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Jul 15, 2023

Permitir una producción ambiciosa de baterías a escala

Se prevé que la industria de las baterías se multiplicará por diez para finales de la década. Este crecimiento está impulsado por la creciente demanda de baterías de iones de litio (Li-ion), predominantemente para vehículos electrificados.

Se prevé que la industria de las baterías se multiplicará por diez para finales de la década. Este crecimiento está impulsado por la creciente demanda de baterías de iones de litio (Li-ion), predominantemente para el transporte electrificado y el almacenamiento de energía. La alta demanda del mercado y las políticas gubernamentales cada vez más favorables de muchos países generan una competencia feroz entre empresas emergentes, empresas conjuntas y empresas establecidas para determinar los líderes del mercado. Los nuevos participantes y los proveedores establecidos enfrentan muchos de los mismos desafíos de cómo reducir el tiempo de ampliación, reducir las tasas de desperdicio y maximizar el rendimiento sin dejar de cumplir con los objetivos de costos, calidad y sostenibilidad. Las prácticas de fabricación tradicionales no pueden cumplir estas ambiciones.

Más bien, las empresas que buscan aumentar su producción de baterías de manera rentable y tomar una posición de liderazgo en el mercado necesitan un marco empresarial digital para la fabricación en el que el gemelo digital de la producción esté conectado a las operaciones reales de la fábrica a través de tecnologías de automatización y IoT industrial (IIoT) habilitado. dispositivos. Esto permite el diseño virtual y la optimización de la línea de producción y la validación de los procesos de producción antes de su implementación en la fábrica, eliminando así el riesgo de inversión y acortando el tiempo de escala.

Conectar el marco digital con hardware y software de automatización y IoT industrial facilita una integración de la producción de un extremo a otro. Esto ofrece conocimientos de ejecución para la producción a gran escala y un marco basado en datos para mejorar continuamente el rendimiento de la producción y, al mismo tiempo, equilibrar la sostenibilidad del proceso y la rentabilidad a largo plazo.

Los ejemplos de los últimos años han demostrado que las empresas pueden tardar siete años o más en pasar de anuncios de gigafábricas a lograr una producción estable a escala. Este largo tiempo para aumentar la producción es un desafío importante en este mercado de baterías que cambia rápidamente. El objetivo del desarrollo virtual de la fabricación es acelerar el diseño, la construcción y el diseño de su planta con ingeniería multidisciplinaria conectada. A partir de ahí, las empresas pueden crear una versión virtual confiable de sus procesos, líneas y plantas para poner en marcha procesos de producción de forma iterativa sin el costo ni el riesgo de hacerlo en el mundo real. Además, el aprovechamiento de las simulaciones, la ingeniería celular y la optimización se pueden acelerar enormemente.

Con simulaciones, los ingenieros pueden evaluar con precisión el impacto de diversas sustancias químicas en el rendimiento, la seguridad y el envejecimiento de las celdas, así como optimizar el diseño de las celdas para maximizar la densidad de energía y la carga rápida. Pueden validar virtualmente los diseños y comportamientos de las celdas frente a los requisitos del paquete y los requisitos del sistema final aprovechando los gemelos digitales. Esto libera a las empresas de un enfoque costoso y que requiere mucho tiempo únicamente para realizar pruebas. Estamos viendo una aceleración de 2 a 3 veces en el diseño y la ingeniería de baterías, a medida que las empresas están adoptando nuestro marco de gemelo digital. Con una columna vertebral de PLM sólida, los gemelos digitales del producto, la producción y la fábrica permanecen conectados, lo que permite a las empresas tener en cuenta las interdependencias y los efectos del cambio a lo largo de todo el ciclo de vida.

Un gemelo digital del producto y la producción de baterías se está convirtiendo en una necesidad clave para la industria de las baterías dada la rápida evolución de la química de los materiales, los diseños de celdas y las técnicas de fabricación. Captar una posición de liderazgo en una industria cambiante requiere agilidad, y esos cambios deben verificarse rápidamente para mantener un uso óptimo de energía y materias primas.

Uno de nuestros clientes está aprovechando el marco del gemelo digital de Siemens para acelerar la ingeniería y optimización de celdas y poner en marcha virtualmente líneas de producción para escalar la fabricación a gran escala desde procesos de producción de laboratorio. La adopción de este marco les ha permitido acortar el tiempo que tardan las celdas de batería en pasar del laboratorio a la producción a escala y, al mismo tiempo, cumplir con los objetivos de sostenibilidad y sus propios requisitos únicos.

Uno de los mayores desafíos para la producción a gran escala es la muy alta tasa de desperdicio. Hemos visto que la tasa de desperdicio es del 40 por ciento o más al inicio de la producción de células, mientras que en la mayoría de los casos se mantiene justo por debajo del 10 por ciento cuando se alcanza la capacidad de producción a máxima velocidad unos años después del inicio de la producción. Estos niveles son obstáculos clave para reducir los costos de producción.

Para reducir la tasa de desechos y al mismo tiempo cumplir los objetivos de calidad para la fabricación de celdas de iones de litio, necesita conocimientos de ejecución en la fábrica. El hardware y el software integrados para un proceso de producción de un extremo a otro son clave para mejorar la producción de células. Permite la continuidad digital desde planes de procesos virtualmente validados hasta la ejecución de producción sin papel. El software de ejecución de fabricación, conectado con el hardware de automatización a través de una capa SCADA, permite a los equipos de fabricación organizar fácilmente la producción a gran escala y hacer cumplir las prácticas de producción deseadas. Esto es posible mediante la integración de TI y OT, que permite el rastreo, el seguimiento y la integración de máquinas para identificar y mitigar rápidamente los problemas.

La facilidad para compartir datos dentro de una planta y la red de proveedores también permite una programación eficiente a una escala mucho mayor de lo que antes era posible. Las empresas pueden crear una logística intraplanta más eficaz y cadenas de suministro seguras para garantizar la procedencia de los materiales o los impactos ambientales asociados de cada etapa de la fabricación. Un proceso de fabricación más conectado reduce la complejidad al tiempo que aumenta la flexibilidad al estandarizar vertical y horizontalmente. Esto ha sido invaluable para otro de nuestros clientes que tiene la ambición de convertirse en un líder europeo en celdas y módulos de baterías para vehículos eléctricos.

La producción de celdas de iones de litio consta de varios pasos de fabricación, cada uno de los cuales tiene un grado variable de tiempo, energía y capital asociado. Algunos de estos pasos, por ejemplo la formación de células y los pasos de envejecimiento, pueden tardar 10 días o más. Esto crea importantes cuellos de botella que afectan el rendimiento de la producción. Es necesario optimizar pasos de fabricación, como el secado de electrodos o la mezcla de tinta, para reducir el consumo de energía sin afectar la calidad.

Además, la producción de células es un proceso que consume mucha energía y puede consumir hasta 40 unidades de energía para producir una unidad de energía de batería. Esto presiona a las empresas para que optimicen el consumo de energía en sus plantas para minimizar su huella de carbono. Para abordar estos problemas, los fabricantes de baterías pueden mejorar el uso de los datos de las máquinas y de la fábrica, que en la configuración tradicional de producción de baterías no se utilizan bien, para aportar la inteligencia necesaria a la producción de baterías y al funcionamiento de la fábrica.

Conectar el IoT industrial y las tecnologías de automatización con el sistema de ejecución de fabricación y el gemelo digital de la producción es la clave para la fabricación basada en datos. La fabricación de celdas de iones de litio es un proceso muy complejo que implica aproximadamente 600 características del proceso, como varios parámetros de la máquina.

Dada la cantidad de datos y la complicada interdependencia de varios pasos de fabricación en un proceso de producción celular típico, se necesita IA para comprender la intercorrelación entre los diferentes pasos y aprender de los socios del producto/proceso. Los casos de uso típicos incluyen, entre otros, control de calidad en línea, visión por computadora para medir la viscosidad de la lechada y defectos del recubrimiento, sino también predicción del comportamiento de las células durante el proceso de envejecimiento. Las plataformas de datos con modelos de datos estandarizados son fundamentales para unir TI y OT y permitir la recopilación de datos de las máquinas y la fábrica sin problemas.

Además, el IoT industrial y la operación basada en datos permiten a las empresas realizar un seguimiento del consumo de energía y optimizar la operación de la fábrica para reducir su huella de carbono. El tiempo de inactividad durante el funcionamiento de la fábrica también se puede reducir mediante el mantenimiento predictivo de la maquinaria, mejorando así el rendimiento general de la producción.

Encontrar posiciones líderes en el mercado en la industria de las baterías en rápido crecimiento significa adoptar prácticas de fabricación inteligentes. Significa desplazarse hacia la izquierda para simular y validar antes de que comiencen las operaciones, reducir el tiempo para propagar los cambios de ingeniería y permitir una cadena de suministro resiliente. Con soluciones integradas de hardware y software que brindan información sobre la ejecución para la producción de un extremo a otro, se puede reducir la tasa de desechos y mejorar la calidad.

Dado que el costo de fabricación representa aproximadamente el 25 por ciento del costo de la celda, una reducción más rápida de la tasa de desechos y al mismo tiempo mejorar la calidad y el rendimiento de la producción es fundamental para la ambición de la industria de las baterías de escalar la capacidad de producción 10 veces de manera rentable en los próximos años. Y hacer todo esto de manera sostenible y rentable a largo plazo requiere que las empresas minimicen el consumo de energía, limiten la huella de carbono integral, mantengan la visibilidad de toda la producción y predigan los problemas antes de que ocurran.

La digitalización puede ser una tarea desalentadora, pero la experiencia de Siemens en fabricación junto con nuestra inversión en rápido crecimiento en baterías está disponible para cualquier cliente que busque dar un salto hacia el futuro de la producción.

Este artículo fue escrito por Puneet Sinha, director senior de la industria de baterías de Siemens Digital Industries Software (Plano, TX). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de junio de 2023 de la revista Battery & Electrification Technology.

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