Czy możemy budować przełomowe rozwiązania jutra?

Produkcja w Stanach Zjednoczonych ma kłopoty. To zła wiadomość nie tylko dla gospodarki kraju, ale także dla przyszłości innowacji. Za pomocą

• David Rotman strona archiwum

19 grudnia 2011

W przypominającym hangar budynku, w którym General Electric kiedyś montował turbiny parowe, budowany jest zakład produkcji akumulatorów o wartości 100 milionów dolarów, aby wytwarzać produkty przy użyciu chemii, której nigdy wcześniej nie komercjalizowano na tak dużą skalę. Baterie sodowo-metalohalogenkowe, które będzie produkować, zostały przetestowane i zoptymalizowane w ciągu ostatnich kilku lat przez zespół materiałoznawców i inżynierów z rozległego centrum badawczego GE, znajdującego się zaledwie kilka kilometrów dalej. Teraz niektórzy z tych samych naukowców są odpowiedzialni za odtworzenie tych wyników w zakładzie produkcyjnym wystarczająco dużym, aby pomieścić trzy i pół boiska piłkarskiego.

Inżynierowie przenieśli się z sielankowego centrum badawczego, które znajduje się na wzgórzu z widokiem na rzekę Mohawk, do zakładu produkcyjnego, który przylega do rzeki na skraju Schenectady w stanie Nowy Jork, robotniczego miasta znanego w swoim rozkwicie jako Electric Miasto. Tam nadzorują instalację i testowanie robotyki, pieców wysokotemperaturowych i sprzętu analitycznego, który będzie monitorował proces produkcyjny. Nowe baterie wykorzystują zaawansowaną ceramikę jako elektrolit w zamkniętej metalowej obudowie zawierającej chlorek niklu i sód; technologia obiecuje magazynować trzy razy więcej energii niż akumulatory kwasowo-ołowiowe stosowane w centrach danych, w ciężkich pojazdach elektrycznych i do zasilania awaryjnego. Ale prawie wszystko może pójść nie tak. Jeśli, powiedzmy, cząsteczki tworzące ceramikę mają nierówny rozmiar lub nie zostały odpowiednio wysuszone, wydajność baterii może spaść. Oznacza to, że warunki w ogromnej fabryce muszą być ściśle kontrolowane, a wielotonowe urządzenia muszą odpowiadać dokładnością sprzętu laboratoryjnego. To nie jest dla osób o słabych sercach, mówi Michael Idelchik, wiceprezes GE ds. zaawansowanych technologii.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2012

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Zakład GE jest jednym z wielu zakładów w całym kraju produkujących nowe technologie dla szybko rozwijających się rynków zaawansowanych baterii, pojazdów elektrycznych i energii słonecznej – ale te wysiłki nie mogą przeciwstawić się rzeczywistości, że amerykański sektor produkcyjny ma kłopoty. Po dziesięcioleciach outsourcingu produkcji w celu obniżenia kosztów wiele dużych firm utraciło wiedzę specjalistyczną w zakresie złożonych zadań inżynieryjnych i projektowych niezbędnych do zwiększenia skali i produkcji najbardziej innowacyjnych nowoczesnych technologii, nie wspominając o apetytu na związane z nimi ryzyko.

W takt: Kluczową częścią procesu produkcji akumulatorów GE jest wytwarzanie rurek ceramicznych, które działają jak elektrolit. Białe rurki przesuwają się w dół linii montażowej, gdzie zostaną uszczelnione, aby uzupełnić zespół ceramiczny, który trafia do ogniwa akumulatora.

Jeśli wierzyć twierdzeniu Thomasa Friedmana, że ​​świat jest płaski, a przenoszenie produkcji do miejsc, w których produkcja jest tania, zwiększa konkurencyjność firm, taka zmiana może nie mieć znaczenia poza konsekwencjami dla gospodarki USA i jej pracowników. Jednak Stany Zjednoczone pozostają najbardziej płodnym na świecie źródłem nowych technologii, zwłaszcza opartych na materiałach, i coraz więcej dowodów wskazuje na to, że ich ograniczone możliwości produkcyjne mogą poważnie sparaliżować globalną innowacyjność. Istnieje wiele powodów, by sądzić, że model amerykańskiej branży komputerowej, która w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat z powodzeniem zleciła na zewnątrz znaczną część swojej produkcji i uczyniła projektowanie, a nie produkcję, swoim priorytetem, nie sprawdzi się skutecznie w przypadku firm próbujących komercjalizować innowacje w energetyce. , zaawansowane materiały i inne wschodzące sektory.

Naukowcy akademiccy zaczęli dokumentować złożone powiązania między innowacjami a produkcją, aby wyjaśnić, w jaki sposób utrata produkcji w USA może wpłynąć na pojawienie się nowych technologii. Willy Shih, profesor zarządzania w Harvard Business School, stworzył listę podstawowych technologii, w których Stany Zjednoczone zmarnowały w ostatnich latach swoją przewagę w produkcji. Należą do nich płytki z krzemu krystalicznego, wyświetlacze LCD, półprzewodniki mocy do ogniw słonecznych oraz wiele rodzajów zaawansowanych baterii. Szczegółowo opisał też, w jaki sposób utrata przemysłowych dóbr wspólnych — wiedzy badawczej, umiejętności inżynieryjnych i wiedzy produkcyjnej potrzebnej do wytworzenia określonej technologii — może często oznaczać utratę wiedzy i zachęt do tworzenia postępów w powiązanych technologiach. Na przykład, ponieważ produkcja półprzewodników krzemowych i związane z nią łańcuchy dostaw przeniosły się do Azji, rozwój nowych ogniw słonecznych na bazie krzemu został utrudniony w Stanach Zjednoczonych.

Okazuje się, że niekoniecznie jest prawdą, że innowacyjne technologie będą po prostu produkowane gdzie indziej, jeśli nie dzieje się to w Stanach Zjednoczonych. Według badań przeprowadzonych przez Ericę Fuchs, adiunkta na Uniwersytecie Carnegie Mellon, rozwój zintegrowanej fotoniki, w której lasery i modulatory są ściśnięte w jednym chipie, został w dużej mierze porzucony przez producentów optoelektroniki, ponieważ przenieśli oni produkcję ze Stanów Zjednoczonych. . Wiele firm telekomunikacyjnych zostało zmuszonych do poszukiwania tańszej produkcji w Azji Wschodniej po upadku branży na początku 2000 roku, a różnice w praktykach produkcyjnych oznaczały, że produkcja zintegrowanych chipów fotonicznych nie była ekonomicznie opłacalna w tych krajach. W ten sposób technologia, która kiedyś wydawała się być zaledwie kilka lat od zrewolucjonizowania komputerów, a nawet bioczujników, została porzucona. Ekonomiści mogą argumentować, że nie obchodzi nas, gdzie coś jest produkowane, mówi Fuchs, ale lokalizacja może mieć ogromny wpływ na produkty, które zdecydujesz się wytwarzać, i na samą trajektorię technologii.

Dla wielu osób w przemyśle powiązania między innowacjami a produkcją są czymś oczywistym – i powodem do zmartwień. Dowiedzieliśmy się, że bez przyczółka w produkcji zdolność do innowacji jest znacznie zagrożona, mówi Idelchik z GE. Problem z outsourcingiem produkcji polega nie tylko na tym, że w końcu tracisz swoją wiedzę inżynierską, ale także na tym, że firmy stają się zależne od cudzych innowacji w zakresie produktów nowej generacji. Jedną z konsekwencji, jak mówi, jest to, że naukowcy i inżynierowie tracą zrozumienie procesu produkcyjnego i tego, co on może zrobić: możesz zaprojektować wszystko, co chcesz, ale jeśli nikt nie może tego wyprodukować, kogo to obchodzi?

Stany Zjednoczone pozostają najbardziej płodnym na świecie źródłem nowych technologii, zwłaszcza opartych na materiałach, a coraz więcej dowodów wskazuje na to, że ich ograniczone możliwości produkcyjne mogą poważnie sparaliżować globalną innowacyjność.

Po dziesięcioleciach jako największy światowy producent, Stany Zjednoczone wytwarzają obecnie, według niektórych ostatnich szacunków, 19,4 procent światowych towarów – drugie po Chinach, które stanowią 19,8 procent. Nawet jeśli chodzi o produkty high-tech, Stany Zjednoczone importują teraz więcej, niż wytwarzają. Statystyki te mają wpływ na zatrudnienie, konkurencyjność narodową, a nawet na polityczną i społeczną strukturę kraju. Ale równie niepokojące, zwłaszcza w perspektywie długoterminowej, jest to, co malejąca zdolność Stanów Zjednoczonych do wytwarzania rzeczy oznacza dla następnej generacji technologii. Czy Stany Zjednoczone mogą odzyskać zdolność do podejmowania produkcji wysokiego ryzyka? Zadając to samo pytanie w inny sposób, czy wiele z najbardziej obiecujących dzisiejszych innowacji może spotkać ten sam los, co zintegrowane chipy fotoniczne? Czy Stany Zjednoczone mogą odzyskać zdolność do podejmowania produkcji wysokiego ryzyka? Zadając to samo pytanie w inny sposób, czy wiele z najbardziej obiecujących dzisiejszych innowacji może spotkać ten sam los, co zintegrowane chipy fotoniczne?

Miasto silników elektrycznych

Miasto Detroit, od dziesięcioleci centrum produkcji samochodów w USA, lubi chwalić się swoimi wysiłkami na rzecz odnowy miast. Na skraju śródmieścia znajduje się nowoczesny stadion baseballowy; w pobliżu znajduje się tętniąca życiem dzielnica teatralna. Jednak puste i wypatroszone drapacze chmur znajdują się w odległości spaceru od błyszczących szklanych wież siedziby General Motors i nowych mieszkań, które wznoszą się nad brzegiem miasta. A na obrzeżach miasta, w obszarach przedzielonych autostradami o nazwach takich jak Chrysler Freeway i Edsel Ford Freeway, dewastacja jest jeszcze bardziej widoczna w pozornie niekończących się odcinkach opuszczonych budynków przemysłowych. Około 22 procent miejsc pracy w Michigan jest nadal związanych z produkcją motoryzacyjną, a dekada bankructw i spadającej sprzedaży wśród producentów samochodów z Detroit wprawiła region w zakłopotanie. Od 2000 roku w południowo-wschodnim Michigan zlikwidowano prawie pół miliona miejsc pracy.

Jednak wśród ruin montownia GM Detroit Hamtramck jest oazą porządku i aktywności. Choć jednego dnia wczesną jesienią parking jest zapełniony mniej niż w połowie, potężna fabryka, zbudowana w połowie lat 80., aby produkować Cadillaki i Buicky, ucieleśnia próbę wymyślenia się Detroit na nowo. Przed nim zainstalowano pole paneli słonecznych; na skraju parkingu dla gości znajduje się rząd wiat garażowych wyposażonych w gniazdka elektryczne.

Wewnątrz fabryki Cadillaki i Buicky zostały zastąpione na linii montażowej Chevroletem Voltem, niedawno wprowadzonym przez GM samochodem elektrycznym, oraz jego europejskim odpowiednikiem, Oplem Amperą. Pojazdy elektryczne wypełniają mniej więcej każdą wolną przestrzeń na linii produkcyjnej, ale GM ma nadzieję zwiększyć produkcję do 60 000 samochodów elektrycznych w przyszłym roku. Jak każdy nowoczesny zakład produkujący samochody, zakład w Detroit Hamtramck to wir robotyki i dużych części poruszających się celowo wzdłuż linii montażowych, które łączą się w krytycznych punktach; na jednym z tych skrzyżowań malowana stalowa rama powoli opada na podwozie i silnik. Zautomatyzowane klucze pneumatyczne przebijają stosunkowo cicho, ponieważ przykładają precyzyjny moment obrotowy do skręcania elementów.

W pobliżu centrum całej aktywności, siedząc samotnie, znajdują się baterie litowo-jonowe w kształcie litery T, które są sercem nowego samochodu i źródłem nadziei ekonomicznej dla większej części stanu Michigan. 435-funtowy zestaw akumulatorów jest ogromnym ulepszeniem w stosunku do masywnych, ważących 1100 funtów akumulatorów kwasowo-ołowiowych stosowanych w feralnej pierwszej generacji samochodów elektrycznych, które GM wyprodukował w latach 90-tych. Mniejsze, lżejsze nowe akumulatory są znacznie łatwiejsze do umieszczenia w kompaktowym samochodzie, takim jak Volt, a nowa chemia poprawia osiągi pojazdu.

Każdy pakiet baterii zawiera około 288 ogniw, z których każde zawiera szereg precyzyjnie dopasowanych cienkich arkuszy anod i katod. Jeśli GM wyprodukuje w przyszłym roku 60 000 woltów, samochody te z łatwością zużyją moc kilku ogromnych zakładów produkujących akumulatory. Ale jeśli rynek samochodów elektrycznych nagle ruszy – powiedzmy z powodu tańszych lub bardziej wydajnych akumulatorów – zapotrzebowanie może być znacznie większe. Szacuje się, że gdyby samochody elektryczne stanowiły jedną dziesiątą sprzedaży samochodów w USA, do zaopatrzenia producentów samochodów potrzebne byłyby 43 duże fabryki akumulatorów.

Potencjalny apetyt na akumulatory wśród GM i innych producentów samochodów doprowadził do budowy co najmniej pół tuzina zakładów produkcyjnych i montażowych w promieniu 200 mil wokół Detroit. Rozwój ten, częściowo stymulowany przez administrację Obamy, przeznaczoną na finansowanie produkcji zaawansowanych akumulatorów i pojazdów elektrycznych w wysokości 2,4 miliarda dolarów, przedstawia wizję tego, jak może wyglądać ożywienie bazy produkcyjnej w regionie. Przedstawia również migawkę ogromnego wyzwania związanego z tworzeniem takiej infrastruktury.

Około 125 mil na północ od zakładu montażowego Detroit Hamtramck jest jednym z największych nowych zakładów akumulatorowych. Dow Kokam, spółka joint venture Dow Chemical, TK Advanced Battery i francuskiej firmy Groupe Industriel Marcel Dassault, buduje fabrykę o wartości 322 milionów dolarów w Midland w stanie Michigan, która będzie w stanie wyprodukować wystarczającą ilość ogniw litowo-jonowych dla około 30 000 sztuk energii elektrycznej. samochody. Chociaż budowa trwa, a wiele urządzeń wciąż jest instalowanych, szybka wycieczka pozwala wyczuć rozmiar i złożoność operacji. W jednym dużym pomieszczeniu z wysokim sufitem znajduje się ogromna liczba zautomatyzowanych stojaków, w których zostanie uformowane każde ogniwo akumulatora, co jest krytyczną operacją, w której akumulator jest ładowany i rozładowywany w celu precyzyjnego ustawienia składu chemicznego.

Taka skala i dbałość o szczegóły przyciągają zainteresowanie takich firm jak Dow, drugi co do wielkości producent chemikaliów na świecie. Zakład znajduje się tuż poza granicami działalności chemicznej Dow w Michigan, małym mieście niskich budynków produkcyjnych połączonych labiryntem krzyżujących się rur napowietrznych. Jest to rozległe świadectwo powiązań między różnymi składnikami i surowcami używanymi do wytwarzania produktów przemysłowych oraz wydajności skali często wymaganej w produkcji.

Łańcuch dostaw do produkcji akumulatorów litowo-jonowych zaczyna się głęboko w kompleksie chemicznym. Gdzieś na jednej z ulic biegnących przez fabrykę znajduje się nieokreślony budynek, w którym robotnicy wytwarzali kiedyś chemikalia używane w tworzywach sztucznych. Teraz Dow przekształca go w zakład produkcyjny materiałów katodowych i anodowych potrzebnych w akumulatorach litowo-jonowych. Każdy, kto wchodzi, musi założyć biały fartuch, owinąć buty papierowym pokrowcem i poddać się prysznicowi z natryskiem powietrznym, który ma usuwać zabłąkany kurz i cząstki. Wewnątrz proszki na katody i anody są przetwarzane w dużych pojemnikach zaprojektowanych tak, aby zminimalizować zanieczyszczenie. Materiały zostaną wysłane do jednej z budowanych fabryk akumulatorów; chociaż pobliski zakład Dow Kokam nie ma obowiązku kupowania anod i katod od swojej firmy macierzystej, byłoby to naturalne.

Podkręcanie ciepła: Przedstawiony kalcynator ma kluczowe znaczenie przy wytwarzaniu proszków do ceramiki.

Podobnie jak Idelchik z GE, dyrektor ds. technologii Dow, William Banholzer, zdaje sobie sprawę z ryzyka związanego z rozwojem nowych technologii. Ale mówi, że rozmiar i głębokie kieszenie Dow pozwalają mu podejmować ryzyko, które byłoby trudne dla małych startupów, a jego rozbudowana infrastruktura pozwala mu skutecznie integrować różne aspekty procesu produkcyjnego. Wielkość Dow pozwoliła mu również zabezpieczyć swoje zakłady na baterie, wchodząc na inne nowe rynki energii. Po przeciwnej stronie rozległego kompleksu produkcyjnego od zakładu Dow Kokam, buduje się zakład produkujący energię słoneczną, który będzie wytwarzał gonty dachowe z wykorzystaniem cienkowarstwowej fotowoltaiki. Skala energii jest tak duża, że ​​bardzo trudno powiedzieć, że małe firmy rozwiążą problem, mówi Banholzer. Mówi, że dopiero po rozpoczęciu produkcji można przyjrzeć się swoim prawdziwym kosztom i brodawkom. Dodaje, że w przedsiębiorstwach energetycznych, w których instalacja demonstracyjna może kosztować 500 milionów dolarów, model kapitału podwyższonego ryzyka załamuje się. Najważniejsze pytanie brzmi: czy małe firmy mogą kiedykolwiek konkurować z dużymi firmami w tej dziedzinie?

INSTYNKTY PRZETRWANIA

To pytanie dotyczy jednego z kluczowych wyzwań związanych z ożywieniem sektora produkcyjnego. Banholzer z pewnością ma rację, że start-upy nie mogą konkurować ze zdolnościami produkcyjnymi Dow czy GE. Ale prawdą jest również, że małe firmy pracują nad niektórymi z naszych najbardziej obiecujących technologii, zwłaszcza na styku nowych materiałów i energii. Jeśli te technologie mogą być produkowane w sposób ekonomiczny, mogą znacznie rozszerzyć istniejące rynki. Wyzwaniem dla start-upów jest zatem znalezienie sposobu na wykorzystanie ich technologii przy użyciu aktualnego know-how produkcyjnego przy jednoczesnym opracowywaniu produktów, które są na tyle radykalne, aby zakłócić ugruntowane technologie.

Ann Marie Sastry wyraźnie uważa, że ​​jej startup może właśnie to zrobić. Mieszczący się w małym parku przemysłowym w Ann Arbor w stanie Michigan firma Sakti3 pracuje nad technologią nowej generacji dla akumulatorów półprzewodnikowych (zobaczyć TR10, maj/czerwiec 2011) . Strefa produkcyjna z tyłu biur jest całkowicie zamknięta dla odwiedzających, podobnie jak kamery i pytania podczas szybkiego zwiedzania obszarów testowych i projektowych; Dyrektor generalny Sastry ujawni kilka szczegółów na temat technologii, z wyjątkiem stwierdzenia, że ​​bateria nie zawiera płynnych elektrolitów, a firma używa sprzętu produkcyjnego, który był kiedyś używany do produkcji torebek na chipsy ziemniaczane. Ale jest bardziej otwarta w wyjaśnianiu, w jaki sposób startup może prosperować w wysoce konkurencyjnym sektorze zaawansowanych baterii.

Strategia zaczyna się od uznania, że ​​każda nowa technologia musi obiecywać korzyści znacznie wykraczające poza to, co jest możliwe w przypadku istniejących produktów. Mówi, że jeśli zaczniesz od obecnej technologii [litowo-jonowej], możesz uzyskać wydajność wartą 5, 10 lub 20 punktów, dostosowując ten proces, ale musisz zaakceptować, że nigdy nie uzyskasz niczego, co mogłoby zmienić. Jednak podwojenie gęstości energii w bateriach może mieć ogromny wpływ na zasilanie urządzeń komunikacyjnych, szczególnie w obszarach o niewielkim dostępie do elektryczności w celu częstego ładowania. Transport może mieć jeszcze większy wpływ. Nowe akumulatory o większej gęstości energii i znacznie niższych kosztach mogą podnieść popyt na pojazdy elektryczne na zupełnie nowy poziom.

Więc ona i jej koledzy zaczęli od układu okresowego pierwiastków, aby wynaleźć nową baterię. Od początku firma wiedziała, że ​​technologia musi się skalować. Nie zabraliśmy do produkcji czystej kartki papieru – mówi. Zaczęliśmy od analizy podejść do produkcji, które były i mogą być skalowane.

Przeglądanie układu okresowego pierwiastków w poszukiwaniu materiałów, które mogą obalić obecną technologię, jest w dzisiejszych czasach częstą strategią we wczesnej fazie start-upów energetycznych. Gerbrand Ceder, materiałoznawca z MIT, zainicjował kilka lat temu projekt genomu materiałowego, który wykorzystuje komputery do analizy i przewidywania właściwości materiałów w znanym wszechświecie chemicznym i ma nadzieję na stworzenie otwartej bazy danych informacji. (Po ogłoszeniu przez Biały Dom inicjatywy Materials Genome, zgodził się zmienić nazwę swoich wysiłków na Projekt Materials, aby uniknąć nieporozumień.) Głównym celem jest bardziej wydajna identyfikacja materiałów nadających się do produkcji.

Ceder systematycznie analizował różne związki pod kątem ich potencjału jako materiałów akumulatorowych. Używając narzędzi obliczeniowych opracowanych w ramach jego projektu genomu materiałowego, Pellion, startup z Cambridge w stanie Massachusetts, którego był współzałożycielem w 2009 roku, zidentyfikował nowe katody do baterii magnezowej. Jeśli to zadziała, mówi Ceder, baterie mogą mieć dwu- lub trzykrotnie większą gęstość energii niż dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe. Co równie ważne, mówi, mogą one zasilać istniejącą produkcję akumulatorów litowo-jonowych. I to jest krytyczne, mówi, ponieważ jeśli musisz wynaleźć nowy materiał, który może zastąpić istniejący, może to zająć od 5 do 10 lat, ale jeśli musisz także wymyślić nowy projekt, może to zająć od 10 do 20 lat.

Inne obiecujące start-upy energetyczne na wczesnym etapie opierają się na wysiłkach mających na celu obejście dobrze znanych ograniczeń produkcyjnych. Na przykład firma Alta Devices z Santa Clara w Kalifornii, której założycielami są czołowi naukowcy z Caltech i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, opracowuje sposób wytwarzania ogniw fotowoltaicznych przy użyciu warstw arsenku galu o grubości zaledwie mikrometra. Arsenek galu, który jest szeroko stosowany jako składnik laserów i innych urządzeń fotonicznych, ma świetne właściwości optyczne, ale jest zbyt drogi dla większości ogniw słonecznych. Nowa technologia wykorzystuje jednak tak mało materiału, że jej cena nie jest już wygórowana. Alta Devices spędziła ostatnie kilka lat na doskonaleniu procesu produkcyjnego; uruchomiła pilotażową linię do produkcji materiałów fotowoltaicznych w przyszłym roku i ma nadzieję na rozpoczęcie komercyjnej produkcji w 2013 roku.

Ponieważ ryzyko i koszty skalowania technologii energetycznych stają się coraz bardziej widoczne, start-upy coraz częściej biorą pod uwagę praktyczne aspekty produkcji, gdy wymyślają swoje innowacje. Ale w jaki sposób maleńka firma, nawet mająca radykalnie inny materiał, ma nadzieję odnieść sukces na wysoce konkurencyjnych rynkach energii słonecznej i akumulatorów, które wymagają ogromnych inwestycji kapitałowych? Współpraca z dużą firmą to oczywista strategia. Alta Devices, na przykład, pracuje z Dow nad materiałami nowej generacji dla gontów słonecznych firmy chemicznej; GM jest inwestorem w Sakti3. Mimo to startupy energetyczne stają w obliczu zniechęcającej prawdy, że skalowanie innowacji do udanych operacji produkcyjnych może pochłonąć setki milionów dolarów.

Istnieje jednak przynajmniej jeden przykład sukcesu w ostatnim czasie.

Głodny władzy: Fabryka akumulatorów GE zajmuje przestrzeń wielkości trzech i pół boiska do piłki nożnej i obejmuje tak energochłonny sprzęt, jak duże piece. Sprzęt elektryczny po prawej dostarcza energię do ogromnej fabryki.

KRZYWA NAUKI

Kiedy Yet-Ming Chiang współtworzył A123 Systems w 2001 roku na podstawie jego badań MIT nad materiałami akumulatorowymi, w Stanach Zjednoczonych nie było produkcji zaawansowanych akumulatorów. Chociaż większość prac naukowych, które doprowadziły do ​​wynalezienia akumulatorów litowo-jonowych, przeprowadzono w tym kraju, w tym postępy osiągnięte na Uniwersytecie Teksańskim, to firma Sony wprowadziła je na rynek w 1991 r. Następnie producenci w Korei i Chinach wyprodukowali znaczące inwestycje w technologię. Dzięki czterokrotnie większej pojemności energetycznej niż akumulatory niklowo-kadmowe i dwukrotnie większej niż nowsze akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe, akumulatory litowo-jonowe stały się dominującą technologią w urządzeniach konsumenckich, umożliwiając dzisiejsze małe, wydajne telefony komórkowe i laptopy.

Tymczasem dwóch głównych amerykańskich producentów akumulatorów, Duracell i Eveready (obecnie Energizer), próbowało opracować własne produkty litowo-jonowe w latach 90. XX wieku. Eveready doszedł nawet do zbudowania fabryki w Gainesville na Florydzie, ale nawet gdy fabryka przygotowywała się do produkcji komercyjnej, cena akumulatorów litowo-jonowych spadła i firma uznała, że ​​taniej jest kupować ogniwa od japońskich producentów niż robić własne. Wyszedł z branży akumulatorów litowo-jonowych, a Duracell wkrótce podążył za nim.

Więc Chiang i jego koledzy z A123 zbudowali zakład produkcyjny w Changzhou w Chinach (patrz Elektryzujący start-up, maj/czerwiec 2008) . Posunięcie to nie miało na celu outsourcingu produkcji, mówi Chiang, ale zdobycie niezbędnego know-how w zakresie produkcji. Następnie A123 kupił południowokoreańskiego producenta, aby zacząć rozwijać wiedzę niezbędną do wytwarzania płaskich ogniw wymaganych w akumulatorach samochodów elektrycznych. Kiedy A123 zdecydował, że musi być bliżej swoich potencjalnych klientów z branży motoryzacyjnej w Detroit, sklonował koreańską fabrykę w Livonia w stanie Michigan i chińską fabrykę kilka mil dalej w Romulus, korzystając z dotacji w wysokości 249 mln USD od rządu federalnego. W wyniku tej strategii, A123 był w stanie stać się głównym producentem w niezwykle krótkim czasie, budując fabrykę w Livonia w nieco ponad rok, a fabrykę Romulus w dziewięć miesięcy.

Firma wkrótce stała się jednym z najbardziej znanych start-upów energetycznych w kraju – i jednym z nielicznych, które rozwinęły swoją technologię, budując, jak twierdziła w 2010 r., największą fabrykę akumulatorów litowo-jonowych w Ameryce Północnej. W 2009 roku wszedł na giełdę, zdobywając około 400 milionów dolarów. Ale niestety dla tych, którzy mają nadzieję na naśladowanie takiego sukcesu, okoliczności polityczne i finansowe, które pozwoliły A123 pozyskać prawie 1 miliard dolarów w prywatnych i publicznych inwestycjach, już dawno minęły.

Jedną z lekcji z A123 jest dokładnie, ile kosztowało osiągnięcie sukcesu, mówi Chiang. I można się zastanawiać, jak często można to powtórzyć. W obecnym klimacie można się zastanawiać, czy jest wola robienia tego w kółko. W branży biotechnologicznej droga do komercjalizacji stała się jasna na przestrzeni lat — współpraca z dużymi firmami farmaceutycznymi, osiągnięcie oczekiwanych kamieni milowych i przechodzenie przez proces zatwierdzania przez organy regulacyjne wymagane dla nowych produktów. Ale nie jest to takie proste dla startupów energetycznych, mówi Chiang, którego najnowszy startup, 24M, ma nadzieję opracować radykalnie nową technologię baterii. Te małe firmy rozwijające nowe technologie energetyczne, mówi, wciąż muszą to rozgryźć.

SPORTY DRUŻYNOWE

Obecnie trzyletni zakład produkcyjny Evergreen Solar w Marlborough w stanie Massachusetts stoi pusty z dużym napisem For Lease z przodu. Bankructwo Evergreen w sierpniu i Solyndra miesiąc później spowodowało wiele załamań rąk w sprawie przyszłości energii słonecznej. W szczególności upadek firmy Solyndra, producenta z Doliny Krzemowej, który otrzymał od rządu federalnego gwarancję pożyczki w wysokości 535 mln USD, doprowadził do krytyki roli, jaką rząd odegrał we wspieraniu energii odnawialnej, a w szczególności jego słabych wyników w wyłanianiu zwycięzców.

Rząd ma historię popierania niektórych notorycznych awarii energetycznych. A skalowanie nowych technologii jest oczywiście ryzykowne. Ale taka krytyka przyćmiła prawdopodobnie ciekawsze lekcje, jakie można wyciągnąć z bankructw: pod wieloma względami niepowodzenia zarówno strategii, jak i wykonania, były niepowodzeniami produkcyjnymi. Ich modele biznesowe opierały się na wykorzystaniu radykalnie nowych technologii w celu obniżenia kosztów wytwarzania paneli słonecznych, ignorując truizm, że nowe technologie początkowo prawie nigdy nie są tańsze niż dobrze zoptymalizowane istniejące procesy. Żadna z firm nie posiadała produktów na tyle innowacyjnych, by skłonić większość klientów do zapłacenia wyższej ceny. Evergreen i Solyndra stanęły w obliczu wielu nieoczekiwanych zmian na rynku — w tym nagłego spadku cen krzemu i nadprodukcji paneli słonecznych — ale zdolność konkurencyjnych firm do dalszego obniżania kosztów produkcji bardziej konwencjonalnych paneli słonecznych nie powinna być niespodzianką (patrz Chińska maszyna słoneczna ).

Z upadków tych dwóch przedsiębiorstw można wyciągnąć inne wnioski dotyczące produkcji. Innowacja Evergreen obracała się wokół jednego etapu procesu produkcyjnego — sposobu na tańsze wytwarzanie płytek krzemowych. Jednak firma produkowała i sprzedawała kompletne panele fotowoltaiczne — i miały inny rozmiar od standardu branżowego, co zmuszało jej klientów do niepożądanej pozycji, polegającej na długotrwałym zaangażowaniu w określoną technologię.

Podobnie Solyndra (jeden z DZIECI 50 najbardziej innowacyjnych firm w 2010 r.) popełniło szereg błędów produkcyjnych. We wniosku złożonym do organów regulacyjnych z grudnia 2009 r. firma przyznała, że ​​projektowanie i budowa naszego niestandardowego sprzętu może trwać dłużej i kosztować więcej niż oczekiwano, a także może nigdy nie działać zgodnie z wymogami naszych planów produkcyjnych. Takie przestrogi są często szablonowe w tych doniesieniach, ale w tym przypadku były prorocze. W szczególności Solyndra próbowała w szybkim tempie rozbudować swoje zdolności produkcyjne, planując drugą fabrykę produkcyjną, mimo że wciąż rozbudowywała pierwszą – i tracąc ogromne ilości pieniędzy z powodu stosunkowo wysokich kosztów. Z perspektywy czasu oczywiste jest, że obie firmy rozszerzyły produkcję zbyt szybko, przy zbyt małym zrozumieniu swoich unikalnych procesów produkcyjnych, konkurencji lub wymagań klientów.

Sposobem na uniknięcie takich błędów jest zwiększenie współpracy pomiędzy firmami rozwijającymi nowe technologie. Obrzeża Albany nigdy nie będą mylone z Doliną Krzemową, ale nazwy firm z College of Nanoscale Science and Engineering są znane każdemu w branży półprzewodników: Intel, IBM, TSMC, Applied Materials i Tokyo Electron. Chodzi o to, aby wspólne obiekty zapewniały producentom chipów, dostawcom sprzętu i firmom inżynieryjnym możliwość rozwijania i oceny swoich produktów. W zeszłym roku Sematech, amerykańskie konsorcjum firm półprzewodnikowych, przeniosło swoją działalność do kompleksu wartego 12 miliardów dolarów. Jego najnowsza inicjatywa: pomóc ożywić amerykański przemysł fotowoltaiczny w taki sam sposób, w jaki pomogła przemysłowi półprzewodników odzyskać równowagę w latach 80. i 90. XX wieku.

Jedną z lekcji z porażki Solyndry jest to, że wiązało się to z postawieniem na bardzo ryzykowną technologię i wydaniem setek milionów na niesprawdzone procesy produkcyjne, mówi Pradeep Haldar, który kieruje nowym Konsorcjum Produkcji Fotowoltaicznej w Albany, partnerstwie Sematech i CNSE. W przeciwieństwie do tego, producenci cienkowarstwowych ogniw słonecznych mogą wykorzystać istniejącą infrastrukturę w zakładzie w Albany, aby sprawdzić rzeczywistość, w tym reakcje dostawców materiałów i potencjalnych klientów.

To wspólne podejście jest atrakcyjne nawet dla dużych producentów, takich jak GE. Innowacja to sport zespołowy, mówi Idelchik, ale zbyt często w Stanach Zjednoczonych próbujemy to robić w próżni. Możliwości takie jak te oferowane w centrum nanotechnologicznym w Albany są szczególnie ważne, jego zdaniem, ponieważ producenci znajdują się w okresie przejściowym. Ogólnoświatowa recesja, która rozpoczęła się w 2008 r., spowodowała, że ​​firmy miały ogromną nadwyżkę zdolności produkcyjnych, ale koszty materiałów i pracy nadal rosły wraz ze standardem życia w krajach takich jak Chiny i Indie. Oznacza to, że próba wyciskania kosztów z produkcji nie jest już skuteczna, na przykład poprzez pogoń za tańszą siłą roboczą. Aby zachować konkurencyjność, mówi Idelchik, firmy muszą przejść na ryzykowną i opłacalną produkcję zaawansowanych produktów i materiałów. Dodaje jednak, że tak ryzykowna produkcja wymaga ekosystemu dostawców, producentów sprzętu i klientów.

Ten ekosystem jest zasadniczo tym, co Willy Shih z Harvardu nazywa industrialnymi wspólnotami. Jakkolwiek zostało to opisane, Stany Zjednoczone straciły to w wyświetlaczach LCD i zintegrowanej fotonice, prawie straciły w zaawansowanych bateriach i szybko tracą w krzemowych panelach słonecznych. To jest to, co A123 i Dow próbują pomóc w odbudowie zaawansowanych akumulatorów w Michigan, co Sematech ma nadzieję zainicjować dla cienkowarstwowych paneli słonecznych i co start-upy, takie jak Pellion, 24M i Alta Devices, mają nadzieję, że będą w stanie wykorzystać – a następnie ostatecznie zakłócić .

To, czy takie start-upy przetrwają, będzie, jak na ironię, w dużej mierze zależeć od tego, czy rynki, które ostatecznie mają nadzieję zastąpić, będą silne i rozwijają się. Jednak przemysłowe wspólnoty wspólne są kruche, a ich przetrwanie będzie zależeć zarówno od rynków, jak i od polityki rządu. Narodziny zaawansowanej produkcji baterii w Michigan są w dużej mierze wynikiem wsparcia administracji Obamy. To, czy będzie się rozwijać, będzie zależeć od tego, ile samochodów elektrycznych GM i inne są w stanie sprzedać oraz od tego, czy rząd będzie nadal zapewniał zachęty dla raczkującego przemysłu, w tym finansowanie badań. W dłuższej perspektywie jego zdrowie może bardzo dobrze zależeć od tego, jak dobrze jest w stanie przyjąć prawdziwie innowacyjne nowe technologie ze start-upów na wczesnym etapie. Konsekwencje będą głęboko odczuwalne. Jak pokazał Shih, Stany Zjednoczone wielokrotnie traciły kluczowe sektory produkcyjne i związane z nimi umiejętności innowacyjne. A jego lista dzisiejszych zagrożonych technologii jest długa. Jeśli zaawansowane baterie, technologie słoneczne i produkcja zaawansowanych materiałów staną się jeszcze większymi ofiarami, z pewnością zaszkodzi to możliwości wymyślania przyszłych technologii.

Obecnie Yet-Ming Chiang spędza przynajmniej część swojego napiętego harmonogramu wśród ciasnych boksów 24M, pięć minut jazdy rowerem od swoich laboratoriów MIT. Około trzy lata temu, pracując w A123 podczas urlopu naukowego z MIT, Chiang zaczął myśleć o tym, jak może wyglądać następna generacja technologii akumulatorów. Znaczna część kosztów produkcji akumulatorów litowo-jonowych wynika z różnych nieaktywnych komponentów oraz wieloetapowego procesu nakładania warstw elektrod i katod. Rzeczywiste części magazynujące energię — elektrody i elektrolit — stanowią około jednej piątej całkowitego kosztu. Co by było, gdyby, zastanawiał się, można było zaprojektować baterię, która pozbyłaby się składników nie magazynujących energii oraz drogiego zespołu ogniw i modułów? Rezultatem jest akumulator przepływowy opracowywany przez 24M, w którym elektrody krążą w postaci półstałej. Potencjalną korzyścią tego projektu jest to, że jego produkcja może być znacznie mniej kapitałochłonna. Co więcej, mówi Chiang, jest przeznaczony do współpracy z istniejącym łańcuchem dostaw i infrastrukturą produkcyjną akumulatorów litowo-jonowych.

Chiang mówi, że jego doświadczenie z A123 było kluczowe przy wymyślaniu nowego projektu baterii. Najlepszym sposobem na prowadzenie badań nad akumulatorami jest założenie firmy produkującej akumulatory, mówi. Będąc blisko produkcji, wiesz, co może mieć wpływ. Jest to argument przemawiający za tym, że produkcja jest tak ważna w tych rozwijających się obszarach.

David Rotman jest Przegląd technologii redaktor.

ukryć