Así serán las gigafábricas de baterías del futuro

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Rockwell Automation aporta luz sobre como serán las gigafábricas que permitirán mantener el ritmo de producción de baterías que la movilidad eléctrica necesita. Los sistemas ciberfísicos jugarán un papel clave

Así serán las gigafábricas de baterías del futuro

Las baterías ocuparán un lugar central en los mercados energéticos del futuro, tanto para las necesidades de movilidad como para el almacenamiento de energía. Según las estimaciones de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la capacidad de producción global de baterías para vehículos eléctricos requerirá de un incremento de más del triple entre 2020 y 2025, a fin de cumplir con el objetivo de producción de vehículos eléctricos estimado a nivel mundial.

Para satisfacer la demanda de miles de millones de vatios de energía que van a necesitar los vehículos eléctricos en las próximas décadas, es necesario contar con gigafábricas para la fabricación de baterías. Sin embargo, para lograr este objetivo se necesita más que simplemente ampliar las técnicas y tecnologías de producción tradicionales. Es necesario reestructurar de forma radical los procesos de producción para maximizar la velocidad, la flexibilidad y el rendimiento. En tal sentido, la fabricación inteligente es una herramienta fundamental para ampliar la producción de baterías. Nos gusta llamarlo el hilo digital porque la fabricación inteligente no solo afecta la ejecución, sino también la optimización del ciclo de vida completo.

El comienzo de todo se remonta a las primeras etapas de investigación y desarrollo, en las que los especialistas en química y los ingenieros desarrollan nuevos conceptos de baterías. Para ello, emplean las herramientas que ofrece la química computacional y el sistema CAD para el diseño, además de la ayuda que brinda la gestión del ciclo de vida del producto (PLM) para el desarrollo de productos. Podríamos decir que cuando se comienza a agregar información en un entorno virtual tenemos la punta del hilo digital. Luego, durante todo el ciclo de prueba, diferentes herramientas, como MATLAB y Ansys, generan datos de mayor valor.

Estos datos se emplean para desarrollar gemelos digitales de máquinas que se utilizan posteriormente en el proceso de fabricación y planificación y en las operaciones de prueba en entornos virtuales. Estos gemelos digitales ayudan a capacitar al personal en el mundo virtual y permiten un rápido aumento de la producción cuando la demanda así lo exige. Desde Rockwell Automation aclaran que el camino de las gigafabricas es todavía más extenso: "De todos modos, esta tecnología no termina aquí. A medida que los productos se fabrican, venden y utilizan, los datos se recopilan en el mundo físico y se envía retroalimentación al mundo virtual, lo que permite optimizar tanto productos como procesos. Esta fusión entre el mundo físico y el virtual es el futuro de la fabricación de baterías".

Monitorización inteligente de la producción en la fabricación de baterías

Una de las características más relevantes del hilo digital es una mayor visibilidad de la producción mediante operaciones de control. Lo explican desde Rockwell: "La monitorización de la producción se logra con la ayuda de un paquete de software que se denomina Sistema de ejecución manufacturera (MES). El MES se ha empleado en la fabricación automotriz durante décadas, pero adquirirá un rol central para los fabricantes de baterías, especialmente en materia de personalización. A medida que el mercado se desarrolle, habrá una mayor demanda de personalización, incluso hasta lotes únicos para cada vehículo".

Con la ayuda del software MES es posible integrar sistemas de control y empresariales para ejecutar y rastrear pedidos en toda la empresa. Además, se puede obtener el contexto adicional necesario para convertir los datos de producción en información accionable. Incluso es posible implementar aplicaciones MES que aborden desafíos específicos de fabricación de forma escalonada. Si se necesita comprender los defectos, se puede emplear una aplicación de calidad MES para rastrear, identificar y recibir alertas cuando una máquina o los procesos del operador registran valores fuera de los límites establecidos.

Se pueden agregar otras funcionalidades, como aplicaciones de seguimiento y rastreo, para obtener una localización completa de las baterías a través del proceso de fabricación y ayudar a garantizar que las baterías sean seguras para su uso. Según la necesidad, las aplicaciones se pueden escalar a un paquete empresarial de software MES que genere una base de datos para todas las operaciones de su organización.

Otro ejemplo importante de recolección de datos automatizada e inteligente sin papel es el Pasaporte para baterías de la Alianza Global de las Baterías (GBA). El Pasaporte proporciona información confiable sobre indicadores relacionados con prácticas responsables y sostenibles. La implementación de esta solución global ofrece un sello de calidad que da cuenta de los registros autenticados del abastecimiento responsable, la gestión, el reciclaje y el uso de una batería durante todo su ciclo de vida. El papel que desempeña el Pasaporte para baterías en el apuntalamiento de una cadena de valor responsable de la batería ha recibido amplio respaldo en diferentes reuniones sobre políticas globales, incluida la cumbre del G7 de 2021, el borrador de la directiva de la UE sobre baterías, así como por parte del gobierno de Canadá y EE. UU. Para lograr este seguimiento, todos los datos se deben agregar de forma automática.

Prototipo de la gigafáfrica de baterías de Tesla en Reno, Nevada (EE. UU.)

Inteligencia aplicada a los sistemas de transmisión

Es posible que muchas personas piensen que la fabricación inteligente se relaciona principalmente con el software, pero esto dista bastante de la realidad. El hardware va a desempeñar un papel crucial en las gigafábricas, que estarán equipadas con máquinas flexibles y de alto rendimiento. Algunos equipos, como los sistemas de transmisión tradicional, solo ralentizan las operaciones de su organización. Estos sistemas se basan en tecnologías de control de movimiento con cientos de detalles mecánicos, como cadenas, correas y cajas de cambios de accionamiento rotativo. Como resultado, los sistemas ofrecen una flexibilidad limitada, así como velocidades operativas y de aceleración/desaceleración que pueden no ser necesarias para cubrir las necesidades de la gigafábrica.

Como alternativa superior, es necesario contar con un sistema de control de movimiento con tecnología de transporte independiente (ICT). Sin las limitaciones que impone un sistema de transmisión tradicional, esta solución puede crear líneas de batería más rápidas y flexibles utilizando motores independientes y programables. Puede además reducir drásticamente los tiempos de cambio con perfiles de software simples que le permiten cambiar productos con solo presionar un botón. En una ocasión, Eagle Technologies utilizó esta tecnología en una empaquetadora de baterías que desarrolló para ayudar a maximizar el rendimiento de la batería de los vehículos eléctricos. Las capacidades de la máquina abarcan desde la clasificación de celdas individuales hasta el ensamblaje del paquete y el módulo de batería completo, al tiempo que se realizan las pruebas necesarias. La máquina está equipada con servomotores lineales que posicionan las cargas de forma precisa en la dirección correcta y a altas velocidades. Además, los cambios simplemente implican seleccionar el modo correcto desde la terminal de operador.

Perspectivas a futuro

A fin de que el mercado de los vehículos eléctricos de rápido crecimiento pueda desempeñar un papel relevante en la descarbonización de la movilidad, será necesario contar con gigafábricas altamente eficientes y flexibles que puedan producir baterías para vehículos eléctricos en grandes volúmenes, a altas velocidades y con una alta calidad de forma sistemática. El hilo digital de extremo a extremo tendrá, por su parte, un papel fundamental en la entrega de estas instalaciones basadas en datos.

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