Quali sono le sfide principali dal punto di vista tecnologico per lo sviluppo dei sistemi di accumulo? Abbiamo raccolto il punto di vista di Comau, società leader nello sviluppo di sistemi e prodotti avanzati per l’automazione industriale
(Rinnovabili.it) – Come evolverà il settore delle batterie per rispondere alle esigenze dell’elettrificazione? Quali sono le innovazioni e le tecnologie più promettenti? Con i progressi nell’elettrificazione emerge sempre di più il bisogno di migliorare il riciclo delle batterie, quali sono le prospettive in questo campo? Lo abbiamo chiesto a Gian Carlo Tronzano, Head of Battery Cell Global Competence Center di Comau, società parte di Stellantis e leader nello sviluppo di sistemi e prodotti avanzati per l’automazione industriale.
Il business di Comau è fortemente orientato allo sviluppo di soluzioni per l’automazione di processi industriali. Qual è il vostro approccio e quali sono i suoi punti di forza nel contesto della transizione?
Comau è un’azienda di riferimento mondiale nello sviluppo di soluzioni e prodotti innovativi per l’automazione industriale. La sua esperienza nel settore dell’elettrificazione, rafforzata dalla collaborazione con alcuni tra i più importanti produttori nel campo della mobilità elettrica, permette all’azienda di fornire al mercato tecnologie dedicate, avanzate e complete. Comau è infatti in grado di assemblare qualsiasi tipologia di pacco e di modulo di batteria, a partire da qualunque tipologia di cella prismatica, pouch o cilindrica, offrendo anche soluzioni per la produzione delle celle stesse. Nel campo dell’e-Mobility, Comau vanta numerosi progetti in tutto il mondo – in particolare in Asia, Europa e Stati Uniti – per la produzione e l’assemblaggio di moduli di batterie di qualunque tipologia, sia a livello prototipale che per la produzione su larga scala. Nelle medesime aree territoriali, l’azienda è impegnata nella progettazione e nella realizzazione di sistemi di assemblaggio per pacchi batteria e nella fornitura di impianti per la costruzione di celle. Cercando di anticipare le tendenze tecnologiche che andranno a orientare il futuro dell’elettrificazione, Comau sta collaborando direttamente con produttori di batterie, con sviluppatori di tecnologie e con centri di ricerca internazionali per l’industrializzazione dei processi di produzione di celle di nuova generazione, come le batterie allo stato solido.
Parliamo dell’impegno nell’elettrificazione e quindi di batterie. La frontiera in questo ambito è la produzione di batterie allo stato solido su scala industriale. Quali sono le sfide principali dal punto di vista tecnologico, anche in confronto alla produzione di batterie allo stato liquido?
Il mercato dell’elettrificazione e della mobilità elettrica sta crescendo a ritmi sostenuti, spinto anche dalla necessità di raggiungere gli obiettivi del Green Deal europeo, che puntano ad azzerare le emissioni di carbonio entro il 2050 nel settore dei trasporti. L’istituto Fraunhofer stima che, nel 2030, la domanda di batterie in Europa arriverà ad essere 10 volte maggiore rispetto a quella attuale (fino a 1,5 TWh). Anche se le batterie agli ioni di litio resteranno nei prossimi 5-10 anni la tecnologia dominante, soprattutto nel settore automobilistico, il mercato inizierà ad assistere ad un aumento sempre più marcato della domanda di batterie di nuova generazione, come le batterie allo stato solido. Come emerge, infatti, dal report “Global Solid State Battery Market 2022-2026”, il settore delle batterie allo stato solido dovrebbe raggiungere un valore superiore ai 500 milioni di dollari nel periodo 2022-2026, con un CAGR maggiore del 55% nello stesso periodo. Per supportare in modo completo ed efficiente la produzione su larga scala di batterie di nuova generazione, saranno quindi necessarie nuove tecnologie e processi di lavorazione più efficienti, più sostenibili e meno onerosi. Comau, ad esempio, collabora allo sviluppo di un’infrastruttura tecnologica capace di supportare la creazione di una catena del valore efficace e completamente europea per la produzione di batterie di nuova generazione, con l’obiettivo di facilitare e accelerare la transizione energetica.
Insieme a Ilika avete realizzato uno studio di scale-up per la tecnologia delle batterie allo stato solido e la loro futura produzione per i produttori di veicoli elettrici. Ci può riassumere le conclusioni?
Comau ha condotto, in collaborazione con Ilika Technologies, pioniere nella tecnologia ASSB (All-Solid-State Battery) per i veicoli elettrici, uno studio di un anno, finanziato dal governo britannico, su macchinari e processi necessari per produrre a livello industriale batterie con tecnologia allo stato solido Goliath (basata su elettrolita di ossido), per aiutare l’azienda a raggiungere volumi di circa 100 MWh all’anno. In particolare, Comau ha supportato Ilika nello sviluppo di un processo di produzione, in laboratorio e su scala industriale, basato sull’utilizzo di tecnologie e impianti già disponibili, che permettesse all’azienda di richiedere una ridotta personalizzazione e un investimento limitato ai clienti. Quando le tecnologie produttive non erano disponibili, Comau ha invece progettato nuovi processi e macchinari con l’obiettivo di industrializzarli in una seconda fase del progetto. Si stima che la tecnologia Goliath di Ilika possa migliorare la densità dell’energia dei pacchi batteria, consentendo una ricarica più rapida, inferiore ai 20 minuti, e un funzionamento a temperature più elevate rispetto a quello delle convenzionali batterie agli ioni di litio.
In particolare, ci può spiegare quali innovazioni nel processo industriale avete validato tramite questo studio?
Grazie allo studio condotto con Ilika è stato possibile realizzare la maggior parte delle fasi di produzione delle celle allo stato solido su macchinari standard o leggermente personalizzati, già utilizzati nella produzione di batterie agli ioni di litio tradizionali (basate su elettrolita liquido). Lo studio è proseguito con l’identificazione di alcune fasi di processo per le quali era necessario lo sviluppo di specifici macchinari ASSB. Conclusa la fase di studio del progetto, le due aziende hanno quindi definito una roadmap flessibile per poter raggiungere livelli di produzione di massa. In futuro, Comau continuerà a supportare Ilika per aiutarla a portare a compimento tutti i passaggi necessari per arrivare all’industrializzazione delle proprie batterie.
Quali tempistiche prevedete per la realizzazione di gigafactory di SSB e quali sono le condizioni che possono accelerare questo processo?
È ancora prematuro fare previsioni sui tempi necessari per passare in modo completo alla produzione di massa di batterie allo stato solido. Diversi sono i progetti già avviati per la realizzazione di impianti di produzione dedicati alla tecnologia SSB e questo lascia sperare che nei prossimi anni sarà possibile assistere ad un’accelerazione significativa di questo processo di sviluppo.
Qual è il ruolo di Comau nel progetto SPINMATE e quali innovazioni per SSB testerete e validerete?
Il progetto SPINMATE, a cui Comau partecipa, ha l’obiettivo di sviluppare processi innovativi e scalabili per la produzione delle celle delle batterie allo stato solido. Il progetto si propone di validare una linea pilota digitalizzata, scalabile, sostenibile, sicura ed economica, che porti alla produzione su larga scala di celle e di moduli di batterie allo stato solido (SSB) di generazione 4b (Gen 4b), per supportare l’elettrificazione del settore automobilistico. L’utilizzo di nuovi materiali (litio metallico ed elettrolita solido) hanno caratteristiche meccaniche diverse da quelli impiegati per la produzione di batterie convenzionali e per questo richiedono lo sviluppo di soluzioni di manipolazione dedicate (es. utensili da taglio, sistemi pick-and-place). Inoltre, il processo di impilamento utilizzato nell’assemblaggio delle celle di batterie più convenzionali, come ad esempio la piegatura a Z, non è adatto ad essere usato con nuovi materiali, richiedendo quindi lo sviluppo di un apposito metodo di impilamento a singoli fogli. Collaborando con partner internazionali, produttori di materiali, enti di ricerca e università, durante il progetto SPINMATE, Comau ha il compito di sviluppare innovativi processi di assemblaggio delle celle SSB, definendo le attrezzature e gli strumenti necessari per tagliare, impilare e gestire materiali di nuova generazione – come il litio metallico e gli elettroliti solidi – nel processo di montaggio automatico delle celle. Comau dirige inoltre la strategia di digitalizzazione della linea pilota, basandosi su modelli di produzione digitale tipici dell’Industria 4.0 e 5.0.
Ci può spiegare nel dettaglio quali e quanti sono i vantaggi e l’efficientamento ottenuti nel progettare la linea di produzione di moduli batteria per ACC?
Comau sta sviluppando una linea per automatizzare la produzione delle batterie per veicoli elettrici di nuova generazione da installare nella Gigafactory di Automotive Cells Company (ACC), joint venture tra Stellantis, TotalEnergies/Saft e Mercedes-Benz. Le linee estremamente flessibili progettate da Comau sono adatte a gestire due diversi moduli, a 8 e a 16 celle, consentendo ad ACC di produrre fino a 8 Gigawattora (GWh) all’anno entro la fine del 2024. La collaborazione tra Comau e ACC ha permesso di personalizzare e rendere più efficiente il processo, per garantire la geometria del prodotto e le caratteristiche della batteria previste. Inoltre, l’approccio di sviluppo congiunto adottato (simultaneous engineering) ha permesso a Comau di eliminare una delle linee originariamente progettate, migliorando le dinamiche di lavoro, aiutando ACC ad ottimizzare i suoi investimenti CAPEX. Comau ha fornito all’azienda la tecnologia e il know-how necessari per automatizzare l’intero processo di produzione, dalla preparazione e collaudo delle celle prismatiche, all’impilamento, la saldatura e l’assemblaggio finale, fino al collaudo di fine linea. Con un tasso di produzione stimato di 53 JPH (unità all’ora), la soluzione progettata da Comau è riuscita a soddisfare tutti gli obiettivi di produzione a breve termine del cliente, offrendo al contempo la possibilità di un’espansione futura della produzione, a seconda delle necessità.
Quali sono le vostre soluzioni per il riciclo batterie e quali sono i principali risultati ottenuti nel progetto HR-Recycler?
Comau, insieme ad altre società attive nel campo dell’elettrificazione, enti di ricerca, università e istituzioni, si impegna a identificare soluzioni per il riciclaggio e il riutilizzo delle batterie degli autoveicoli così come di apparecchiature elettriche ed elettroniche, per contribuire alla costruzione di una catena del valore sostenibile e circolare. In questo contesto, Comau ritiene che l’uso della robotica e delle tecnologie digitali possa rendere economicamente e tecnicamente vantaggiosi questi processi.
In particolare, contribuendo al progetto europeo HR-Recycler, Comau ha sviluppato una soluzione ibrida uomo-macchina per il riciclo di apparecchiature elettriche ed elettroniche. Partendo dal presupposto che i processi di riciclo possono essere spesso pericolosi e dispendiosi in termini di tempo – poiché la classificazione, lo smontaggio e lo smistamento dei componenti vengono solitamente eseguiti a mano – Comau ha sfruttato la sua esperienza nella robotica collaborativa per contribuire a sviluppare un sistema che permettesse la sostituzione di delicate attività manuali con il supporto di automazioni industriali. L’impianto pilota utilizza infatti soluzioni di robotica collaborative e avanzati sistemi di ispezione visiva, per automatizzare la classificazione e la pallettizzazione dei rifiuti elettronici in entrata e guidare il processo di smontaggio in modo sicuro. Inoltre, in stretta collaborazione con l’integratore di sistemi di visione, Comau ha contribuito allo sviluppo degli algoritmi software utilizzati dal suo robot NJ-220 ad alto payload e dal Racer-5L Cobot basato sull’ambiente ROS; una soluzione che utilizza sensori di sicurezza per creare una collaborazione efficace e senza barriere tra uomo e macchina. I vantaggi offerti sono: una riduzione del 35% delle ore di lavoro, la riduzione del 20% dei costi di manodopera, l’aumento della sostenibilità e del benessere dei lavoratori, sia in termini di migliore ergonomia dato che non devono più manipolare oggetti pesanti e ingombranti.
Con il supporto di EIT Manufacturing, Comau sta inoltre collaborando al progetto Flexible Battery Dismantling (Flex-BD), con l’obiettivo di automatizzare le operazioni di smontaggio di batterie non più in uso, generando un impatto positivo sulle persone e sull’ambiente. Flex-BD è un sistema robotizzato progettato da Comau per lo smontaggio automatizzato delle batterie esauste, grazie ad un processo flessibile, ripetibile e standardizzabile, che permette alle aziende di ridurre gli sprechi, di ottimizzare il riutilizzo delle materie prime che compongono i pacchi batteria e di gestire in modo automatico procedure di manipolazione manuali, potenzialmente rischiose e gravose per l’operatore. Questa innovativa soluzione segue un approccio di “LowCode programming” – ovvero, una programmazione flessibile, con ridotto utilizzo di codice – che si basa sulle più avanzate tecniche di percezione dell’ambiente e sulla capacità reattiva del robot. Caratteristiche che consentono una veloce ridefinizione del ciclo di smontaggio tramite CAD, senza la necessità di ri-programmare il robot, e una pianificazione automatica della sua traiettoria in base all’applicazione da svolgere. La flessibilità di questa automazione è assicurata dall’utilizzo di metalinguaggi e da approcci auto-adattativi, che permettono l’impiego di Flex-BD in un’ampia gamma di prodotti, garantendo il miglioramento della produttività complessiva dell’impianto di riciclo. Nel corso di quest’anno – il secondo di attività del progetto – oltre alla gestione del flusso di riciclaggio stiamo sperimentando anche lo sviluppo di un processo di ‘second life’, che, in sintesi, consiste nel riassemblaggio dei moduli e del pacco batterie per poterli destinare ad un nuovo utilizzo.
Recentemente la Commissione UE ha presentato il nuovo regolamento sulle materie prime critiche, con obiettivi di riciclo aggiornati. Come lo giudica? Siamo attrezzati per raggiungere questi obiettivi?
L’attività di regolamentazione della Commissione europea permette di iniziare a valutare con debito anticipo tutti i rischi e le opportunità a cui le grandi aziende e i costruttori dovranno far fronte nei prossimi anni, per portare avanti la transizione energetica in modo sicuro e sostenibile. Ciò significa che tutti gli stakeholder coinvolti in questo processo dovranno attrezzarsi per poter rispondere agli standard richiesti a livello europeo, affinché la circolarità dei prodotti industriali e delle nuove tecnologie nel campo dell’elettrificazione possa essere il più possibile completa ed efficace.
(lm)
