Habilitando uma produção ambiciosa de baterias em escala

Prevê-se que a indústria de baterias cresça dez vezes até o final da década. Esse crescimento é impulsionado pela crescente demanda por baterias de íon-lítio (Li-ion), predominantemente para transporte eletrificado e armazenamento de energia. A alta demanda do mercado e as políticas governamentais cada vez mais favoráveis ​​de muitos países criam uma competição acirrada entre start-ups, joint ventures e empresas estabelecidas para determinar os líderes de mercado. Novos entrantes e fornecedores estabelecidos enfrentam muitos dos mesmos desafios de como diminuir o tempo de aumento de escala, reduzir as taxas de refugo e maximizar o rendimento enquanto ainda atendem às metas de custo, qualidade e sustentabilidade. As práticas tradicionais de fabricação não podem atender a essas ambições.

Em vez disso, as empresas que buscam aumentar a produção de baterias de maneira econômica e assumir uma posição de liderança no mercado precisam de uma estrutura empresarial digital para fabricação, na qual o gêmeo digital da produção esteja conectado às operações reais da fábrica por meio de tecnologias de automação e IoT industrial (IIoT) habilitado dispositivos. Isso permite o design virtual e a otimização da linha de produção e a validação dos processos de produção antes da implementação no chão de fábrica, reduzindo assim o risco de investimento e reduzindo o tempo de escala.

Conectar a estrutura digital com hardware e software de automação e IoT industrial facilita uma integração de ponta a ponta da produção. Isso fornece insights de execução para produção em larga escala e uma estrutura orientada por dados para melhorar continuamente o rendimento da produção, equilibrando a sustentabilidade do processo e a lucratividade a longo prazo.

Exemplos dos últimos anos mostraram que pode levar sete anos ou mais para as empresas passarem de anúncios de gigafábricas para alcançar produção estável em escala. Este longo tempo para aumentar a produção é um desafio significativo neste mercado de baterias em rápida mudança. O objetivo do desenvolvimento virtual de manufatura é acelerar o projeto, a construção e o layout de sua fábrica com engenharia multidisciplinar conectada. A partir daí, as empresas podem criar uma versão virtual confiável de seus processos, linhas e plantas para comissionar processos de produção iterativamente sem o custo e o risco de fazê-lo no mundo real. Além disso, o aproveitamento de simulações, engenharia celular e otimização pode ser tremendamente acelerado.

Com simulações, os engenheiros podem avaliar com precisão o impacto de vários produtos químicos no desempenho da célula, na segurança da célula e no envelhecimento, além de otimizar o design da célula para maximizar a densidade de energia e o carregamento rápido. Eles podem validar virtualmente os designs e comportamentos das células em relação aos requisitos do pacote e aos requisitos do sistema final, aproveitando os gêmeos digitais. Isso libera as empresas de uma abordagem de teste dispendiosa e demorada. Estamos vendo uma aceleração de 2 a 3 vezes no projeto e na engenharia de baterias, à medida que as empresas estão adotando nossa estrutura de gêmeos digitais. Com um backbone de PLM robusto, os gêmeos digitais de produto, produção e fábrica permanecem conectados, permitindo que as empresas considerem as interdependências e os efeitos da mudança em todo o ciclo de vida.

Um gêmeo digital de produtos e produção de baterias está se tornando uma necessidade fundamental para a indústria de baterias, dada a rápida evolução da química de materiais, projetos de células e técnicas de fabricação. Capturar uma posição de liderança em um setor em constante mudança exige agilidade, e essas mudanças precisam ser verificadas rapidamente para manter o uso ideal de energia e matéria-prima.

Um de nossos clientes está aproveitando a estrutura de gêmeos digitais da Siemens para acelerar a engenharia e otimização de células e comissionar virtualmente linhas de produção para escala de fabricação em escala total a partir de processos de produção de laboratório. A adoção dessa estrutura permitiu que eles reduzissem o tempo que leva para as células da bateria passarem do laboratório à produção em escala, ao mesmo tempo em que atendem às metas de sustentabilidade e seus próprios requisitos exclusivos.

Um dos maiores desafios para a produção em larga escala é a alta taxa de refugo. Vimos uma taxa de refugo de 40% ou mais no início da produção de células, enquanto na maioria dos casos fica um pouco abaixo de 10% quando a capacidade de produção em velocidade máxima é alcançada alguns anos após o início da produção. Esses níveis são os principais gargalos na redução dos custos de produção.