Das Institut für Automobilwirtschaft und Industrielle Produktion (AIP) beschäftigt sich unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas S. Spengler mit der Entwicklung und dem Einsatz techno-ökonomischer Modelle und quantitativer Methoden zur Entscheidungsunterstützung in Produktion und Logistik. Die Forschungsarbeiten an der Schnittstelle zwischen Technologie, Wirtschaft und Nachhaltigkeit adressieren unter anderem die für das Cluster relevanten Themenfelder (Closed-Loop) Supply Chain Management, Stoffstrommanagement, Kreislaufwirtschaft, Recycling sowie Technologiefolgenabschätzung. Exemplarische Fragestellungen aus abgeschlossenen öffentlich und privatwirtschaftlich geförderten Forschungsprojekten im Kontext Lithium-Ionen-Batterien umfassen die Investitions- und Kapazitätsplanung für Batteriefabriken, die Simulation des Automobilmarkts zur Analyse von Fahrzeugverkäufen und -rückläufern oder Wirtschaftlichkeitsanalysen für das Batterierecycling.

Innerhalb des Kompetenzclusters greenBatt ist das AIP im Forschungsprojekt SIMTEGRAL sowie im Begleitprojekt greenBattNutzung vertreten. Im Forschungsprojekt SIMTEGRAL liegt der Arbeitsschwerpunkt des AIP in der Modellierung, der sozio-ökonomischen Bewertung sowie der Gestaltung von Rohstoff-Supply Chains für Lithium-Ionen-Batterien. Durch die Weiterentwicklung aktivitätsanalytischer Modellierungsansätze sowie deren Verknüpfung mit ingenieurwissenschaftlichen Simulationsmethoden und mathematischen Optimierungsverfahren sollen Erkenntnisse zur Gestaltung nachhaltiger Wertschöpfungsketten gewonnen werden. Im Begleitprojekt greenBattNutzung ist das AIP für die Entwicklung von Szenarien bezüglich des zukünftigen Altbatterieaufkommens sowie die Konzeption und Durchführung der wirtschaftlichen Bewertung von Nachnutzungskonzepten und Recyclingprozessen zur Entscheidungsunterstützung von Industrie und Politik zuständig.

Projektbeteiligungen

greenBattNutzung

SIMTEGRAL

Das InES liefert mit der Entwicklung und Anwendung von systemverfahrenstechnischen Methoden und Konzepten wichtige Beiträge in den vier Forschungsbereichen Batterien, elektrochemische Verfahrenstechnik, Pharma-Systemverfahrenstechnik und Energiesysteme. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Analyse und Optimierung (elektro)chemischer Prozesse unter Verwendung von Multi-Skalen-Simulationen. Hierzu liefern unsere Labore die nötige Datengrundlage und ergänzen unsere modellgestützte Forschung durch umfängliche Validierungsexperimente.

Ziel des InES im Projekt SIMTEGRAL ist es, die detaillierte, physikalisch basierte Datengrundlage für die Bewertung und Optimierung des Kreislaufwirtschaftssystems (Circular Economy System) für Batterien bereitzustellen. Dazu wird im Teilprojekt ein digitaler Zwilling erzeugt, der dieses System abbildet – und zwar auf Grundlage dynamischer und experimentell validierter Simulationsmodelle von Herstellungs- oder Recyclingprozessen verschiedener Metalle oder anderer Komponenten (Wertschöpfungsketten).

Der digitale Zwilling beinhaltet hierbei:

• alle zentralen Batterierohstoffe und assoziierte Kuppelprodukte, sowohl für Primär- als auch Sekundärrouten
• Material, Energie und Wasser
• Produkte, Reststoffe und Emissionen

Projektbeteiligungen

SIMTEGRAL

Das Institut für Konstruktionstechnik (IK, Prof. Vietor) der Technischen Universität Braunschweig verfügt über weitreichende Kompetenzen auf dem Gebiet der methodischen Produktentwicklung und Konstruktion. Seit über fünfzig Jahren werden dazu wissenschaftlich fundierte Vorgehensweisen und Hilfsmittel zur Unterstützung interdisziplinärer Teams entwickelt und in die praktische Anwendung gebracht. Die Forschungsschwerpunkte reichen dabei von den reinen Grundlagen des methodischen Konstruierens, über das Konstruieren für additive Fertigungsverfahren bis hin zu anwendungsspezifischen Themen wie z.B. der Entwicklung nachhaltiger Energiespeichersysteme und Fahrzeugkonzepte, dem Leichtbau und der Funktionsintegration sowie der Weiterentwicklung rechnerunterstützter Vorgehensweisen. Das Institut gliedert sich dabei in die Arbeitsgruppen Integrierte Produktentwicklung, Energiespeichersysteme, Fahrzeugkonzepte, Leichtbau und hybride Bauweisen und Additive Fertigungstechnologien.

Am Institut für Konstruktionstechnik (IK) werden Strategien, Methoden und Hilfsmittel für die Unterstützung des Entwicklungsprozesses von Energiespeichern entwickelt und in die praktische Anwendung überführt. Dabei liegt der Fokus vor allem in der Beschreibung und Modellierung ganzheitlicher Systeme (Systems Engineering) und deren Nutzung über alle Lebensphasen (Kreislaufführung) hinweg.

In diesem Kontext beschäftigt sich speziell die Arbeitsgruppe Energiespeichersysteme (ESS) des IK mit konstruktionsmethodischen Fragestellungen auf unterschiedlichen Ebenen der Wertschöpfungskette. Diese reichen z.B. von der konstruktiven Gestaltung des Zelldesigns (u.a. FEM, Sicherheitsmodellierung) über den Aufbau von optimierten Modul- und Packarchitekturen bis hin zur Integration ganzer Systeme ins Fahrzeug. Dabei steht u.a. die Sicherheitsbetrachtung mit Hilfe von prädikativen Simulationstechniken (z.B. Multiphysik-Modellierung des „Thermal Runaways“) im Fokus. Dies ermöglicht das Betriebsverhalten (Lebenphasen-orientiert) sowie Missbrauchsszenarien (z.B. Crash) zu modellieren und das Alterungsverhalten abzubilden. Hinsichtlich der Vermeidung von „open Loops“ im Materialkreislauf und der Reduzierung von Umweltwirkungen werden kreislauforientierte Designansätze angewendet und Kreislaufführungsoptionen für Energiespeicher ermittelt.

Projektbeteiligungen

ReDesign (Leitung)

Am Institut für Partikeltechnik (iPAT) stehen die Herstellung, Konditionierung und Verarbeitung von Partikeln zu innovativen Produkten einschließlich der Entwicklung von digitalen Zwillingen im Fokus. Verfahrenstechnisch werden insbesondere Prozesse zum Zerkleinern, Dispergieren, Klassieren, Mischen, Granulieren, Fördern und Lagern von Partikeln bzw. Pulvern betrachtet. Im Bereich der Batterieverfahrenstechnik forschen wir an Themen von der Grundlagenforschung auf Partikelebene bis zur industriellen Prozess- und Fertigungstechnik von Elektroden und deren tiefgehende Charakterisierung. Die Prozesskette der Elektrodenfertigung und ein halbautomatischer Zellbau zur Prüfung der Prozess- und Verfahrensparametervariationen sind innerhalb der „Battery LabFactory Braunschweig (BLB)“ im Pilotmaßstab etabliert. Als interdisziplinäres Forschungszentrum deckt die BLB die gesamte Wertschöpfungskette von der Material- und Elektrodenherstellung über die Zelle und das Modul bis hin zur Systemintegration und zum Recycling ab.

Die mechanischen und thermischen Recyclingprozesse und deren Kopplung mit der Hydrometallurige wurden vom iPAT vor allem im Rahmen der Projekte Lithorec I und Lithorec II entwickelt und mittlerweile zur Industriereife gebracht. Im Rahmen von greenBatt untersucht das Institut für Partikeltechnik insbesondere die mechanische Aufarbeitung von gealterten Zellen und Produktionsausschuss in Kombination mit thermischen Prozessen zur Behandlung von Elektrolytbestandteilen und Bindern. Die Prozesse sollen kontinuierlich überwacht und Energieparameter aufgenommen werden. Die aufgenommenen Parameter finden wiederum Anwendung in den Simulationen und Modellierungen zur ganzheitlichen Beschreibung und Bewertung der Prozesskette. Darüber hinaus werden erste Adaptionen der etablierten Prozesse an Batterien mit Festkörperchemie evaluiert und im Labormaßstab umgesetzt.

Projektbeteiligungen

Innerhalb der Professur für Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering (NPLCE) engagiert sich das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) in der Erforschung eines systematischen Ansatzes zur Gestaltung von Produktlebenszyklen unter den Anforderungen einer Nachhaltigen Entwicklung. Entsprechend hat das Institut umfangreiche Expertise in der ökonomisch, ökologischen und simulativ-technologischen Analyse und Bewertung von industriellen Produktions- und Recyclingprozessketten.

Das IWF ist zudem Gründungsmitglied der Battery LabFactory Braunschweig (BLB) und koordiniert u.a. das Querschnittsfeld Nachhaltige Wertschöpfungsketten und Fabriksysteme mit den Themen Energie- und Stoffstrommodellierung, Fabrik-/Prozesskettensimulation sowie Life Cycle Costing (LCC) und Life Cycle Assessment (LCA).

Innerhalb des Kompetenzclusters übernimmt die Professur Nachhaltige Produktion und Life Cycle Engineering (NPLCE) des IWF die Projektleitung innerhalb des Begleitprojekts greenBattNutzung. Das IWF wird in zahlreichen Projekten Methoden des (Computational-) Life Cycle Engineerings einbringen und im Kontext des Batterierecyclings weiterentwickeln (Projekte SIMTEGRAL, S²tar, ReDesign, ecoLiga, PyroLith). Ziel der Arbeiten ist es unter anderem, Handlungsempfehlungen zu einer nachhaltigeren Gestaltung von Batterie-Lebenszyklen abzuleiten. Zudem leitet das IWF das Projekt DiRectION, welches die Digitalisierung von Recyclingprozessen mit dem Ziel der Steigerung

Projektbeteiligungen