So sehen die intelligenten Batteriewerke der Zukunft aus

Rockwell Automation arbeitet an einer Reihe von Innovationen im Produktionsprozess der Batteriezellfertigung, um den gesamten Prozess auf die nächste Stufe zu heben, wie Christian Leitner, Business Leader Future Mobility erklärt. „Die Batterieproduktion an sich ist nichts Neues und wird seit Jahrzehnten in Asien erfolgreich praktiziert“, sagt er. Allerdings gibt er zu bedenken, dass die derzeitigen Rahmenbedingungen sowie der weltweit gestiegene Bedarf an Batterien, insbesondere durch die Elektrifizierung der Automobilindustrie und durch Energiespeicherlösungen, dafür sorgen, dass die Art und Weise der bisherigen Batteriefertigung nicht mehr ausreicht. Er glaubt, dass diese Fertigungsmethoden nicht mehr erfolgreich sein können, um den gesamten Bedarf zu decken.

„Das hat man auch in China erkannt. Das Produkt selbst ist zwar gut, aber betrachtet man die neuen Anforderungen, dann sind Reichweite, Kapazitäten und Lebenszyklus der Batterien doch nicht zufriedenstellend“, betont Leitner. Er fügt hinzu, dass noch einiges getan werden müsse, um den Konsumenten zufriedenzustellen und alle Anforderungen abzudecken.

Fehlerquote in der Batterieproduktion viel zu hoch

Auf die Frage nach der Fehlerquote in der Batterieproduktion erklärt Leitner, dass es durchaus vorkomme, dass die Ausschussrate bis zu 30 Prozent betragen könne. „Das ist vollkommen inakzeptabel, wenn man das mit dem Automobilbereich vergleicht“, stellt er klar. Aus seiner Sicht sei es notwendig, bei der Qualität anzusetzen, da hier noch viel Potenzial vorhanden sei, das es zu heben gilt.

Bezüglich der Herausforderungen im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Technologie und der Tatsache, dass bereits andere Technologien in Sicht sind, wie etwa Feststoffbatterien, erklärt Leitner, dass dies die Massenproduktion zusätzlich erschwere. „Das ist natürlich auch die größte Challenge, die wir von unseren Kunden bekommen“, sagt er. Er betont, dass der Schlüssel zu jeder effektiven Produktion darin liegt, mehr Flexibilität zu erreichen und skalierbare Lösungen zu entwickeln. Dies sei ein besonders wichtiger Punkt, wenn man den neuen Batteriemarkt betrachtet.

Einen Schritt über den Digital Twin hinaus

„Außerdem müssen wir dynamische Kundenanforderungen abdecken und schnell reagieren können“, führt er weiter aus. Für Rockwell Automation sei es wichtig, sehr früh in die Wertschöpfungskette und den Entwicklungsprozess eingebunden zu werden. „Das heißt, im Idealfall starten wir mit einem weißen Blatt Papier und einem groben Konzept“, sagt Leitner. Sollte man erst später einsteigen, werde es schwieriger, eine wirklich flexible und skalierbare Lösung zu entwickeln.

Rockwell Automation bietet ein großes Software-Portfolio und ist nun in der Lage, sehr früh in den Engineeringprozess einzugreifen und mitzuarbeiten. Leitner berichtet, dass das Unternehmen eine Reihe von Digital Design Tools entwickelt hat, mit denen es möglich ist, sobald ein Konzept vorliegt, gemeinsam mit den Kunden an entsprechenden Lösungen zu arbeiten. „Der Digital Twin ist mittlerweile Usus, doch wir gehen noch einen Schritt weiter“, erklärt Leitner.

Das Unternehmen stellt dem Kunden Templates oder Baukastensysteme zur Verfügung, mit denen man in einer Low-Code/No-Code-Umgebung schnell und einfach Standards etablieren kann. „Diese Standards sind wichtig im Hinblick auf die Integration der unterschiedlichsten Anlagen und Maschinen“, fügt er hinzu.

Standards wichtig für spätere Erweiterungen der Zellproduktion

Er weist auch darauf hin, dass diese Standards später für Erweiterungen entscheidend sind. Im Batteriebereich beginne man in der Regel mit einem Proof of Concept, einer Pilotlinie, einer Mega Factory Line und letztendlich einer Gigafactory Line. „Das heißt, das Ganze wächst langsam, wobei man in der Lage ist, über die einzelnen Phasen zu blicken und zu validieren, ob das Produkt noch funktioniert“, erklärt er. Es sei entscheidend, früh in der ersten Phase Standards zu setzen, um die notwendige Skalierbarkeit zu erreichen.

„Ansonsten beginne ich bei jeder Phase wieder von vorn oder habe einen irrsinnig hohen Änderungsaufwand – insbesondere was die Kosten anbelangt“, stellt er klar und fügt hinzu, dass auch die Zeit ein wichtiger Treiber sei, was inakzeptabel sei.

Ein weiterer wichtiger Punkt, den Leitner anspricht, ist die Bedeutung von Daten im Digital Design Prozess. „Für uns ist es von enormer Bedeutung, in der frühen Phase eine Datenbasis zu schaffen und zu definieren, wo man dann später Produktionsprozesse weiter optimieren kann“, sagt er. Diese Datenbasis sei notwendig, um überhaupt Anpassungen vornehmen zu können.

Holistische Ansätze für eine bessere Batterieproduktion

Auf die Frage, bei welchen Prozessschritten Rockwell Automation den Hebel ansetzen kann, um die Fehlerquote zu reduzieren und die Produktion zu beschleunigen, betont Leitner, dass er ein Fan von holistischen Ansätzen ist. „Man könnte zwar auch den Batterieprozess hernehmen und einzelne Applikationen betrachten, aber das ist nicht unbedingt zielführend“, erklärt er.

Der Grund dafür sei, dass der komplette Produktionsprozess eng miteinander verbunden ist. „Wir haben schließlich Highspeed-Applikationen im Einsatz, die ineinandergreifen, und wenn es jetzt darum geht, einen Prozess zu optimieren oder ein Problem in einem Bereich zu lösen, dann kann man wieder zwei weitere Probleme im nächsten Bereich schaffen“, sagt er.

Deshalb sei es wichtig, den holistischen Überblick zu behalten und zu versuchen, Schwachstellen und Bottleneck-Applikationen zu identifizieren, bei denen man ansetzen könne. „Da sind wir im Simulations- und Emulationsbereich tätig, wo wir mittels Digital Twin genau betrachten, welche Auswirkungen es auf die Durchlaufzeit und andere Faktoren gibt, wenn ich Veränderungen vornehme“, erklärt Leitner.

Höhere Durchlaufzeiten im Stacking-Prozess

Es gebe auch klassische herausfordernde Applikationen im Batteriebereich, wie beispielsweise den Stacking-Prozess, bei dem die Zelle assembliert wird. „Der Stacking-Prozess ist definitiv einer der Bottleneck-Applikationen, in denen wir versuchen, über den Tellerrand hinauszuschauen“, sagt Leitner. Es gebe bereits etablierte Möglichkeiten, diesen Prozess durchzuführen, aber Rockwell Automation versuche, komplett neue Innovationen zu etablieren – unter anderem durch enge Partnerschaften mit Zellherstellern in Asien. Ziel sei es, höhere Durchlaufzeiten zu erreichen.

Leitner kommt auf die nach wie vor viel zu hohe Ausschussrate zurück und betont, dass das Thema Qualität definitiv angegangen werden müsse. „In diesem Kontext sind wir wieder bei den Themen Software, Produktionssteuerung und Produktionsplanung“, sagt er. Er verweist auf das Manufacturing Execution System, das Rockwell Automation anbietet, um bessere Einblicke in die Produktionsprozesse zu erhalten und zu erkennen, wo die Qualitätsprobleme entstehen. „Das ist schwierig, weil man einen langen Prozess und ein komplettes Werk hat – mit einer hohen Ausschussrate“, erklärt er.

Gute Datenbasis und KI-basierte Softwaretools essentiell

Leitner stellt klar, dass es entscheidend ist, eine vernünftige Datenbasis zu schaffen, um analysieren zu können, wo genau Fehler auftreten. „Damit erhält man Echtzeiteinblicke in den Produktionsprozess, und darauf basierend lassen sich entsprechende Optimierungen umsetzen“, fügt er hinzu. Rockwell Automation nutzt dazu auch KI-basierte Softwaretools, die im Hintergrund mit einer AI-Engine arbeiten, um entsprechende Datenmodelle zu trainieren.

„Dadurch erhalten wir ein besseres Verständnis dafür, inwieweit wir etwas verändern müssen, um eine bessere Qualität zu erreichen“, sagt er. Dabei spielen viele Faktoren eine Rolle, die sich durch den gesamten Produktionsprozess ziehen – zum Beispiel vom Mixing am Beginn des Prozesses, bei dem die Viskosität des Slurrys bestimmt wird, bis hin zu späteren Produktionsschritten.

Leitner betont, dass es nicht ausreicht, einfach nur KI einzusetzen und ein Datenmodell zu trainieren. „Deshalb haben wir bei Rockwell Automation eine eigene digitale Inhouse-Consulting-Gruppe, die sich Kalypso nennt“, erklärt er. Diese Gruppe konzentriere sich darauf, Optimierungen zu entwickeln und umzusetzen. „Unsere Data Scientists verstehen sowohl den Prozess als auch das Produkt und arbeiten Schritt für Schritt daran, entsprechende Lösungen zu erarbeiten“, sagt Leitner.

Daten automatisiert aufbereiten, um echten Mehrwert zu bieten

Er fügt hinzu, dass zwar viele Unternehmen heutzutage Daten generieren, diese jedoch oft auf Servern landen und halbautomatisch oder händisch in Excel-Dateien oder andere Datenbanken zerlegt werden. „Das ist der Klassiker, und die Frage ist, wie man das weiter automatisieren kann“, sagt Leitner. Eine der Stärken von Rockwell Automation liege darin, diese Daten besser nutzbar zu machen. „Das bedeutet nicht nur, die Daten zu sammeln, sondern sie auch zu aggregieren und zu kontextualisieren“, erklärt er.

Er betont, dass die Daten so weit automatisiert aufbereitet werden müssen, dass sie einen echten Mehrwert bieten, sonst funktioniere das Ganze nicht. „Das ist die eigentliche Schwierigkeit, diese Schnittstelle zu meistern“, fügt er hinzu.

Transformation von Standard-Lithium-Ionen-Batteriezellen zu neuen Materialien

Auf die Frage, ob es bereits einen Zeitplan gibt, um die Ausschussrate prozentual zu verbessern, erklärt Leitner, dass dies 'work in progress' sei. „Wir haben ein moving target, um ehrlich zu sein“, sagt er. Der Markt durchläuft eine Transformation von Standard-Lithium-Ionen-Batteriezellen hin zu neuen Materialien. „Es gibt bereits Fortschritte bei Feststoffbatterien oder Semisolid-State-Batterien“, berichtet Leitner.

Zudem gebe es auch Entwicklungen im Bereich Sodium-Batterien oder Batterien, die auf Zink oder anderen Materialien basieren und komplett auf Lithium verzichten. Aufgrund der Vielzahl von Materialien und Formen sei es schwierig, hier eine Prognose abzugeben. „Im Moment befinden wir uns noch in einer Phase, in der es darum geht, Batterien in Massenproduktion herzustellen“, erklärt er.

Massenproduktion von Batterien noch nicht erreicht

Er verweist auf die Schwierigkeit, die Massenproduktion von Batterien auf einem vernünftigen Kapazitätsniveau in Europa voranzutreiben. „Es gibt ein paar Start-Ups und einige etablierte Firmen aus Asien, die bereits produzieren, aber die Kapazitäten sind im Moment noch überschaubar“, sagt er.

Auch größere europäische Start-Up-Firmen hätten nach wie vor Schwierigkeiten, vernünftige Kapazitäten zu erreichen und die Qualitätsrate auf ein akzeptables Niveau zu bringen. „Die größte Herausforderung besteht momentan darin, vernünftige Kapazitäten zu produzieren und gleichzeitig die Nachhaltigkeit zu berücksichtigen“, erklärt Leitner.

Batterie gilt als Schlüsseltechnologie

Obwohl die asiatischen Länder weiter sind, ist Leitner überzeugt, dass Europa ebenfalls eigene Batteriefabriken errichten muss. „Das ist keine Frage mehr. Die Batterie ist eine Schlüsseltechnologie“, sagt er. Man könne sich nicht mehr darauf verlassen, dass Batterien einfach aus Fernost zugekauft werden. „Die Technologie ist zu wichtig, als dass wir sie außer Haus geben könnten“, unterstreicht er.

Er verweist darauf, dass alle großen Automobilhersteller auf vertikale Integration setzen und parallel dazu Joint Ventures gründen, um eigenes Know-how zu entwickeln und langfristig eigene Batterien zu produzieren. „Das gilt nicht nur für Fahrzeughersteller, sondern für die gesamte EU – Batterien sind von höchster strategischer Bedeutung“, erklärt Leitner.

Aufbau der Batteriefertigung in Europa zwingend notwendig

Er ergänzt, dass es schwierig sei, zu hinterfragen, ob die Batteriefertigung in Europa überhaupt profitabel sein könne. „Denn am Ende des Tages geht es um mehrere Aspekte“, sagt er. Leitner hebt hervor, dass die Gründe für die Elektrifizierung und die Verwendung von Batterien in Fahrzeugen und für Energiespeicherlösungen klar auf der Hand liegen. „Es geht um Nachhaltigkeit, Kreislaufwirtschaft und die Reduktion von Emissionen“, erläutert er.

Diese übergeordneten Ziele seien der Antrieb für die Entwicklungen im Batteriebereich und sollten andere Aspekte überlagern. Auch die vielen Krisen der letzten Jahre – wie der blockierte Suez-Kanal oder internationale Konflikte – hätten gezeigt, dass die Resilienz der Lieferketten von entscheidender Bedeutung sei. „Auch die Frage, woher die Rohmaterialien stammen, und ethische Grundsätze spielen eine Rolle“, fügt Leitner hinzu.

Er ist überzeugt, dass Europa seine eigene Batterieproduktion aufbauen und weiter vorantreiben wird. „Es gibt keinen Zweifel, dass dies notwendig ist“, betont er.

Vernetzte Produktionsumgebung, Lieferkette und Battery Passport

Abschließend fasst Leitner die drei wichtigsten Punkte zusammen, um eine effiziente und weniger fehleranfällige Zellproduktion zu gewährleisten. „Erstens muss ich eine vollständig vernetzte Produktionsumgebung schaffen, die es mir erlaubt, alles digital durchzuspielen und viele Fehlerquellen zu eliminieren“, sagt er.

Zweitens sei die Lieferkette entscheidend – ob die Rohmaterialien aus Fernost stammen oder regional bezogen werden können. Da sei man wieder bei dem Thema, wie das Produktdesign sei und welche Materialien eingesetzt würden.

„Drittens wird der Digital Battery Passport ein Gamechanger im Bereich der Nachhaltigkeit sein“, erklärt er. Diese Schlüsseltechnologie werde es ermöglichen, eine echte Kreislaufwirtschaft zu schaffen und das Recycling von Batterien langfristig zu verbessern. „Nur mit dem Battery Passport wird das Recycling langfristig funktionieren“, betont Leitner. Er begrüßt die neue EU-Batterie-Verordnung, die klare Vorgaben für den Recyclinganteil und die Obergrenze der CO₂-Emissionen festlegt.