Prognosen zufolge wird sich die Batterieindustrie bis zum Ende des Jahrzehnts verzehnfachen. Dieses Wachstum wird durch die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien angetrieben, vor allem für den elektrifizierten Verkehr und die Energiespeicherung. Die hohe Marktnachfrage und die zunehmend unterstützende Regierungspolitik vieler Länder führen zu einem harten Wettbewerb zwischen Start-ups, Joint Ventures und etablierten Unternehmen. Neue Marktteilnehmer und etablierte Zulieferer stehen vor den gleichen Herausforderungen: Sie alle wollen die Scale-up-Zeit verkürzen, die Ausschussrate reduzieren und den Durchsatz maximieren, ohne dabei die Kosten-, Qualitäts- und Nachhaltigkeitsziele zu vernachlässigen. Mit traditionellen Fertigungsverfahren lassen sich diese Ziele nicht erreichen.
Unternehmen, die ihre Batterieproduktion kosteneffizient steigern und eine führende Marktposition einnehmen wollen, benötigen ein digitales Unternehmens-Framework für die Fertigung. Dieses verbindet den digitalen Zwilling der Produktion durch Automatisierungstechnologien und industrielle IoT-fähige Geräte (IIoT) mit dem realen Fabrikbetrieb. Das wiederum ermöglicht die virtuelle Gestaltung und Optimierung von Produktionslinien und die Validierung von Produktionsprozessen vor der Implementierung in der Fabrikhalle. Das Investitionsrisiko wird so verringert und die Zeit bis zur Skalierung verkürzt.
Die Verbindung des digitalen Frameworks mit Automatisierungshardware und -software sowie dem Industrial IoT ermöglicht eine durchgängige Integration der Produktion. Diese Integration liefert Erkenntnisse über die Ausführung der Produktion in großem Maßstab und einen datengesteuerten Rahmen zur kontinuierlichen Verbesserung des Produktionsdurchsatzes bei gleichzeitigem Ausgleich von Prozessnachhaltigkeit und Rentabilität auf lange Sicht.
Schnellere Skalierung mit virtueller Entwicklung
Beispiele aus den letzten Jahren haben gezeigt, dass es von der Ankündigung einer Gigafabrik zu einer stabilen Produktion in großem Maßstab sieben oder mehr Jahre dauern kann. Diese lange Zeit der industriellen Skalierung ist eine große Herausforderung in diesem sich schnell verändernden Batteriemarkt. Das Ziel der virtuellen Entwicklung der Fertigung ist es, den Entwurf, die Konstruktion und das Layout Ihrer Anlage mit vernetzter, multidisziplinärer Technik zu beschleunigen. Auf dieser Grundlage können Unternehmen eine zuverlässige virtuelle Version ihrer Prozesse, Linien und Anlagen erstellen, um Produktionsprozesse iterativ in Betrieb zu nehmen, ohne dass dies mit den Kosten und Risiken der realen Welt verbunden ist.
Darüber hinaus lässt sich durch den Einsatz von Simulationen die Zellentwicklung und -optimierung enorm beschleunigen. Mithilfe von Siemens-Simulationen können Ingenieure die Auswirkungen verschiedener chemischer Systeme auf die Zellleistung, die Zellsicherheit und die Zellalterung genau bewerten und das Zelldesign optimieren, um Energiedichte und Schnellladung zu maximieren. Mit Hilfe der digitalen Zwillinge von Siemens lassen sich Zelldesigns und -verhalten im Hinblick auf die Anforderungen an das Pack und das Endsystem virtuell validieren. Damit sind Unternehmen nicht mehr auf kostspielige und zeitaufwändige Tests angewiesen.
Wir beobachten eine 2- bis 3-fache Beschleunigung des Batteriedesigns und -engineerings, wenn Unternehmen unser Digital-Twin-Framework einsetzen. Mit einem robusten PLM-Backbone bleiben die digitalen Zwillinge von Produkt, Produktion und Fabrik miteinander verbunden und ermöglichen es den Unternehmen, Abhängigkeiten und Auswirkungen von Änderungen über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu berücksichtigen.
Der digitale Zwilling von Batterieprodukten und -produktion wird angesichts der rasanten Entwicklung der Materialchemie, des Zellendesigns und der Fertigungstechniken zu einem zentralen Erfordernis für die Batterieindustrie. Um in einer sich wandelnden Branche eine Führungsposition einzunehmen, ist Agilität erforderlich. Änderungen müssen schnell überprüft werden können, um eine optimale Energie- und Rohstoffnutzung zu gewährleisten.
Einer unserer Kunden nutzt den digitalen Zwilling von Siemens, um Zell-Engineering und -Optimierung zu beschleunigen und die Produktionslinien für die Skalierung von Laborproduktionsprozessen in vollem Umfang virtuell in Betrieb zu nehmen. Durch die Einführung dieses Frameworks konnte das Unternehmen die Zeit verkürzen, die es braucht, um Batteriezellen vom Labor in die Produktion zu überführen und gleichzeitig Nachhaltigkeitsziele und seine eigenen Anforderungen zu erfüllen.
Großserien- Produktionsprobleme erfordern integrierte Lösungen
Eine der größten Herausforderungen bei der Produktion in großem Maßstab ist die sehr hohe Ausschussrate. Wir haben festgestellt, dass die Ausschussrate zu Beginn der Zellproduktion bei 40 Prozent oder mehr liegt. Wenn einige Jahre nach Produktionsbeginn die volle Produktionskapazität erreicht ist, sinkt sie in den meisten Fällen auf knapp unter 10 Prozent. Diese Werte repräsentieren die wichtigsten Engpässe bei der Senkung der Produktionskosten. Um die Ausschussrate zu senken und gleichzeitig die Qualitätsziele für die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen zu erreichen, sind Erkenntnisse über die Ausführung in der Fabrikhalle erforderlich. Integrierte Hardware und Software für den gesamten Produktionsprozess sind der Schlüssel zur Verbesserung der Zellproduktion. Diese Integration ermöglicht eine digitale Kontinuität von virtuell validierten Prozessplänen bis hin zur papierlosen Produktionsausführung. Software für die Produktionsausführung, die über eine SCADA-Ebene mit Automatisierungshardware verbunden ist, ermöglicht es Fertigungsteams, die Produktion in großem Maßstab zu steuern und die gewünschten Produktionsverfahren umzusetzen. Möglich wird dies durch eine IT/OT-Integration, die Rückverfolgung, Nachverfolgung und Maschinenintegration ermöglicht, um Probleme schnell zu erkennen und zu beheben.
Die einfache gemeinsame Nutzung von Daten innerhalb eines Werks und des Zulieferernetzes unterstützt eine weitaus effektivere Planung als bisher. Unternehmen können eine effektivere werksinterne Logistik und sichere Lieferketten schaffen. Damit lassen sich zudem die Herkunft von Materialien oder die damit verbundenen Umweltauswirkungen jeder einzelnen Fertigungsstufe erfassen. Ein besser vernetzter Fertigungsprozess verringert die Komplexität und erhöht gleichzeitig die Flexibilität durch vertikale und horizontale Standardisierung. Dies war für einen unserer Kunden von unschätzbarem Wert, der sich zum europäischen Marktführer für EV-Batteriezellen und -module entwickeln möchte.
Intelligente Produktionskompetenz für maximalen Durchsatz und nachhaltige Produktion
Die Produktion von Lithium-Ionen-Zellen besteht aus verschiedenen Fertigungsschritten, die jeweils mit einem unterschiedlichen Zeit-, Energie- und Kapitalaufwand verbunden sind. Einige dieser Schritte, beispielsweise die Zellbildung und die Alterung, können zehn oder mehr Tage dauern, was zu erheblichen Engpässen führt und den Produktionsdurchsatz beeinträchtigt. Fertigungsschritte wie das Trocknen der Elektroden oder das Mischen der Beschichtung müssen optimiert werden, um den Energieverbrauch zu senken, ohne die Qualität zu beeinträchtigen. Außerdem ist die Zellproduktion ein sehr energieintensiver Prozess, der bis zu 40 Energieeinheiten verbrauchen kann, um eine Einheit Batterieenergie zu erzeugen. Dies setzt die Unternehmen unter Druck, den Energieverbrauch ihrer Anlagen zu optimieren, um ihren ökologischen Fußabdruck zu minimieren. Ein Weg, um solche Probleme anzugehen, ist die bessere Nutzung der Daten aus Maschinen und Fabriken. Bisher werden diese in traditionellen Batterieproduktionseinrichtungen nicht gut genutzt, um die erforderliche Intelligenz in die Batterieproduktion und den Fabrikbetrieb zu bringen.
Die Verbindung von Industrial IoT und Automatisierungstechnologien mit einem Manufacturing Execution System und dem digitalen Zwilling der Produktion ist der Schlüssel zur datengesteuerten Fertigung. Die Herstellung von Lithium-Ionen-Zellen ist ein hochkomplexer Prozess, der etwa 600 Prozessmerkmale umfasst. Angesichts der Datenmenge und der komplizierten Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Fertigungsschritten in einem typischen Zellproduktionsprozess ist KI erforderlich, um die Wechselbeziehungen zwischen den verschiedenen Schritten zu verstehen und von den Produkt-/Prozesspartnern zu lernen. Typische Anwendungsfälle sind unter anderem die Inline-Qualitätskontrolle, Computer Vision zur Messung der Slurry-Viskosität und von Beschichtungsfehlern sowie die Vorhersage des Zellverhaltens während des Alterungsprozesses. Datenplattformen mit standardisierten Datenmodellen sind entscheidend für die Zusammenführung von IT und OT und ermöglichen eine nahtlose Datenerfassung aus Maschinen und Fabriken.
Darüber hinaus ermöglichen es das industrielle IoT und der datengesteuerte Betrieb, den Energieverbrauch zu verfolgen und den Fabrikbetrieb zu optimieren, um den ökologischen Fußabdruck eines Unternehmens zu verringern. Ausfallzeiten während des Fabrikbetriebs können unter anderem auch durch eine vorausschauende Wartung der Maschinen reduziert werden, was den Produktionsdurchsatz insgesamt verbessert.
Das Rennen gewinnen
Um in der schnell wachsenden Batterieindustrie eine marktführende Position einzunehmen, müssen wir uns intelligente Fertigungsverfahren zu eigen machen. Das bedeutet, dass man sich auf die Simulation und Validierung vor Beginn des Betriebs verlegt, die Zeit für die Weitergabe technischer Änderungen verkürzt und eine belastbare Lieferkette aufbaut.
Integrierte Hardware- und Softwarelösungen, die Einblicke in die Ausführung der End-to-End-Produktion bieten, ermöglichen eine Reduzierung der Ausschussrate und eine Verbesserung der Qualität. Da die Herstellungskosten etwa 25 Prozent der Zellkosten ausmachen, ist eine schnellere Senkung der Ausschussrate bei gleichzeitiger Verbesserung der Qualität und des Produktionsdurchsatzes von zentraler Bedeutung für das Ziel der Batterieindustrie, die Produktionskapazität in den kommenden Jahren kostengünstig um das Zehnfache zu steigern. Um all dies nachhaltig und langfristig gewinnbringend zu erreichen, müssen die Unternehmen den Energieverbrauch minimieren, den ganzheitlichen ökologischen Fußabdruck begrenzen, die Transparenz in der gesamten Produktion aufrechterhalten und Probleme vorhersehen, bevor sie auftreten.
Die Digitalisierung kann ein beunruhigendes Unterfangen sein, aber das Fachwissen von Siemens in der Fertigung und unsere schnell wachsenden Investitionen in Batterien stehen jedem Kunden zur Verfügung, der den Sprung in die Zukunft der Produktion wagen will. Wir verfügen über Kompetenzen in den Bereichen Hardware und Software und viele der damit verbundenen Technologien, auf die sich unsere Kunden tagtäglich verlassen.
Über den Autor:
Puneet Sinha ist Senior Director für die Batterieindustrie bei Siemens Digital Industries Software. In dieser Funktion leitet er die Strategie des Unternehmens und den funktionsübergreifenden Wachstumsfokus für Batterien. Sinha verfügt über 15 Jahre Industrieerfahrung in der Markteinführungsstrategie von Batterien und Elektrofahrzeugen, in der Produktentwicklung und in der erfolgreichen Umsetzung von Startups vor dem Umsatz. Bevor er zu Siemens kam, arbeitete er bei General Motors, wo er globale Forschungs- und Entwicklungsteams leitete, um eine Vielzahl von Problemen mit Brennstoffzellen und batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen zu lösen, sowie bei Saft, einem Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien. Außerdem war er VP of Business Development bei EC Power, einem Startup-Unternehmen für die Entwicklung von Software und Technologie für Li-Ionen-Batterien. Sinha hat einen Doktortitel in Maschinenbau von der Pennsylvania State University. Er hat mehr als 20 viel beachtete Zeitschriftenartikel verfasst und sieben Patente für die Entwicklung von Batterie- und Brennstoffzellensystemen und Betriebsstrategien erhalten.
