Przełomowe koncepcje dla zrównoważonej i ekonomicznej produkcji ogniw baterii

Koncepcja pilota zakładowego Fraunhofer FFB w układzie U jako makro-środowisko Momentum, z jakim technologia magazynowania energii w bateriach rozwija się jako jedno z najbardziej obiecujących podejść do zastępowania paliw kopalnych, jest ogromne. Jednak aby komórki baterii mogły być produkowane bardziej zrównoważenie i ekonomicznie na dłuższą metę, konieczne są dodatkowe potencjały oszczędności i strategie zwiększania wydajności w procesie produkcji, nie zaniedbując standardów środowisk produkcyjnych. Obecnie do 50 procent emisji gazów cieplarnianych w Niemczech pochodzi z energii elektrycznej potrzebnej do produkcji komórek baterii, z czego do 43 procent zapotrzebowania na energię przypisuje się środowisku produkcyjnemu oraz operacji czystych i suchych pomieszczeń. Biały dokument niemieckich badaczy z Münster opisuje .© Fraunhofer FFB

W celu przejścia na zrównoważoną mobilność niezbędne są wydajne ogniwa baterii. Podstawą jest stworzenie energooszczędnej i zasobooszczędnej infrastruktury produkcyjnej dla tych ogniw. Naukowcy z Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Advanced Materials (IFAM) prezentują obecnie możliwości, jak za pomocą tzw. »Mini- i Makro-Środowisk« można zredukować koszty energii i operacyjne w produkcji ogniw baterii, a tym samym stworzyć duży potencjał dla konkurencyjnej produkcji baterii w Niemczech i Europie. Wnioski te zostały podsumowane w nowo opublikowanym Whitepaper »Energooszczędne i jakościowe koncepcje urządzeń dla produkcji ogniw baterii«, które jest dostępne od teraz.

Dynamiczny rozwój technologii magazynowania energii jako jednej z najbardziej obiecujących metod zastępowania paliw kopalnych jest ogromny. Aby ogniwa baterii mogły być produkowane na dłuższą metę w sposób bardziej zrównoważony i ekonomiczny, konieczne jest w procesie produkcji dodatkowe oszczędności i strategie zwiększania efektywności, nie zaniedbując przy tym standardów środowisk produkcyjnych. Obecnie nawet do 50 procent emisji gazów cieplarnianych w Niemczech pochodzi z potrzebnej energii elektrycznej do produkcji ogniw baterii, z czego do 43 procent zużycia energii przypada na środowisko produkcyjne oraz operację pomieszczeń czystych i suchych. Whitepaper opracowany przez naukowców z Münster opisuje, jak za pomocą różnych innowacyjnych koncepcji środowiskowych można w przyszłości osiągnąć oszczędności ekonomiczne i środowiskowe w produkcji ogniw baterii, a także przedstawia praktyczną realizację tego koncepcji w Fraunhofer FFB.

Wyzwania w produkcji ogniw baterii

W swoim zakresie zastosowania litowo-jonowe baterie (LIB) są uważane za najbardziej zaawansowaną wersję: stacjonarne systemy magazynowania energii, elektronika użytkowa, ale przede wszystkim elektryfikacja mobilności stanowią większość przewidywanego łącznego zapotrzebowania. Są one motorem rosnącego co roku popytu na LIB w zakresie gigawatogodzin. Rosnące wymagania dotyczące zrównoważonego rozwoju i właściwości wydajnościowych baterii, takich jak wyższa gęstość energii w celu zwiększenia zasięgu pojazdów elektrycznych, wymagają również nowatorskich materiałów ogniw. W kontekście bezproblemowego, wysokiej jakości i bezpiecznego wytwarzania ogniw baterii, stawiają one jednak szerokie wymagania dotyczące czystości i suchości.

Pomieszczenia czyste i suche, czyli hermetycznie zamknięte pomieszczenia, spełniają te wymagania. Dysponują suchym klimatem powietrza i bardzo niską wilgotnością, przy punkcie rosy minus 60 stopni – jest to temperatura, przy której zaczyna się kondensacja wilgoci z powietrza. Aby było jeszcze bardziej suche niż na pustyni, konieczne są ogromne nakłady energii na przygotowanie bardzo suchego powietrza.

Potencjał nowych koncepcji środowiskowych w produkcji ogniw baterii

Fraunhofer FFB opracowuje, wdraża i bada koncepcje osłon procesowych i maszynowych w produkcji, które w przyszłości mają zastąpić energochłonne pomieszczenia czyste i suche, stanowiąc znacznie tańsze i bardziej zrównoważone alternatywy.

– »Mini-Środowiska to ograniczone, odseparowane jednostki produkcyjne i transportowe, które enkapsulują proces wartości dodanej oraz produkt. Dotychczas stosowanie »Mini-Środowisk« ogranicza się do laboratorium lub skali pilotażowej.«
– »Makro-Środowiska łączą i integrują ograniczone, odseparowane obszary produkcyjne, które mogą obejmować obsługę, logistykę oraz maszyny i jednostki produkcyjne.«

W tym kontekście Marius Heller, naukowiec z grupy badawczej »Assembling and Forming« w Fraunhofer FFB, mówi: »Dzięki zastosowaniu »Mini-Środowisk« w produkcji ogniw baterii można poprawić kluczowe parametry. Należą do nich znacznie niższe koszty operacyjne i energetyczne oraz ochrona pracowników przed potencjalnie szkodliwymi substancjami. Dla przemysłu w przyszłości przejście na koncepcje środowiskowe może oznaczać przełom w ekologicznej i ekonomicznej produkcji ogniw w Europie.«

Wdrażanie i testowanie w liniach produkcyjnych Fraunhofer FFB

Producentom urządzeń w przyszłości będzie zależało na opracowaniu skutecznej i efektywnej technologii maszynowej. Fraunhofer FFB w swoich elastycznych i zdolnych do adaptacji fabrykach »FFB PreFab« i »FFB Fab« zamierza ustanowić porównawczą skalę dla jakościowych i energooszczędnych technologii maszynowych w porównaniu z obecnym stanem techniki, przyczyniając się tym samym do transferu zaawansowanych rozwiązań do przemysłu baterii. W tym celu będą m.in. testowane i kwantyfikowane okoliczne pomieszczenia czyste i suche, a także stopniowo będą wdrażane koncepcje środowiskowe.

Hasibe Turhan, naukowa pracownica grupy »Assembling and Forming« w Fraunhofer FFB, mówi: »Oczekujemy, że produkcja ogniw baterii będzie rozwijać się podobnie jak przemysł półprzewodników, który już 30 lat temu przeszedł przez podobny proces: dzięki procesowemu enkapsulowaniu można precyzyjnie realizować przepływy powietrza i osiągać wysoką jakość produktu. Cały proces środowiskowy zostanie zoptymalizowany.«

Na podstawie obserwacji rynkowych i rozmów z przemysłem Fraunhofer FFB przewiduje, że przełom dla »Mini-Środowisk« nastąpi od pilotażowych linii produkcyjnych do seryjnej produkcji od roku 2027.

Whitepaper »Energooszczędne i jakościowe koncepcje urządzeń dla produkcji ogniw baterii« jest dostępny do bezpłatnego pobrania od teraz.