Können wir die Durchbrüche von morgen schaffen?

Die Produktion in den USA ist in Schwierigkeiten. Das sind schlechte Nachrichten nicht nur für die Wirtschaft des Landes, sondern auch für die Zukunft der Innovation.19. Dezember 2011

In einem hangarähnlichen Gebäude, in dem General Electric einst Dampfturbinen montierte, wird eine Batteriefertigungsanlage im Wert von 100 Millionen US-Dollar gebaut, um Produkte mit einer Chemie herzustellen, die noch nie zuvor in so großem Maßstab kommerzialisiert wurde. Die produzierten Natrium-Metall-Halogenid-Batterien wurden in den letzten Jahren von einem Team von Materialwissenschaftlern und Ingenieuren im nur wenige Kilometer entfernten weitläufigen Forschungszentrum von GE getestet und optimiert. Jetzt sind einige der gleichen Forscher dafür verantwortlich, diese Ergebnisse in einer Produktionsstätte zu reproduzieren, die groß genug ist, um dreieinhalb Fußballfelder zu fassen.

Die Ingenieure sind vom idyllischen Forschungszentrum, das auf einem Hügel mit Blick auf den Mohawk River liegt, in die Produktionsstätte umgezogen, die am Rande von Schenectady, New York, an den Fluss grenzt, einer Arbeiterstadt, die in ihrer Blütezeit als Electric bekannt war Stadt. Dort überwachen sie die Installation und Prüfung von Robotik, Hochtemperaturöfen und Analysegeräten, die den Produktionsprozess überwachen. Die neuen Batterien verwenden eine fortschrittliche Keramik als Elektrolyt in einem versiegelten Metallgehäuse, das Nickelchlorid und Natrium enthält; Die Technologie verspricht, dreimal so viel Energie zu speichern wie Blei-Säure-Batterien, die in Rechenzentren, in schweren Elektrofahrzeugen und zur Notstromversorgung verwendet werden. Aber fast alles kann schief gehen. Wenn beispielsweise die Partikel, aus denen die Keramik besteht, ungleichmäßig groß sind oder nicht richtig getrocknet wurden, kann die Akkuleistung beeinträchtigt werden. Das bedeutet, dass die Bedingungen in der riesigen Fabrik streng kontrolliert werden müssen und tonnenschwere Geräte mit der Genauigkeit von Laborgeräten mithalten können. Es ist nichts für schwache Nerven, sagt Michael Idelchik, Vizepräsident für fortschrittliche Technologien bei GE.



Können wir die Durchbrüche von morgen schaffen?

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2012

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Das GE-Werk ist eines von mehreren Werken im ganzen Land, das neue Technologien für schnell wachsende Märkte für fortschrittliche Batterien, Elektrofahrzeuge und Solarenergie herstellt – aber diese Bemühungen können der Realität nicht entgegenwirken, dass der US-Produktionssektor in Schwierigkeiten ist. Nach Jahrzehnten des Outsourcings der Produktion zur Kostensenkung haben viele große Unternehmen das Know-how für die komplexen Engineering- und Konstruktionsaufgaben verloren, die erforderlich sind, um die innovativsten neuen Technologien von heute zu skalieren und zu produzieren, ganz zu schweigen von der damit verbundenen Risikobereitschaft.

Im Schritt: Ein wichtiger Bestandteil des Batterieproduktionsprozesses von GE ist die Herstellung von Keramikröhren, die als Elektrolyt fungieren. Die weißen Röhren wandern ein Fließband entlang, wo sie versiegelt werden, um die Keramikbaugruppe zu vervollständigen, die in die Batteriezelle eingeht.

Wenn Sie der Behauptung von Thomas Friedman glauben, dass die Welt flach ist und dass die Verlagerung der Produktion an Orte, an denen die Produktion billig ist, Unternehmen wettbewerbsfähiger macht, ist eine solche Verschiebung möglicherweise nicht über die Auswirkungen auf die US-Wirtschaft und ihre Arbeitnehmer hinaus von Bedeutung. Aber die Vereinigten Staaten sind nach wie vor die produktivste Quelle für neue Technologien, insbesondere für werkstoffbasierte, und es gibt immer mehr Beweise dafür, dass ihre verringerten Fertigungskapazitäten die globale Innovation ernsthaft lähmen könnten. Es gibt viele Gründe zu der Annahme, dass das Modell der US-Computerindustrie – die in den letzten Jahrzehnten einen Großteil ihrer Produktion erfolgreich ausgelagert und Design und nicht Fertigung zu ihrer Priorität gemacht hat – für Unternehmen, die versuchen, Energieinnovationen zu kommerzialisieren, nicht effektiv funktionieren wird , fortschrittliche Materialien und andere aufstrebende Sektoren.

Akademische Forscher haben damit begonnen, die komplexen Zusammenhänge zwischen Innovation und Fertigung zu dokumentieren, um zu klären, wie sich der Verlust der US-Fertigung auf das Aufkommen neuer Technologien auswirken könnte. Willy Shih, Professor für Management an der Harvard Business School, hat eine Liste von Basistechnologien erstellt, bei denen die USA in den letzten Jahren ihren Vorsprung in der Fertigung verspielt haben. Dazu gehören kristalline Siliziumwafer, LCDs, Leistungshalbleiter für Solarzellen und viele Arten fortschrittlicher Batterien. Und er hat ausführlich erklärt, wie der Verlust der industriellen Allmende – des Forschungs-Know-hows, der Ingenieurs- und Fertigungskompetenz, die für die Entwicklung einer bestimmten Technologie erforderlich sind – oft den Verlust des Wissens und der Anreize für Fortschritte bei verwandten Technologien bedeuten kann. Da sich beispielsweise die Silizium-Halbleiterproduktion und die damit verbundenen Lieferketten nach Asien verlagert haben, wurde die Entwicklung neuer siliziumbasierter Solarzellen in den Vereinigten Staaten behindert.

Es stellt sich heraus, dass es nicht unbedingt so ist, dass innovative Technologien einfach woanders hergestellt werden, wenn dies nicht in den USA geschieht. Nach Untersuchungen von Erica Fuchs, Assistenzprofessorin an der Carnegie Mellon University, wurde die Entwicklung der integrierten Photonik, bei der Laser und Modulatoren auf einen einzigen Chip gequetscht werden, von Optoelektronik-Herstellern weitgehend aufgegeben, da sie die Produktion aus den USA verlagert haben . Viele Telekommunikationsunternehmen waren nach dem Zusammenbruch der Branche Anfang der 2000er Jahre gezwungen, in Ostasien eine kostengünstigere Produktion anzustreben, und unterschiedliche Herstellungspraktiken führten dazu, dass die Herstellung integrierter photonischer Chips in diesen Ländern wirtschaftlich nicht rentabel war. Damit wurde eine Technologie aufgegeben, die einst nur wenige Jahre davon entfernt schien, Computer und sogar Biosensoren zu revolutionieren. Ökonomen könnten argumentieren, dass es uns egal ist, wo etwas produziert wird, sagt Fuchs, aber der Standort kann die Produkte, die Sie herstellen, und die Entwicklung der Technologie selbst tiefgreifend beeinflussen.

Für viele Menschen in der Industrie ist der Zusammenhang zwischen Innovation und Fertigung selbstverständlich – und ein Grund zur Sorge. Wir haben gelernt, dass die Innovationsfähigkeit ohne ein Standbein in der Fertigung erheblich beeinträchtigt ist, sagt Idelchik von GE. Das Problem beim Outsourcing der Produktion besteht nicht nur darin, dass Sie irgendwann Ihr technisches Know-how verlieren, sondern dass Unternehmen für Produkte der nächsten Generation von den Innovationen anderer abhängig werden. Eine Folge davon sei, dass Forscher und Ingenieure das Verständnis für den Herstellungsprozess und seine Möglichkeiten verlieren: Man kann alles entwerfen, was man will, aber wenn es niemand herstellen kann, wen interessiert das?

Die Vereinigten Staaten sind nach wie vor die weltweit produktivste Quelle für neue Technologien, insbesondere werkstoffbasierte, und es gibt immer mehr Beweise dafür, dass ihre verringerten Fertigungskapazitäten die globale Innovation ernsthaft lähmen könnten.

Nach Jahrzehnten als größter Hersteller der Welt stellen die Vereinigten Staaten nach neueren Schätzungen heute 19,4 Prozent der weltweit hergestellten Güter – an zweiter Stelle nach China mit 19,8 Prozent. Auch bei Hightech-Produkten importieren die USA mittlerweile mehr als sie herstellen. Diese Statistiken haben Auswirkungen auf die Beschäftigung, die nationale Wettbewerbsfähigkeit und sogar auf die Politik und die Sozialstruktur des Landes. Aber ebenso besorgniserregend, insbesondere auf lange Sicht, ist, was die schwindende Fähigkeit der Vereinigten Staaten, Dinge für die nächste Technologiegeneration herzustellen, impliziert. Können die Vereinigten Staaten ihre Fähigkeit wiedererlangen, risikoreiche Produktionen zu übernehmen? Anders gefragt: Drohen vielen der vielversprechendsten Innovationen von heute das gleiche Schicksal wie integrierten photonischen Chips? Können die Vereinigten Staaten ihre Fähigkeit wiedererlangen, risikoreiche Produktionen zu übernehmen? Anders gefragt: Drohen vielen der vielversprechendsten Innovationen von heute das gleiche Schicksal wie integrierten photonischen Chips?

Elektromotor Stadt

Die Stadt Detroit, jahrzehntelang Zentrum der US-Automobilproduktion, wirbt gerne für ihre Bemühungen um die Stadterneuerung. Am Rande der Innenstadt steht ein modernes Baseballstadion; ein geschäftiges Theaterviertel ist in der Nähe. Doch leere und entkernte Wolkenkratzer sind nur wenige Gehminuten von den glänzenden Glastürmen des Hauptquartiers von General Motors und den neuen Eigentumswohnungen entfernt, die sich über dem Flussufer der Stadt erheben. Und am Stadtrand, in Gegenden, die von Autobahnen mit Namen wie Chrysler Freeway und Edsel Ford Freeway geteilt werden, wird die Verwüstung noch deutlicher in den scheinbar endlosen Abschnitten verlassener Industriegebäude. Ungefähr 22 Prozent der Arbeitsplätze in Michigan sind immer noch mit der Automobilherstellung verbunden, und ein Jahrzehnt von Insolvenzen und sinkenden Verkäufen bei den Autoherstellern in Detroit hat die Region ins Wanken gebracht. Im Südosten Michigans sind seit dem Jahr 2000 fast eine halbe Million Arbeitsplätze verloren gegangen.

Inmitten der Ruinen jedoch ist das Montagewerk von GM Detroit Hamtramck eine Oase der Ordnung und Aktivität. Obwohl der Parkplatz im Frühherbst an einem Tag weniger als halb voll ist, verkörpert das riesige Werk, das Mitte der 1980er Jahre gebaut wurde, um Cadillacs und Buicks herzustellen, Detroits Versuch, sich neu zu erfinden. Davor ist ein Feld mit Sonnenkollektoren installiert; Am Rande des Besucherparkplatzes befindet sich eine Reihe von Carports mit Steckdosen.

Im Werk wurden Cadillacs und Buicks am Fließband durch den Chevrolet Volt, das kürzlich von GM eingeführte Elektroauto, und sein europäisches Gegenstück, den Opel Ampera, ersetzt. Die Elektrofahrzeuge füllen ungefähr jeden zweiten verfügbaren Platz in der Produktionslinie, aber GM hofft, die Produktion bis zum nächsten Jahr auf 60.000 Elektroautos hochfahren zu können. Wie jede moderne Autofabrik ist das Werk in Detroit Hamtramck ein Wirbel von Robotern und großen Teilen, die sich bewusst entlang von Fließbändern bewegen, die an kritischen Stellen zusammenlaufen; An einer dieser Kreuzungen fällt der lackierte Stahlrahmen langsam auf das Chassis und den Motor. Automatisierte pneumatische Schraubenschlüssel durchbohren die relative Ruhe, da sie ein präzises Drehmoment anwenden, um die Teile zusammenzuschrauben.

Nahe dem Zentrum des Geschehens stehen die T-förmigen Lithium-Ionen-Batterien, die das Herzstück des neuen Autos sind und für weite Teile Michigans eine Quelle der wirtschaftlichen Hoffnung sind. Das 435-Pfund-Batteriepaket ist eine enorme Verbesserung gegenüber den massiven 1.100-Pfund-Blei-Säure-Batterien, die in der unglückseligen ersten Generation von Elektroautos verwendet wurden, die GM in den 1990er Jahren herstellte. Die kleineren, leichteren neuen Batterien sind in einem Kompaktwagen wie dem Volt viel einfacher unterzubringen, und die neue Chemie verbessert die Leistung des Fahrzeugs.

Jedes Batteriepaket enthält etwa 288 Zellen, von denen jede eine Reihe von genau aufeinander abgestimmten dünnen Anoden- und Kathodenblechen enthält. Wenn GM nächstes Jahr 60.000 Volt herstellt, würden diese Autos leicht die Leistung mehrerer riesiger Batteriefabriken verbrauchen. Aber wenn der Markt für Elektroautos plötzlich in Schwung kommt – etwa wegen billigerer oder effizienterer Batterien – könnte der Bedarf viel größer sein. Es wird geschätzt, dass, wenn Elektroautos ein Zehntel des US-Autoabsatzes ausmachen würden, 43 große Batteriefabriken erforderlich wären, um die Autohersteller zu beliefern.

Der potenzielle Appetit auf Batterien bei GM und anderen Autoherstellern hat zum Bau von mindestens einem halben Dutzend Fertigungs- und Montagewerken in einem Umkreis von 200 Meilen um Detroit geführt. Teilweise angespornt durch die 2,4 Milliarden Dollar an Finanzierung der Obama-Regierung für fortschrittliche Batterieproduktion und Elektrofahrzeuge, bietet diese Entwicklung eine Vision davon, wie eine Erholung der Produktionsbasis der Region aussehen könnte. Es stellt auch eine Momentaufnahme der großen Herausforderung dar, die mit der Schaffung einer solchen Infrastruktur verbunden ist.

Etwa 200 Kilometer nördlich des Montagewerks Detroit Hamtramck befindet sich eine der größten der neuen Batterieanlagen. Dow Kokam, ein Joint Venture von Dow Chemical, TK Advanced Battery und der französischen Groupe Industriel Marcel Dassault, baut in Midland, Michigan, eine Fabrik im Wert von 322 Millionen US-Dollar, die in der Lage sein wird, genügend Lithium-Ionen-Batteriezellen für etwa 30.000 elektrische Batterien herzustellen Autos. Obwohl die Bauarbeiten andauern und ein Großteil der Ausrüstung noch installiert wird, vermittelt ein kurzer Rundgang einen Eindruck von der Größe und Komplexität des Betriebs. In einem großen Raum mit hohen Decken befinden sich eine Vielzahl automatisierter Racks, in denen jede Batteriezelle gebildet wird, ein kritischer Vorgang, bei dem die Batterie geladen und entladen wird, um die Chemie genau einzustellen.

Es ist diese Art von Größe und Liebe zum Detail, die das Interesse von Unternehmen wie Dow, dem zweitgrößten Chemiehersteller der Welt, wecken. Das Werk liegt direkt vor den Grenzen des Chemiebetriebs von Dow in Michigan, einer kleinen Stadt mit niedrigen Produktionsgebäuden, die durch ein Labyrinth aus sich kreuzenden Überkopfrohren verbunden sind. Es ist ein weitreichendes Zeugnis für die Verbindungen zwischen verschiedenen Zutaten und Rohstoffen, die bei der Herstellung von Industrieprodukten verwendet werden, und für die bei der Herstellung häufig erforderliche Skaleneffizienz.

Die Lieferkette für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien beginnt tief im Chemiekomplex. Irgendwo in einer der Straßen, die durch das Werk führen, befindet sich ein unscheinbares Gebäude, in dem Arbeiter einst Chemikalien für Kunststoffe herstellten. Jetzt baut Dow daraus eine Produktionsstätte für die Kathoden- und Anodenmaterialien aus, die in Lithium-Ionen-Batterien benötigt werden. Jeder, der eintritt, muss einen weißen Kittel anziehen, Schuhe in Papierhüllen einwickeln und sich einer Luftsprühdusche unterziehen, die Streustaub und Partikel entfernt. Im Inneren werden die Pulver für die Kathoden und Anoden in großen Behältern verarbeitet, die so konzipiert sind, dass sie die Kontamination minimieren. Die Materialien werden an eines der im Bau befindlichen Batteriewerke geliefert; Obwohl das nahe gelegene Werk von Dow Kokam nicht verpflichtet ist, Anoden und Kathoden von seiner Muttergesellschaft zu kaufen, wäre dies eine natürliche Ergänzung.

Hitze aufdrehen: Der gezeigte Kalzinator ist bei der Herstellung von Pulvern für die Keramik von entscheidender Bedeutung.

Wie Idelchik von GE erkennt auch Dows Chief Technology Officer William Banholzer die Risiken der Verbreitung neuer Technologien an. Aber er sagt, dass Dows Größe und sein tiefes Geld es ermöglichen, Risiken einzugehen, die für kleine Start-ups schwierig wären, und seine umfangreiche Infrastruktur ermöglicht es ihm, die verschiedenen Aspekte des Herstellungsprozesses effizient zu integrieren. Die Größe von Dow ermöglichte es ihm auch, seine Wetten auf Batterien durch den Eintritt in andere neue Energiemärkte abzusichern. Auf der gegenüberliegenden Seite des riesigen Fertigungskomplexes des Dow-Kokam-Werks baut es eine Solaranlage, die Dachschindeln mit Dünnschicht-Photovoltaik herstellen wird. Das Ausmaß der Energie ist so groß, dass es schwer zu sagen ist, ob Energie von kleinen Unternehmen gelöst wird, sagt Banholzer. Erst wenn man tatsächlich mit der Herstellung begonnen hat, bekommt man einen Blick auf die wahren Kosten und Warzen, sagt er. In Energieunternehmen, in denen eine Demonstrationsanlage 500 Millionen US-Dollar kosten könnte, bricht das Risikokapitalmodell zusammen, fügt er hinzu. Die große Frage ist: Können kleine Unternehmen in diesem Bereich jemals mit großen Unternehmen konkurrieren?

ÜBERLEBENSINSTINKTE

Dies ist eine Frage, die eine der zentralen Herausforderungen bei der Wiederbelebung des verarbeitenden Gewerbes darstellt. Banholzer hat sicher Recht, dass Startups mit der Produktionskapazität eines Dow oder GE nicht mithalten können. Es stimmt aber auch, dass kleine Unternehmen an einigen unserer vielversprechendsten Technologien arbeiten, insbesondere an der Schnittstelle zwischen neuen Materialien und Energie. Wenn diese Technologien wirtschaftlich produziert werden können, könnten sie bestehende Märkte stark erweitern. Die Herausforderung für die Startups besteht also darin, einen Weg zu finden, ihre Technologien mit aktuellem Fertigungs-Know-how zu entwickeln und gleichzeitig Produkte zu entwickeln, die radikal genug sind, um etablierte Technologien zu revolutionieren.

Ann Marie Sastry glaubt eindeutig, dass ihr Startup genau das kann. Untergebracht in einem kleinen Industriepark in Ann Arbor, Michigan, arbeitet Sakti3 an einer Technologie der nächsten Generation für Festkörperbatterien (sehen TR10, Mai/Juni 2011) . Der Fertigungsbereich im hinteren Teil der Büros ist für Besucher ebenso gesperrt wie Kameras und Fragen bei einem kurzen Rundgang durch die Test- und Designbereiche; CEO Sastry wird nur wenige Details über die Technologie verraten, außer dass die Batterie keine flüssigen Elektrolyte enthält und das Unternehmen Produktionsanlagen verwendet, die früher zur Herstellung von Kartoffelchips-Tüten verwendet wurden. Sie erklärt jedoch, wie das Startup im hart umkämpften Sektor der fortschrittlichen Batterien erfolgreich sein kann.

Die Strategie beginnt mit der Erkenntnis, dass jede neue Technologie Vorteile versprechen muss, die weit über das hinausgehen, was mit bestehenden Produkten möglich ist. Wenn Sie mit der aktuellen [Lithium-Ionen]-Technologie beginnen, sagt sie, erhalten Sie durch die Optimierung dieses Prozesses möglicherweise fünf oder 10 oder 20 Leistungspunkte, aber Sie müssen akzeptieren, dass Sie nie etwas Transformatives erreichen werden. Aber die Verdoppelung der Energiedichte von Batterien könnte enorme Auswirkungen auf die Stromversorgung von Kommunikationsgeräten haben, sagt sie, insbesondere in Gebieten mit wenig Zugang zu Strom für häufiges Aufladen. Der Verkehr könnte noch stärker betroffen sein. Neue Batterien mit höherer Energiedichte und deutlich geringeren Kosten könnten die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen auf ein ganz neues Niveau heben, sagt sie.

Also begannen sie und ihre Kollegen mit dem Periodensystem, eine neue Batterie zu erfinden. Das Unternehmen wusste von Anfang an, dass die Technologie skalierbar sein musste. Wir haben kein leeres Blatt Papier mit in die Produktion genommen, sagt sie. Wir begannen mit einer Analyse von Fertigungsansätzen, die skaliert wurden und werden konnten.

Im Periodensystem nach Materialien zu suchen, die die aktuelle Technologie über den Haufen werfen könnten, ist heutzutage eine häufige Strategie für Energie-Startups im Frühstadium. Gerbrand Ceder, Materialwissenschaftler am MIT, hat vor einigen Jahren ein Materialgenomprojekt initiiert, das Computer verwendet, um die Eigenschaften von Materialien im gesamten bekannten chemischen Universum zu analysieren und vorherzusagen, und hofft, eine offene Datenbank mit den Informationen zu erstellen. (Nachdem das Weiße Haus seine Materials Genome Initiative angekündigt hatte, stimmte er zu, seine Bemühungen in Materials Project umzubenennen, um Verwirrung zu vermeiden.) Ein Hauptziel ist es, Materialien effizienter zu identifizieren, die für die Herstellung geeignet sind.

Ceder hat verschiedene Verbindungen systematisch auf ihr Potenzial als Batteriematerialien untersucht. Pellion, ein Startup in Cambridge, Massachusetts, das er 2009 mitgegründet hat, hat mithilfe der Computerwerkzeuge, die er in seinem Materialgenomprojekt entwickelt hat, neue Kathoden für eine Magnesium-basierte Batterie identifiziert. Wenn es funktioniert, sagt Ceder, könnten die Batterien die doppelte oder dreifache Energiedichte der heutigen Lithium-Ionen-Batterien haben. Ebenso wichtig, sagt er, könnten sie in die bestehende Lithium-Ionen-Batteriefertigung einfließen. Und das ist entscheidend, sagt er, denn wenn man ein neues Material erfinden muss, das das bestehende ersetzen kann, dauert es vielleicht fünf bis zehn Jahre, muss man aber auch ein neues Design erfinden, kann es 10 bis 20 Jahre dauern.

Andere vielversprechende Energie-Startups im Frühstadium basieren auf Bemühungen, bekannte Produktionsbeschränkungen zu umgehen. Alta Devices beispielsweise, ein Unternehmen im kalifornischen Santa Clara, zu dessen Gründern führende Forscher vom Caltech und der University of California, Berkeley, gehören, entwickelt eine Möglichkeit, Photovoltaikzellen aus Galliumarsenid-Filmen herzustellen, die nur einen Mikrometer dick sind. Galliumarsenid, das als Bestandteil von Lasern und anderen photonischen Geräten weit verbreitet ist, hat hervorragende optische Eigenschaften, ist aber für die meisten Solarzellen zu teuer. Die neue Technologie verbraucht jedoch so wenig Material, dass ihr Preis nicht mehr unerschwinglich ist. Alta Devices hat die letzten Jahre damit verbracht, den Produktionsprozess zu perfektionieren; Es hat eine Pilotlinie zur Herstellung der Photovoltaik-Materialien im nächsten Jahr begonnen und hofft, 2013 mit der kommerziellen Produktion beginnen zu können.

Da die Risiken und Kosten der Skalierung von Energietechnologien immer offensichtlicher werden, ist es für Start-ups üblich, bei der Konzeption ihrer Innovationen die Praktikabilität der Fertigung zu berücksichtigen. Aber wie soll ein winziges Unternehmen trotz eines radikal anderen Materials in hart umkämpften Solar- und Batteriemärkten erfolgreich sein, die enorme Investitionen erfordern? Die Partnerschaft mit einem großen Unternehmen ist eine naheliegende Strategie. Alta Devices beispielsweise arbeitet mit Dow an Materialien der nächsten Generation für die Solarschindeln des Chemieunternehmens; GM ist ein Investor in Sakti3. Dennoch sehen sich die Energie-Startups der entmutigenden Wahrheit gegenüber, dass die Skalierung von Innovationen in erfolgreiche Produktionsabläufe Hunderte Millionen Dollar kosten kann.

Es gibt jedoch zumindest ein aktuelles Erfolgsbeispiel.

Stromhungrig: Die Batteriefabrik von GE umfasst eine Fläche von der Größe von dreieinhalb Fußballfeldern und umfasst so energieintensive Geräte wie Großöfen. Die elektrische Ausrüstung rechts versorgt die riesige Fabrik mit Strom.

LERNKURVE

Als Yet-Ming Chiang 2001 auf der Grundlage seiner Forschungen am MIT zu Batteriematerialien A123 Systems mitbegründete, gab es in den USA keine fortschrittliche Batteriefertigung. Obwohl ein Großteil der wissenschaftlichen Arbeit, die zur Erfindung der Lithium-Ionen-Batterien führte, in diesem Land geleistet wurde, einschließlich der Fortschritte, die an der University of Texas erzielt wurden, war es Sony, die die Batterien 1991 auf den Markt brachte erhebliche Investitionen in die Technik. Mit der vierfachen Energiekapazität von Nickel-Cadmium-Batterien und der doppelten Energiekapazität neuerer Nickel-Metallhydrid-Batterien wurden Lithium-Ionen-Batterien zur dominierenden Technologie in Verbrauchergeräten und ermöglichten die heutigen kleinen, leistungsstarken Mobiltelefone und Laptops.

Währenddessen versuchten die beiden großen US-Batteriehersteller Duracell und Eveready (heute Energizer) in den 1990er Jahren, eigene Lithium-Ionen-Produkte zu entwickeln. Es war sogar so weit gekommen, eine Fabrik in Gainesville, Florida, zu bauen, aber noch als das Werk für die kommerzielle Produktion vorbereitet wurde, sank der Preis für Lithium-Ionen-Batterien und das Unternehmen entschied, dass es billiger sei, Zellen von japanischen Herstellern zu kaufen, als eigene herzustellen. Es stieg aus dem Geschäft mit Lithium-Ionen-Batterien aus, Duracell folgte bald darauf.

Also bauten Chiang und seine Kollegen von A123 eine Produktionsstätte in Changzhou, China (siehe An Electrifying Startup, Mai/Juni 2008) . Der Umzug solle nicht die Produktion auslagern, sagt Chiang, sondern das nötige Fertigungs-Know-how erwerben. Anschließend kaufte A123 einen südkoreanischen Hersteller, um mit dem Aufbau des Know-hows zu beginnen, das für die Herstellung der Flachzellen für die Batterien von Elektroautos erforderlich ist. Als A123 beschloss, näher an seinen potenziellen Automobilkunden in Detroit zu sein, klonte es das koreanische Werk in Livonia, Michigan, und das chinesische Werk ein paar Meilen entfernt in Romulus, unterstützt durch einen Zuschuss der Bundesregierung in Höhe von 249 Millionen US-Dollar. Als Ergebnis dieser Strategie konnte A123 in bemerkenswert kurzer Zeit zu einem bedeutenden Hersteller werden und baute das Werk in Livland in etwas mehr als einem Jahr und das Werk in Romulus in neun Monaten.

Das Unternehmen wurde bald zu einem der profiliertesten Energie-Startups des Landes – und eines der wenigen, das seine Technologie skaliert hat und das laut eigenen Angaben im Jahr 2010 größte Lithium-Ionen-Autobatteriewerk in Nordamerika errichtet hat. Im Jahr 2009 ging es an die Börse und brachte rund 400 Millionen US-Dollar ein. Aber leider sind die politischen und finanziellen Umstände, die es A123 ermöglichten, fast 1 Milliarde US-Dollar an privaten und öffentlichen Investitionen zu sammeln, für diejenigen, die hoffen, einen solchen Erfolg nachzuahmen, lange vorbei.

Eine der Lehren aus A123 ist, wie viel es kostet, erfolgreich zu sein, sagt Chiang. Und man fragt sich, wie oft das repliziert werden kann. In der aktuellen Lage stellt sich die Frage, ob der Wille dazu immer wieder vorhanden ist. In der Biotech-Branche ist der Weg zur Kommerzialisierung im Laufe der Jahre klar geworden – Partnerschaften mit großen Pharmaunternehmen, Erreichen der erwarteten Meilensteine ​​und Durchlaufen des behördlichen Zulassungsverfahrens, das für neue Produkte erforderlich ist. Aber für Energie-Startups ist es nicht so einfach, sagt Chiang, dessen neuestes Startup, 24M, darauf hofft, eine radikal neue Batterietechnologie zu entwickeln. Die kleinen Unternehmen, die neue Energietechnologien entwickeln, müssen das noch herausfinden.

TEAM-SPORT

Heutzutage steht die drei Jahre alte Produktionsstätte von Evergreen Solar in Marlborough, Massachusetts, leer mit einem großen For Lease-Schild davor. Der Konkurs von Evergreen im August und von Solyndra einen Monat später führte zu vielen Auseinandersetzungen über die Zukunft der Solarenergie. Insbesondere der Zusammenbruch von Solyndra, einem im Silicon Valley ansässigen Hersteller, der von der Bundesregierung eine Kreditbürgschaft in Höhe von 535 Millionen US-Dollar erhalten hatte, hat zu Kritik an der Rolle der Regierung bei der Förderung erneuerbarer Energien und insbesondere an ihrer schlechten Bilanz geführt bei der Auswahl der Gewinner.

Die Regierung hat eine Bilanz der Unterstützung einiger berüchtigter Energieausfälle. Und die Skalierung neuer Technologien ist natürlich riskant. Aber solche Kritiken haben die wohl interessanteren Lehren überschattet, die aus den Insolvenzen gezogen werden können: In vielerlei Hinsicht waren die Misserfolge der Unternehmen sowohl bei der Strategie als auch bei der Ausführung Produktionsfehler. Ihre Geschäftsmodelle beruhten auf dem Einsatz radikal neuer Technologien, um die Herstellungskosten von Solarmodulen zu senken, und ignorierten dabei die Binsenweisheit, dass neue Technologien zunächst fast nie billiger sind als gut optimierte bestehende Prozesse. Und keines der beiden Unternehmen hatte Produkte, die innovativ genug waren, um die meisten Kunden dazu zu bringen, einen hohen Preis zu zahlen. Evergreen und Solyndra sahen sich mit vielen unerwarteten Marktveränderungen konfrontiert – darunter einem plötzlichen Rückgang der Siliziumpreise und der Überproduktion von Solarmodulen –, aber die Fähigkeit konkurrierender Unternehmen, ihre Herstellungskosten für konventionellere Solarmodule weiter zu senken, sollte keine Überraschung sein (siehe Die chinesische Solarmaschine).

Aus den Zusammenbrüchen dieser beiden Unternehmen lassen sich weitere Lehren für die Produktion ziehen. Die Innovation von Evergreen drehte sich um einen einzigen Schritt im Produktionsprozess – eine Möglichkeit, Siliziumwafer kostengünstiger herzustellen. Doch das Unternehmen produzierte und verkaufte komplette Solarmodule – und sie wiesen eine andere Größe als der Industriestandard auf, was seine Kunden in die unerwünschte Position zwang, sich langfristig auf eine bestimmte Technologie zu verpflichten.

Ebenso Solyndra (eine von KINDER 's 50 innovativsten Unternehmen im Jahr 2010) machte eine Reihe von Fehltritten bei der Herstellung. In einer Einreichung bei den staatlichen Aufsichtsbehörden im Dezember 2009 räumte das Unternehmen ein, dass die Entwicklung und Herstellung unserer speziell angefertigten Geräte möglicherweise länger dauert und mehr kostet als erwartet und möglicherweise nie so funktioniert, wie es für unsere Produktionspläne erforderlich ist. Solche Worte der Vorsicht sind in diesen Unterlagen oft Standard, aber in diesem Fall waren sie vorausschauend. Insbesondere versuchte Solyndra, seine Fertigungskapazitäten zügig auszubauen, plante eine zweite Produktionsstätte, während sie die erste noch ausbaute – und verlor aufgrund der relativ hohen Kosten viel Geld. Rückblickend ist klar, dass beide Unternehmen die Fertigung viel zu schnell ausgebaut haben, mit viel zu wenig Verständnis für ihre einzigartigen Produktionsprozesse, ihren Wettbewerb oder die Anforderungen ihrer Kunden.

Eine Möglichkeit, solche Fehler zu vermeiden, besteht darin, die Zusammenarbeit zwischen Unternehmen, die neue Technologien entwickeln, zu intensivieren. Die Außenbezirke von Albany sind nie mit Silicon Valley zu verwechseln, aber die Namen der Firmen am College of Nanoscale Science and Engineering sind jedem in der Halbleiterindustrie bekannt: Intel, IBM, TSMC, Applied Materials und Tokyo Electron. Die Idee ist, dass die gemeinsamen Einrichtungen Chipherstellern, Ausrüstungslieferanten und Maschinenbauunternehmen die Möglichkeit bieten, ihre Produkte zu entwickeln und zu bewerten. Im vergangenen Jahr hat Sematech, das US-amerikanische Konsortium von Halbleiterunternehmen, seinen Betrieb in den 12-Milliarden-Dollar-Komplex verlegt. Ihre neueste Initiative: die US-Solarindustrie wiederzubeleben, so wie sie in den 1980er und 1990er Jahren der Halbleiterindustrie geholfen hat, wieder Fuß zu fassen.

Eine der Lehren aus dem Scheitern von Solyndra besteht darin, dass auf eine sehr riskante Technologie gesetzt und Hunderte Millionen für unbewiesene Produktionsprozesse ausgegeben wurden, sagt Pradeep Haldar, der das neue Photovoltaik-Produktionskonsortium in Albany leitet, eine Partnerschaft zwischen Sematech und CNSE. Hersteller von Dünnschicht-Solarzellen könnten hingegen die vorhandene Infrastruktur am Standort Albany nutzen, um einen Realitätscheck inklusive Reaktionen von Materiallieferanten und potentiellen Kunden zu erhalten.

Dieser kollaborative Ansatz ist selbst für große Hersteller wie GE attraktiv. Innovation ist ein Teamsport, sagt Idelchik, aber in den USA versuchen wir allzu oft, dies in einem Vakuum zu tun. Chancen wie im Nanotech-Zentrum Albany seien ihm besonders wichtig, weil sich die Hersteller in einer Übergangsphase befänden. Die weltweite Rezession, die 2008 begann, hinterließ in den Unternehmen enorme Überkapazitäten, aber die Material- und Personalkosten stiegen zusammen mit dem Lebensstandard in Ländern wie China und Indien weiter an. Dies bedeutet, dass es nicht mehr effektiv ist, zu versuchen, die Herstellungskosten zu senken, indem man beispielsweise nach billigeren Arbeitskräften jagt. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen Unternehmen laut Idelchik auf eine risikoreiche, lohnende Herstellung fortschrittlicher Produkte und Materialien umsteigen. Er fügt jedoch hinzu, dass eine solche risikoreiche Fertigung ein Ökosystem von Lieferanten, Geräteherstellern und Kunden erfordert.

Dieses Ökosystem ist im Wesentlichen das, was Willy Shih von Harvard als Industrial Commons bezeichnet. Wie auch immer beschrieben wird, haben die Vereinigten Staaten bei LCDs und integrierter Photonik verloren, bei fortschrittlichen Batterien fast verloren und verlieren schnell bei Silizium-Solarmodulen. Es ist das, was A123 und Dow versuchen, den Wiederaufbau fortschrittlicher Batterien in Michigan zu unterstützen, was Sematech für Dünnschicht-Solarmodule zu initiieren hofft und was Start-ups wie Pellion, 24M und Alta Devices alle hoffen, sie nutzen zu können – und schließlich zu stören .

Ob solche Startups überleben, hängt ironischerweise stark davon ab, ob die Märkte, die sie letztendlich ersetzen wollen, robust sind und wachsen. Doch die industriellen Gemeingüter sind fragil, und ihr Überleben wird sowohl von den Märkten als auch von der Regierungspolitik abhängen. Die Geburtsstunde der fortschrittlichen Batteriefertigung in Michigan ist weitgehend auf die Unterstützung der Obama-Regierung zurückzuführen. Ob es gedeiht, wird davon abhängen, wie viele Elektroautos GM und andere verkaufen können und ob die Regierung der noch jungen Industrie weiterhin Anreize bietet, einschließlich der Finanzierung der Forschung. Längerfristig kann seine Gesundheit sehr wohl davon abhängen, wie gut es wirklich innovative neue Technologien aus den Start-ups in der Anfangsphase übernehmen kann. Die Folgen werden tief zu spüren sein. Wie Shih gezeigt hat, haben die Vereinigten Staaten mehrfach wichtige Fertigungssektoren und damit verbundene Innovationsfähigkeiten verloren. Und seine Liste der heute gefährdeten Technologien ist lang. Wenn fortschrittliche Batterien, Solartechnologien und die Herstellung fortschrittlicher Materialien noch mehr Opfer werden, wird dies sicherlich die Fähigkeit beeinträchtigen, zukünftige Technologien zu erfinden.

Heutzutage verbringt Yet-Ming Chiang zumindest einen Teil seines hektischen Terminkalenders in den engen Kabinen von 24M, eine fünfminütige Radtour von seinen MIT-Labors entfernt. Vor etwa drei Jahren begann Chiang während eines Sabbaticals am MIT bei A123 darüber nachzudenken, wie die nächste Generation der Batterietechnologie aussehen könnte. Ein Großteil der Herstellungskosten von Lithium-Ionen-Batterien ist auf verschiedene nicht aktive Komponenten und den mehrstufigen Prozess der Schichtung der Elektroden und Kathoden zurückzuführen. Die eigentlichen energiespeichernden Teile – Elektroden und Elektrolyt – machen etwa ein Fünftel der Gesamtkosten aus. Was wäre, wenn Sie, fragte er sich, eine Batterie konstruieren könnten, die die nicht energiespeichernden Inhaltsstoffe und die teure Zell- und Modulbaugruppe überflüssig macht? Das Ergebnis ist die von 24M entwickelte Flow-Batterie, bei der die Elektroden in halbfester Form zirkulieren. Ein potenzieller Vorteil dieses Designs besteht darin, dass seine Herstellung viel weniger kapitalintensiv sein könnte. Darüber hinaus, so Chiang, soll es mit der bestehenden Lieferkette und Fertigungsinfrastruktur für Lithium-Ionen-Batterien zusammenarbeiten.

Chiang sagt, dass seine Erfahrung mit A123 entscheidend war, um das neue Batteriedesign zu entwickeln. Der beste Weg, um Batterieforschung zu betreiben, ist die Gründung eines Batterieunternehmens, sagt er. Durch die Nähe zur Fertigung erkennen Sie, was Auswirkungen haben kann. Es ist das Argument dafür, warum die Fertigung in diesen Entwicklungsgebieten so wichtig ist.

David Rotman ist Technologieüberprüfung 's Herausgeber.

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