Batteriehersteller steigert Leistung durch Automatisierung

ESS hat in seiner automatisierten Montagelinie sowohl Sechs-Achsen- als auch SCARA-Roboter eingesetzt. Foto mit freundlicher Genehmigung von ESS Inc.

Um das Beste aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne zu machen, müssen Energieversorger das Problem der Schwankungen überwinden. Wenn die Sonne nicht scheint oder der Wind nicht weht, wird keine Energie erzeugt. Darüber hinaus wurde das Energienetz so konzipiert, dass es die konstante, vorhersehbare Leistung brennstoffbetriebener Kraftwerke akzeptiert – und nicht den starken Anstieg und Abfall, den Sonnenkollektoren in der Morgen- und Abenddämmerung erzeugen.

Um dieses Problem zu lösen, benötigen Energieversorger kostengünstige, groß angelegte und langlebige Energiespeichersysteme, die Energie speichern, wenn sie erzeugt wird, und Energie bereitstellen, wenn sie benötigt wird. Jetzt hat das Energie-Start-up ESS Inc. aus Wilsonville, Oregon, eine neue Technologie entwickelt, die diesen Bedarf zu decken verspricht. Die Iron-Flow-Batteriesysteme des Unternehmens – das Energy Warehouse und das Energy Center – sind darauf ausgelegt, den Energiebedarf von Kunden zu decken, die von kleinen Industrieanlagen bis hin zu großen Projekten im Versorgungsmaßstab reichen.

Die Batterien basieren auf einer Mischung aus Eisen und Salzwasser, um Energie stundenlang länger zu speichern als Lithium-Ionen-Batterien. Während des Ladezyklus lagert sich im Salzwasserelektrolyten gesättigtes Eisen an der negativen Elektrode ab. Um die Batterie zu entladen, wird die Polarität umgekehrt und das Eisen löst sich wieder in der Salzwasserlösung auf. Durch die sorgfältige Steuerung dieses Prozesses kann die Iron-Flow-Batterie eine deutlich längere Batterielebensdauer von 20.000 Zyklen oder mehr im Vergleich zu 3.000 bis 4.000 Zyklen bei Lithium-Ionen-Batterien erreichen, ohne dass sich mit der Zeit die Leistungsfähigkeit verschlechtert.

Im Vergleich zu anderen Energiespeichertechnologien sind Iron-Flow-Batterien sauberer, sicherer, umweltfreundlicher und wirtschaftlicher. Sie sind außerdem vollständig recycelbar. Im Gegensatz zu typischen Batterien, die als feste Zellen oder Module verpackt sind, ermöglicht eine Flow-Batterie die Entkopplung der Leistung (der Stromflussrate) von der Kapazität (der insgesamt gespeicherten Energiemenge). Dadurch haben Einrichtungen die Flexibilität, die Batterien für eine Vielzahl von Anwendungen einzusetzen.

Das Energielager ist in einem standardmäßigen 40-Fuß-Transportcontainer untergebracht, um den Transport und die Inbetriebnahme zu erleichtern. Es bietet eine Speicherkapazität von sechs bis zwölf Stunden bei einer Nennleistung von 75 Kilowatt (kW), einer Spitzenenergiekapazität von 500 Kilowattstunden (kWh) und einer Nennenergiekapazität von 400 kWh.

Das System benötigt keine Kühlung oder Klimaanlage, selbst in Wüstenumgebungen. Das wartungsarme System kann während seiner 25-jährigen Lebensdauer mehr als 20.000 Zyklen ohne Kapazitätsverlust durchführen. Das macht es ideal für erneuerbare Energien und Versorgungsprojekte, die eine lange Lebensdauer und unbegrenzte Zyklenfähigkeit erfordern. Darüber hinaus kann die reaktionsschnelle Leistungselektronik des Systems Netznebendienstleistungen wie die Spannungs- und Frequenzstützung in Mikronetzen erbringen.

Das Energiezentrum ist größer. Das Energy Center wurde für unabhängige Stromerzeuger und Projekte im Versorgungsmaßstab entwickelt und verfügt über dieselben Iron-Flow-Batteriemodule wie das Energy Warehouse – nur mehr davon. Die Batterien sind in einem Gebäude und nicht in einem Versandcontainer untergebracht, sodass Benutzer ein Energiespeichersystem genau an ihre Bedürfnisse anpassen können.

Die Technologie von ESS stößt weltweit bereits auf großes Interesse. Im April lieferte das Unternehmen beispielsweise drei Energy Warehouse-Systeme an Coldwell Solar, einen großen Entwickler von erneuerbaren Energieprojekten für den kommerziellen, landwirtschaftlichen und Versorgungssektor Kaliforniens. Die Speichereinheiten werden in Solarenergiesysteme in drei Weingütern im Mendocino County integriert.

Zuvor lieferte ESS ein Energielager an den Amsterdamer Flughafen Schiphol in den Niederlanden, den zweitgrößten Flughafen auf dem europäischen Festland. Das System wird in einem Pilotprojekt eingesetzt, um die Machbarkeit der Stilllegung von Dieselgeneratoren am Flughafen zu demonstrieren, die geparkte Flugzeuge mit Strom versorgen.

Und im vergangenen Herbst wurde ESS von Consumers Energy, Michigans größtem Energieversorger, ausgewählt, um ein Energielager für ein Solarenergiesystem in einer Gaskompressionsanlage bereitzustellen. Consumers Energy versorgt zwei Drittel der 10 Millionen Einwohner Michigans mit Erdgas und Strom. Das Projekt wird dem Energieversorger dabei helfen, die in der Energy Storage Roadmap für Michigan festgelegten Ziele zu erreichen. Der im April 2022 vom Michigan Department of Environment, Great Lakes and Energy veröffentlichte Fahrplan sieht eine Energiespeicherung von 1.000 Megawatt (MW) bis 2025 und 4.000 MW bis 2040 vor.

Das Energielager ist in einem standardmäßigen 40-Fuß-Transportcontainer untergebracht. Es bietet eine Speicherkapazität von sechs bis zwölf Stunden bei einer Nennleistung von 75 kW und einer Spitzenenergiekapazität von 500 kWh. Foto mit freundlicher Genehmigung von ESS Inc.

Um der wachsenden Nachfrage nach seinen Produkten gerecht zu werden, hat ESS hart daran gearbeitet, die Produktion zu steigern, angefangen bei der Verbesserung des Produktdesigns.

Frühe Versionen des Batteriestapels des Unternehmens wurden manuell zusammengebaut. „Die Schrauben wurden manuell angezogen. Die Verkabelung erfolgte manuell“, erinnert sich Eric Dresselhuys, CEO von ESS.

Jahrelange Forschung und Entwicklung sowie Feldtests führten schließlich zu einem Batteriedesign, das nicht nur leistungsstärker, sondern auch sauberer und einfacher herzustellen war. „Unser S200-Design ist eine 50-kWh-Batterie. Es handelt sich um eine geschweißte Konstruktion – viel besser herstellbar, viel langlebiger“, sagt Dresselhuys.

Eine ähnliche Entwicklung vollzog sich bei der anderen Schlüsselkomponente der Eisenflussbatterie, der Protonenpumpe.

„Die Protonenpumpe hält die Elektrolyte im System im Gleichgewicht. Dies ermöglicht praktisch unbegrenzte Zyklen des Geräts und stellt sicher, dass der Elektrolyt sauber, klar und ausgeglichen für die Stromspeicherung ist“, erklärt Dresselhuys. „Die ursprüngliche Einheit wurde manuell gebaut. Es gab viele Verbindungen. Das Design der zweiten Generation ist viel sauberer und verfügt über weniger Verbindungen. Alles ist verschweißt. Es hat eine kleinere Stellfläche. Es kostet weniger und ist zuverlässiger.“

Ein weiteres Beispiel dafür, wie ESS Design und Qualität verbessert hat, ist die Verkabelung. In der Vergangenheit mussten Monteure Hunderte von Drahtenden manuell Punkt für Punkt verbinden. „Jetzt haben wir das alles in einem Kabelbaum zusammengefasst, der sehr schnell angeschlossen werden kann“, sagt Vince Canino, Chief Operating Officer von ESS. „Wegen all seiner Tentakel nennen wir es liebevoll ‚Oktopusgeschirr‘. Es hat die Zuverlässigkeit und Qualität unserer Konstruktionen verbessert und den Arbeitsaufwand reduziert.“

Um die Kommunikation zu erleichtern, arbeiten Konstrukteure und Fertigungsingenieure in der Werkstatt zusammen. „Ich möchte nicht, dass sich jemand fragt: ‚Warum hat er das Loch dort angebracht?‘“, sagt Canino.

Das Unternehmen hat auch von der Entwicklung von Kooperationsbeziehungen mit Lieferanten profitiert. Beispielsweise arbeitete das Unternehmen mit Spritzgussherstellern zusammen, um große, komplizierte Kunststoffteile mit präzisen Toleranzen zu entwickeln.

„Unsere Lieferanten sind mit uns im Geschäft. Wir helfen ihnen, und sie helfen uns. Es geht nicht darum, eine Menge Kosten einzusparen“, sagt Canino.

Die Software überwacht jeden Aspekt des automatisierten Montageprozesses. Foto mit freundlicher Genehmigung von ESS Inc.

Eine weitere Möglichkeit, den Durchsatz zu steigern, ist die Einführung von Lean Manufacturing. Als Canino im November 2022 zu ESS kam, wandte das Unternehmen Lean an, „aber es lag nicht in unserer DNA“, gibt er zu.

Deshalb stellte Canino eine Führungskraft ein, um Lean zu einem Teil der Unternehmenskultur zu machen, von der Werkstatt bis zu den Inbetriebnahmesystemen im Außendienst. „Das Finden und Beseitigen von Verschwendung ist nicht nur ein Prozess, der gelehrt wird, es ist eine Denkweise“, sagt Canino. „Wir haben daran gearbeitet, bei jedem Schritt unserer Herstellungsprozesse Tage, dann Stunden und dann Sekunden einzusparen, damit sich unsere Mitarbeiter nur auf die Schritte konzentrieren können, die einen Mehrwert schaffen.

„Lean ist kein Hexenwerk, aber wenn man etwas Neues aufbaut, wird man überrascht sein, wie viel man braucht, um zu den Grundlagen zurückzukehren“, fügt er hinzu.

Heute ist ESS auf seinem Lean-Weg gut vorangekommen. Visuelles Management ist in der gesamten Fabrik spürbar. Dashboards und Fortschrittsanzeigen kommunizieren Produktionskennzahlen für alle sichtbar. Kanbans regeln den Teilenachschub. Ein „Mondscheinladen“ testet Verbesserungsvorschläge der Arbeiter.

ESS begann mit der Anwendung der Prinzipien von 5S. Beispielsweise hat das Unternehmen sein Lager neu organisiert, um den Prozess der Teilekommissionierung für die Produktion zu optimieren. Dies sparte den Arbeitern Stunden Zeit, da weniger nach Teilen gesucht werden musste. Die Arbeitsplätze wurden mit Tafeln organisiert, auf denen nur die an diesem Arbeitsplatz benötigten Werkzeuge aufbewahrt wurden. Umrisse auf den Tafeln zeigen an, wo die Werkzeuge aufbewahrt werden sollten, sodass Techniker schnell finden können, was benötigt wird, und fehlende Werkzeuge identifizieren können.

Zu den 5S-Prinzipien, die den Kern von Lean bilden, fügte ESS ein sechstes S hinzu – Sicherheit. „Sicherheit ist bei allem, was wir tun, von zentraler Bedeutung und ergänzt Lean“, sagt Canino. „Die Verbesserung und Standardisierung von Praktiken ist eine der besten Möglichkeiten, ein sicheres und vorhersehbares Arbeitsumfeld zu gewährleisten.“

Ein Sicherheits-Dashboard befindet sich zentral in der Lobby des Firmensitzes und soll Besucher und Mitarbeiter gleichermaßen an die Bedeutung der Sicherheit erinnern. „In dem Moment, in dem man denkt: ‚Das ist nicht gefährlich‘, kommt es zu Verletzungen“, sagt Canino.

Eine ähnliche 5S-Umwandlung fand im hinteren Teil der Fabrik statt, wo Arbeiter Batterien, Tanks, Pumpen, Elektronik und andere Unterbaugruppen in die Versandcontainer einbauen, die zu Energielagern werden sollen. Früher wurden Baugruppen einfach dort, wo Platz war, in der Nähe der Hafentore deponiert.

„Es gab keinen Sinn und Zweck dafür, wie das Gebiet organisiert war“, erinnert sich Canino. „Die Arbeiter verbrachten viel Zeit damit, nach Dingen zu suchen.“

Nach einer gesunden Portion Magerfleisch geht es der Fläche deutlich besser. „Allein diese Übung hat den Herstellungsprozess tagelang in Anspruch genommen“, sagt Canino.

Canino hofft, die endgültige Integration der Versandcontainer irgendwann an einem fahrenden Fließband durchführen zu können, anstatt einzeln an den Laderampen im hinteren Teil der Fabrik. Aber vorerst ist er mit den Fortschritten des Unternehmens zufrieden.

„Wenn man ein Vorher-Nachher-Bild sehen könnte, wäre die Verwandlung erstaunlich. Unsere Mitarbeiter fühlen sich viel besser. Sie haben Schwung in ihren Schritten“, sagt er.

Ein Laser schweißt Metallteile für eine Batterie. Foto mit freundlicher Genehmigung von ESS Inc.

Zunächst baute ESS die Produkte manuell zusammen. Als die Volumina zunahmen, wurde eine halbautomatische Montagelinie eingeführt. Die Arbeiter stellten die Materialstapel, aus denen die positiven und negativen Elektroden der Batterie bestanden, manuell zusammen. Diese Stapel würden dann an Roboter übergeben, um sicherzustellen, dass die Versiegelung zwischen allen Schichten mit großer Präzision erfolgt. Sogar in der halbautomatischen Linie wird Steuerungssoftware eingesetzt, um Leerlaufzeiten zu reduzieren und die Auslastung wichtiger Geräte zu verbessern.

Im Dezember 2022 drückte das Unternehmen den Startknopf für eine neue, vollautomatische Montagelinie. Roboter sorgen jetzt dafür, dass die Elektroden in jedem Modul präzise platziert werden. Laser schweißen wichtige Teile schnell und präzise. Bei den Bildverarbeitungssystemen ist jedes Teil vorhanden. Am Ende der Linie werden die fertigen Batteriestapel thermischen und Drucktests unterzogen.

„Es ist ein viel effizienterer und weniger arbeitsintensiver Herstellungsprozess“, sagt Dresselhuys. „Das Verschrauben, Dosieren, Löten, Drucktests … erfolgen alle in der Linie. Dies hatte dramatische Auswirkungen, steigerte unsere Arbeitsproduktivität um das Dreifache und stellte sicher, dass wir am Ende der Produktionslinie eine hervorragende Qualität erhalten.“

„Während wir die Automatisierung entwickelten, verbesserten wir auch unsere Produktdesigns“, fügt Canino hinzu. „Aber das ist bei einer aufstrebenden Technologie wie dieser nur natürlich.“

Dank der Automatisierung baute ESS im vierten Quartal 2022 mehr Einheiten als im gesamten Vorjahr. Mittlerweile kann das Unternehmen mehr als 800 MWh Energiespeicher pro Jahr produzieren.

Die Automatisierung hat die Produktivität bei ESS um den Faktor drei verbessert. Foto mit freundlicher Genehmigung von ESS Inc.

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