Jede Batteriezelle brauch einen Herkunftsnachweis

WARUM DIE RÜCKVERFOLGBARKEIT VON (EINZELNEN) BATTERIEN WICHTIG IST
Die Produktion, der Einsatz, die Wiederverwendung und das Recycling von Batterien bringen eine Menge Herausforderungen mit sich. Die Notwendigkeit eines sauberen, nachhaltigen Prozesses während des gesamten Cradle-to-Cradle-Batterielebenszyklus erfordert eine völlig neue Gestaltung des Herstellungs- und Distributionsprozesses, und sicherlich werden wir erleben, dass sich das Batteriedesign in den nächsten Jahren weiter verändern wird. Schon jetzt gibt es viele verschiedene Typen (zylindrisch, prismenförmig, Pouch), Größen und Nutzungsarten (einzeln oder im Modul oder Pack). Die Forschung wird auch in Zukunft weiterhin neue Materialien hervorbringen, durch die die Leistung der Batterie und des Motors, den sie antreibt, gesteigert wird.
Diese Entwicklungen beeinflussen sich gegenseitig und erfordern eine eindeutige Identifizierung der einzelnen Batteriezelle. Track-and-Trace ist nicht nur wichtig, um die individuelle Leistung jeder Batterie zu überwachen, sondern auch, um weitere Entwicklungen zu verbessern. Da die Vielfalt der Batterien schnell zunimmt, werden wir bei der Rückgewinnung der wertvollen Ausgangsmaterialien im Recyclingvorgang auf Probleme stoßen. Denn dort müssen wir wissen, welche Materialien sich in jeder Batterie befinden und wie sich diese Materialien so wirtschaftlich und nachhaltig wie möglich recyceln lassen.
Die Produktion von Batterien steigt exponentiell an und das Recycling der Batterien wird ungefähr 8 Jahre später in großem Stil erfolgen müssen. Damit es gelingt, den Recyclingvorgang zu managen und so eine nachhaltige Bereitstellung von Ausgangsmaterialien für neue Batterien zu gewährleisten, ist es dringend notwendig, für die Rückverfolgbarkeit der einzelnen Batteriezellen zu sorgen. Dieser Vorgang der Identifizierung und Serialisierung einzelner Produkte ist schon aus anderen Industrien, beispielsweise der Pharmaindustrie, bekannt.
Bis zur Einführung der Rückverfolgbarkeit in der Batterieherstellung müssen jedoch noch einige große Entwicklungen stattfinden. Die Standardisierung der Größen und der verwendeten Materialien ist dort noch nicht so üblich wie in anderen Industrien, wo die Standardisierung bereits vollkommen implementiert ist; in der Batterieproduktion ringen wir immer noch um mehr automatisierte Prozesse. Die Komplexität der Rückverknüpfung von Leistungsdaten zur einzelnen Batteriezelle stellt eine große Herausforderung dar, die es so in anderen Industrien bislang nicht gibt.
Betrachtet man die Produktionslinien für die Batteriezellenherstellung näher, zeigt sich, dass die Kontrolle der Rückverfolgbarkeit auch für andere Prozesse, wie Transport, Palettierung, Etikettierung und Testen, wichtig ist. Die Beförderung von Massen in größeren Anlagen ist dabei effektiver als die Beförderung einzelner Produkte in Produktionslinien. In größeren Anlagen stellt die Rückverfolgbarkeit der einzelnen Zellen allerdings eine noch größere Herausforderung dar. Und damit nicht genug, denn die Batteriezellen werden in Fahrzeugen nicht nur als Einzel-Zellen, sondern auch in Form von Modulen und/oder Packs installiert. Neben der Leistung der einzelnen Zelle muss also auch die Leistung der Gruppe (von Packs oder Modulen) rückverfolgbar sein.
Daher ist es erforderlich, Track-and-Trace-Lösungen für einzelne Zellen und Zellen in Gruppen zu entwickeln, um das Beste aus beiden Welten zu erreichen: eine wirtschaftliche Produktion und die Nachverfolgung während des gesamten Lebenszyklus der Batteriezellen bis hin zum Recycling-Prozess.

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Wie kann man die Batterieproduktion in naher Zukunft organisieren?

Indien hat zwei umfangreiche Ziele, deren Erreichen von der Batterieherstellung abhängt, erstens: ein 100%iges Elektrofahrzeug (EV), zweitens: 450 Gigawatt installierte Kapazität bei der Erzeugung von erneuerbarer Energie. Die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien, die derzeit für EV in Betracht gezogen werden, befindet sich in Indien in der Entstehung. Notwendig wäre eine Strategie, die es der indischen Regierung ermöglichen würde, das Wachstum auf dem Gebiet der Batterieherstellung in Indien zu beschleunigen. Man erwartet, dass die EV-Batterien in Indien ein Potenzial von ca. 300 Milliarden US-Dollar haben, was enorm viel ist. Außerdem wird erwartet, dass Indien für ungefähr ein Drittel des weltweiten Verbrauchs von EV-Batterien verantwortlich sein wird. Abgesehen vom Bedarf an Batterien für EV wird eine hohe Nachfrage nach stationären Batteriespeichersystemen prognostiziert, die für die Integration der intermittierenden Erzeugung erneuerbaren Energien erforderlich sind. Mit der steigenden Beliebtheit von Lithium-Ionen-Batterien, die eine höhere Lade- und Entladerate bewältigen können, ist auch der Einsatz von Batterien in Zusatzgeräten gestiegen.
Da Indien auf dem Gebiet der fortschrittlichen Batteriechemie relativ neu ist, verfügt das Land über begrenzte Erfahrungen in der Entwicklung von Batterietechnologien der neuen Generation. Was die Organisation der Batterieproduktion betrifft, steht Indien hauptsächlich vor drei Herausforderungen: Steigerung des Produktionsvolumens, Infrastruktur und Ressourcen sowie weltweite Konkurrenz.
Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien besteht aus drei Phasen. Die erste ist die Beschaffung von Batteriechemikalien, die für ca. 35 bis 40 % der Gesamtkosten verantwortlich sind. Die zweite ist die Zellenproduktion, die 25 bis 30 % des Produktwerts ausmacht. Und die dritte umfasst die Verarbeitung der Zellen zu Batteriepacks. Während die indischen Unternehmen schon angefangen haben, Packs aus Zellen herzustellen, muss die Produktion der Zellen noch gefördert werden. Erreicht werden kann das beispielsweise durch einen auf Zusammenarbeit beruhenden Ansatz wie Joint Ventures (JV), in denen jedes Mitglied einen bestimmten Prozentsatz der gesamten Anteile besitzt. Die Vorteile von Joint Ventures liegen in einer höheren Glaubwürdigkeit, geteilten Investitionen und geteilten Kosten, Eigenschaften, die helfen, schnell in einen neuen Markt einzutreten.
Außerdem sollte die Regierung die Beschaffung von Materialien fokussieren, die für die Produktion von Zellen erforderlich sind. Die indische Regierung plant, im eigenen Land nach den erforderlichen Ressourcen zu suchen, und nimmt gleichzeitig kluge Investitionen in Minen im Ausland vor. Darüber hinaus ist es möglich, die erforderlichen Rohstoffe durch das Recyceln von alten Batterien zu gewinnen. Der zunehmende Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien macht es notwendig, die Batterien zu recyceln, um am Ende des Nutzungszeitraums nachhaltig mit ihnen umzugehen.
Indien könnte sich darauf konzentrieren, in der Anfangsphase des Aufbaus der Batterieherstellungsindustrie ein weltweiter Lieferant von Zusatzgeräten zu werden. Zusatzgeräte wie Trockenräume, Schweißgeräte, Verschließmaschinen, Stapelmaschinen, Elektrolytfüllmaschinen und Prüfgeräte sind für die Batterieproduktion unerlässlich. Auch die Herstellung von Plastik für Separatoren und Gehäusekomponenten, Tanks, Geräte für Verarbeitung und Handling sowie Vorrichtungen fürs Handling könnte gesteigert werden. Zudem muss die durch Batterien zunehmende Nachfrage nach Kupfer- und Aluminium-Sammelschienen berücksichtigt werden. Ebenso könnte die Fertigung von Komponenten für Lithium-Zellen, beispielsweise Graphit-Anoden, Kathoden und Separatoren, hochgefahren werden.
Die Koordination zwischen Playern in der Industrie und staatlichen Aufsichtsbehörden kann dabei helfen, eine Richtung für die Organisation der Batterieproduktion zu definieren. Die indische Regierung plant, Indien zu einem globalen Produktions-Hub zu machen, und bietet Anreize dafür. Vor kurzem hat das Finanzministerium ein Production-linked-incentive(PLI)-Plan mit einer geplanten Investition von 18.100 Crore Indische Rupien/180 Milliarden Indische Rupien innerhalb von 5 Jahren aufgestellt, um die Produktion, den Export und die Lagerung von Advanced Chemistry Cells (ACC) anzukurbeln. Indien hofft, mithilfe dieses Plans seine Abhängigkeit von Batterie-Importen zu senken und ein robustes Produktions-Ökosystem aufzubauen.

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Monitoring der Performance von Produktionslinien

Die Overall Equipment Effectiveness (OEE) ist eine der Größen, die nach der Installation und Inbetriebnahme von Produktionslinien monitort werden müssen. In Zukunft wird die Überwachung der Leistung von flexiblen EV-Batterieproduktionslinien immer wichtiger werden, da das Durchlaufen der Lernkurve in einem hohen Tempo erfolgen muss. Weil die Notwendigkeit, flexibel zu agieren, jenseits der Massenproduktion hier sogar noch größer sein wird als bei anderen industriell gefertigten Produkten, ist die Wahrscheinlichkeit einer sehr kurzen wirtschaftlichen Lebensdauer der Produktionslinien relativ hoch. So entsteht zunehmend Druck in Bezug auf die Installation, die Inbetriebnahme und den Start der Produktion, da diese Faktoren die wirtschaftliche Rechtfertigung von Investitionen stärker beeinflussen.
Die Überwachung zukünftiger Produktionslinien für EV-Batterien beginnt daher schon in der Simulations- und Emulationsphase, also dann, wenn sich die Anlagen noch im Entwurfsbüro des Geräteherstellers befinden.
Das erfordert ein dynamisches Vorgehen der Hersteller bei der Projektabwicklung während des Baus von Produktionsanlagen für Batteriesortimente. Rückmeldungen aus virtuellen Produktionsumgebungen, die in Zusammenarbeit von Gerätezulieferern und deren Kunden erstellt worden sind, führen sofort zu Änderungswünschen, die in der virtuellen Welt in die Entwürfe und die nächsten Produktausführungen einfließen müssen.
Nach der Lieferung der Maschine, die in kürzester Zeit auf hohem OEE-Niveau hochgefahren wird, bleibt die Einbindung der Lieferanten groß. Die kontinuierliche Analyse und Evaluation von Daten macht neue Wege der Interaktion zwischen dem Produktionsbetrieb für Batterien und den Fachleuten des Maschinenherstellers nötig. Voraussichtlich wird man über Themen wie die präventive Wartung diskutieren, aber auch die neuesten Informationen zur Entwicklung von Batterien und zum Design der Produktionsanlage austauschen. Das Batteriesortiment wird im Vergleich zu den ursprünglich festgelegten höhere Anforderungen an Kapazität, Flexibilität und andere damit zusammenhängende Aspekte der Performance erfüllen müssen, und man wird bestimmen, welche Änderungen an der aktuellen Produktionslinie vorzunehmen sind. Natürlich erst, nachdem die Änderungen am digitalen Zwilling der realen Produktionslinie umgesetzt worden sind und die Erhöhung der Performance verifiziert sowie die Lernkurve für die Änderung auf ein Minimum begrenzt wurde.

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Herstellung und Handling von Zellengehäusen

Zellengehäuse sind ein wichtiger Bestandteil der Konstruktion von Batteriezellen. Sie beinhalten nicht nur die Elektroden der Batterie, sondern verleihen der Zelle auch Stabilität gegen Kräfte von außen. Für die Zukunft erwartet man, dass die Bedeutung der Gehäuse für die Gesamtkonstruktion des Autos zunehmen wird. Der Bedarf an kompletten Packs wird potentiell sinken und die Installation von Einzel-Zellen wird in Elektrofahrzeugen zunehmen.
Inzwischen sind die Gehäuse, was die Senkung der Kosten der gesamten Batterie angeht, ein wichtiger Forschungsgegenstand. Auch wenn der Anteil der Gehäuse an den Batterie-Herstellungskosten minimal ist, leistet doch jeder Cent, der sich einsparen lässt, einen Beitrag zu einem größeren Marktanteil des einzelnen Herstellers und dazu, dass die Batterie eine Alternative zu anderen Systemen darstellt.
Die Massenproduktion von Zellgehäusen wird zunehmen und es werden verschiedene Arten von Technologien Anwendung finden, abhängig von Batterietyp (zylindrisch bzw. prismenförmig) und Material (hauptsächlich vernickelter Stahl bzw. Aluminium). Da sich das Design der Batterien in den kommenden Jahren verändern wird und mehr Batterietypen verfügbar sein werden, sollte die Herstellung von Zellengehäusen flexibel und hochproduktiv sein. Normalerweise lassen sich diese beiden Aspekte nicht ohne Weiteres in einer einzigen Produktionslinie kombinieren, aber neue Informationstechnologien werden den Bau von Massenproduktionslinien mit einem breiten Spektrum an Größen und Arten ermöglichen. Zudem wird die Herstellung aus unterschiedlichen Materialien in einer einzigen Produktionslinie möglich sein, wie man sie auch schon in anderen Industrien, z. B. der dosenherstellenden, beobachten kann. In dieser Industrie kombiniert man beispielsweise das magnetische Handling von Stahlprodukten mit Vakuum- und Lufttechnologie für das Handling von Aluminiumprodukten. In manchen Fällen können sich bewegende Aluminiumprodukte sogar durch Magnete verlangsamt werden.
Die meisten Prozesse in der normalen Herstellung von Dosen basieren auf dem Massendurchfluss von Produkten durch eine Produktionslinie, in der sich die einzelnen Produkte gegenseitig berühren können. Wenn eine Station in der Produktionslinie eine einbahnige Zuführung erfordert, wird der Massendurchlauf auf eine Bahn zurückgeführt, um den Übergang des Produkts in den nächsten Schritt des Produktionsprozesses zu ermöglichen. In den meisten Fällen stoßen die Produkte bei diesen Lösungen aneinander. In (zukünftigen) Batterieproduktionslinien könnte es sein, dass diese Berührung zwischen den einzelnen Zellen nicht zu akzeptieren ist, und zwar weder bei der Massen- noch bei der Einzelbeförderung. Daher muss man die Produktion und/oder das Handling von Zellgehäusen so gestalten, dass Massenproduktion, Massendurchfluss und die Umstellung von Massen- auf Einzelbeförderung und wieder zurück möglich sind, ohne dass sich die Gehäuse gegenseitig berühren. Dieses behutsame Handling der Gehäuse ist bei der Massenproduktion die große Herausforderung.
Die Lösung für dieses Problem bringen vielleicht intelligente Förderanlagen, bei denen es zurzeit so aussieht, als würde die Beförderung der einzelnen Gehäuse in Halterungen erfolgen. Die Nachteile sind allerdings immer noch groß, weil einbahnige Förderanlagen mehr Platz bzw. Grundfläche brauchen, teurer sind, den Rücktransport der Halterungen erfordern und die Steigerung der OEE mangels ausreichender Akkumulation problematisch machen. Die Tracking- und Tracing-Möglichkeiten und die Gesamtqualität ohne Kratzer rechtfertigen die Installation dieser intelligenten Förderanlagen, aber nötig ist hier das Beste aus beiden Welten. Bisher scheinen das robotische Handling von Gehäusen und die Beförderung in Trays die Vorteile beider Handling-Technologien unter bestimmten Umständen zu verbinden, gleichzeitig sucht man für die Massenabfertigung nach weiteren Möglichkeiten für die Rückverfolgbarkeit und das Vermeiden von Kratzern.

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Nachhaltige Herstellung

Angesichts des steigenden Bedarfs an EV-Batterien würde man erwarten, dass der Übergang vom Labor zum Pilotprojekt und weiter zu Giga-Fabriken Herausforderung genug ist. Doch der Trend zur Nachhaltigkeit stellt noch höhere Anforderungen an diesen Übergang, vor allem, seit die europäischen Regierungen und Konsumenten grüne Batterien fordern. Wo anfangs noch die Regierungen Grenzen setzten, sieht man jetzt, dass Verbrauchergruppen und Fahrzeug-Erstausstatter die Latte höher legen und sauberere Batterien fordern, als von den Regierungen in den Nachhaltigkeitszielen für 2025 und darüber hinaus definiert.
Was die nachhaltige Herstellung letztendlich bedeuten wird, lässt sich noch nicht genau sagen. Klar ist aber, dass die öffentliche Diskussion über verantwortungsbewusstes Unternehmertum immer noch anhält und sich Unternehmen nach wie vor mit der Umsetzung der neuen Erkenntnisse schwertun. Während die EU von größeren (meist börsennotierten) Unternehmen verlangt, dass sie über ihre Anstrengungen in puncto Nachhaltigkeit Bericht erstatten, ist deutlich, dass die Bemühungen dieser und auch kleinerer Unternehmen weit hinterherhinken. Nichtsdestotrotz erzeugt die EU so Druck auf die gesamte Lieferkette. Vor allem die Herstellung neuer Batterien, die derzeit noch überwiegend in Asien stattfindet, muss neu und damit nachhaltig gestaltet werden. Die EU sieht darin unverhohlen zudem einen Wettbewerbsvorteil und die Möglichkeit, ihre eigene Lieferkette zu organisieren, und droht sogar damit, das Schwert der Nachhaltigkeit zu ziehen, um schmutzige Batterien vom eigenen Markt fernzuhalten.
Diese Regulierungen und das steigende Verbraucherbewusstsein in Bezug auf sauberere Batterien stellen Hersteller von Maschinen für Batteriesortimente vor Herausforderungen. Natürlich werden diese Ziele in erster Linie durch die Gestaltung der Batterien bestimmt, das Rennen um preiswertere und sauberere Batterien erfordert jedoch sofortiges Handeln, um neue Arten von Produktionslinien für Batterien zu entwickeln. Das gilt zunächst für Europa, aber der Einfluss auf die Zulieferer in China, den USA und anderen Teilen der Welt ist unvermeidlich. Sie müssen nachziehen, um mehr Marktanteile zu bekommen, und sie müssen das tun, bevor sich das Nachhaltigkeitsvirus in ihrem eigenen Hinterhof ausbreitet. Und wir sehen, dass die chinesische Regierung schnell mitzieht.
Die wirtschaftlichen Aspekte, die ihre Ursache in der fehlenden Verfügbarkeit von adäquaten Rohstoffen in Europa haben, rücken diese Tatsachen noch stärker in den Vordergrund. Die Abhängigkeit Europas von anderen ist zu groß und wird Veränderungen der (politischen) Verhältnisse nicht standhalten können. Man muss daher innerhalb des Recyclingprozesses und des eigentlichen Herstellungsprozesses von Batterien einen Prozess entwickeln, bei dem das Recycling dieser Materialien wirtschaftlich ist. Oder anders gesagt: Die Batterien müssen recycelt werden können. Dieser Kreislaufgedanke ist der Ausgangspunkt für die Entwicklung von Batteriezellen oder Packs und der Produktion von Anlagen.

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