Systèmes de batteries nouvelle génération

Entretien sur la fabrication sécurisée des processus – sans norme de type C

Courts-circuits, risques liés à la haute tension, emballement thermique : la production de systèmes de batteries à partir de cellules de batterie chargées est un processus extrêmement critique. Il n'existe aucune norme de type C pour les installations de fabrication de systèmes de batteries, par exemple celles utilisées dans la mobilité électrique. Sur quoi les constructeurs et les exploitants de machines doivent-ils alors s'appuyer pour construire ou moderniser des machines et des installations sécurisées pour les systèmes de batteries ?

Dans cette interview, Ulrich Hochrein, responsable des services d'ingénierie de sécurité chez EDAG Production Solutions GmbH & Co. KG à Fulda, Andreas Centner, directeur commercial Automobile & Électronique, et Meik Kettinger, responsable grands comptes Automobile & Électronique, chez SICK Vertriebs-GmbH à Düsseldorf, examinent les aspects liés à l'ingénierie des processus et à la sécurité spécifiques à l'assemblage et au recyclage des systèmes de batteries.

Quels sont les principaux défis et dangers liés à la fabrication de systèmes de batteries ?

Ulrich Hochrein : En principe, les exigences en matière de sécurité des machines doivent être les mêmes pour les installations automatisées de production de batteries que pour les autres machines. En raison du produit fabriqué (les systèmes de batteries), des exigences supplémentaires s'appliquent. Étant donné que les systèmes de batteries sont assemblés à partir de cellules partiellement chargées, les erreurs dans la technologie de production peuvent être beaucoup plus critiques, car les cellules ou les éléments de batterie présentent des risques supplémentaires d'incendie et d'explosion. Le risque varie en fonction de la composition chimique des cellules utilisées pour les batteries. Une simple erreur d'un robot mécanique qui endommage physiquement une cellule de batterie pourrait, par exemple, déclencher ce que l'on appelle un emballement thermique. Il en va de même pour les courts-circuits entre les cellules de batterie. Outre les risques d'incendie et d'explosion, qui sont difficiles à contrôler, des substances hautement critiques, explosives ou cancérigènes ou susceptibles de provoquer des mutations génétiques, pourraient être libérées, ce qui pourrait présenter un risque pour les employés et la technologie de l'usine et contaminer le hall de production.

Comment ces risques peuvent-ils être gérés et maîtrisés avec succès ?

Andreas Centner : Comme dans d'autres domaines et secteurs de l'automatisation industrielle, les capteurs avancés, les solutions d'automatisation et les technologies de sécurité jouent ici un rôle central. L'objectif est de surveiller en permanence les processus de production et d'éviter les dangers potentiels ou de les détecter à un stade précoce. Cela permet de créer un environnement de production fondamentalement plus sûr et plus efficace.

Ulrich Hochrein : Il est important d'évaluer correctement les risques et de planifier le système dans son ensemble sur la base des conclusions de l'évaluation des risques. Pour ce faire, il est essentiel d'obtenir les informations pertinentes dès la phase de planification du système. Cela vaut non seulement pour les systèmes de batteries eux-mêmes, par exemple leurs dimensions et la composition chimique des cellules qu'ils contiennent, mais aussi pour la question de savoir dans quelle mesure l'emballage de transport a déjà été conçu pour garantir un positionnement reproductible du système de batterie sur un robot de prélèvement automatique, tout en tenant compte des aspects de sécurité pertinents. Même si la technologie de production est comparable à celle d'autres machines, un système d'assemblage de batteries sera plus coûteux que des machines comparables. Cela commence par des frais généraux plus élevés en termes d'espace et de temps dans la logistique si, par exemple, les cellules de batterie doivent être transportées par des chariots élévateurs à fourche pilotés par des opérateurs. Il convient également d'utiliser des chariots industriels à la pointe de la technologie. La technologie d'automatisation doit être conçue de manière à ce que les erreurs dues à la technologie de production n'endommagent pas les cellules de batterie et les systèmes de batterie semi-assemblés. Cela peut s'avérer complexe à plusieurs égards et entraîner non seulement des coûts plus élevés pour les composants, mais aussi des coûts supplémentaires pour la mise en place, la documentation et la validation des systèmes. Les conditions anormales doivent être détectées sans délai à l'aide d'une technologie de capteurs supplémentaire. Des installations de rejet et la mise à disposition de conteneurs d'urgence ainsi que d'autres fonctionnalités spéciales doivent être mises en place en réponse à l'évaluation des risques. L'organisation de l'entreprise doit également être structurée différemment. Les représentants chargés de la haute tension et les coordinateurs des interventions d'urgence doivent être prêts à tout moment à éviter autant que possible les situations d'urgence et, lorsqu'elles surviennent, à veiller à ce que leurs conséquences soient aussi minimes que possible.

Quels sont les dangers particuliers liés aux situations d'urgence dans le secteur manufacturier ?

Ulrich Hochrein : Lorsque nous parlons de situations d'urgence, nous faisons généralement référence à des éléments de batterie en état d'emballement thermique. Il s'agit d'une réaction chimique exothermique auto-entretenue des éléments de la batterie, qui atteint rapidement des températures très élevées et se propage rapidement à d'autres éléments de la batterie. Les substances chimiques contenues dans la cellule de batterie, dont certaines sont réactives, toxiques et inflammables et ont également une densité énergétique très élevée, présentent un risque élevé. De telles situations ne sont plus des événements localisés, elles affectent l'ensemble du compartiment incendie ou du hall de production. Le nombre d'employés exposés au risque augmente rapidement, tout comme les dommages économiques. De plus, après l'incident, il n'est généralement pas possible de reprendre simplement la production, car les zones de production doivent dans certains cas être d'abord décontaminées, ce qui nécessite des efforts considérables.

Quel rôle joue la technologie des capteurs dans la fiabilité de la production, par exemple en ce qui concerne la surveillance du traitement en temps réel ?

Meik Kettinger : Pour les fabricants de batteries, il est particulièrement important de garantir la sécurité à toutes les étapes de la production, car les matériaux et les processus utilisés présentent souvent des risques élevés. Ils doivent donc éviter les situations d'urgence ou les détecter le plus tôt possible. Les capteurs en temps réel jouent un rôle important à cet égard. Chez SICK, nous utilisons notamment des capteurs caméra pour détecter les corps étrangers et des capteurs thermographiques pour détecter les points chauds, qui peuvent tous deux être intégrés de manière transparente dans les systèmes de production. Ces capteurs surveillent en permanence les systèmes de batteries et leur environnement, signalent les dangers potentiels en quelques millisecondes et permettent de prendre des mesures immédiates pour prévenir les situations d'urgence et leurs conséquences. En évaluant avec précision les dangers, nous pouvons installer des solutions de surveillance sur mesure qui non seulement augmentent la sécurité, mais améliorent également l'efficacité des processus de production.

Ulrich Hochrein : La surveillance sans contact de la température à grande distance à l'aide du système de détection statique des points chauds (SHD) de SICK, en particulier, est une mesure efficace de surveillance des processus, car le réchauffement d'un système de batterie est toujours le premier signe de danger. Que ce soit en raison d'un défaut interne, par exemple un court-circuit, ou d'une influence externe, la première conséquence est toujours un échauffement exothermique. Celui-ci est suivi d'une augmentation de la pression dans le système de batterie ainsi que d'un dégagement de fumée et de gaz. Le SHD fonctionne directement ou à l'aide de matériaux thermiques supplémentaires appliqués sur presque toutes les surfaces du boîtier. Les produits innovants sont un élément essentiel des concepts de sécurité développés et mis en œuvre par EDAG-PS. L'évaluation des risques dans l'usine de production de batteries suit toujours la stratégie suivante : premièrement, concevoir la technologie d'automatisation de manière à ce qu'aucun élément de batterie ne soit endommagé. Deuxièmement, détecter rapidement toute condition anormale dans le système et les éléments de batterie. Troisièmement, empêcher l'emballement thermique. Si cela est inévitable, minimiser les dommages si possible.

Le recyclage est une question importante : quels aspects, problèmes ou même défis particuliers voyez-vous ici ?

Ulrich Hochrein : Permettez-moi de commencer par quelques chiffres qui illustrent la pertinence du recyclage. Jusqu'à 70 % des coûts d'un système de batterie sont des coûts de matériaux. La proportion de matériaux qui doivent être achetés à l'étranger est encore nettement plus élevée. Cela signifie que la réutilisation et le recyclage des systèmes de batterie sont importants non seulement sur le plan écologique et économique, mais aussi en termes d'économie géopolitique. Il est avantageux pour le marché du recyclage que le tonnage recyclable auquel il peut s'attendre dans un avenir prévisible puisse être bien estimé. Néanmoins, seules quelques entreprises de recyclage sont actuellement en mesure de couvrir leurs coûts.

Les entreprises sont également confrontées à plusieurs défis. Qu'il s'agisse des installations de recyclage ou des usines de fabrication de systèmes de batteries, le même constat s'applique : il n'existe pas encore de norme de type C. Les autorités de contrôle ont également des difficultés à évaluer la technologie, ce qui peut donner lieu à des discussions et à des modifications a posteriori lorsque l'usine est déjà en service.

À cela s'ajoute le fait que la génération actuelle de systèmes de batteries a été conçue et optimisée pour être utilisée dans des véhicules, mais pas pour faciliter le recyclage. Quiconque recycle des batteries aujourd'hui est confronté, par exemple, à des questions apparemment simples : comment ouvrir la batterie ? Quelle est la composition chimique des cellules ? Quel est son état électrique ? Qu'est-ce que la batterie a « subi » ? La collecte, le transport, la décharge, le démontage et la séparation des matériaux des systèmes de batteries dans leur ensemble posent des défis particuliers. Des lignes directrices politiques peuvent aider dans certains domaines. Quoi qu'il en soit, la technologie continue de progresser. Alors que les processus de recyclage actuels ne permettent de recycler qu'environ 50 % des matériaux, contre 96 % théoriquement possible, de nouvelles méthodes atteignent déjà un taux de recyclage supérieur à 90 %.

Andreas Centner : Au sein de l'UE, cette question a été reconnue et le règlement européen sur les batteries (UE) 2023/1542, qui est entré en vigueur le 18 février 2024, encourage entre autres la collecte, la réutilisation et le recyclage des batteries. Le règlement fixe des objectifs clairs en matière d'efficacité du recyclage et encourage l'utilisation de matériaux recyclés dans les batteries afin de promouvoir la durabilité. En outre, à partir de février 2027, certains types de batteries devront être équipés d'un passeport numérique accompagné d'un code QR et fournissant des informations complètes sur la batterie. Cela devrait, à l'avenir, résoudre les problèmes et les défis liés aux pratiques actuelles de recyclage évoqués par Ulrich Hochrein, de manière à rendre les processus de recyclage plus appropriés sur le plan technique et plus sûrs.

Batteries : quels défis pour l’Europe face aux géants mondiaux ?

Ulrich Hochrein : Si la tendance à la mobilité électrique s'est peut-être affaiblie actuellement, elle va reprendre fortement à long terme, d'autant plus que les technologies de stockage par batterie sont moins chères que jamais. Prenons l'exemple des grands systèmes de stockage d'énergie : alors qu'un kilowattheure de stockage par batterie coûtait encore 1 200 euros en 2010, il coûte aujourd'hui entre 130 et 120 euros et devrait avoisiner les 90 euros d'ici cinq ans. Cela signifie que davantage d'usines de fabrication et de recyclage de systèmes de batteries seront construites pour répondre à la demande future. On peut également s'attendre à l'émergence de nouveaux concepts de batteries et de nouvelles chimies de cellules. Cela aura un impact important sur les performances et la sécurité des installations et des systèmes. Des réglementations légales, peut-être aussi des normes de type C, seront certainement créées et permettront de normaliser de nombreux aspects. Dans l'ensemble, l'Allemagne et l'Europe devront produire mieux, de manière plus durable et plus intelligente afin de gagner en pertinence dans la concurrence mondiale sur le marché des batteries.

Andreas Centner : L'industrie allemande et européenne des batteries est en concurrence avec les leaders mondiaux du marché, en particulier ceux de Chine, de Corée du Sud et des États-Unis. Pour rester compétitive à long terme et garantir sa souveraineté technologique et économique, elle doit agir de manière ciblée dans plusieurs domaines clés. SICK propose déjà des solutions pour plusieurs d'entre eux. Il s'agit notamment de produits et de systèmes liés à l'automatisation et à la technologie de sécurité, nécessaires, par exemple, pour la mise en place et l'extension de nouvelles capacités de production et de recyclage. Grâce à des capteurs et des contrôleurs intelligents, SICK permet une fabrication efficace à l'aide des technologies de l'industrie 4.0, tandis que nos technologies d'identification peuvent également être utilisées pour la traçabilité des systèmes de batteries. Si, grâce à des partenariats stratégiques, l'industrie des batteries parvient à mettre en place des chaînes d'approvisionnement fiables, à intensifier ses efforts de recherche et de développement et, par conséquent, à accélérer la mise en œuvre de projets pilotes et de démonstration, et à tirer parti de la réglementation et de la durabilité comme atouts, les perspectives pour l'Allemagne et l'Europe dans la concurrence mondiale dans le domaine des batteries sont très bonnes. Le secteur n'a aucune influence directe sur la réduction nécessaire des prix de l'énergie et la sécurisation des infrastructures. Il s'agit là de facteurs externes qui nécessitent des décisions politiques.

Comment et pourquoi EDAG et SICK collaborent-ils avec autant de succès en tant que partenaires commerciaux ?

Ulrich Hochrein : Je travaille chez EDAG depuis 35 ans maintenant et pendant les dix premières années, j'ai mis en service des systèmes sur le terrain. Pendant toutes ces années, mes collègues et moi-même chez EDAG avons bénéficié d'un bon soutien, d'une assistance rapide en cas de difficultés techniques, d'un service direct et d'une communication honnête de la part de SICK. Les produits, en particulier, sont correctement documentés, ce qui est d'une aide précieuse lors de la planification de systèmes complexes.

Meik Kettinger : Notre collaboration est un partenariat entre égaux depuis de nombreuses années. Chacun bénéficie des connaissances spécialisées de l'autre. Nos clients communs en sont bien sûr également conscients lorsque nous mettons en œuvre des projets avec eux. EDAG et SICK fournissent une solution comme s'il s'agissait d'une source unique. C'est la condition essentielle pour obtenir conjointement la commande.