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„Trockene Luft mit bis zu minus 80 Grad Taupunkt“
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Autor: Die Redaktion
Veröffentlicht am: 17.09.2021
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Schon ein geringer Wasseranteil in der Raumluft reicht, und Lithium setzt hochentzündlichen Wasserstoff frei. Das ist in der Batterieproduktion an sich schon eine hochgradig unerwünschte Reaktion – und obendrein wirkt sie sich negativ auf die Qualität der Zellen aus. Welche Anforderungen müssen Trockenraumsysteme für eine stabile und sichere Produktionsatmosphäre erfüllen? Battery-News.de sprach mit Arne Claussen, „Head of Technical Sales“ im Geschäftsbereich „Automotive Testing Solutions“ beim Maschinenbauer „Weiss Technik“. In dem Unternehmen mit Sitz im hessischen Reiskirchen hat Claussen internationale Erfahrungen mit Automotive-OEM, Tier-1-Zulieferern und 3rd-Party-Test-Dienstleistern gesammelt.
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Battery-News.de: Seit wann befassen Sie sich mit Batterie- und Trockenraumtechnik?
Arne Claussen: Mit Batterietechnik beschäftigen wir uns sehr intensiv seit ungefähr 15 Jahren – also seit den ersten nennenswerten Entwicklungsprojekten der großen OEM in Bezug auf elektrifizierte Fahrzeuge. Durch die enge Vernetzung der „Weiss Technik“ mit den OEM und unsere globale Marktpräsenz haben wir hier schon sehr früh passgenaue Prüfanlagen in Europa und in Asien geliefert. Prüfgeräte zu Sicherheit, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von Zellen, Packs, aber auch Komplettfahrzeugen unter klimatischen, thermischen und mechanischen Belastungen sind inzwischen Standardprodukte für uns. Seit 2013 haben wir uns dann – zeitgleich mit den verstärkten Ambitionen, auch in Europa die Kernkompetenz der Batteriefertigung auszubauen – verstärkt mit Trockenraumsystemen und der Auswirkung der Produktionsatmosphäre auf die Zellqualität auseinandergesetzt. Wir haben schon früh, gemeinsam mit großen OEM, erste Trockenraumsysteme für Forschungszwecke realisiert und sind mittlerweile auch mit der Ausstattung größerer Anlagen beauftragt worden. Hier helfen uns nicht nur die gesammelten Erfahrungen aus den bereits realisierten Trockenräumen selbst, sondern auch die lange Referenzliste im Bereich der Umweltsimulation.
„Ein Taupunkt von minus 80 Grad Celsius entspricht einer Restfeuchte von weniger als 0,00034 Gramm Wasser je Kilogramm Luft.“
Battery-News.de: Warum sind Trockenräume so wichtig für die Batteriezellproduktion?
Claussen: Die derzeit kommerziell zum Einsatz kommenden Batterien basieren auf einer Zellchemie, die sich auf Lithium-Verbindungen stützt. Lithium reagiert schon bei geringer Luftfeuchte im Rahmen einer stark exothermen Reaktion mit dem Wasseranteil der Luft, wobei hochentzündlicher Wasserstoff freigesetzt wird. Diese ohnehin schon unerwünschte Reaktion wirkt sich auch äußerst negativ auf die Zellqualität aus. Deshalb haben Trockenraumsysteme neben der Gewährleistung einer stabilen und sicheren Produktionsatmosphäre auch einen maßgeblichen Einfluss auf die Zellqualität des Endprodukts. Mit unseren technischen Lösungen liefern wir adäquate Produktionsbedingungen. Das bedeutet konkret: Wir stellen sehr trockene Luft mit bis zu minus 80 Grad Celsius Taupunkttemperatur bereit. Um es etwas plastischer auszudrücken: Ein Taupunkt von minus 80 Grad Celsius entspricht einer Restfeuchte von weniger als 0,00034 Gramm Wasser je Kilogramm Luft.
„Unser Spektrum reicht von kleinen Forschungsräumen bis hin zu Pilotanlagen für die Serienfertigung mit mehreren Tausend Quadratmetern Fläche.“
Battery-News.de: In welchen Größenordnungen liefern Sie Trockenraumsysteme derzeit?
Claussen: Das ist stark vom Anwendungsfall abhängig. Unser Spektrum reicht von kleinen Forschungsräumen mit wenigen Hundert Quadratmetern bis hin zu Pilotanlagen für die Serienfertigung mit mehreren Tausend Quadratmetern Fläche. Im Produktionskontext sprechen wir außerdem oft nicht von einem großen Trockenraum, sondern von mehreren Einzelräumen. Deren technische Anforderungen unterscheiden sich stark, abhängig vom jeweiligen Prozessschritt in der Produktion. Aktuell setzen wir ein Projekt um, das aus elf Einzelräumen besteht, mit denen wir auf insgesamt 3.000 Quadratmetern Trockenraumbedingungen gewährleisten. Das entspricht einer Produktionskapazität von bis zu einer Gigawattstunde pro Jahr. Die ersten Gigafactorys in Europa werden aufgrund ihrer enormen Größe auch einen spürbaren Einfluss auf die erforderliche Anzahl von Trockenraumsystemen nehmen. Dank unserem Baukastensystem und der hauseigenen Kernkompetenz in der Anlagenberatung, -planung und -abwicklung sind wir für die Trockenraumsysteme und die Testanlagen auch in dieser Größenordnung sehr gut aufgestellt. Auch unsere langjährige Zusammenarbeit mit Partnern und Lieferanten zahlt sich aus.
„Stäube und kontaminierte Sonderabluft muss durch Feinfilter gereinigt oder direkt abgesaugt und über Abluftventilatoren abgeführt werden.“
Battery-News.de: Welche technischen Anforderungen müssen Ihre Trockenräume erfüllen? Gibt es je nach geplanter Zellfertigung größere Unterschiede oder sind die Anforderungen weitgehend gleichbleibend?
Claussen: Wichtigstes Kriterium ist – vor dem Hintergrund der eben erwähnten chemischen Eigenschaften der Zellen – die Einhaltung geringer Taupunkte. Wir beobachten, dass die Taupunkt-Anforderungen sich je nach Prozessschritt teilweise stark unterscheiden. Im Moment sind häufig Werte zwischen minus 10 bis minus 60 Grad Celsius gefordert. Um Prozesssicherheit und Zellqualität sicherzustellen, spielt neben der Bereitstellung einer trockenen Produktionsatmosphäre auch die Luftreinheit eine wichtige Rolle. Bei einigen Prozessen entstehen Stäube und kontaminierte Sonderabluft. Beides muss durch entsprechende Feinfilter gereinigt oder auch direkt abgesaugt und über abgesicherte Abluftventilatoren abgeführt werden.
„Der Feuchtigkeitseintrag durch Personen ist ein bedeutender Einflussfaktor für die Betriebskosten.“
Battery-News.de: Wenn wir weiter über die Etablierung eines kontinuierlichen Trockenraumklimas nachdenken: Wo liegen in der Batterieproduktion die größten Feuchtigkeitsquellen, und wie lassen sie sich neben der reinen Lufttrocknung weiter eindämmen?
Claussen: Es gibt zwei Quellen für Feuchte im Trockenraum: zum einen Personen, die sich dort aufhalten, zum anderen Lufteintrag aus der Umgebung durch Undichtigkeiten. Leckagen spielen bei „Weiss Technik“ durch die jahrzehntelange Erfahrung im „Raum-in-Raum-Kammerbau“ keine Rolle: Wir nutzen ein speziell ausgelegtes Kanalsystem und angepasste industrielle Sandwichpaneele. Zu den individuellen Feuchtequellen beraten wir unsere Kunden sehr gezielt. Es gilt: je weniger Personen sich gleichzeitig innerhalb des Trockenraumes aufhalten, desto besser. Der Feuchtigkeitseintrag durch Personen ist ein bedeutender Einflussfaktor für die Betriebskosten. Klar ist aber auch, dass die Betrachtungsweise für einen Trockenraum im Bereich der Forschung und Entwicklung mit einem hohen Anteil an manuellen Arbeiten und Eingriffen in die Produktion eine andere ist als die für ein Pilotwerk oder gar eine Gigafactory, in der ein hoher Automatisierungsgrad angestrebt wird.
„Meist lassen sich durch einen gezielten Dialog die Energie- und Betriebskosten signifikant senken.“
Battery-News.de: Welche Entwicklungen verfolgen Sie mit Ihren Trockenraumsystemen unter dem Aspekt der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit?
Claussen: Die Bereitstellung der extrem trockenen Prozessatmosphäre in den einzelnen Produktionsschritten ist ein äußerst energieintensives Unterfangen und kann bis zu 50 Prozent des gesamten Energieeinsatzes ausmachen, der für die Herstellung einer Batteriezelle erforderlich ist. Unser Fokus liegt ganz klar auf maximaler Energieeffizienz. Neben optimierten individuellen Raumkonstruktionen erreichen wir das durch den Einsatz der effizientesten Luftentfeuchtungssysteme am Markt. Meist lassen sich durch einen gezielten Dialog mit unseren Kunden die Energie- und Betriebskosten signifikant senken. Wir starten schon in einer frühen Projektphase in die intensive Beratung und arbeiten mit Blick auf den Energiebedarf nach dem Motto „So viel wie nötig – so wenig wie möglich“. Wir sind schon ein wenig stolz darauf, mit unseren effizienten Trockenraumsystemen einen Beitrag zur E-Mobilität und damit zur Klimawende zu leisten.
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