Strategische Planung der Fertigungstiefe bei Unsicherheit und Dynamik: Ein simulationsbasierter Ansatz am Beispiel der Fertigung von Traktionsbatterien

329 Pages·2014·2.57 MB·German

by  Christian Huth (auth.)

Produktion und Logistik
Herausgegeben von
B. Fleischmann, Augsburg, Deutschland
M. Grunow, München, Deutschland
H.-O. Günther, Berlin, Deutschland
S. Helber, Hannover, Deutschland
K. Inderfurth, Magdeburg, Deutschland
H. Kopfer, Bremen, Deutschland
H. Meyr, Stuttgart, Deutschland
T. Spengler, Braunschweig, Deutschland
H. Stadtler, Hamburg, Deutschland
H. Tempelmeier, Köln, Deutschland
G. Wäscher, Magdeburg, Deutschland
Diese Reihe dient der Veröff entlichung neuer Forschungsergebnisse auf den Gebie-
ten der Produktion und Logistik. Aufgenommen werden vor allem herausragende
quantitativ orientierte Dissertationen und Habilitationsschrift en. Die Publikatio-
nen vermitteln innovative Beiträge zur Lösung praktischer Anwendungsprobleme
der Produktion und Logistik unter Einsatz quantitativer Methoden und moderner
Informationstechnologie.
Herausgegeben von
Professor Dr. Bernhard Fleischmann Professor Dr. Herbert Meyr
Universität Augsburg Universität Hohenheim
Professor Dr. Martin Grunow Professor Dr. Th omas S. Spengler
Technische Universität München Technische Universität Braunschweig
Professor Dr. Hans-Otto Günther Professor Dr. Hartmut Stadtler
Technische Universität Berlin Universität Hamburg
Professor Dr. Stefan Helber Professor Dr. Horst Tempelmeier
Universität Hannover Universität Köln
Professor Dr. Karl Inderfurth Professor Dr. Gerhard Wäscher
Universität Magdeburg Universität Magdeburg
Professor Dr. Herbert Kopfer
Universität Bremen
Kontakt
Professor Dr. Th omas S. Spengler
Technische Universität Braunschweig
Institut für Automobilwirtschaft
und Industrielle Produktion
Katharinenstraße 3
38106 Braunschweig
Christian Huth
Strategische Planung
der Fertigungstiefe
bei Unsicherheit
und Dynamik
Ein simulationsbasierter
Ansatz am Beispiel der
Fertigung von Traktionsbatterien
Mit einem Geleitwort von
Prof. Dr. Thomas S. Spengler
Christian Huth
Braunschweig, Deutschland
Dissertation Technische Universität Braunschweig, 2014
ISBN 978-3-658-06830-1 ISBN 978-3-658-06831-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-06831-8
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Geleitwort
Die Reduktion anthropogener CO2-Emissionen ist vor dem Hintergrund der globalen Erwär-
mung eine der größten Herausforderungen unserer Gesellschaft. Von besonderer Bedeutung
sind hierbei die Sektoren der Energieerzeugung und der industriellen Produktion sowie der
Verkehrssektor. So werden etwa die Automobilhersteller in Deutschland und Europa ver-
pflichtet, die CO2-Emissionen ihrer Neufahrzeugflotten bis zum Jahr 2020 durchschnittlich
auf 90 g/km zu reduzieren. Neben der weiteren Verbesserung der Kraftstoffeffizienz konven-
tioneller Verbrennungsmotoren bedarf die Erreichung dieser Ziele der Einführung elektrisch
angetriebener Fahrzeuge. Auch wurde durch die nationale Plattform für Elektromobilität die
Zielsetzung formuliert, bis zum Jahre 2020 mehr als eine Million Elektrofahrzeuge auf die
Straße zu bringen. Sowohl reine Elektrofahrzeuge als auch Hybridfahrzeuge bedürfen des
Einsatzes leistungsstarker Traktionsbatterien, die als eine Schlüsselkomponente der Elek-
tromobilität angesehen werden. Aufgrund der vorherrschenden Unsicherheit hinsichtlich
zukünftiger Technologieentwicklungen, der damit verbundenen hohen Investitionen und
Kosten sowie der nur schwierig prognostizierbaren zukünftigen Marktanteile elektrisch an-
getriebener Fahrzeuge stellt die strategische Planung der Fertigungstiefe von Traktionsbatte-
rien eine gleichermaßen wichtige wie komplexe Aufgabe dar. Adäquate Planungsansätze
liegen derzeit in der Literatur nicht vor.
Diese Herausforderung greift die Dissertation von Herrn Huth auf. Die primäre Zielsetzung
seiner Arbeit besteht in der Entwicklung eines Ansatzes zur Planung von Fertigungstie-
fenstrategien in einem durch Unsicherheit und Dynamik gekennzeichneten Umfeld. Zu die-
sem Zweck entwickelt er ein zweistufiges Planungsmodell, das sämtliche relevanten Hand-
lungsalternativen, Umfeldfaktoren und Zielgrößen berücksichtigt und wendet dies im Rah-
men von Fallstudien auf die Fertigungstiefenplanung von Traktionsbatterien an. Das Pla-
nungsmodell ist gekennzeichnet durch eine multikriterielle Bewertung und Vorauswahl von
Fertigungstiefenstrategien auf Basis von Leistungszielen und daran anschließend durch eine
investitionstheoretische Bewertung der vorausgewählten Strategien mittels finanzwirt-
schaftlicher Kennzahlen. Die Berücksichtigung von Investitionsrisiken erfolgt hierbei mittels
eines Simulationsmodells. Auf Basis von Zufallsvariablen und deren Wahrscheinlichkeitsver-
teilungen sowie Erfahrungs- und Wachstumskurven formuliert er detaillierte mathematische
Formalismen zur Ableitung entscheidungsrelevanter Zahlungsreihen, die ihrerseits die
Grundlage zur finanzwirtschaftlichen Bewertung bilden. Neben der Abbildung diskreter
Technologiesprünge und diskreter Kapazitätsanpassungen im Zeitablauf zeichnet sich das
VI Geleitwort
Simulationsmodell durch eine Vielzahl anspruchsvoller Modellierungsdetails aus, die ge-
schickt mit einer Monte-Carlo-Simulation verbunden werden.
Die von Herrn Huth vorgelegte Dissertation deckt eine sowohl unter theoretischen als auch
praxisorientierten Gesichtspunkten äußerst anspruchsvolle Thematik ab. Der akademische
Neuheitsgrad ergibt sich zum einen aus der Übertragung einer im Produktionsmanagement
weit verbreiteten Fragestellung zur Optimierung der Fertigungstiefe auf eine neuartige und
aktuelle Problemstellung, die gleichermaßen durch Komplexität, Unsicherheit und hohe be-
triebswirtschaftliche Relevanz gekennzeichnet ist. Zum anderen ist es Herrn Huth gelungen,
einen zweistufigen Planungsansatz zu konzipieren, mathematisch zu formulieren und im
Rahmen ausgewählter Fallstudien auf praktische Problemstellungen anzuwenden. Besonders
die mathematischen Formulierungen zur Ermittlung entscheidungsrelevanter Zahlungs-
reihen sowie die mittels einer Monte-Carlo-Simulation durchgeführte Risikoanalyse ermögli-
chen es Entscheidungsträgern der Automobilindustrie, belastbare Analysen zur Bewertung
der Vorteilhaftigkeit alternativer Strategien zur Bereitstellung von Traktionsbatterien durch-
zuführen und damit ihre Wettbewerbsposition abzusichern.
Herrn Huth ist es insgesamt gelungen, eine überzeugende Arbeit an der Schnittstelle zwi-
schen Theorie und Praxis sowie Wirtschafts- und Ingenieurwissenschaft zu erstellen und den
Stand der Forschung zur Fertigungstiefenplanung einen wesentlichen Schritt voranzubrin-
gen. Es bleibt zu wünschen, dass der Arbeit die verdiente Aufmerksamkeit in Forschung und
Praxis zukommt.

Univ.-Prof. Dr. Thomas S. Spengler
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mit-
arbeiter am Lehrstuhl für Produktion und Logistik des Instituts für Automobilwirtschaft und
Industrielle Produktion an der Technischen Universität Braunschweig. Den erfolgreichen Ab-
schluss der Arbeit möchte ich zum Anlass nehmen, mich bei allen Personen zu bedanken, die
zum Gelingen beigetragen haben.
Besonderer Dank gebührt meinem Doktorvater Prof. Dr. Thomas S. Spengler, der mir zum
einen die Möglichkeit gegeben hat an seinem Lehrstuhl die Dissertation anfertigen zu kön-
nen und mich zum anderen während des Prozesses mit fachlichen und konstruktiven Anre-
gungen und Hinweisen begleitet hat. Durch die von ihm geschaffene offene Arbeitsat-
mosphäre und die gewährten Freiheitsgrade von der Themenfindung bis hin zur Modellge-
staltung wird mir die Zeit am Lehrstuhl immer in positiver Erinnerung bleiben.
Bedanken möchte ich mich auch bei Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann für die Übernahme
des Korreferats sowie die zügige und gewissenhafte Begutachtung der Arbeit und bei Prof.
Dr. David. M. Woisetschläger für die Übernahme des Vorsitzes der Prüfungskommission.
Mein herzlicher Dank gilt auch allen Kollegen, die ich während meiner Zeit am Lehrstuhl
kennen lernen durfte. Ganz besonders möchte ich Dr. Karsten Kieckhäfer, Dr. Kai Wittek und
Prof. Dr. Thomas Volling danken, die durch ihre Begleitung und Anregungen wesentlich zum
Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Dank gebührt auch den Kollegen Anna Diener, Ma-
ren Gäde, Martin Grunewald, Dr. André Hintsches, Isa von Hoesslin, Claas Hoyer, Andreas
Matzke, Christoph Meyer, Karen Puttkammer, Ina Schlei, Kerstin Schmidt, Christian Thies,
Katharina Wachter, Dr. Matthias Wichmann und Philipp Zeise, die in zahlreichen Diskussio-
nen die Arbeit vorangetrieben haben. Frau Birgit Haupt danke ich für die Unterstützung bei
allen administrativen Angelegenheiten.
Darüber hinaus gebührt weiterer Dank meinen Ansprechpartnern in der Automobilindustrie.
Die gemeinsame Diskussion der Modelle, Annahmen und Implikationen hat wesentlich dazu
beigetragen das Forschungsthema in der Praxis einzubetten. In diesem Zusammenhang ist
insbesondere das Niedersächsische Forschungszentrum Fahrzeugtechnik (NFF) herauszuhe-
ben, dessen Umfeld einen Austausch sowohl wissenschaftlichen als auch praxisorientierten
Wissens ermöglicht hat.
Ich möchte mich auch bei Konrad-Adenauer-Stiftung für die ideelle und finanzielle Förderung
im Rahmen der Promotion bedanken.
VIII Vorwort
Des Weiteren geht mein Dank an die Kollegen und Freunde aus dem Turmzimmer Ulrich Le-
werenz, Christina Knupfer, Johannes Kotte und Jens Woloszczak für die motivierende Ar-
beitsatmosphäre außerhalb des Lehrstuhls. Meiner Freundin Ina Lodde danke ich für den
notwendigen persönlichen Rückhalt.
Der größte Dank gebührt meinen Eltern für die Unterstützung und Förderung meines bishe-
rigen Lebenswegs. Besonders möchte ich meiner Mutter Sigrid Huth danken, die immer für
mich da gewesen ist und mich in allen Lebenssituationen begleitet hat.

Christian Huth
Inhaltsverzeichnis
Tabellenverzeichnis ....................................................................................................... XIII
Abbildungsverzeichnis .................................................................................................... XV
Symbolverzeichnis ......................................................................................................... XIX
Abkürzungsverzeichnis ................................................................................................ XXVII
1 Einleitung .................................................................................................................. 1
1.1 Ausgangslage und Problemstellung ............................................................................. 1
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise ................................................................................. 4
2 Rahmenbedingungen und Strategien für die Fertigung von Traktionsbatterien ........... 9
2.1 Eigenschaften von Traktionsbatterien ......................................................................... 9
2.1.1 Anforderungen an Traktionsbatterien ................................................................... 10
2.1.2 Übersicht aktueller Batterietechnologien .............................................................. 13
2.1.3 Prinzipieller Aufbau von Traktionsbatterien .......................................................... 17
2.2 Fertigung von Traktionsbatterien .............................................................................. 21
2.2.1 Aufbau der Fertigungskette ................................................................................... 22
2.2.2 Ökonomische Analyse der Fertigung ..................................................................... 27
2.3 Umfeld der Fertigung von Traktionsbatterien ........................................................... 34
2.3.1 Status der Rohstoffversorgung .............................................................................. 35
2.3.2 Struktur der Zuliefererindustrie ............................................................................. 36
2.3.3 Entwicklung der Batterietechnologie ..................................................................... 38
2.3.4 Einfluss der staatlichen Förderung ......................................................................... 42
2.3.5 Entwicklung der Nachfrage nach Elektrofahrzeugen ............................................. 44
2.4 Strategien der Automobilhersteller ........................................................................... 47
2.4.1 Untersuchungsansatz zur Identifikation der Strategien ........................................ 48
2.4.2 Strategietypen der Fertigung von Traktionsbatterien ........................................... 50
2.4.3 Übergreifende Ergebnisse der Untersuchung ........................................................ 54
2.5 Fazit ............................................................................................................................ 56