Die Herstellung von Akkus für Elektroautos oder zum Zwischenspeichern von Ökostrom verschlingt viel Energie und Rohstoffe. Um die Effizienz bei der Ausnutzung der Rohstoffe und der eingebrachten Energie zu steigern, müssen die Produktionslinien für Batteriezellen dringend digitalisiert und jede einzelne Batteriezelle mit einer digitalen Signatur versehen werden. Davon sind die Autoren des aktuellen Handbook on Smart Battery Cell Manufacturing vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) überzeugt.
Gigafactories brauchen viel Energie
Denn ihre Analysen haben ergeben, dass der Betrieb von 40 Gigafactories für Batteriezellen allein etwa zehn Gigawatt Kraftwerkskapazität erfordert um deren Energiebedarf zu decken. Laut Studien der Unternehmensberatung McKinsey werden 80 dieser Gigafactories in Europa bei 2040 entstehen. Dazu kommen noch die vielen seltenen und kritischen Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt und Graphit, aber auch Polymere und Elektrolyte, die in jeder einzelnen Batteriezelle stecken. Für einen Pkw brauche man etwa 7.000 bis 10.000 Stück davon, wie die Forscher des Fraunhofer IPA betonen.
Produktion effizient und nachhaltig gestalten
Gleichzeitig fallen nach Angaben der Autoren des Handbuchs bei der Produktion der Batteriezellen bisher sechs bis 16 Prozent Ausschuss an. Dieser muss nicht nur recycelt werden, sonder belastet das gesamte System zusätzlich. Deshalb muss unbedingt mehr Effizienz in die Produktionssysteme. „Um die Produktion effizient und nachhaltig zu gestalten, muss wiederum die Batteriezellenfertigung unbedingt optimiert werden“, erklärt Kai Peter Birke, Leiter Elektrische Energiespeichersysteme an der Universität Stuttgart und Leiter des Zentrums für digitalisierte Batteriezellproduktion am Fraunhofer IPA. „Die Batteriezellenproduktion ist heute zum großen Teil immer noch auf einem Stand, auf dem die Automobilindustrie in den 1960er Jahren war: Man probiert Dinge aus, wartet ab, ob sie sich in der Praxis bewähren und justiert dann den Fertigungsprozess nach. Diese Trial-and-Error-Methode ist nicht nur sehr ineffizient, sondern auch langwierig und mit dem Verbrauch von Energie und Ressourcen verbunden“, warnt er.
Fehler schneller erkennen
Ein Mehr an Effizienz ist mittels der Digitalisierung möglich. Denn dadurch lassen sich Produktionsprozesse nicht nur beschleunigen, sondern auch verbessern. Denn so werden Qualitätsmängel schneller erkannt. Bauteile, die Fehler aufweisen, können dann mittels einer digitalen Fehleranalyse untersucht werden. Sind die Ursachen für die Fehler erkannt, können die Herstellungsprozesse schnell angepasst werden. Das spart Material und Energie. Außerdem können die Hersteller besser auf Kundenwünsche reagieren.
Digitaler Steckbrief für jede Zelle
Doch die Möglichkeiten der Digitalisierung der Batteriezellherstellung gehen noch viel weiter. „Die Daten, die während der Produktion gesammelt werden, lassen sich anschließend nutzen, um für jede Zelle einen Steckbrief zu erstellen, der sie ein ganzes Produktleben lang begleitet“, beschreibt Kai Peter Birke. Ein solcher Steckbrief würde dann etwa Informationen zur Materialzusammensetzung der Zelle und der Elektroden enthalten und wie viel Elektrolyt zugegeben wurde. Speziell dafür haben Forscher des Fraunhofer IPA einen intelligenten Werkstückträger entwickelt, der beispielsweise das Gewicht digital bestimmt. Der digitale Steckbrief enthält aber auch Informationen über die Leistungsdaten der einzelnen Batteriezelle.
Effizientere Akkus werden möglich
Dieser digitale Steckbrief könnte mittels eines QR-Codes abrufbar sein, der auf jeder Batteriezelle aufgedruckt wird. Dann haben die Hersteller der Akkus die Möglichkeit, die Batteriezellen genauer zu sortieren und auf diese Weise die Lebensdauer und die Leistung der Speicher zu erhöhen. „Die Lebensdauer der fertigen Akkus hängt ab von der Kapazität der Einzelzellen – je geringer die Kapazitätsunterschiede sind, desto länger lebt die Batterie“, erklärt Birke. „Wenn die Hersteller von Akkus dank der digitalen Steckbriefe die Kapazitäten jeder Einzelzelle kennen, können sie diese gezielt auswählen und zu hochqualitativen Akkus verbinden.“
Sortenrein recyceln
Der digitale Steckbrief könnte aber auch den Betrieb eines fertigen Speichers optimieren und so die Lebensdauer nochmals zu verlängern. Denn wenn ein Batteriemanagement die in diesem Steckbrief hinterlegten Informationen hat und entsprechend programmiert ist, kann es den Ladeprozess so steuern, dass die einzelnen Zellen möglichst gut ausgelastet werden. Die Informationen vom Batteriemanagementsystem wiederum, das auch die Performance der Zellen ermittelt, wäre hilfreich für die Recycler. Denn diese könnten dann die leistungsfähigsten Zellen für eine Second-Life-Batterien verwenden. Der Rest ließe sich mittels der präzisen Informationen über die Materialzusammensetzung sortenrein zerlegen und recyceln. „Eine solche umfassende Digitalisierung des gesamten Lebenszyklus ist derzeit noch Zukunftsmusik“, weiß Birke. „Unsere Untersuchungen zeigen jedoch, dass sich die Investitionen in den digitalen Transformationsprozess für die Hersteller erheblich auszahlen, weil sie nicht nur Material- und Energiekosten sparen, sondern auch ihre Produkte verbessern könnten.“ (su)
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