Build and Ramp up: Die Planung einer Batteriezellfabrik

Wie wird eine Batteriefabrik geplant?

Elektrodenfertigung, Assemblierung, Formierung – im letzten Artikel unserer Informationskampagne »Skill and Scale up« haben wir die einzelnen Fertigungsschritte der Batterieproduktion betrachtet. Eines lässt sich daraus mitnehmen: Die Herstellung von Batteriezellen stellt hohe Anforderungen an die Produktionsumgebung. Neben einem hohen Strombedarf müssen zur Qualitätsgarantie beispielsweise die technische Sauberkeit und extreme Trockenheit gewährleistet sein. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine anforderungsorientierte Fabrikplanung erforderlich, die auch die Standortbedingungen berücksichtigt. Im sechsten Teil von »Skill and Scale up« werfen wir daher einen Blick auf den Ort der Produktion: Die Batteriezellfabrik. Im Fokus liegt dabei insbesondere auf dem Planungsprozess und Bauvorhaben in Europa.

Der Umfeldbericht »Innovationssystem Batteriezelle« prognostiziert, dass die weltweite Nachfrage nach Batterien voraussichtlich von 185 GWh im Jahr 2020 auf 2-4 TWh im Jahr 2030 steigen wird.[1] Dieser starke Anstieg ist auf zwei wichtige Klimaziele zur Reduzierung der C02-Emissionen zurückzuführen: Zum einen die Elektrifizierung des Verkehrs und zum anderen die Speicherung erneuerbarer Energien. In der Vergangenheit kamen Batteriezellen größtenteils aus Asien. Um den steigenden Bedarf in Europa decken zu können, werden auch hier die Produktionskapazitäten auf vrstl. 1,5 TWh hochgefahren.[2] Doch das sind nur die bislang angekündigten Fabriken – vermutlich werden in den nächsten Jahren noch mehr dazukommen. Den größten Anteil könnte durch neue Produktionsstätten in Deutschland gedeckt werden, zeigt eine Auswertung des Fraunhofer ISI von 2022. Der Schwerpunkt der Aktivitäten zum Bau von Zellfabriken liegt auf Batteriezellen für Elektroautos und auf der Belieferung europäischer OEMs. Hier sollen in den nächsten Jahren mehrere Hundertausende Arbeitsplätze entstehen, der Markt für Batterien im E-Mobilitätssektor könnte bis ins Jahr 2035 auf ca. 250 Milliarden Euro wachsen.

Fabrikplanung nach der Richtlinie VDI 5200

Wer eine Batteriezellfertigung auf die grüne Wiese stellen will, muss zunächst die komplexen Bedingungen kennen, die Logistik, Energiebedarf, Qualität und Wirtschaftlichkeit an die Produktion stellen. In der Standortwahl spielt auch die Verfügbarkeit von (regenerativer) Energie eine Rolle. Die Fraunhofer FFB orientiert sich in eigenen und externen Planungsprojekten an der Richtlinie 5200 des Vereins Deutscher Ingenieure, kurz VDI 5200. Sie stellt ein ganzheitliches Modell dar, das interdisziplinäre Methoden aus Architektur, technischer Gebäudeausstattung oder unter anderem auch dem Brandschutz verwendet. Die Richtlinie schlägt eine Vorgehensweise in sieben Phasen vor:

1. Zielfestlegung

In der ersten Phase werden gemeinsam mit dem Unternehmen fabrikplanerische Aufgabenstellungen sowie Fabrikziele unter Einhaltung von Projektrahmenbedingungen festgelegt.

2. Grundlagenermittlung

Die Grundlagenermittlung besteht aus einer Analyse der gesamten Ausgangssituation mithilfe von Daten- und Simulationstools. Hier wird die Durchführbarkeit anhand einer belastbaren Datengrundlage geprüft.

3. Konzeptplanung

In der dritten Phase wird gemeinsam mit dem Unternehmen ein Fabrikkonzept aufgestellt, welches die aufgestellten Fabrikziele bestmöglich erfüllt. Von einem Ideallayout ausgehend werden reale physische Gegebenheiten wie Gebäude, Grundstück und die technische Ausstattung zu einem Groblayout weiterentwickelt, das bereit Logistik- und Materialflusskonzepte berücksichtigt.

4. Detailplanung

In der Detailplanung wird das Groblayout in seinen Feinheiten weiterentwickelt. Das Feinlayout bezieht Arbeitsabläufe, Wandlungsfähigkeit und effiziente Flächennutzung mit in die Konzeption ein.

5. Realisierungsvorbereitung

Die Vorbereitungsphase vor der Realisierung des Baus beinhaltet die Aufstellung eines Kostenplans.

6. Realisierungsüberwachung

Parallel zur Realisierung erfolgt die Realisierungsüberwachung, die eine ordnungsgemäße Umsetzung des Konzepts sowie die Einhaltung von Zeit- und Kostenplänen sicherstellt.

7. Hochlaufbetreuung

Abschließend wird die fertiggestellt Fabrik auf das festgelegte Leistungsniveau hochgefahren. Beim sogenannten »Ramp up« wird die Zielerreichung überprüft.

Wo liegen die Innovationspotenziale im Bereich Fabrikplanung?

Die Fraunhofer FFB forscht derzeit in fünf Themenfeldern der Fabrikplanung: Logistik, Digitale Fabrik, Energiemanagement, Strategie-/ Unternehmensentwicklung und der Optimierung von Rein- und Trockenräumen. Im Bereich Technologiemanagement bewerten und suchen wir nach neuen Technologien und können Technologieketten planen. Das Nachhaltigkeitsmanagement erforscht Optimierungspotentiale in der Fabrikplanung, z.B. mithilfe von Life-Cycle-Assesments. Digitale Methoden bieten in diesem Prozess die Möglichkeit zur Planung, Überwachung und Optimierung. Beispielsweise können mittels Simulationen die Details von Produktionsprozessen, wie z.B. Materialflüsse und Produktionsabläufe, besser vorhergesagt werden.

Fabrikplanung an der Fraunhofer FFB

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Unsere Kompetenz: Fabrikplanung

Die Fraunhofer FFB verfügt über umfangreiches Know-How in der Planung und Realisierung von Fabrikbauprojekten im Bereich der Batteriezellfertigung.

Skill and Scale up

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