Le secteur des batteries entre dans une nouvelle phase et les règles pour réussir ont changé

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Le secteur des batteries s’est développé très rapidement ces dernières années, en raison de la forte demande de véhicules électriques fonctionnant sur batterie, des programmes d’incitation gouvernementaux visant à booster la capacité de production, et des réglementations imposant d’implanter localement les nouvelles capacités de fabrication. Toutefois, l’évolution rapide du contexte pose de nouveaux défis à l’ensemble de la chaîne de valeur des batteries. La capacité de production a dépassé la demande mondiale de véhicules électriques (VE) à batterie, ce qui a temporairement fait baisser les coûts et créé des problèmes de surcapacité. Cette situation pose des problèmes importants aux fabricants de cellules. Toutefois, la demande continue de croître rapidement dans d’autres domaines. La production de systèmes de stockage d’électricité à batterie (BESS) augmente rapidement et devrait être multipliée par cinq d’ici à 2030. Et les entreprises, des start-up aux plus grandes, continuent de faire des progrès rapides et impressionnants dans le domaine des technologies de pointe relatives aux batteries.

Sur ce marché qui évolue rapidement, les entreprises doivent innover, investir dans la fabrication de batteries à grande échelle et commercialiser de nouvelles technologies de batteries, tout en assurant leur rentabilité dans un contexte de baisse des prix des cellules et de fluctuation de la demande mondiale de VE. Se concentrer sur la transformation numérique est crucial pour une croissance durable, car cela aide les entreprises à identifier les risques plus tôt et leur permet d’accéder plus vite au marché grâce à la simulation et à des liens numériques solides entre la conception et la fabrication. En outre, les entreprises numériques possèdent la flexibilité nécessaire pour adapter leurs connaissances institutionnelles et expérientielles aux nouveaux marchés.

 

Fabrication pilotée d’après les données

En raison de la baisse du prix des cellules due à une surcapacité temporaire, les coûts de fabrication sont un facteur essentiel de réussite à court terme car ils peuvent représenter un quart du coût total des cellules. Les taux de rebut élevés sont une composante majeure de ce problème. Ils peuvent atteindre 40 % ou plus pour les entreprises qui commencent la fabrication à grande échelle et 10 à 15 % pour les grands fabricants dont la production est stable. Réduire les taux de rebut de quelques points de pourcentage permet aux entreprises qui produisent des batteries à grande échelle d’économiser des milliards de dollars.

La méthode consistant à améliorer les opérations de fabrication de façon itérative n’est pas assez rapide pour permettre de réussir sur le marché instable des batteries. Les entreprises doivent adopter une fabrication pilotée d’après les données qui leur permette de collecter et contextualiser les données provenant de leurs machines et de leurs usines et d’extraire des informations spécifiques aux batteries afin d’identifier et de résoudre les problèmes qui dégradent le taux de rebut et la qualité de la fabrication. En tirant parti d’un jumeau numérique complet, de la convergence IT-OT, ainsi que de la puissance de l’IA générative, de l’apprentissage automatique et de l’analyse des données, les entreprises peuvent détecter plus rapidement les problèmes de production et mettre ensuite en œuvre ces solutions de manière rentable.

 

Lorsque la fabrication est pilotée d’après les données, la simulation guide l’interaction entre les différentes étapes du processus. La convergence IT-OT fournit des informations sur l’exécution de la production et permet la collecte et la contextualisation des données dans l’ensemble de l’usine. Combinée à l’analyse de données spécifiques aux batteries et à l’IA/ML, elle permet d’identifier rapidement les cellules défectueuses avant qu’elles ne terminent leur processus de formation et de vieillissement. Cette résolution rapide des problèmes est excellente pour les coûts d’opportunité, mais elle est aussi bénéfique pour des processus de fabrication plus vastes. Les problèmes peuvent être corrélés et corrigés. Ce processus d’itération accélérée n’est possible qu’avec la fabrication pilotée d’après les données.

La fabrication pilotée d’après les données offre également des avantages considérables pour l’assemblage des modules et des packs (boîtiers) en augmentant le rendement global de la production. En outre, les entreprises qui se lancent dans la fabrication de batteries à grande échelle peuvent adopter l’approche de l’usine pilote pour valider et optimiser leur processus de production. Cela leur permettra de raccourcir considérablement le délai de mise à l’échelle de la production et de réduire les risques liés à l’investissement en capital requis. Effectuer leur transformation numérique aide les entreprises à adopter de telles solutions et à améliorer leurs chances de réussite face à la nouvelle dynamique du secteur des batteries. Réaliser des économies sur les dépenses opérationnelles aujourd’hui peut permettre de financer le développement du produit innovant de demain.

 

Nouvelles avancées technologiques dans le domaine des batteries

Il est essentiel de rendre les technologies existantes plus rentables, mais de nouvelles technologies telles que les chimies sodium-ion et les architectures à matériaux solides pourraient remodeler le secteur des batteries. La transformation numérique – incluant les jumeaux numériques, l’automatisation, l’IA appliquée aux données et l’IA générative – est essentielle pour ouvrir la voie à de nouvelles innovations et les commercialiser.

Les progrès rapides de la chimie sodium-ion ont déjà permis à cette technologie d’atteindre un premier stade de commercialisation en Chine, pour les petits véhicules urbains à faible autonomie. De même, de nombreux constructeurs automobiles, tels que Toyota et Honda, ainsi que des producteurs de batteries à matériaux solide, tels que Quantumscape, ont annoncé des avancées prometteuses et des projets d’extension de la production. En outre, de nouvelles conceptions de cellules et de packs, telles que les technologies « cell-to-pack » (cellules intégrées directement dans le pack) et « cell-to-chassis » (cellules intégrées directement dans le châssis), seront essentielles pour améliorer la densité énergétique des batteries. Le jumeau numérique, avec ses modèles complets de simulation et d’IA, permet aux entreprises d’évaluer ces nombreux concepts et d’innover plus vite.

Les innovations technologiques requièrent également de nouveaux procédés de fabrication, tels que les techniques de fabrication d’électrodes sèches, par exemple. De nouvelles machines et de nouveaux processus de production seront nécessaires pour assurer la qualité et la rentabilité de ces procédés. Cela nécessitera une collaboration entre les développeurs de matériaux, les constructeurs de machines et les experts en fabrication. Le jumeau numérique des machines et la mise en service virtuelle qui s’ensuit permettent de développer et valider plus rapidement les commandes d’automatisation de ces nouvelles machines. En outre, le jumeau numérique des usines de production peut permettre aux entreprises de tester, optimiser et valider le fonctionnement de différentes machines afin de maximiser le rendement de la production.

 

L’essor des systèmes de stockage d’électricité par batterie

La demande de systèmes de stockage d’électricité par batterie (BESS) augmente rapidement et devrait être multipliée par cinq entre 2023 et 2030. Dans l’ensemble, cette croissance s’explique par les mesures prises dans le monde entier pour décarboner le réseau électrique. Il est probable que les centres de données et les centres d’entraînement des modèles d’IA, gourmands en énergie, stimuleront également cette demande dans les années à venir.

 

Les BESS sont toutefois très différents des batteries des VE et posent des problèmes spécifiques. Par exemple, un BESS de 1 GWh comporte souvent de 7 à 9 millions de pièces, dont 1 à 1,5 million de cellules. En termes de complexité globale de la nomenclature, c’est l’équivalent d’un Boeing 787. Cela présente des défis importants en matière de collaboration avec les fournisseurs, de gestion de la nomenclature, de gestion des stocks et d’entretien. En outre, les BESS sont censés offrir une durée de service de 20 à 25 ans.

Cela imposera des contraintes de qualité strictes pour la conception et la fabrication des batteries, les stratégies de gestion thermique et la robustesse du système de gestion des batteries. Les entreprises devront envisager de concevoir des systèmes modulaires afin de permettre leur évolutivité. Celles qui adopteront des solutions numériques pour l’ingénierie, la fabrication et l’entretien auront un avantage pour répondre à la demande croissante tout en garantissant la sécurité et la fiabilité de leurs BESS.

 

Respecter les prochaines réglementations concernant les batteries

Sous l’effet des réglementations gouvernementales et de la nécessité d’un approvisionnement éthique et écoresponsable, le secteur des batteries est confronté à des exigences accrues en matière de transparence et de traçabilité. Les régulateurs de l’UE ont imposé que, d’ici février 2027, toute batterie d’une capacité supérieure à 2 kWh à usage industriel ou destinée à un VE devra posséder un passeport numérique. Des réglementations similaires sont en cours d’élaboration dans d’autres pays. Ce passeport doit contenir des informations sur l’empreinte carbone, les performances et le cycle de vie de la batterie ainsi que sur la nature et la provenance des matériaux qui la composent.

Les exigences de ce passeport nécessitent que de nouvelles informations soient fournies à tous les niveaux de la chaîne de valeur des batteries, des matières premières aux produits finis. Les entreprises devront collecter de nombreux types de données différents, et ce de manière transférable, vérifiable et sécurisée. Bien que les intégrateurs de systèmes finaux soient responsables de la fourniture des données devant figurer sur le passeport, une grande partie des informations provient du reste de la chaîne de valeur. Les données provenant des fabricants de batteries et de leur chaîne d’approvisionnement seront nécessaires pour déterminer l’empreinte carbone totale de la batterie et le degré d’écoresponsabilité des matériaux qui la composent, et seront utilisées pour la certification de conformité et l’étiquetage. En outre, les performances de la batterie tout au long de son cycle de vie constituent une autre information-clé de son passeport et nécessiteront la communication des données collectées par le système de gestion de la batterie.

Il sera indispensable de normaliser les rapports, non seulement pour pouvoir respecter les exigences relatives aux données du passeport mais aussi pour permettre de connaître l’historique de la batterie lorsqu’elle sera inspectée, entretenue ou cédée à une autre partie. Pour que tout cela se fasse de manière efficiente et sans risque pour la propriété intellectuelle, il faudra une plateforme numérique solide et sécurisée et des partenaires fiables.

 

Préparer les succès futurs

La croissance du secteur des batteries au cours de la dernière décennie a été source d’opportunités et d’innovations, mais la poursuite de cette croissance impose aux entreprises de transformer leurs pratiques d’ingénierie et de fabrication. Face à l’essor de la nouvelle demande de stockage d’électricité par batterie, à la demande de véhicules électriques, à la baisse rapide du prix des batteries et aux nouvelles avancées technologiques concernant leur fabrication qui se profilent à l’horizon, la réussite passe par une mise à l’échelle des opérations écoresponsable avec l’aide du jumeau numérique global, de la convergence IT-OT, de l’analyse des données et de l’IA générative. La réduction des coûts opérationnels ne doit pas seulement servir à garantir la rentabilité dans l’environnement commercial actuel, où les prix des batteries sont en baisse, mais aussi à poursuivre l’investissement dans l’avenir, avec des chimies cellulaires innovantes et des architectures de batteries toujours plus modernes.

La transformation numérique aide les entreprises à acquérir la flexibilité nécessaire pour se réorienter et poursuivre leur activité avec succès. Cette évolution peut prendre la forme d’améliorations techniques du produit ou du processus, mais elle peut aussi consister en un changement d’orientation du marché. Les batteries ont des applications importantes dans tous les domaines de notre vie. Se concentrer sur une seule application, même importante, ne garantit pas un succès durable. Siemens poursuit ses efforts pour rendre ses outils accessibles à l’ensemble du secteur des batteries. L’avenir de ce secteur offre un fort potentiel, et les bons outils peuvent transformer ce potentiel en réalité.

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