Traceability von Batteriezellen: Die Grundlage für Nachhaltigkeit, Qualität und den Battery Passport

Um eine nachhaltige und emissionsarme Batteriezellfertigung gewährleisten zu können, ist die Analyse von Energie- und Materialverbräuchen sowie der damit verbundenen Treibhausgasemissionen unerlässlich.  
Digitale Technologien bilden hierfür die notwendige Grundlage. Laut einer Studie der Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB) und Accenture aus dem Jahr 2024 könnten digitale Lösungen eine Zellfabrik für Lithium-Ionen-Batterien, welche die am häufigsten verwendeten Batterietypen darstellen, mit einer Kapazität von 40 GWh jährlich ungefähr 27 Millionen Euro und fast 10% ihrer Emission einsparen. [2]

Insbesondere Digitale Zwillinge bieten großes Potenzial, um komplexe Zusammenhänge innerhalb der Batteriezellfertigung transparent abzubilden. Ein Digitaler Zwilling ist die virtuelle Repräsentation eines physischen Objekts, Prozesses oder Systems. Es ermöglicht die Zusammenführung relevanter Daten aus unterschiedlichen Quellen und verschiedenen Zykluspunkten. Durch das Sammeln der aggregierten Produktions-, Qualitäts- und Betriebsdaten an einem Zugriffspunkt entsteht eine Datenbasis für Analysen, Optimierungen und fundierte Entscheidungsfindung. Dabei greifen Digitale Zwillinge auf bereits vorhandene IT-Systeme zu, welche beispielsweise die Datenerfassung, produktionsbezogene Funktionalitäten, Schnittstellen und weitere Aufgaben je nach Bereich übernehmen.

Der Digitale Produktzwilling repräsentiert das Abbild realer Produkte, Zustände, Eigenschaften und Verhalten ihrer physischen Gegenstücke. [3] Die ganzheitliche Datenerfassung über den gesamten Lebenszyklus des Produkts hinweg ermöglicht es, diese ganzheitlich zu analysieren. Durch das intelligente Verknüpfen der Produktdaten des digitalen Masters mit Betriebs-, Zustands- und Prozessdaten aus dem Digitalen Schatten, können Wirkungszusammenhänge über mehrere Prozessschritte hinweg identifiziert und optimiert werden. 

Neben dem Produktzwilling sind auch Gebäude- und Anlagenzwillinge maßgeblich relevant für eine effiziente Batteriezellfertigung. Mittels datenbasierter Optimierung der Energieeffizienz von Produktionsanlagen können der Ressourceneinsatz minimiert, sowie Stromkosten, Ausschlussraten und Emission gesenkt werden. Produktzwillinge hingegen ermöglichen Einblicke in den Ressourcenverschleiß und Degradationsmechanismen der Batterie sowie Second-Life-Potenziale, welche auf Basis der eingetragenen Daten effizienter analysiert und gezielter erhoben werden können. 

Somit ist die durchgängige Digitalisierung der Wertschöpfungskette ein zentraler Wegbereiter für eine nachhaltigere Batteriezellproduktion. 

In Zusammenhang mit der Digitalisierung gewinnt das Thema Traceability zunehmend an Bedeutung. Doch, was steckt hinter dem Begriff?  
Unter Traceability versteht man die lückenlose Rückverfolgbarkeit von Material-, Prozess- und Qualitätsdaten entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Dies ist nicht nur wichtiger Bestandteil des Qualitätsmanagements, sondern auch Basis für regulatorische Anforderungen der Europäischen Union. Anhand dieser Rückverfolgbarkeit können Daten aus allen Phasen des Batterie-Lebenszyklus gesammelt und in die betreffende Zyklusphase zur Optimierung jener zurückgespiegelt werden. Lieferanten und ressourcenschonende Materialien können so gezielt ausgewählt werden, Produktions- und Designprozesse können effizienter und nachhaltiger gestaltet werden. Schlussendlich kann sich die Langlebigkeit der Batterien durch diese Prozessoptimierung erhöhen. Traceability trägt somit sowohl zur Ressourceneffizienz als auch zur Qualitätssicherung und angestrebten Kreislaufwirtschaft bei. [4]

Die zunehmende Relevanz von Transparenz und Traceability spiegelt sich auch in regulatorischen Vorschriften wider. So ist es auch Fokus der Batterieverordnung, welche im Rahmen des »European Green Deal« entwickelt wurde. Ein zentraler Teil dieser Umsetzung ist der Battery Passport. Dabei handelt es sich um eine standardisiertes, digitalen Produktakte, welche jede Batterie über ihren gesamten Lebenszyklus eindeutig identifizierbar macht. Der digitale Produktzwilling tritt ab dem 18. Februar 2027 in Kraft und gilt in der EU für alle Batterien in leichten Verkehrsmitteln, Industriebatterien mit einer Kapazität von mehr als 2 kWh und Batterien für E-Autos, die auf den EU-Markt gebracht werden. 

Die Pflichtangaben des Battery Passports umfassen circa 90 Datenattribute in insgesamt sieben Kategorien: 

• Allgemeine Informationen zur Batterie und zum Hersteller
• CO2-Fußabdruck
• Materialien und Zusammensetzung
• Leistung und Haltbarkeit
• Konformität, Kennzeichnung, Zertifizierungen
• Sorgfaltspflicht in der Lieferkette
• Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz

Das Ziel ist eine transparente und nachhaltige Batterie-Wertschöpfungskette zu fördern und Interoperabilität sowie Sicherheit zu gewährleisten. [5]

Durch diese Vorteile kann der Batterie Pass entlang der gesamten Wertschöpfungskette erheblichen Mehrwert für Hersteller, Betreiber, Recycler, Kunden, Läufer und Politik schaffen. [6]

Die Verantwortung zur sorgfältigen und umfassenden Datenerfassung und -speicherung erfolgt in einem dezentralen System und obliegt den jeweiligen Wirtschaftsakteuren, welche die Batterie in den Verkehr bringen (i.d.R. der Hersteller oder Importeur). Akteure entlang des Batterie-Lebenszyklus tauschen auf Basis dieses Systems ihre jeweiligen Daten aus. Zugriff erhalten sie über einen Datenträger, beispielsweise einen QR-Code, auf der Batterie. Die verschiedenen Interessengruppen wie Kunden, die Öffentlichkeit oder auch die EU-Kommission, erhalten dabei unterschiedliche Zugriffsrechte auf die hinterlegten Informationen. 

Die Anforderungen der EU-Batterieverordnung und die Einführung des Battery Passport machen umfangreiche organisatorische und prozessuale Anpassungen wie Änderungen an IT-Systemen, Datenmanagement und Infrastruktur der Unternehmen erforderlich. [7] Unternehmen müssen künftig sicherstellen, dass relevante Produkt-, Prozess- und Materialdaten vollständig und detailliert erfasst werden. Hier reicht eine Erfassung der Daten rein auf Batch Level oftmals nicht aus, da es mehrere Materialien oder Produkte zusammenfasst, die unter denselben Bedingungen hergestellt wurden. Bei einem Problem müsste beispielsweise die Produktionscharge von Elektrodenbahnen aus derselben Beschichtungskampagne überprüft oder gesperrt werden. 

Die Datenerfassung auf Sheet-Level, ermöglicht hingegen eine präzisere Ursachenanalyse bei auftretenden Problemen, sowie geringere Ausschlussraten und gegebenenfalls gezielte Rückrufe. Jedes Sheet kann eine eigene ID besitzen, wodurch man jedes Elektrodenblatt im Prozess präzise rückverfolgen kann. 

Hinsichtlich der Transparenz ist besonders die Einbindung von Informationen aus vorgelagerten Lieferketten herausfordernd. Um die Anforderungen an Herkunftsnachweise und Materialzusammensetzungen erfüllen zu können, ist eine engere Zusammenarbeit mit Zulieferern und Partner erforderlich. Zu diesem Zweck müssen gegebenenfalls neue Schnittstellen in schwer einzusehende Bereiche der Lieferkette aufgebaut werden. 

Darüber hinaus müssen Systeme zur Erfassung, Verwaltung und Bereitstellung von Produkt- und Materialdaten nicht nur interne, sondern auch externe Datenquellen integrieren und deren Inhalte lesen können.  
Das enge Ineinandergreifen der vielfältigen und komplexen Prozessschritte kann zudem eine prozessuale Neuausrichtung erfordern, bei der klare Zuständigkeiten innerhalb der Unternehmen definiert werden müssen. 

Die europäischen regulatorischen Vorgaben definieren somit einen Rahmen, lassen Unternehmen bei der Umsetzung jedoch häufig Spielraum. Besonders hinsichtlich der benötigten Interoperabilität der verwendeten Systeme führt dies zu erheblichen Problemen. Dementsprechend gewinnen Fragen zur konkreten Umsetzung des Battery Passports, Standards wie OPC UA und Initiativen wie VDMA bei der Schaffung interoperabler Traceability-Lösungen an immer mehr Gewicht.