Soluzioni di automazione, altamente standardizzate e al contempo flessibili, sono essenziali per lo sviluppo di strategie di elettrificazione nel comparto dei trasporti
Tecnologie e sistemi scalabili, adattabili e modulari, oltreché altamente intelligenti e improntati a efficienza e sostenibilità in ottica 5.0 sono necessari per consentire ai costruttori del comparto automotive, ma non solo, di affrontare le esigenze volubili e in rapida trasformazione dell’elettrificazione, garantendo competitività e riduzione dei costi di produzione. Vediamo allora alcune applicazioni su cui sono al lavoro player di primo piano a livello globale, per capire dove il mercato delle tecnologie e soluzioni di automazione si sta muovendo per supportare lo sviluppo sostenibile della mobilità elettrica.
Circolarità nell’elettrificazione
Un aspetto chiave per il futuro elettrico nella mobilità, connesso al tema dell’economia circolare, è sicuramente quello dello smaltimento delle batterie e del riciclaggio dei materiali. Ambiti in cui sono fortemente impegnate due aziende di primo piano, come Festo e Comau. Secondo alcune stime riportate da Festo (www.festo.com/it/it), entro il 2025 dovranno essere riciclate circa 600.000 tonnellate di batterie provenienti da autovetture elettriche e, dal momento che le batterie sono dispositivi di accumulo di energia realizzati con materie prime preziose, è imperativo agire in termini di sostenibilità. L’azienda offre quindi concetti di automazione modulare non solo per la produzione di celle, l’assemblaggio di moduli e pacchi batteria e l’integrazione di piattaforme, ma anche per lo smontaggio e il riciclaggio o la separazione dei materiali. Dopo circa 1.500 cicli di carica e scarica, pari a circa 160.000 km in 8-10 anni, è infatti molto probabile che le batterie delle auto elettriche non siano più convenienti, in quanto la ridotta capacità di carica impatta sull’autonomia dei veicoli. Una capacità residua di circa l’80% garantisce, a ogni modo, alle batterie una seconda vita come parte di un parco batterie. Poiché il processo di smontaggio è sempre più automatizzato, il riciclaggio delle batterie sta diventando più flessibile e dinamico, rendendo il materiale riciclato disponibile più rapidamente. Dopo che le batterie sono state rimosse dal veicolo, e prima che vengano riciclate, possono essere utilizzate nelle cosiddette ‘battery farm’, o sistemi di stoccaggio stazionari. La fase finale della vita di una batteria comporta, quindi, il suo corretto riciclaggio; i pacchi batteria vanno innanzitutto disassemblati meccanicamente in moduli, celle della batteria e altri componenti. Si tratta di un’attività che, a oggi, viene ancora svolta in modo manuale, pesante e laboriosa, oltreché costosa. Per questo, Festo offre già concetti di automazione modulare che accelerano e semplificano il processo. Il passo successivo è costituito dalla separazione dei materiali, come metallo, plastica e altri elementi, per cui l’azienda offre prodotti di automazione di processo adeguati, soprattutto per i metodi di riciclaggio idrometallurgico. Un’ampia gamma di valvole di processo viene utilizzata per sostanze gassose, solide o liquide. Festo ha inoltre presentato la prima versione di un sistema di smontaggio meccanico modulare per moduli e pacchi batteria, che utilizza sia sistemi di movimentazione e di presa, sia componenti collaudati di automazione pneumatica ed elettrica del suo portfolio. La società guarda, infine, al futuro dell’elettromobilità ed è impegnata nella ricerca di concetti di produzione per nuovi tipi di batterie allo stato solido, secondo la previsione per cui nei prossimi anni questi dispositivi di accumulo, ancora più potenti, sostituiranno le batterie agli ioni di litio attualmente in uso.
Riqualificazione delle batterie
Sulla base dei volumi di produzione di batterie elettriche previsti in Europa nei prossimi anni, Comau (www.comau.com/it) stima che, con tutta probabilità, entro il 2030 nell’UE potrebbe esserci oltre 1 milione di batterie smaltite da riutilizzare. L’azienda intende, pertanto, anticipare quella che ritiene una domanda di mercato in crescita per soluzioni potenti di riciclo e riutilizzo delle batterie elettriche, consentendo al contempo alle aziende di ridurre gli sprechi e ottimizzare il riutilizzo delle materie prime contenute nei pacchi batteria. In questo scenario, Comau ha sviluppato il progetto UE Flex-BD (Flexible Battery Dismantling): un sistema robotizzato che automatizza l’intero processo di smontaggio delle batterie elettriche esauste, eliminando i tradizionali processi manuali, che spesso comportano attività ripetitive, gravose e a contatto con sostanze potenzialmente nocive. Il recupero dei moduli batteria e dei loro componenti viene così reso più efficiente e sostenibile, con un impatto positivo sulla salute e la sicurezza degli operatori. D’altro canto, con la rigenerazione della batteria, la manipolazione completamente automatica delle batterie a bassa carica riduce al minimo i rischi sia per gli operatori, sia per le attrezzature di smontaggio. Il funzionamento del sistema Flex-BD è intuitivo quanto innovativo: i pacchi batteria vengono introdotti singolarmente nell’apposita cella, dove un robot industriale Comau NJ ad alta portata esegue automaticamente la procedura e cambia i propri effettori finali in base all’applicazione richiesta. In una tipica applicazione di riciclo, per esempio, il robot svita il coperchio della batteria, cambia le pinze per rimuovere il coperchio, riaggancia il cacciavite per svitare i moduli e, poi, utilizzando la pinza, sposta i pezzi in un’area di stoccaggio dedicata. Inoltre, Flex-BD è progettato per un approccio di programmazione altamente flessibile, basato su un uso ridotto di codici, tecniche di percezione ambientale all’avanguardia e capacità reattiva del robot; l’intero ciclo di smontaggio, inoltre, è definito tramite CAD. L’uso della programmazione LowCode consente agli operatori di ridefinire il ciclo in modo rapido e semplice, senza la necessità di riprogrammare il robot. Sul fronte della produzione delle batterie, Comau ha invece unito le forze con LiNa Energy, realtà che opera nelle tecnologie a basso costo per batterie, per progettare una soluzione per la produzione innovativa e scalabile delle celle per batterie allo stato solido al sodio-metallocloruro. Un approccio di ingegneria simultanea ha portato a definire un modello progettuale che ha permesso a LiNa di automatizzare il processo produttivo. Le due aziende si propongono di realizzare un ambiente di lavoro anidro (a secco e senza ossigeno), sostenibile, sicuro ed efficiente, che permetta, in prospettiva, di passare alla produzione su larga scala. Gli ingegneri di Comau e LiNa hanno lavorato insieme per progettare il box di lavorazione e i dispositivi per la movimentazione degli specifici componenti della cella della batteria allo stato solido, nonché per identificare e integrare tecnologie già esistenti, disponibili in commercio, tra cui la camera bianca certificata e il robot antropomorfo Racer-5 SE ad alta velocità di Comau. Questa modalità collaborativa ha consentito a Comau di suggerire modifiche alla metodologia di produzione impiegata da LiNa, per ottimizzare i diversi processi nel passaggio all’assemblaggio automatico delle celle.
Movimentazione e sinergie di filiera per gli EV
Quello dell’e-mobility rappresenta un settore di grande interesse anche per un fornitore di primo piano nei sistemi di presa come Schunk (https://schunk.com/it/it). L’azienda sta fortemente investendo nella transizione all’elettrico nella mobilità, con la recente costituzione del team e-mobility presso la propria casa madre in Germania, dedicato allo sviluppo di soluzioni di movimentazione e assemblaggio per le nuove applicazioni di presa richieste dai componenti e dai processi di produzione di e-drive e pacchi batteria per le auto elettriche. Nella sua ampia gamma, Schunk offre già una varietà di soluzioni per queste produzioni, come per esempio una nuova pinza magnetica brevettata per la manipolazione e l’inserimento degli hairpin nello statore. Soluzioni volte a garantire tempi ciclo ridotti, precisione e ripetibilità estreme, con applicazioni in camera bianca e dry room necessarie in molte fasi del processo. Inoltre, ono allo studio nuove tecnologie dedicate all’emergente settore delle celle a combustibile a idrogeno, dove viene studiato l’impiego di innovativi sistemi di presa con tecnologia Adheso, che sfrutta le forze di Van Der Waals. Nel contesto di mercato dell’elettromobilità, significativo è anche l’accordo di fornitura pluriennale siglato da ZF (www.zf.com/mobile/en/ homepage/homepage.html) con STMicroelectronics (www.st.com/content/st_com/en.html), per l’acquisto dal 2025 di dispositivi al carburo di silicio per garantire i futuri ordini per l’emobility, che per ZF valgono fino al 2030 oltre 30 miliardi di euro. Le tecnologie al carburo di silicio di ST saranno integrate nella nuova architettura modulare per inverter di ZF, che rappresentano il cervello delle trazioni elettriche, la cui produzione di serie è prevista nel 2025. L’accordo consente a ZF di rafforzare la propria catena di fornitura, contando sulla produzione di chip al carburo di silicio verticalmente integrata di ST in Italia e a Singapore. ZF si attende importanti vantaggi dall’impiego di dispositivi al carburo di silicio in termini di efficienza, densità di potenza e affidabilità maggiori rispetto ai tradizionali prodotti al silicio, oltre a consentire design più piccoli ed economici. Infine, sta investendo sulla filiera produttiva delle batterie anche una realtà come Marposs (www. marposs.com/ita), che lo scorso anno ha acquisito la bavarese MeSys, da oltre 30 anni specializzata in sistemi di misurazione senza contatto e senza radiazioni per materiali piani molto sottili e flessibili. Attraverso questa operazione, la multinazionale emiliana punta a essere sempre più protagonista della e-mobility, integrando il proprio portfolio di tecnologie per l’industria automotive con nuove applicazioni specifiche per la produzione degli elettrodi e dei separatori impiegati nelle batterie agli ioni di litio (Li-Ion). Grazie ai dispositivi sviluppati da MeSys, Marposs potrà ampliare la gamma di soluzioni dedicate al processo di produzione delle celle batterie, consolidando una strategia che ha consentito allo specialista nei sistemi di misura, ispezione e testing di diventare sempre più competitiva nell’elettromobilità, soprattutto grazie a sistemi avanzati per il test elettrico, di durabilità e di tenuta delle celle, dei moduli e dei pacchi batteria delle auto elettriche.
Cosa dice la normativa europea
Entrato in vigore il 18 agosto 2023, il nuovo Regolamento UE 2023/1542 è il primo pacchetto di normative a livello europeo che prende in considerazione l’intero ciclo di vita delle batterie: approvvigionamento, produzione, modalità di utilizzo e pratiche di riciclo. Il Regolamento tratta in modo approfondito e aggiornato la materia, in relazione agli obiettivi di circolarità del Green Deal europeo, coprendo la sicurezza del prodotto, l’informazione attraverso dati precisi e la sostenibilità, declinata in produzione e rigenerazione. Tra le disposizioni, il Regolamento prevede, per esempio, una dichiarazione dell’impronta di carbonio generata nella fabbricazione delle batterie, in particolare quelle per EV e mezzi di trasporto, e stabilisce stringenti parametri relativamente alla quantità di rifiuti raccolti e frazionati in base a tipologie e utilizzo delle batterie, così come il quantitativo di materie recuperate dai processi. Dal 2024, per esempio, la quantità di materie impiegate come litio, rame, piombo, cobalto e nickel dovrà essere estratta da prodotti esausti in misura gradualmente crescente. Il Regolamento richiede inoltre che ogni batteria sia dotata di una sorta di passaporto, che riporti una serie di informazioni utili a identificare la tipologia di batteria, e consentire il tracciamento di ogni singolo prodotto lungo l’intero ciclo di vita.