Comment atteindre l’objectif ambitieux d’une production de batteries à grande échelle

Selon les prévisions, le secteur des batteries multipliera sa production par dix d’ici la fin de la décennie. Sa croissance est due à l’augmentation de la demande de batteries lithium-ion, principalement pour les transports électrifiés et le stockage de l’électricité. La forte demande du marché et les politiques gouvernementales de plus en plus favorables dans de nombreux pays sont à l’origine de la concurrence féroce que se livrent les start-up, les nouvelles coentreprises et les entreprises en place pour s’imposer comme leaders du secteur. Les nouveaux venus et les fournisseurs établis sont confrontés à de nombreux défis similaires : comment accélérer la montée en puissance de la fabrication, réduire les taux de rebut et maximiser le débit de production tout en respectant les objectifs de coût, de qualité et de durabilité. Les méthodes de fabrication traditionnelles ne permettent pas de relever ces défis.

Les entreprises qui cherchent à augmenter leur production de batteries de manière rentable et à occuper une position de leader sur le marché ont plutôt besoin de s’équiper d’un environnement d’entreprise numérique pour la fabrication, dans lequel le jumeau numérique de la production est relié aux opérations réelles de l’usine par l’intermédiaire de technologies d’automatisation et d’appareils connectés à l’Internet des objets industriel (IIoT). Un tel environnement permet de concevoir et optimiser virtuellement la chaîne de production et de valider les processus de fabrication avant leur mise en œuvre dans l’usine, et ainsi de réduire les risques d’investissement et d’atteindre plus rapidement le volume de production requis. Quant à la connexion de l’environnement numérique avec le matériel et les logiciels d’automatisation et l’IIoT, elle facilite l’intégration de bout en bout de la production. L’entreprise dispose ainsi d’informations sur l’exécution de la production à grande échelle et d’un environnement basé sur les données, ce qui lui permet d’améliorer continuellement son débit de production tout en équilibrant la durabilité du processus et la rentabilité à long terme.

Une mise à l’échelle plus rapide grâce au développement virtuel

Ces dernières années, la plupart des exemples ont montré qu’il faut au minimum sept ans aux entreprises pour passer de l’annonce de la création d’une gigafactory à une production stable à grande échelle. Ce long délai pour atteindre le volume de production requis constitue un défi de taille pour le secteur de la fabrication de batteries, qui évolue rapidement. L’objectif du développement virtuel de la production est d’accélérer la conception, la construction et l’aménagement de votre usine grâce à une ingénierie connectée et pluridisciplinaire. Ainsi, les entreprises peuvent créer une version virtuelle fiable de leurs processus, chaînes et usines afin de mettre en service de manière itérative leurs processus de production en évitant les coûts et les risques liés à une mise en service dans le monde réel. En outre, les simulations permettent d’accélérer considérablement l’ingénierie et l’optimisation des cellules. Grâce aux simulations effectuées avec les outils Siemens, les ingénieurs peuvent évaluer avec précision l’incidence des différentes combinaisons chimiques sur les performances des cellules, leur sécurité et leur vieillissement, et optimiser leur conception pour maximiser la densité énergétique et la vitesse de charge. En s’appuyant sur les jumeaux numériques Siemens, ils peuvent valider virtuellement la conception et le comportement des cellules par rapport aux exigences liées aux blocs et aux systèmes finaux. Les entreprises ne sont donc plus obligées de recourir à des tests coûteux et chronophages. Nous constatons que la conception et l’ingénierie des batteries est de 2 à 3 fois plus rapide lorsque les entreprises adoptent notre environnement de jumeaux numériques. Et grâce à un solide système dorsal de PLM, les jumeaux numériques du produit, de la production et de l’usine restent connectés, ce qui permet aux entreprise de prendre en compte les interdépendances et les effets des modifications tout au long du cycle de vie.

Disposer d’un jumeau numérique des batteries et de leur système de production devient essentiel pour cette industrie, compte tenu de l’évolution rapide des connaissances en chimie des matériaux, des méthodes de conception des cellules et des techniques de fabrication. Pour devenir leader dans ce secteur en mutation, il faut faire preuve d’agilité, et les évolutions doivent être validées rapidement pour que l’énergie et les matières premières soient toujours utilisées de façon optimale.

L’un de nos clients exploite l’environnement de jumeaux numériques de Siemens pour accélérer l’ingénierie et l’optimisation des cellules et mettre virtuellement en service des chaînes de fabrication afin de passer d’une production en laboratoire à une production à grande échelle. Adopter cet environnement lui a permis d’accélérer cette montée en puissance tout en respectant les objectifs de durabilité et ses propres exigences.

Les problèmes de production à grande échelle nécessitent des solutions intégrées

L’un des plus grands défis de la production à grande échelle de cellules Li-ion est le taux de rebut très élevé. Nous avons observé des taux de rebut de 40 % ou plus au début de la production, alors que dans la plupart des cas ils se situent juste en dessous de 10 % lorsque la production atteint son plein régime au bout de quelques années. Ces taux constituent des goulets d’étranglement importants quand il s’agit de réduire les coûts de production. Pour réduire le taux de rebut tout en respectant les objectifs de qualité en matière de fabrication, il est nécessaire de disposer d’informations sur l’exécution dans l’usine. Pour cela, il est essentiel d’intégrer le matériel et les logiciels utilisés dans le processus de production de bout en bout. Cette intégration permet d’instaurer une continuité numérique depuis les plans de processus validés virtuellement jusqu’à l’exécution zéro papier de la production. Le logiciel d’exécution de la fabrication (MES) connecté au matériel d’automatisation via une couche SCADA permet aux équipes de fabrication d’orchestrer facilement la production à grande échelle et d’appliquer les pratiques de production souhaitées. Cela est possible grâce à l’intégration des technologies IT et OT, qui permet le traçage, le suivi et l’intégration des machines afin d’identifier et atténuer rapidement les problèmes.

Un partage facile des données au sein de l’usine et avec le réseau de fournisseurs permet également de planifier efficacement la production à une échelle beaucoup plus grande. Les entreprises peuvent ainsi mettre en place une logistique intra-usine plus efficace et sécuriser leurs chaînes d’approvisionnement, afin de s’assurer de la provenance des matériaux ou de l’impact environnemental de chaque étape de fabrication. En permettant la normalisation verticale et horizontale, un processus de fabrication plus connecté réduit la complexité tout en augmentant la flexibilité. Ces avantages se sont avérés inestimables pour un autre de nos clients, dont l’ambition est de devenir un leader européen des cellules et modules de batteries pour les véhicules électriques.

L’excellence de la production intelligente, pour un débit maximum et une fabrication durable

La production de cellules Li-ion comprend plusieurs étapes de fabrication, qui sont chacune associées à une quantité variable de temps, d’énergie et de capital. Certaines de ces étapes, telles que la formation et le vieillissement des cellules, peuvent durer 10 jours ou plus, ce qui crée des goulets d’étranglement importants qui affectent le débit de production. Quant aux étapes de fabrication telles que le séchage des électrodes ou le mélange des encres, elles doivent être optimisées afin de réduire la consommation d’énergie sans affecter la qualité. En outre, la production de cellules est un processus très énergivore, qui peut consommer jusqu’à 40 unités d’énergie pour produire une unité d’énergie de batterie. Les entreprises sont donc contraintes d’optimiser la consommation d’énergie de leurs usines pour réduire leur empreinte carbone. Pour résoudre ces problèmes, les fabricants de batteries peuvent mieux utiliser les données générées par leurs machines et leur usine – données qui ne sont pas bien exploitées dans les installations classiques du secteur – afin d’insuffler l’intelligence nécessaire dans leur processus de production et le fonctionnement de l’usine.

La connexion de l’IIoT et des technologies d’automatisation avec le système d’exécution de la fabrication et le jumeau numérique de la production est la clé d’une fabrication pilotée par les données. La fabrication de cellules Li-ion est un processus très complexe qui nécessite environ 600 informations, telles que divers paramètres de réglage des machines. Compte tenu de la quantité de données en jeu et de l’interdépendance compliquée entre les différentes étapes de fabrication d’un processus de production typique, utiliser l’IA est nécessaire pour comprendre l’intercorrélation entre ces différentes étapes et apprendre à partir des informations fournies par les partenaires associés au développement du produit et des processus. Les cas d’utilisation typiques incluent notamment le contrôle de la qualité en ligne, la vision par ordinateur pour mesurer la viscosité du mélange et détecter les défauts de revêtement, mais aussi la prédiction du comportement de la cellule pendant le processus de vieillissement. Les plateformes de données utilisant des modèles de données standardisés sont essentielles pour rapprocher l’IT et l’OT et permettent une bonne collecte des données auprès des machines et de l’usine.

En outre, l’IIoT et les opérations pilotées par les données permettent aux entreprises de suivre la consommation d’énergie et d’optimiser le fonctionnement de l’usine afin de réduire leur empreinte carbone. Les interruptions du fonctionnement de l’usine peuvent également être réduites grâce à la maintenance prédictive des machines, ce qui permet d’améliorer le débit de production global.

Gagner la course

Pour devenir leader dans le secteur des batteries, qui croît et évolue rapidement, il faut adopter des pratiques de fabrication intelligentes. Cela signifie qu’il faut procéder à la simulation et à la validation avant le début des opérations, réduire le délai de propagation des modifications techniques et assurer la résilience de la chaîne d’approvisionnement. Grâce à des solutions matérielles et logicielles intégrées fournissant des informations sur l’exécution de la production de bout en bout, il est possible de réduire le taux de rebut et d’améliorer la qualité. Étant donné que les coûts de fabrication représentent environ 25 % du coût des cellules, le secteur des batteries doit absolument réduire plus vite le taux de rebut tout en améliorant la qualité et le débit de production s’il veut atteindre son objectif de multiplier par dix de manière rentable sa capacité de production dans les années à venir. Pour que cette croissance soit durable et rentable à long terme, les entreprises doivent réduire au maximum leur consommation d’énergie, limiter leur empreinte carbone globale, conserver une visibilité sur l’ensemble de leur production et prévoir les problèmes potentiels.

La transformation numérique peut sembler une entreprise intimidante, mais le savoir-faire de Siemens en matière de fabrication et notre investissement qui augmente rapidement dans le domaine des batteries sont au service de toutes les sociétés qui souhaitent adopter dès aujourd’hui les méthodes de production de demain. Nos compétences englobent les aspects matériel et logiciel et s’étendent aussi à de nombreuses technologies associées sur lesquelles nos clients s’appuient chaque jour.

Pour en savoir plus sur les solutions Siemens pour le secteur des batteries, visitez notre site Web (www.Siemens.com/battery).

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