughersteller, getrennt nach PHEV- und BEV-herstellenden Unternehmen. Mit den drei Unternehmen Toyota Motor Corp. (vom Pionier und Innovationsführer in Hybridfahrzeugen (HEV) zum Pionier und Innovationsführer in Brennstoffzellenfahrzeugen (FCEV)), Tesla Inc. (vom Angreifer zum Weltmarktführer in BEV) und der BMW Group (Plug-in-Hybridisierung der Produktpalette auf dem Weg zum BEV-Premiumhersteller) wurden drei vollkommen unterschiedliche Unternehmensstrategien in detaillierten Fallstudien analysiert. Die weiteren strukturellen Komponenten wie Netzwerke und nicht-technische Institutionen/Rahmenbedingungen wurden im Verlauf der Analyse ebenfalls berücksichtigt. Anschließend wurde das funktionale Muster des TIS in den sechs führenden Ländern analysiert, entlang der sieben Schlüsselprozesse bzw. Funktionen des Einflusses auf die Suchrichtung, der Wissensentwicklung, des Unternehmerischen Experimentierens, der Wissensverbreitung/Entwicklung positiver externer Effekte, der Legitimität, der Ressourcenmobilisierung und der Marktentstehung. Insgesamt resultiert aus den Untersuchungsergebnissen ein großer Vorsprung der asiatischen Länder und insbesondere Japans vor China und Korea, vor den USA, Frankreich und Deutschland, der zwar kleiner wird, aber immer noch nicht aufgeholt ist. Abschließend wurde die Funktionalität des TIS rund um die Energiespeicher für die Elektromobilität in Deutschland beurteilt, das sich in der formenden Phase und damit im internationalen Vergleich vor allem mit Nachbarland Frankreich sowie den Vereinigten Staaten von Amerika auf einer Ebene befindet. Aus den Stärken und Schwächen wurden die fördernden und hemmenden Schlüsselfaktoren für das TIS rund um die Energiespeicher für die Elektromobilität abgeleitet und als Treiber und Blockaden dargestellt. Daraus resultierten politische Schlüsselfragen, die es für die weitere Positionierung des deutschen Automobilstandorts hinsichtlich der Elektromobilität im Allgemeinen und elektrochemischen Energiespeichertechnologien im Besonderen zu beantworten gilt.