Präsentation: Licht bei der Arbeit

Licht bei der Arbeit
Licht als Werkzeug in der Fertigung und wie es
Energie macht
Frankfurt am Main, 11. Februar 2010
Dr. Josef Auer
Dr
Sector Research
Think Tank der Deutsche Bank Gruppe
pp
Gli d
Gliederung
1
Deutschland glänzt in Breite der OT
2
Werkzeug Licht für die Fertigung
3
Rohstoff Licht für Energieerzeugung
4
Fazit: Licht ist wichtig für Wachstum
1
Li ht bei
Licht
b i der
d Arbeit
A b it hat
h t zweii Dimensionen
Di
i
 Erstens dient Licht als Werkzeug für die Herstellung so heterogener Produkte
wie Autos, Pipelines oder Chips
– 1960 erfand Theodore Maiman den ersten Laser
– Die Basisinnovation öffnete neue Nutzungshorizonte
– Die Querschnittstechnologie revolutionierte die Medizin- u. Messtechnik, die
Konsumelektronik, Information u. Kommunikation sowie die Bearbeitung von
Materialien wie Metalle, Kunststoffe oder Glas
 Zweitens ist das Licht die Quelle aller solaren Energien
– Das Spektrum umfasst die Photovoltaik (PV), die Solarthermie und den Laserreaktor
– Die Sonnenenergien sind Hoffnungsträger für eine sorgenfreie Energie
Energie- u.
u Klimazukunft
 Zwei einzigartige Stärken der deutschen optischen Technologien (OT)
– Ihre Reputation als Werkstatt der Welt
– Ihre Führungsrolle bei innovativen neuen, grünen Energietechnologien
Dr. Josef Auer, 11. Februar 2010
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1
D t hl d kommt
Deutschland
k
t auff einen
i
Weltmarktanteil
W lt
kt t il von 8%
– OT im weiteren Sinne –
Weltmarkt OT ist breit gefächert
OT-Weltmarkt: Asien stark bei
IT und Flachdisplays
2005, EUR 210 Mrd.
2005, in %
4
6
6
19
9
32
9
28
11
6
9
Produktionstechnik
Medizintechnik
I f
Informationstechnik
ti
t h ik
Flachdisplays
Optische Komponenten
23
15
Bildverarb., Messtechnik
Kommunikationstechnik
B l
Beleuchtungstechnik
ht
t h ik
Energietechnik
Quelle: BMBF (2007)
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J
JP
KR
Sonstige (inkl. CN)
Quelle: Photonics in Europe (2007)
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TW
Nordamerika
Europa
1
D t hl d kommt
Deutschland
k
t auff bi
bis zu 15% - einzigartige
i i
ti Breite
B it
– OT im engeren Sinne –
Deutschland Nr. 1 in Europa bei OT
2005, in %
Umsatz produzierender OTUnternehmen am Standort D
2005, EUR 16,3 Mrd.
12
19
11
15
12
10
10
20
6
8
14
18
1
Produktionstechnik
Medizintechnik
Informationstechnik
Flachdisplays
Optische Komponenten
39
FR
GB
DE
IT
NL
Sonstige
Quelle: Photonics in Europe (2007)
Dr. Josef Auer, 11. Februar 2010
Quelle: BMBF (2007)
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5
Bildverarb, Messtechnik
Kommunikationstechnik
Bele cht ngstechnik
Beleuchtungstechnik
Energietechnik
1
Li ht ist
Licht
i t wichtig
i hti für
fü Wachstum
W h t
OT sind
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Nr. 1 iim R
Ranking
ki
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Zukunftsk ft
branchen
Deutschland 2009, Gesamtindex
OT*
Pharma
Maschinenbau
Sonstige Fahrzeuge
Automobilindustrie
NRF-Technik**
Chemie
Elektroindustrie
U
Unternehmensdienste
h
di
Versorgung
Logistik
Gummi/Kunststoff
g
Grundstückswesen/Wohnung
Gesundheits-/Sozialdienste
Büromaschinen
* inkl. Medizin-, Mess-, Steuer- u. Regeltechnik
Rang
1
2
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5
6
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8
9
10
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15
 IW-Branchenranking
IW Branchenranking unterstreicht
unterstreicht, dass
die Licht-Branche künftig noch mehr
Beachtung verdient
 Als „Enabling
Enabling Technology
Technology“ bringt die
Lasertechnik (insbesondere über die
Fertigungstechnik) technischen
Fortschritt in viele Branchen
 OT sind Schlüsseltechnologien, deren
volkswirtschaftliche Bedeutung über
di kt Eff
direkte
Effekte
kt (Umsatz,
(U
t Arbeitsplätze)
A b it lät )
hinaus reicht
 OT sollten in künftiger Hightech-Strategie
von Schwarz/Gelb einen hohen
Stellenwert bekommen (wie 2006)
– Personelle Kontinuität im BMBF von Vorteil
** Nachrichten-, Rundfunk-, Fernsehtechnik
Quelle: IW Consult (2009)
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Deutschland glänzt in Breite der OT
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Werkzeug Licht für die Fertigung
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Rohstoff Licht für Energieerzeugung
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Fazit: Licht ist wichtig für Wachstum
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Li ht als
Licht
l Werkzeug
W k
der
d Produktionstechnik
P d kti
t h ik
 Die Lasertechnologie wird in der Materialbearbeitung und in der Lithographie
(optische Reproduktionsverfahren) eingesetzt
 Beide Segmente bilden die Produktionstechnik
 OT-Umsatz in der Produktionstechnik 2008: EUR 2,6 Mrd. (05: EUR 1,9 Mrd.)
– Laserquellen u. -systeme zur Materialbearbeitung EUR 1,5 Mrd. (05: 1,2 Mrd.)
– Lithographiesysteme u. Laserquellen für Lithographie EUR 1,1 Mrd. (05: 0,7 Mrd.)
– Relatives Wachstum der Lithographie damit merklich stärker
 Laser-Materialbearbeitung u. Lithographie mit unterschiedlicher Kostenstruktur
– Lithographie-Umsatz kommt zu 95% von der Halbleiterindustrie
Halbleiterindustrie, Folge: extreme Zyklik
– Umfasst die Waferstepper für Halbleiterproduktion, die Maskenschreiber und Scanner
für Flachdisplayproduktion sowie die Laser-Systeme für Leiterplattenproduktion
– Laser
Laser-Materialbearbeitung
Materialbearbeitung hat sehr unterschiedliche Abnehmer wie Maschinenbau
Maschinenbau,
Auto- und Nahrungsmittelindustrie; Folge: weniger zyklisch als Lithographie
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Lith
Lithographiesysteme
hi
t
i zyklischen
im
kli h Aufschwung
A f h
 Umsätze Lithographiesysteme 2009
wg. Investitionsschwäche -40%
Ausrüster der globalen Halbleiterindustrie im Aufschwung
Mrd. USD
 Anspringen des Investitionszyklus
bringt 2010 u. 2011 Umsatzzuwächse
von 50% bzw. 30%
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
02
03
04
05
Sonstige Maschinen
Zusammenbau/Verpackung
06
07
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09
10
11
Testverfahren
Wafer Process
Quelle: SEMI (2009)
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– Umsatzanteil
U sa a e de
der Lithographiemaschinen
og ap e asc e
(Stepper) am Segment Wafer Process
(Wafer sind Halbleiter- bzw.
Siliziumscheiben) etwa ein Viertel
– Globale „Halbleiternahrungskette“:
Ausrüster schwanken stärker als
Halbleiterindustrie, diese wiederum
stärker als Elektronikindustrie
(Konsumelektronik)
2
L
Laser-Materialbearbeitung
M t i lb
b it
mittelfristig
itt lf i ti weiter
it aufwärts
f ät
 Produktion 2003-2007
– Laserstrahlquellen: +5 p
p.a.
a
– Laseranlagen: +17% p.a.
Laseranlagen für Materialbearbeitung, Produktion
 Infolge Auftragseinbruch 2008
DE, in Mio. EUR
900
– Laserquellen: -6%; Anlagen: -9%
800
 2009 Fertigungsrückgang mindestens
ein b
e
bis
s zwei
e Zehntel
e te (a
(als
s Teilbereich
e be e c
des Werkzeugmaschinenbaus)
700
600
500
 Spätestens im 2. Hj. 2010 Impulse von
Weltkonjunktur
400
300
 Bis 2020 steigt wertmäßige Fertigung
200
100
– Laserquellen: +4% p.a.
– Laseranlagen: gut +10% p.a.
0
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Quelle: AG Laser
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L
Laser-Materialbearbeitung
M t i lb
b it
hat
h t viele
i l Vorzüge
V
ü
 Laser kombiniert Vorteile wie hohe Präzision, Bearbeitungsgeschwindigkeit (oft
10 m pro Mi
Minute),
t ) h
hohe
h P
Prozessflexibilität
fl ibilität (kl
(kleine
i L
Losgrößen
öß wirtschaftlich),
i t h ftli h)
Laser als Werkzeug quasi ohne Abnutzung
 Laser verdrängt herkömmliche Techniken wie Elektro- u. Plasmaschweißen
sowie Bohren mit Spiralbohrer
 Wichtigste Einsatzgebiete sind Laserschneiden, -schweißen (v.a. Stahl,
Aluminium), -bohren
bohren (z.B. harte Materialien oder kleine Durchmesser),
-markieren (z.B. Qualitätssicherung von Konsumartikeln) und -perforieren
(z.B. Zigarettenmundstücke)
 Laserschneiden zählt zu den wichtigsten Trennverfahren neben Stanzen
Stanzen,
Nibbeln, Plasma- u. Wasserstrahlschneiden
– Laser schneidet z.B. Metalle/Kunstoffe in beliebiger Form und Dicken berührungslos,
kräftefrei u
u. in hoher Geschwindigkeit u
u. Präzision
– Verkaufszahlen von Laseranlagen erreichten Mitte der 1980er erst zweistellige Werte
– Ende der 1990er Jahre wurden mehrere Hundert Anlagen p.a. verkauft
– 2008 wurden 1
1.400
400 2D
2D- u.
u 3D
3D-Schneideanlagen
Schneideanlagen verkauft (1/4 vom Weltmarkt)
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2
T
Trends
d in
i der
d Laser-Materialbearbeitung
L
M t i lb
b it
 Einsatzmöglichkeiten nehmen ständig zu, z.B. in der Autoindustrie, dem
M
Maschinenbau,
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Elektrotechnik,
kt t h ik d
dem S
Schiffbau
hiffb oder
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Luftfahrt;
ftf h t B
Beispiele:
i i l
– Der Laser hat die Fahrzeugfertigung revolutioniert: von maßgeschneiderten Blechen
(tailored blanks) für leichte Karosserien bis Katalysatoren u. Airbag-Sprengkapseln
– Meyer
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Werft
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i Papenburg
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hat
h t eines
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der größten
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Laserzentren
t
iin Europa
E
aufgebaut.
f b t
Ein typisches Kreuzfahrtschiff benötigt 850 km Schweißnähte, davon mit Laser 600 km
– Bearbeitung dreidimensionaler Blechelemente wie Profile u. Rohre. Z.B. Längsnahtschweißen von Pipelines u
u. Glasfaserkabel
– In der Luftfahrt lassen sich Flugzeugturbinen (Blisks), die aus einem Stück gefertigt
sind, kostengünstig reparieren. Bisher Vollaustausch (Kosten über EUR 100.000), jetzt
werden mit neuer Laserschweißtechnik Bauteile für wenige
g Tausend EUR repariert
p
 Lasertechnik der Zukunft wird gekennzeichnet sein durch mehr Automation,
Sensorik, Prozessüberwachung u. Teleservice
 Die
Di dt
dt. L
Laserproduzenten
d
t profitieren
fiti
von ih
ihrem b
breiten
it St
Strahlquellensortiment
hl
ll
ti
t
 Dafür ist der enge Forschungs- u. Anwendungsverbund in DE wichtig
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2
Optische
O
ti h Bildverarbeitung
Bild
b it
& Messtechnik
M
t h ik sind
i d das
d Auge
A
der industriellen Produktion
 Deutscher Anteil am Weltmarkt (EUR 19 Mrd
Mrd.):
): ein Sechstel
 Haupteinsatzgebiete der Bildverarbeitung & Messtechnik sind die industrielle
Fertigung u. Überwachung (z.B. von Produktionsprozessen)
– IInd.
d Bildverarbeitung:
Bild
b it
IInspektion
kti von T
Teilen
il u. E
Endlosmaterialien
dl
t i li ((>60%),
60%) d
das 2D
2D- u.
3D-Messen (16%), visuell geführte Maschinen (Roboter, 7%) u. das Codelesen (5%)
– Potenzialstarke nichtindustrielle Einsatzfelder: Sicherheits- u. Medizintechnik (10%)
 Am wichtigsten ist die Qualitätskontrolle; drei Einsatzfelder:
Oberflächeninspektion, Vollständigkeit u. Messtechnik
 Hauptkunden
p
der Bildverarbeitung
g sind im Ausland die Halbleiter-,, Elektronikund Flachbildschirmindustrien
 In Deutschland dominiert die Autoindustrie (25%), vor der Glasherstellung, der
Elektronik- Pharma- und Metallindustrie
Elektronik-,
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Optische
O
ti h Bildverarbeitung
Bild
b it
& Messtechnik
M
t h ik wachsen
h
bis
bi
2020 um 5% p.a.
 Treiber sind z.B. bessere Sensor- u.
Kameratechnologien; wichtig für
weitere Fertigungsautomatisierung
Rückkehr zum Wachstum 2010
Industr. Bildverarbeitung, Umsatz, Mio. EUR
1400
 Trends zu mehr Qualität, Miniaturisierung u. Individualität der Produkte
1200
1000
 Nicht
Nicht-ind.
ind Wachstumsfelder: u
u.a.
a
Sicherheit (Feindaufklärung bis
Körperscanner), Medizin, Verkehr,
Sport u.
u Umweltwirtschaft
800
600
400
 Bildverarb. & Messtechnik wächst
doppelt so stark wie der Maschinenbau
200
0
99
01
03
05
07
09
Quelle: VDMA (2009)
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Deutschland glänzt in Breite der OT
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Werkzeug Licht für die Fertigung
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Rohstoff Licht für Energieerzeugung
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Fazit: Licht ist wichtig für Wachstum
3
Li ht wie
Licht
i es Energie
E
i macht
ht – PV ist
i t ein
i von drei
d i Bereichen
B
i h
 Die PV ist per se eine OT: „Photo
Photo“ für Licht; „Voltaik
Voltaik“ für Alessandro Volta
 Wilhelm Ostwald erklärte 1911 die Grundlagen des „photoelektrischen Stroms“
– Die Vision, die Sonne als Energiequelle anzuzapfen, wird für Ingenieure greifbar
– Sonne
S
strahlt das 15.000-fache
f
der Energie zur Erde, die alle Menschen verbrauchen
 Innovativer Ordnungsrahmen (EEG-Novelle 2004; 100.000-Dächerprogramm)
ermöglichte Quantensprung von der Manufaktur zur automatisierten Fertigung
– „Industrialisierung“ ermöglicht Skalenerträge auf allen Stufen der Wertschöpfungskette
– 4-stufige Wertschöpfungskette für Silizium-Solarmodule: Poly Silizium (24%), WaferHerstellung (26%), Zellenproduktion (14%), Modulfertigung (36%)
– Bei kristallinen Siliziumzellen kommt nach der Waferherstellung der Solarzellenprozess,
bei der Dünnschichtzellenproduktion finden beide Produktionsschritte integriert statt
 Für PV ist Startphase
p
längst
g vorbei & zukunftsträchtige
g Produktinnovationen
liegen vor
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3
E f l im
Erfolg
i PV-Massenmarkt
PV M
kt erfordert
f d tP
Prozessinnovationen
i
ti
 Drei Entwicklungspfade für PV
Moderne Technologie wird
für PV wichtiger
 Kostenstruktur im Wandel:
– Kristalline PV: Materialkosten dominieren
– Dünnschicht
ü
PV: relativ weniger
Materialkosten, mehr Maschinen
– Gen3 steht noch am Anfang; gedruckte,
halbleitende Kunststoffe usw
usw.
Kostenanteile in %
100
15
80
16
15
16
39
60
64
6
40
69
 Da Produktinnovationen existieren,
sind Prozessinnovationen rd. um
eingesetzte
i
t t Technologien
T h l i u.
Materialien die entscheidende
Stellschraube für niedrigere Kosten
45
20
21
0
Kristalline
PV
Dünnschicht PV
Arbeit u. Verbrauchsmaterial
Gen3 PV
Maschinen/Anlagen
Materialkosten
Quelle: VDMA
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M d
Moderne
Technologie
T h l i mindert
i d t Kostennachteile
K t
ht il
 Moderne Fertigungsverfahren ermöglichen bessere PV-Produkte: Weniger
Kosten wg.
wg einfacher Fertigungsmethoden
Fertigungsmethoden, geringerem Materialeinsatz
Materialeinsatz,
höherem Wirkungsgrad der Zellen
 Optimierung der Fertigungstechnologie: Hebel sind stärkere Automatisierung,
geringere
i
B
Bruchrate
h t d
der Siliziumscheiben,
Sili i
h ib
schnellerer
h ll
D
Durchsatz,
h t mehr
h Q
Qualität
lität
u. Effizienz, weniger Prozesskosten u. – per Saldo – weniger Investitionskosten
 Massenproduktion senkt Stückkosten: Verdoppelung der Fertigung/installierter
PV-Leistung mindert Kosten um 20%
 Wertschöpfungskette birgt Einsparpotenzial, aber Lernkurve verläuft flacher
 Noch
N hb
bessere E
Energieernte
i
t aus Li
Licht,
ht wenn alle
ll Akt
Akteure beitragen
b it
– v.a. Maschinenbauzweige gefordert: Dazu zählen die Elektronikfertigung (Productronic),
die Glastechnik, Robotik u. Automation, Oberflächen-, Vakuumtechnik u. Displays
– Lasertechnik
L
t h ik verknüpft
k ü ft viele
i l Prozessschritte;
P
h itt sie
i dient
di t z.B.
B der
d Zellen-Bearbeitung
Z ll B b it
 Künftig ähnlich effiziente Fertigungsprozesse wie Auto- oder Halbleiterindustrie
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Z k ft der
Zukunft
d PV-Branche
PV B
h in
i DE dürfte
dü ft zweigeteilt
i t ilt verlaufen
l f
 Vom Trend zu Systemlösungen profitieren eine Handvoll PV-Maschinenbauer, die
sich als PV
PV-Turnkey-Anbieter
Turnkey Anbieter am Weltmarkt etabliert haben
– Die Konzentration in DE unterstreicht die hohe Kompetenz am Standort Deutschland
– Die PV-Ausrüster erhalten Impulse vom globalen Kapazitätsausbau, insb. in Asien
 Unter Druck bleiben die Solarmodul-Hersteller, die z.T. noch manuell fertigen
– Zwar rasche Automatisierung, aber Lohndifferenzen auf absehbare Zeit noch relevant
– Produktion von Solarsilizium, Ingots, Wafern u. Solarzellen ist weitgehend automatisiert
 Alternative zur Fertigungsverlagerung (ähnlich Chipindustrie) wäre die Investition
in hochmoderne u. innovative PV-Technologie
– Aber: Dt. PV
PV-Ausrüster
Ausrüster liefern Hochtechnologie auch an Konkurrenten (z.B. China)
– Dies ist wichtig, da es einen prinzipiellen Unterschied zw. einer PV-Fabrik u. ElektronikFertigungsstätte gibt:
– Eine PV-Fabrik kann q
quasi aus dem Katalog
g schlüsselfertig
g bestellt werden;; damit
können Solarzellen u. -module einfach gebaut werden (z.B. Indien in drei Jahren)
– Im Elektronik-Bereich haben Newcomer keine Chance; es gibt keine schlüsselfertigen
Chip-Fabriken, da Optimierung von Prozessen, Maschinen u. Technologien zu komplex
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D t hl d ist
Deutschland
i t PV-Nettoimporteur
PV N tt i
t
ES u. DE führend bei globalen
PV-Neuinstallationen
China weltweit führender
Hersteller von Solarzellen
2008, in %
2008, in %
7
16
4
33
5
5
12
46
6
6
27
ES
DE
16
19
US
KR
IT
JP
Rest
CN
Quelle: European Photovoltaic Industry Association
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Quelle: Photon
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JP
DE
NA
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Rest
3
W lt
Weltmarkt
kt PV wächst
ä h t weiter
it sehr
h dynamisch
d
i h
 In letzter Dekade expandierte Zahl der
N i t ll ti
Neuinstallationen
um >40%
40% p.a.
Globale Solarzellen-Fertigung
wächst bis 2020 mehr als 20% p.a.
 2009 war DE Hauptabsatzland vor ES
in MW
 Wettbewerb steigt 2010 weiter,
weiter sodass
PV-Anlagenpreise weiter fallen
8000
– Ab 2. Hj. neue große Kapazitäten in CN
– Geringere Förderung
Förderung, vv.a.
a auch in DE
6000
 2010 u. 2011 bleiben PV-Anlagen in
DE interessant, da zwar Förderung
sinkt,
i kt aber
b A
Anlagen
l
billi
billiger werden
d
4000
2000
 Marktwachstum bleibt enorm
0
1999
2001
2003
2005
 Netzparität rückt schnell näher
2007
Quelle: Photon
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3
S l th
Solarthermie
i nutzt
t t Solarkollektoren
S l k ll kt
für
fü Energieernte
E
i
t
Solarthermie in der EU
Installierte Leistung Ende 2008: 19.980 MWth
 Kollektoren fangen Wärme des Sonnenli ht auf;
lichtes
f R
Rohrsysteme
h
t
sorgen fü
für
Transport an Ort der Verwendung
 Bedingungen in Südeuropa günstiger
16
 In DE Impulse durch neues
Wärmegesetz u. ordnungspolitische
Vorgaben im Wohnungsbau
39
4
 Künftig neue Impulse durch
Concentrated Solar Power (CSP); die
zweite Form für Solarstrom (neben PV)
6
6
14
DE
 CSP wird eher zentral eingesetzt, PV
dagegen dezentral
15
AT
GR
Quelle: BMU
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FR
IT
SP
Rest
 Solarkraftwerke mit Parabolrinnen usw.
sollen bis 2050 15% des europ.
Strombedarfs decken ((Desertec))
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3
D L
Der
Laserreaktor
kt – Hoffnungsträger
H ff
tä
fü
für di
die Zukunft
Z k ft
 Spätestens seit C.F.v.Weizsäcker (1938) gilt: Nur die Kernfusion (sehr leichter
Atome wie Wasserstoff) kann die Strahlkraft der Sonne erbringen
 Heute versuchen zwei Ansätze den genialen Trick der Sonne nachzuahmen
– ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Cadarache, Frankreich
– NIF (National Ingnition Facility) in Kalifornien, Projektkosten USD 3,5 Mrd.
– Bei sog. Trägheitsfusion spielt die OT Laser eine Hauptrolle
– Laserkonzept theoretisch gelöst, aber der Reifeprozess von „Laboranwendungen“
hin zu Kraftwerksdimensionen erfordert noch viel Zeit
– Europ. Projekt HIPER (High Power Laser Energy Research Facility) zeigt, es ist mehr
als „Disneyland für Physiker“
– Die
Di d
domestizierte
ti i t „Sonne
S
auff E
Erden“
d “ wäre
ä eine
i elegante
l
t A
Antwort
t
t auff viele
i l F
Fragen d
des
Klimawandels, der Energieknappheit bis hin zu geopolitischen Konflikten
– Im Fusionszeitalter könnte einem Automobil 1l Wasser immerhin für eine
Erdumrundung reichen
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Deutschland glänzt in Breite der OT
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Werkzeug Licht für die Fertigung
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Rohstoff Licht für Energieerzeugung
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Fazit: Licht ist wichtig für Wachstum
4
F it Licht
Fazit:
Li ht bei
b i der
d Arbeit
A b it – nicht
i ht stören,
tö
sondern
d
fördern!
fö d
!
 Weltweit hält der Siegeszug des Werkzeugs Licht in der Fertigung an
 Von der Querschnittstechnologie Laser profitieren alle Industriebranchen
 Dank technischem Fortschritt und mutiger Zukunftsprojekte wird die
Energiequelle Licht künftig viel stärker angezapft
 Für den Standort Deutschland sind optische Technologien ein Segen
 OT sollten
llt auch
hT
Teilil einer
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künftigen
fti
Hightech-Strategie
Hi ht h St t i werden
d
Dr. Josef Auer, 11. Februar 2010
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© Copyright 2010. Deutsche Bank AG, DB Research, D-60262 Frankfurt am Main, Deutschland. Alle Rechte vorbehalten. Bei Zitaten wird
um Quellenangabe „Deutsche
Deutsche Bank Research“
Research gebeten.
gebeten
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