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Interview

Gigafactories und Industrie 4.0 – eine Traumhochzeit?

Disruptive Veränderungen und dynamischer Markt: warum Gigafactories smart sein müssen, weiß Philipp Wunderlich, Head of Battery Technology.

Lieber Philipp Wunderlich, Sie haben sich in ihrer Promotion mit Materialien für Hochenergie-Batterien beschäftigt. War ihr Job jemals spannender als heute?

Kaum. Ich bin eigentlich Materialwissenschaftler, kenne mich gut mit Elektrochemie und Materialeigenschaften aus. Inzwischen habe ich es aber nicht mehr mit Herausforderungen auf der Nanoskala und Batterien im Labormaßstab zu tun, sondern eher mit Gigafactories. Durch den Aufbau unserer europäischen Batteriewirtschaft entstehen neue Spielfelder und dort müssen wir uns auch mit Automatisierung und digitaler Fabrikarchitektur beschäftigen.

Wie ist die Situation in Europa?

Europa ist stark im Ramp-up der Lithium-Ionen-Batterieproduktionskapazitäten für die Elektromobilität und das Stationärspeichergeschäft. 2030 liegt der erwartete Batteriebedarf hier bei über 400 bis 800 Gigawattstunden. Wenn wir uns – langfristig betrachtet – selbst mit Batterien versorgen wollen, müssen wir auf dem Kontinent auch die Fabriken und Lieferketten aufbauen. Auch wenn jetzt viele Gigafactory Projekte angekündigt wurden und schon die ersten Zellen produziert werden, bleibt mittelfristig doch die Abhängigkeit von asiatischen Zulieferern.

Kann jeder eine Gigafactory bauen?

Wenn das nötige Kleingeld da ist, ja. Wer eine Fabrik auf eine grüne Wiese stellen will, sollte mit etwa 80 Millionen Euro Startkapital pro Gigawattstunde planen. Das sind schnell ein paar Milliarden – also hohe Investitionsbarrieren für den Markteintritt. Den Bau der Fabrik kriegen wahrscheinlich auch die Newcomer im Markt hin, aber die eigentliche Herausforderung wird sein, die Fabriken profitabel zu betreiben.


Wer kann sich das leisten?

Es gibt die alten Hasen, Legacy Players wie EAS Batteries, Saft oder Leclanché, die als erste Unternehmen ihre Lithium-Ionen-Batterie Fertigungslinien aufgebaut haben – und diese Fabriken nun nicht mehr oder nur eingeschränkt skalieren können. Dann kam die erste Welle Zellfabriken, vorwiegend von koreanischen Unternehmen, die Standorte in Osteuropa ausgewählt haben. Derzeit folgt eine zweite Welle, in der die chinesischen Batteriehersteller nach Europa kommen. Das beste Beispiel dafür ist CATL in Thüringen. Spannend sind die Aktivitäten der Europäischen OEMs, die vor allem in eigener Anstrengung oder als Joint Venture Fabriken planen – und eine Reihe von regionalen Startups, die sich ambitioniert auf äußerst nachhaltige oder günstig zu produzierende Batterien fokussieren. Darunter sind auch Hoffnungsträger für die deutsche Premium-Zellproduktion wie die CUSTOMCELLS. Für neue Player war es in dem florierenden Marktumfeld der letzten Jahre sehr einfach an Investitionskapital zu kommen.

Werden die gewinnen, die nun am schnellsten sind?



Es kommt jetzt darauf an, schnell zu sein, um möglichst viel Markanteil erobern zu können und dann zu skalieren. Doch es ist wichtig, gleichzeitig auch die Materialzulieferung zu sichern. Eine hochmoderne Fabrik, die keine krisenfeste Lieferkette für Batteriematerialien wie LFP oder NMC hat, kann auch nicht konkurrenzfähig produzieren. Für Batterien „made in Europe“ ist eine besonders nachhaltige und energiearme Produktion von Zellen und Materialen erstrebenswert, da wir schließlich unseren Mobilitätssektor und die Energiewirtschaft dekarbonisieren müssen.
Außerdem darf man die Sicherheitsstandards in diesem Rennen um immer schneller Produktentwicklungszyklen nicht vernachlässigen, um seine Wettbewerbsfähigkeit zu wahren.

Inwiefern kann das Konzept der Industrie 4.0 bei diesen Aspekten helfen?

Es ist heutzutage eigentlich ein Muss, die Fertigung in neuen Fabriken von Beginn an digital zu denken. Schon vor dem Bau kann sie virtuell begangen und der Prozessablauf simuliert werden. Daten fließen in das Building Information Management (BIM) und helfen, in der Planungsphase oder während des Baus teure Fehler zu vermeiden.

Was ist die Basis für eine smarte Gigafactory?

Eine Smart Factory setzt die Vernetzung von Produktionsanlagen, Mitarbeitenden und dem Gebäude voraus. Dazu bedarf es einer Unmenge an Daten. Eine digitale Abbildung der realen Welt kann nur funktionieren, wenn sie mit ausreichend Daten gefüttert wird – und die Informationen möglichst genau sind: Taktzeiten der Maschinen und Prozessschritte, 3D-Konstruktionsdaten von Produktionslinien, die exakten Designparameter der Batteriezellen und Zwischenprodukte. Nur möglichst umfassende Daten erlauben ein realitätsnahes Abbild.

Wer hilft, das zu realisieren?

Bei uns machen das beispielsweise die Experten und IT-Architekten aus aus dem Bereich Digital Solutions. Die Annäherung von Operational (OT) und Information Technology (IT) spielt auch in Gigafactories eine immer wichtigere Rolle,. Vom Shopfloor in der Fabrik bis hoch in die Steuerungsebene des Unternehmes erfolgt immer mehr Datentransfer automatisiert über Sensorik, Human-Machine-Interfaces (HMIs), einem System, das die Produktionskampagnen steuert (z.B. ein MES) oder das Enterprise Resources Planning (ERP) System. Im Zusammenspiel dieser Ebenen entstehen zusätzlich Potenziale durch den gut überlegten Einsatz von Cloud oder des Edge Networks. Mit einer robusten und skalierfähigen Systemarchitektur lassen sich dann Produkt- und Prozessinformationen effizient verarbeiten und miteinander verknüpfen. In der Batteriefertigung können somit die für eine Zelle verwendeten Materialien nach- und zurückverfolgt (Track and Trace) werden.

… dann läuft die Batteriefabrik wie von selbst?


Jein. Die Komplexität des Produktionsprozesses und die Geschwindigkeit des Produktentwicklungsprozesses werden häufig unterschätzt. Moderne Batterietechnologie zeichnet sich durch ein kontinuierliches Innovations- und Optimierungsmanagement aus. Software-Lösungen wie das Product Lifecycle Management (PLM) sind daher notwendig.

Wie behält ein Zellhersteller Überblick über die vielen Daten?

Das muss automatisiert über Computer und Algorithmen erfolgen. Es gibt über 50 Produktparameter wie Kapazität, Spannung oder die Impedanz der Zelle. Es gibt laut Produktionsforschern über 1000 Zwischenproduktparameter und nochmals 1.500 Prozessparameter. Dementsprechend schwierig wird es für Produktionsmitarbeitende oder das R&D Team, alle entscheidenden Ursache-Wirkungszusammenhänge in einer Gigafactory zu finden. Die Forschung arbeitet gerade an Methoden, die nicht nur beschreibend (deskriptiv) sondern vorschreibend (präskriptiv) sind – durch künstliche Intelligenz, die nicht nur diagnostizieren und prognostizieren kann, sondern aktiv Lösungen vorgibt. Dazu wird voraussichtlich maschinelles Lernen zum Einsatz kommen.

Wie wichtig sind künftig Menschen zwischen all der Automatisierung?

Elementar. Das Gerücht der menschenleeren Gigafactories hält sich hartnäckig. Nach unseren Erfahrungen und Berechnungen braucht man pro Gigawattstunde Fabrikgröße immer noch zwischen 30 und 50 Mitarbeitende. Ein Großteil von ihnen sind Operators, die Maschinen bedienen und Prozesse überwachen. Die Fertigungsprozesse selbst erfordern gleichzeitig ein so hohes Maß an Präzision und Geschwindigkeit, dass der Mensch nicht mehr mithalten kann. Aber: zu viel Automatisierung macht die Produktion anfällig für Fehler, da es an der Flexibilität und technischem Geschick der Mitarbeitenden mangelt. Dementsprechend kommt es auf ein gesundes Mittelmaß an – und selbst das wird beim Fachkräftemangel eine Herausforderung.

Wo kann umlaut helfen?


Durch die langjährige Zusammenarbeit mit den Zellherstellern und vielen OEMs in der Automobilindustrie und Energiewirtschaft kennen wir das Produkt Batterie in und auswendig. Wir können nicht nur bei der Konzeption von Gigafactories beraten, sondern auch gezielt die IT und OT-Architektur, Prozesse und Simulationen entwickeln sowie umsetzen. Auch beim Aufbau der Fabrik und der Inbetriebnahme der Anlagen können wir erfahrene Teams bereitstellen – eine seltene Ressource in dem Feld.

Vielen Dank für das Gespräch!