Digitalization and energy flexibility of a battery manufacturing process

Abstract

The three D’s (decentralization, decarbonization and digitalization) are the main drivers for the fourth industrial revolution, Industry 4.0. Furthermore, digitalization has a huge part in the future of energy as the demand and the available data are growing. Digitalization allows greater prediction, optimization and controlling of energy usage. Hence it creates an opportunity to lower energy costs and peak consumption as well as to integrate renewable energy sources.

Digitalization also enables energy flexibility (EF). Industrial sector is considered as an attractive candidate to EF operation due to its high consumption. Quantification of EF is done as energy flexibility potential (EFP) through energy flexibility measures (EFM). Adaptation of start of production in each process step is one of the most reasonable EFM for battery manufacturing, enabling peak shaving possibilities.

The objective of the thesis is to enable peak shaving within the manufacturing process through higher level of digitalization. The assessment process includes defining the characteristics of each industrial system, according to which the suitability for energy flexible operation is assessed. Each process step is graded in two categories: flexibility and power. Flexibility scores were given based on the information received from the process engineer, whereas power scores were given either by installed powers or according to the measured peak powers. Three scenarios to set up measurement points in the manufacturing process were created according to the given scores, and comparison of investment costs and level of digitalization was made between each scenario. Scenario 3 shows the most potential as the achieved level of digitalization is relatively high while the investment costs in relation to scenario 2 are not much higher.

It was observed that, battery manufacturing process does not have much EF. By adding energy storage solution (ESS) or renewable energy sources (RES) the flexibility can possibly be increased. However, more advanced modeling is needed to conclude economic analysis and calculate the practical and viable EFP. In order to do that, suggested real time measurement points should be set up and the data should be used for modeling different scenarios, e.g. with ESS and RES.

Kolme D:tä (hajautus, hiilenpoisto ja digitalisaatio, engl. decentralization, decarbonization and digitalization) ovat neljännen teollisen vallankumouksen, (engl. Industry 4.0), tärkeimmät edistäjät. Lisäksi, digitalisaation tärkeys energian tulevaisuudessa kasvaa kysynnän ja käytettävissä olevan tiedon kasvaessa. Digitalisaatio mahdollistaa paremman ennustamisen, optimoinnin ja energiankäytön hallinnan. Se luo mahdollisuuden alentaa energiakustannuksia ja huippukulutusta sekä integroida uusiutuvia energialähteitä.

Digitalisaatio mahdollistaa myös energiajoustavuuden (EF, engl. energy flexibility). Korkean kulutuksensa vuoksi teollisuuden sektoria voidaan pitää sopivana kandidaattina energiajoustavaan operointiin. Energiajoustavuuden kvantifiointi tapahtuu energiajoustavuuden toimenpiteiden (EFM, engl. Energy flexibility measure) kautta energiajoustavuuden potentiaalina (EFP, engl. Energy flexibility potential). Tuotannon ajoittaminen kussakin prosessivaiheessa on yksi mahdollisista energiajoustavuuden toimenpiteistä akkujen valmistuksessa, ja näin ollen mahdollistaen huipputehon rajoittamisen.

Tutkimuksen tavoitteena on alentaa tuotantoprosessin huippukulutusta digitalisaation avulla. Arviointiprosessissa tuotantoprosessin ominaisuudet määriteltiin, ja niiden perusteella arvioitiin soveltuvuus energiajoustavaan operointiin. Jokainen prosessivaihe arvioitiin kahdessa kategoriassa: joustavuus ja teho. Joustavuus arviointiin prosessi-insinööreiltä saatujen tietojen perusteella, kun taas teho arviointiin joko asennettujen tehojen tai mitattujen huipputehojen perusteella. Arvioinnin perusteella luotiin kolme skenaariota mahdollisten mittauspisteiden asettamiseksi tuotantoprosessissa. Investointikustannuksia ja digitalisaation tasoa verrattiin eri skenaarioiden välillä. Skenaario 3 vaikuttaa potentiaalisimmalta, koska saavutettu digitalisaatio on suhteellisen korkea, kun taas investointikustannukset suhteessa skenaarioon 2 eivät ole paljon suuremmat.

Tutkimuksen perusteella voidaan päätellä, että akkujen valmistusprosessi ei ole kovin energiajoustavaa. Energia joustavuutta voidaan mahdollisesti lisätä erilaisilla ratkaisuilla, kuten lisäämällä energiavarasto tai uusiutuvia energialähteitä, kuten aurinkopaneeli, tuotantoon. Käytännön ja toteuttamiskelpoisen energiajoustavuuden laskemiseksi sekä taloudellisen analyysin tekemistä varten tarvitaan edistyneempää mallintamista. Mallinnusta varten ehdotetut mittauspisteet tulisi toteuttaa ja data tulisi kerätä reaaliajassa.