Je effizienter und nachhaltiger eine Batteriefabrik arbeitet, desto geringer sind die Stromkosten, die Ausschussrate und die Emissionen. Schlüssel dazu ist die Digitalisierung.
Eine Untersuchung zeigt Vorteile der Digitalisierung in der Batteriezellfertigung auf: Einsparungen von Millionen Euro und Emissionsreduktionen möglich.
phonlamaiphoto / Stock.adobe.com
Mithilfe der Digitalisierung soll die Herstellung von Batterien unter anderem für E-Fahrzeuge günstiger und sauberer werden, wie eine Untersuchung der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) und Accenture verdeutlicht. Demnach könnte mit digitalen Lösungen eine Zellfabrik für Lithium-Ionen-Batterien mit einer Kapazität von 40 GWh jährlich bis zu 27 Millionen Euro und fast 10 % ihrer Emissionen einsparen.
"Die durchgängige Digitalisierung der Wertschöpfungskette ist ein zentraler Wegbereiter für eine nachhaltigere Batterieproduktion", betont Dr. Jonathan Krauß, kommissarischer Bereichsleiter Digitalisierung der Batteriezellfertigung an der Fraunhofer FFB. "Digitale Investitionen zeigen klare wirtschaftliche Vorteile, insbesondere durch die Senkung der Produktionskosten. Die Herausforderung für Batteriehersteller besteht darin, die richtigen Technologien zu identifizieren und rechtzeitig darin zu investieren."
Mehr Effizienz durch digitale Technologien
Beim Energieverbrauch, der etwa 5 % der Produktionskosten ausmache, sollen digitale Verfolgungs- und Optimierungstechnik ein Einsparpotenzial von bis zu 9,5 % bieten, wie die Studie ermittelt hat. Der geringere Energieverbrauch sei auch Haupttreiber der möglichen Emissionseinsparungen von bis zu 9,7 %. Ausfallzeiten von Produktionsmaschinen, ein weiterer Kostenfaktor, ließen sich zum Beispiel mit digitalen Anwendungen für vorausschauende Wartung um bis zu 7,1 % senken.
Um den Energiebedarf in der Batteriezellfertigung zu reduzieren, hat das Fraunhofer FFB auch ein Vorgehen entwickelt, das sich am PDCA-Zyklus orientiert und digitale Werkzeuge zur Unterstützung und Optimierung einsetzt. Der aus anderen Qualitätsmanagementsystemen bekannte Zyklus besteht aus den Phasen "Planen" (Plan), "Durchführen" (Do), "Kontrollieren" (Check) und "Optimieren" (Act). So habe die Planungsphase mittels Öko- und Energiebilanzierung die Bereiche mit den größten Energieverbräuchen identifiziert, erklären die Springer-Autoren um Lukas Kokozinski im Buchkapitel Potenziale der Digitalisierung für eine nachhaltige Batteriezellproduktion. Im Rahmen der "Durchführung" würden konkrete Beispiele wie Nah-Infrarottrocknung, Trockenbeschichtung, Mini-Environments oder optimierte Zellfinalisierung dargestellt. Diese Technologien sollen das Potenzial bieten, den Energieverbrauch einzelner Prozessschritte beziehungsweise Anlagen zu reduzieren und die Energieeffizienz zu erhöhen. Die Implementierung und Inbetriebnahme sollen sich durch den digitalen Zwilling kontrollieren und durch virtuelle Experimente und künstliche Intelligenz (KI) weiter optimieren lassen.
Ausschussraten reduzieren
Ein weiterer Ansatz, um die Batteriezellfertigung zu optimieren, betrifft die sogenannte Ausschussrate, also den Anteil an Materialien und Batterien, die wegen qualitativer Mängel nicht verwertet beziehungsweise in Umlauf gebracht werden können. Hohe Ausschussraten sind laut der Fraunhofer-Accenture-Studie ein bekanntes Problem in der Massenproduktion von Batteriezellen. Sie ließen sich zum Beispiel mit digitalen Qualitäts- und Rückverfolgbarkeitslösungen um bis zu 10,3 % im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung reduzieren. Materialkosten würden mit rund 70 % den größten Anteil an den gesamten Herstellungskosten einer Batteriezelle ausmachen. Digitale Lösungen könnten hier besonders dazu beitragen, Kosten zu senken und Abfälle zu vermeiden, so die Studie. Insbesondere die Elektrodenfertigung, der erste Schritt in der Batteriezellproduktion, soll von der Digitalisierung profitieren, da hier das Gros des Materialverbrauchs anfalle.
Das Fraunhofer FFB hat daher ein Traceability-Konzept auf Zellebene entwickelt, mit dem einzelne Bestandteile einer Batteriezelle während der gesamten Produktion verfolgt werden können. Durch die Früherkennung von Qualitätsabweichungen und die Vorhersage der Zellqualität basierend auf Zwischenprodukten lässt sich die Ausschussrate reduzieren, wie Fraunhofer-Forscher im Artikel Rückverfolgbarkeit und Digitalisierung in der Batteriezellfertigung erläutern. Zur Aggregation der dafür notwendigen Daten in der Batteriezellfertigung könne ein digitaler Zwilling als Basis dienen.
Einen weiteren Ansatz verfolgt MVTec Software, ein Anbieter von Software für die industrielle Bildverarbeitung. Um Produktionsfehler, Beschädigungen oder Verunreinigungen frühzeitig zu erkennen, setzt das Unternehmen während des gesamten Prozesses auf Machine Vision zur Qualitätssicherung und Optimierung des Fertigungs-Workflows ein, wie Klaus Schrenker im Artikel Machine Vision für die Batterieproduktion 4.0 erklärt. Als "Auge der Produktion" nutzt maschinelles Sehen Hard- und Software zur Bilderfassung und Bildverarbeitung, um industrielle Fertigungsprozesse zu optimieren. Bislang bleibe der Einsatz von Machine Vision in der Batterieproduktion, so Schrenker, allerdings noch weit hinter seinem Potenzial zurück.
Noch viel Luft nach oben
Auch für Dr. Philipp Wunderlich, Leiter Battery Technology Consulting bei Accenture, ist beim Thema Digitalisierung noch viel Arbeit notwendig. "Die Zellhersteller haben im Bereich Digitalisierung noch viel Luft nach oben, selbst beim Einsatz grundlegender digitaler Anwendungen wie der Sammlung und Echtzeit-Auswertung von Daten, die eine Vorrausetzung für die Nutzung von transformativer Technologie wie generativer KI sind."
Immerhin hat die Europäische Union (EU) jetzt einen wichtigen Schritt in Richtung nachhaltiger Energiespeicher gemacht, und zwar mit ihrem digitalen Produktpass für Batterien. Der EU-Batteriepass soll eine nahtlose Dokumentation des Batterielebens von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling unterstützen. Das umfasst neben der Batterienutzung im Besonderen auch die Batteriezellfertigung: Experten versprechen sich vom digitalen Batteriepass, dass die Auswirkungen der Batterieherstellung – wie zum Beispiel Treibhausgasemissionen – verringert, und die Ressourceneffizienz entlang der gesamten Wertschöpfungskette erhöht werden.