BATTERIE E IL LORO RUOLO NEL MERCATO ENERGETICO – La produzione intelligente consentirà di realizzare le giga factory per le batterie del futuro

La produzione intelligente consentirà di
realizzare le gigafactory per le batterie del
futuro

di Dominique Scheider

Le batterie svolgeranno un ruolo cruciale nel futuro del mercato energetico,
sia per la mobilità che per lo stoccaggio di energia. Secondo la International
Energy Agency (IEA), per soddisfare la produzione mondiale stimata di veicoli
elettrici (EV) la capacità produttiva globale di batterie per EV dovrà più che
triplicare tra il 2020 e il 2025.
Per produrre i miliardi di watt di energia di cui i veicoli elettrici avranno bisogno
nei decenni a venire, saranno necessarie gigafactory per la produzione di
batterie. Per realizzare questo obiettivo non sarà sufficiente limitarsi ad
ampliare le tecniche e le tecnologie di produzione tradizionali. Occorrerà
pensare ai processi di produzione in modo nuovo per massimizzare la
velocità, la flessibilità e il rendimento. La produzione intelligente è uno
strumento essenziale per aumentare la produzione di batterie. Ci piace
chiamarla “digital thread” perché la produzione intelligente non è solo una
questione di esecuzione, ma riguarda anche l’ottimizzazione dell’intero ciclo di
vita.
Tutto ha inizio nelle fasi iniziali delle attività di ricerca e sviluppo durante le
quali chimici e tecnici elaborano le idee per batterie di nuova concezione,
utilizzando per il progetto gli strumenti offerti dalla chimica computazionale e
dal Cad, avvalendosi anche del PLM per gestire lo sviluppo del prodotto.
L’inizio del digital thread coincide con il momento in cui si cominciano ad
aggregare informazioni in un ambiente virtuale. Durante il ciclo di verifica,
strumenti come MatLab e Ansys generano dati ancora più preziosi.
Questi dati vengono utilizzati per sviluppare “digital twin”, vale a dire macchine
di pianificazione e collaudo delle operazioni nel mondo virtuale, in vista di un
successivo utilizzo nel processo di produzione. I digital twin agevolano la
formazione del personale nel mondo virtuale e consentono un rapido avvio
della produzione al momento opportuno. Ma non è tutto. Con la produzione, la
vendita e l’utilizzo dei prodotti, i dati vengono raccolti nel mondo reale e
riportati nel mondo virtuale, consentendo l’ottimizzazione sia dei prodotti che
dei processi. Questa fusione tra mondo fisico e virtuale rappresenta il futuro
della produzione di batterie.
Monitoraggio intelligente della produzione nella fabbricazione
di batterie
Uno degli aspetti più importanti del digital thread è la maggiore visibilità
ottenuta mediante il monitoraggio della produzione. Il monitoraggio della
produzione si basa su una suite software denominata “sistema di gestione
della produzione” (Manufacturing Execution Systems, MES). La suite Mes
viene utilizzata da decenni nella produzione automotive, ma rivestirà
un’importanza cruciale per i produttori di batterie, soprattutto per quanto
concerne la personalizzazione. Lo sviluppo del mercato sarà accompagnato
da un aumento della domanda di personalizzazione, che potrà arrivare alla
richiesta di lotti unici per ciascuna vettura.
Il software Mes consente di integrare i sistemi di controllo e quelli aziendali
per dar seguito agli ordini e monitorarli in tutta l’azienda. Consente inoltre di
individuare il contesto aggiuntivo necessario per trasformare i dati di
produzione in informazioni utilizzabili. È persino possibile iniziare a utilizzare
le applicazioni Mes su piccola scala per affrontare problematiche di
produzione specifiche. Se ad esempio si sta cercando di comprendere il
motivo di alcune anomalie, è possibile utilizzare un’applicazione Mes per il
controllo della qualità al fine di rilevare, identificare e segnalare quando i
processi di una macchina o di un operatore non rispettano i limiti prescritti.
Un’altra applicazione possibile è nel “track-and-trace”, che assicura la
completa tracciabilità delle batterie lungo l’intero processo di produzione,
contribuendo a garantire che siano sicure per l’uso.
Infine è possibile aumentare la capacità delle applicazioni con una suite
software Mes aziendale in grado di fornire un’unica versione attendibile di
tutte le operazioni.
Un altro esempio significativo di raccolta dati paperless automatizzata e
intelligente è il Battery Passport della Global Battery Alliance (GBA). Il Battery
Passport fornisce informazioni attendibili sugli indicatori riguardanti l’adozione
di pratiche responsabili e sostenibili. Questo si traduce in un vero e proprio
sigillo di qualità, che registra in modo veritiero la provenienza, la gestione, il
riciclaggio e l’utilizzo responsabile di una batteria lungo l’intero ciclo di vita. Il
ruolo del Battery Passport nel sostenere una catena del valore responsabile
per le batterie ha avuto l’imprimatur sia nell’ambito di dibattiti finalizzati alla
definizione di politiche globali, come il G7 del 2021, sia nella bozza della
direttiva UE sulle batterie, sia da parte delle amministrazioni di Canada e Stati
Uniti. I relativi dati devono essere tutti aggregati automaticamente.
Migliore: lo conferma il benchmarking
In collaborazione con Samsung SDI, Rockwell Automation ha sviluppato un
sistema MES che non solo non è basato su supporti cartacei, ma si serve di
un anello di qualità. Ogni fase produttiva è documentata dal Mes. Ad esempio,
FactoryTalk Analytics può indicare che l’aumento dei tassi di errore presso
una stazione di incollaggio delle batterie è direttamente riconducibile ai fusti di
adesivi recentemente integrati nel processo di produzione. Secondo Samsung
SDI, questo strumento di analisi contribuisce a un significativo aumento
dell’efficienza nelle aree più disparate. Non solo consente di gestire gli aspetti
più evidenti, ma mette anche in relazione le dipendenze corrette per realizzare
un processo di miglioramento continuo. Inoltre è facile da usare. Il semplice
fatto che sia ora possibile acquisire in cinque minuti informazioni che prima
richiedevano almeno un’ora, dimostra la rapidità di ammortamento di questa
soluzione.
Per quanto riguarda la disponibilità dei dati fuori del Mes, stiamo collaborando
con PTC alla piattaforma IoT di questa azienda, allo scopo di aumentare la
visibilità degli asset. Una volta raccolti i dati e aumentata la visibilità, è
possibile effettuare il benchmarking di macchine diverse in tutto il mondo. Se
si dispone di dieci stabilimenti di produzione, questa soluzione permette di
vedere quali stabilimenti, linee e macchine funzionano meglio di altre. Non
vengono aggregate in tempo reale solo le informazioni provenienti dalle
diverse officine, ma vengono aggiunte anche quelle di numerose altre fonti,
così da avere una visione a 360 gradi delle operazioni.
Sistemi di trasporto intelligenti
C’è chi pensa che la produzione intelligente sia solamente una questione di
software, ma si tratta di un’idea totalmente errata. L’hardware rivestirà un
ruolo determinante nelle gigafactory, sotto forma di macchine performanti e
flessibili. Apparecchiature come i sistemi di trasporto tradizionali possono solo
rallentare le attività. Questi sistemi utilizzano infatti tecnologie di motion
control con centinaia di parti meccaniche, come catene, cinghie e riduttori.
Presentano quindi una flessibilità limitata, oltre che velocità di funzionamento
e velocità di accelerazione/decelerazione che possono risultare insufficienti
per le esigenze di una gigafactory.
Un’alternativa migliore è rappresentata da un sistema di motion control con
tecnologia di movimentazione a carrelli indipendenti (Independent Cart
Technology, ICT). Privo dei vincoli di un sistema di trasporto tradizionale, l’ICT
rende possibile la creazione di linee più veloci e flessibili per la produzione di
batterie, grazie all’utilizzo di movimentatori indipendenti e programmabili.
Inoltre, è in grado di ridurre drasticamente i tempi di cambio produzione grazie
a semplici profili software che permettono di cambiare prodotto con la
semplice pressione di un pulsante. In un caso, Eagle Technologies ha
utilizzato questa tecnologia per una macchina di assemblaggio di gruppi
batteria sviluppata per massimizzare il rendimento nella produzione di batterie
per veicoli elettrici. Le capacità della macchina vanno dalla movimentazione
delle singole celle all’assemblaggio completo di moduli e gruppi batteria,
compresa anche l’esecuzione delle necessarie verifiche. La macchina
incorpora servomotori lineari che posizionano ad alta velocità i carichi
esattamente nella direzione corretta. Inoltre, per il cambio prodotto basta
selezionare la modalità corretta dall’interfaccia operatore.
Avanti verso il futuro
Per consentire al mercato, in forte crescita, dei veicoli elettrici di fare la sua
parte nella decarbonizzazione della mobilità, saranno necessarie gigafactory
altamente efficienti e flessibili e in grado di produrre batterie per EV in grandi
quantitativi, molto rapidamente e assicurando una qualità sempre elevata. Il
digital thread end-to-end svolgerà un ruolo cruciale nel tradurre in realtà
queste strutture basate sui dati.

FONTE – INNOVATION POST