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Pouvons-nous construire les avancées de demain ?
La fabrication aux États-Unis est en difficulté. C'est une mauvaise nouvelle non seulement pour l'économie du pays, mais pour l'avenir de l'innovation. 19 décembre 2011
Dans un bâtiment semblable à un hangar où General Electric assemblait autrefois des turbines à vapeur, une usine de fabrication de batteries de 100 millions de dollars est en cours de construction pour fabriquer des produits utilisant une chimie jamais commercialisée auparavant à une si grande échelle. Les batteries sodium-halogénure métallique qu'elle produira ont été testées et optimisées au cours des dernières années par une équipe de scientifiques et d'ingénieurs en matériaux du centre de recherche tentaculaire de GE à quelques kilomètres de là. Aujourd'hui, certains des mêmes chercheurs sont chargés de reproduire ces résultats dans une installation de production suffisamment grande pour contenir trois terrains de football et demi.
Les ingénieurs sont passés du centre de recherche bucolique, situé sur une colline surplombant la rivière Mohawk, au site de fabrication, qui jouxte la rivière au bord de Schenectady, New York, une ville ouvrière connue à son apogée sous le nom d'Electric Ville. Là, ils supervisent l'installation et les tests de la robotique, des fours à haute température et des équipements d'analyse qui surveilleront le processus de production. Les nouvelles batteries utilisent une céramique avancée comme électrolyte à l'intérieur d'un boîtier métallique scellé contenant du chlorure de nickel et du sodium ; la technologie promet de stocker trois fois plus d'énergie que les batteries au plomb utilisées dans les centres de données, dans les véhicules électriques lourds et pour l'alimentation de secours. Mais presque tout peut mal tourner. Si, par exemple, les particules qui composent la céramique sont de taille inégale ou n'ont pas été correctement séchées, les performances de la batterie pourraient être insuffisantes. Cela signifie que les conditions dans l'immense usine doivent être étroitement contrôlées et que les appareils de plusieurs tonnes doivent pouvoir correspondre à l'exactitude de l'équipement de laboratoire. Ce n'est pas pour les cœurs faibles, déclare Michael Idelchik, vice-président des technologies avancées de GE.
Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2012
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L'usine GE est l'une des nombreuses installations à travers le pays produisant de nouvelles technologies pour les marchés en croissance rapide des batteries de pointe, des véhicules électriques et de l'énergie solaire, mais ces efforts ne peuvent pas contrer la réalité selon laquelle le secteur manufacturier américain est en difficulté. Après des décennies d'externalisation de la production dans le but de réduire les coûts, de nombreuses grandes entreprises ont perdu l'expertise pour les tâches d'ingénierie et de conception complexes nécessaires pour étendre et produire les nouvelles technologies les plus innovantes d'aujourd'hui, sans parler de l'appétit pour les risques encourus.
A l'étape : Un élément clé du processus de production de batteries de GE est la fabrication de tubes en céramique, qui agissent comme un électrolyte. Les tubes blancs descendent une chaîne de montage, où ils seront scellés pour compléter l'assemblage en céramique qui entre dans la cellule de la batterie.
Si vous croyez l'affirmation de Thomas Friedman selon laquelle le monde est plat et que déplacer la fabrication vers des endroits où la production est bon marché rend les entreprises plus compétitives, un tel changement pourrait ne pas avoir d'importance au-delà de ses implications pour l'économie américaine et ses travailleurs. Mais les États-Unis restent la source la plus prolifique au monde de nouvelles technologies, en particulier celles basées sur les matériaux, et il est de plus en plus évident que leurs capacités de fabrication réduites pourraient gravement paralyser l'innovation mondiale. Il y a de nombreuses raisons de croire que le modèle de l'industrie informatique américaine - qui a externalisé avec succès une grande partie de sa production au cours des dernières décennies et fait de la conception, et non de la fabrication, sa priorité - ne fonctionnera pas efficacement pour les entreprises qui tentent de commercialiser des innovations dans le domaine de l'énergie. , matériaux avancés et autres secteurs émergents.
Des chercheurs universitaires ont commencé à documenter les liens complexes entre l'innovation et la fabrication dans le but de clarifier comment la perte de la fabrication aux États-Unis pourrait affecter l'émergence de nouvelles technologies. Willy Shih, professeur de gestion à la Harvard Business School, a dressé une liste de technologies de base dans lesquelles les États-Unis ont gaspillé leur avance dans la fabrication ces dernières années. Ils comprennent des plaquettes de silicium cristallin, des écrans LCD, des semi-conducteurs de puissance pour cellules solaires et de nombreux types de batteries avancées. Et il a expliqué comment la perte des biens communs industriels - le savoir-faire en matière de recherche, les compétences en ingénierie et l'expertise de fabrication nécessaires pour créer une technologie spécifique - peut souvent signifier la perte des connaissances et des incitations pour créer des avancées dans les technologies connexes. Par exemple, alors que la production de semi-conducteurs en silicium et les chaînes d'approvisionnement associées se sont déplacées vers l'Asie, le développement de nouvelles cellules solaires à base de silicium a été entravé aux États-Unis.
Il s'avère qu'il n'est pas nécessairement vrai que les technologies innovantes seront simplement fabriquées ailleurs si cela ne se produit pas aux États-Unis. Selon les recherches d'Erica Fuchs, professeure adjointe à l'Université Carnegie Mellon, le développement de la photonique intégrée, dans laquelle les lasers et les modulateurs sont pressés sur une seule puce, a été largement abandonné par les fabricants d'optoélectronique car ils ont déplacé la production des États-Unis. . De nombreuses entreprises de télécommunications ont été contraintes de rechercher une production à moindre coût en Asie de l'Est après l'effondrement de l'industrie au début des années 2000, et les différences dans les pratiques de fabrication signifiaient que la production de puces photoniques intégrées n'était pas économiquement viable dans ces pays. Ainsi, une technologie qui semblait n'être qu'à quelques années de révolutionner les ordinateurs et même les biocapteurs a été abandonnée. Les économistes pourraient soutenir que nous ne nous soucions pas de l'endroit où quelque chose est produit, dit Fuchs, mais l'emplacement peut profondément affecter les produits que vous choisissez de fabriquer et la trajectoire technologique elle-même.
Pour de nombreuses personnes dans l'industrie, les liens entre l'innovation et la fabrication sont une évidence et une raison de s'inquiéter. Nous avons appris que sans pied dans la fabrication, la capacité à innover est considérablement compromise, déclare Idelchik de GE. Le problème avec l'externalisation de la production n'est pas seulement que vous finissez par perdre votre expertise en ingénierie, mais que les entreprises deviennent dépendantes de l'innovation de quelqu'un d'autre pour les produits de nouvelle génération. Une conséquence, dit-il, est que les chercheurs et les ingénieurs perdent leur compréhension du processus de fabrication et de ce qu'il peut faire : vous pouvez concevoir tout ce que vous voulez, mais si personne ne peut le fabriquer, qui s'en soucie ?
Les États-Unis restent la source la plus prolifique au monde de nouvelles technologies, en particulier celles basées sur les matériaux, et il est de plus en plus évident que ses capacités de fabrication réduites pourraient gravement paralyser l'innovation mondiale.
Après des décennies en tant que premier fabricant mondial, les États-Unis fabriquent désormais, selon certaines estimations récentes, 19,4 % des produits manufacturés dans le monde, deuxième derrière la Chine, qui en fabrique 19,8 %. Même dans les produits de haute technologie, les États-Unis importent désormais plus qu'ils ne produisent. Ces statistiques ont des implications pour l'emploi, la compétitivité nationale et même la politique et la structure sociale du pays. Mais tout aussi inquiétant, surtout à long terme, est ce que la capacité déclinante des États-Unis à fabriquer des choses implique pour la prochaine génération de technologie. Les États-Unis peuvent-ils retrouver leur capacité à prendre en charge une fabrication à haut risque ? Pour poser la même question d'une manière différente, bon nombre des innovations les plus prometteuses d'aujourd'hui risquent-elles de subir le même sort que les puces photoniques intégrées ? Les États-Unis peuvent-ils retrouver leur capacité à prendre en charge une fabrication à haut risque ? Pour poser la même question d'une manière différente, bon nombre des innovations les plus prometteuses d'aujourd'hui risquent-elles de subir le même sort que les puces photoniques intégrées ?
Ville de moteur électrique
La ville de Détroit, pendant des décennies le centre de la fabrication automobile américaine, aime vanter ses efforts de rénovation urbaine. Un stade de baseball moderne se trouve au bord du centre-ville; un quartier animé des théâtres est à proximité. Pourtant, les gratte-ciel vides et éviscérés sont à distance de marche des tours de verre brillantes du siège social de General Motors et des nouveaux condos qui s'élèvent au-dessus du fleuve de la ville. Et à la périphérie de la ville, dans des zones traversées par des autoroutes portant des noms tels que Chrysler Freeway et Edsel Ford Freeway, la dévastation est encore plus évidente dans les étendues apparemment interminables de bâtiments industriels abandonnés. Quelque 22% des emplois dans le Michigan sont toujours liés à la fabrication automobile, et une décennie de faillites et de ventes en chute libre parmi les constructeurs automobiles de Detroit a laissé la région sous le choc. Près d'un demi-million d'emplois ont été perdus dans le sud-est du Michigan depuis 2000.
Au milieu des ruines, cependant, l'usine d'assemblage GM Detroit Hamtramck est une oasis d'ordre et d'activité. Bien que son parking soit à moins de la moitié plein un jour au début de l'automne, l'immense usine, construite au milieu des années 1980 pour fabriquer des Cadillac et des Buick, incarne la tentative de Detroit de se réinventer. Un champ de panneaux solaires a été installé devant ; au bord du parking des visiteurs se trouve une rangée de carports équipés de prises électriques.
À l'intérieur de l'usine, les Cadillac et les Buick ont été remplacées sur la chaîne de montage par la Chevrolet Volt, la voiture électrique récemment introduite par GM, et son homologue européenne, l'Opel Ampera. Les véhicules électriques occupent à peu près tous les autres espaces disponibles sur la chaîne de production, mais GM espère augmenter la production à 60 000 voitures électriques d'ici l'année prochaine. Comme toute usine de fabrication automobile moderne, l'usine de Detroit Hamtramck est un tourbillon de robotique et de grandes pièces se déplaçant délibérément le long de chaînes de montage qui se rejoignent à des points critiques ; à l'une de ces intersections, le cadre en acier peint est lentement déposé sur le châssis et le moteur. Les clés pneumatiques automatisées perforent le silence relatif car elles appliquent un couple précis pour boulonner les pièces ensemble.
Près du centre de toute l'activité, isolées, se trouvent les batteries lithium-ion en forme de T qui sont le cœur de la nouvelle voiture et une source d'espoir économique pour une grande partie du Michigan. La batterie de 435 livres est une grande amélioration par rapport aux énormes batteries au plomb-acide de 1 100 livres utilisées dans la première génération de voitures électriques infortunée que GM a fabriquées dans les années 1990. Les nouvelles batteries plus petites et plus légères sont beaucoup plus faciles à installer dans une voiture compacte comme la Volt, et la nouvelle chimie améliore les performances du véhicule.
Chaque bloc-batterie contient quelque 288 cellules, chacune contenant une série de minces feuilles d'anodes et de cathodes assorties avec précision. Si GM produit 60 000 volts l'année prochaine, ces voitures consommeraient facilement la production de plusieurs énormes usines de fabrication de batteries. Mais si le marché des voitures électriques décolle soudainement, par exemple à cause de batteries moins chères ou plus efficaces, le besoin pourrait être bien plus important. On a estimé que si les voitures électriques représentaient un dixième des ventes automobiles aux États-Unis, 43 grandes usines de batteries seraient nécessaires pour approvisionner les constructeurs automobiles.
L'appétit potentiel pour les batteries chez GM et d'autres constructeurs automobiles a conduit à la construction d'au moins une demi-douzaine d'usines de fabrication et d'assemblage dans un rayon de 200 milles autour de Detroit. Stimulé en partie par le financement de 2,4 milliards de dollars de l'administration Obama pour la production de batteries de pointe et les véhicules électriques, ce développement présente une vision de ce à quoi pourrait ressembler une reprise de la base manufacturière de la région. Il présente également un aperçu de l'énorme défi que représente la création d'une telle infrastructure.
À environ 125 milles au nord de l'usine d'assemblage de Detroit Hamtramck se trouve l'une des plus grandes des nouvelles installations de batteries. Dow Kokam, une coentreprise de Dow Chemical, TK Advanced Battery et de la société française Groupe Industriel Marcel Dassault, construit une usine de 322 millions de dollars à Midland, dans le Michigan, qui sera en mesure de fabriquer suffisamment de cellules de batterie lithium-ion pour quelque 30 000 batteries électriques. voitures. Bien que la construction soit en cours et qu'une grande partie de l'équipement soit toujours en cours d'installation, une visite rapide donne une idée de la taille et de la complexité de l'opération. Dans une grande pièce à haut plafond se trouvent un grand nombre de racks automatisés où chaque cellule de batterie sera formée, une opération critique au cours de laquelle la batterie est chargée et déchargée pour définir avec précision la chimie.
C'est ce genre d'échelle et d'attention aux détails qui attirent l'intérêt d'entreprises comme Dow, le deuxième plus grand producteur de produits chimiques au monde. L'usine se trouve juste à l'extérieur des limites des opérations chimiques de Dow dans le Michigan, une petite ville de bâtiments de production de faible hauteur reliés par un labyrinthe de conduites aériennes entrecroisées. C'est un témoignage tentaculaire des liens entre divers ingrédients et matières premières utilisés dans la fabrication de produits industriels, et de l'efficacité d'échelle souvent requise dans la fabrication.
La chaîne d'approvisionnement pour la fabrication de batteries lithium-ion commence au plus profond du complexe chimique. Quelque part dans l'une des rues qui traversent l'usine se trouve un bâtiment quelconque où les ouvriers fabriquaient autrefois des produits chimiques utilisés dans les plastiques. Aujourd'hui, Dow en fait une usine de production des matériaux de cathode et d'anode nécessaires aux batteries lithium-ion. Toute personne qui entre doit enfiler une blouse blanche, envelopper ses chaussures dans des revêtements en papier et se soumettre à une douche à jet d'air conçue pour éliminer la poussière et les particules parasites. À l'intérieur, les poudres pour les cathodes et les anodes sont traitées dans de grands conteneurs conçus pour minimiser la contamination. Les matériaux seront expédiés à l'une des usines de batteries en construction ; bien que l'usine voisine de Dow Kokam ne soit pas obligée d'acheter les anodes et les cathodes de sa société mère, ce serait une solution naturelle.
Monter le feu : Le calcinateur, illustré, est essentiel dans la fabrication de poudres pour la céramique.
À l'instar d'Idelchik de GE, le directeur de la technologie de Dow, William Banholzer, reconnaît les risques liés à la mise à l'échelle des nouvelles technologies. Mais il dit que la taille et les poches profondes de Dow lui permettent de prendre des risques qui seraient difficiles pour les petites startups, et son infrastructure étendue lui permet d'intégrer efficacement les différents aspects du processus de fabrication. La taille de Dow lui a également permis de couvrir ses paris sur les batteries en pénétrant d'autres nouveaux marchés énergétiques. De l'autre côté du vaste complexe de fabrication de l'usine de Dow Kokam, elle construit une usine de fabrication d'énergie solaire, qui fabriquera des bardeaux de toiture intégrant des panneaux photovoltaïques à couche mince. L'échelle de l'énergie est si grande qu'il est très difficile de dire que l'énergie sera résolue par les petites entreprises, dit Banholzer. Ce n'est que lorsque vous avez réellement commencé à fabriquer que vous avez un aperçu de vos véritables coûts et de vos verrues, dit-il. Dans les entreprises énergétiques où une centrale de démonstration pourrait coûter 500 millions de dollars, le modèle de capital-risque s'effondre, ajoute-t-il. La grande question est : les petites entreprises peuvent-elles jamais rivaliser avec les grandes entreprises dans ce domaine ?
INSTINCTS DE SURVIE
C'est une question qui touche à l'un des enjeux clés de la relance du secteur manufacturier. Banholzer a sûrement raison de dire que les startups ne peuvent pas rivaliser avec la capacité de production d'un Dow ou d'un GE. Mais il est également vrai que les petites entreprises travaillent sur certaines de nos technologies les plus prometteuses, notamment à l'intersection des nouveaux matériaux et de l'énergie. Si ces technologies peuvent être produites de manière économique, elles pourraient considérablement élargir les marchés existants. Le défi pour les startups est donc de trouver un moyen de fabriquer leurs technologies en utilisant le savoir-faire de fabrication actuel tout en développant des produits suffisamment radicaux pour perturber les technologies établies.
Ann Marie Sastry pense clairement que sa startup peut faire exactement cela. Installé dans un petit parc industriel à Ann Arbor, Michigan, Sakti3 travaille sur une technologie de nouvelle génération pour les batteries à semi-conducteurs (voir TR10, mai/juin 2011) . La zone de fabrication à l'arrière des bureaux est strictement interdite aux visiteurs, tout comme les caméras et les questions lors d'une visite rapide des zones de test et de conception ; Le PDG Sastry révélera peu de détails sur la technologie, sauf pour dire que la batterie ne contient pas d'électrolytes liquides et que l'entreprise utilise un équipement de fabrication qui était autrefois utilisé pour fabriquer des sacs de croustilles. Mais elle est plus ouverte en expliquant comment la startup peut prospérer dans le secteur très compétitif des batteries avancées.
La stratégie commence par la reconnaissance que toute nouvelle technologie doit promettre des avantages bien au-delà de ce qui est possible avec les produits existants. Si vous commencez avec la technologie actuelle [lithium-ion], dit-elle, vous pouvez obtenir cinq, 10 ou 20 points de performance en peaufinant ce processus, mais vous devez accepter que vous n'obtiendrez jamais rien de transformateur. Mais doubler la densité énergétique des batteries pourrait avoir un impact énorme sur l'alimentation des appareils de communication, dit-elle, en particulier dans les zones avec peu d'accès à l'électricité pour une recharge fréquente. Les transports pourraient être touchés encore plus profondément. De nouvelles batteries avec une plus grande densité énergétique et un coût nettement inférieur pourraient porter la demande de véhicules électriques à un tout nouveau niveau, dit-elle.
Alors elle et ses collègues ont commencé avec le tableau périodique pour inventer une nouvelle batterie. Dès le début, l'entreprise savait que la technologie devait évoluer. Nous n'avons pas apporté une feuille de papier vierge à la fabrication, dit-elle. Nous avons commencé par une analyse des approches de fabrication qui ont été et pourraient être mises à l'échelle.
Rechercher dans le tableau périodique des matériaux susceptibles de renverser la technologie actuelle est une stratégie fréquente de nos jours pour les startups énergétiques en phase de démarrage. Gerbrand Ceder, un scientifique des matériaux au MIT, a lancé il y a plusieurs années un projet de génome des matériaux qui utilise des ordinateurs pour analyser et prédire les propriétés des matériaux dans l'univers chimique connu et espère créer une base de données ouverte d'informations. (Après que la Maison Blanche a annoncé son initiative Materials Genome, il a accepté de renommer son effort le Materials Project pour éviter toute confusion.) Un objectif majeur est d'identifier plus efficacement les matériaux qui conviennent à la fabrication.
Ceder a systématiquement analysé divers composés pour leur potentiel en tant que matériaux de batterie. À l'aide des outils informatiques développés par son projet de génome des matériaux, Pellion, une startup de Cambridge, dans le Massachusetts, qu'il a cofondée en 2009, a identifié de nouvelles cathodes pour une batterie à base de magnésium. Si cela fonctionne, dit Ceder, les batteries pourraient avoir le double ou le triple de la densité énergétique des batteries lithium-ion d'aujourd'hui. Tout aussi important, dit-il, ils pourraient alimenter la fabrication existante de batteries lithium-ion. Et c'est essentiel, dit-il, car si vous devez inventer un nouveau matériau qui peut remplacer l'existant, cela peut prendre de cinq à 10 ans, mais si vous devez également inventer un nouveau design, cela peut prendre 10 à 20 ans.
D'autres startups énergétiques prometteuses à un stade précoce reposent sur des efforts visant à contourner les limitations de fabrication bien connues. Par exemple, Alta Devices, une entreprise de Santa Clara, en Californie, dont les fondateurs comprennent des chercheurs de premier plan de Caltech et de l'Université de Californie à Berkeley, développe un moyen de fabriquer des cellules photovoltaïques en utilisant des films d'arséniure de gallium d'un micromètre d'épaisseur seulement. L'arséniure de gallium, qui est largement utilisé comme ingrédient dans les lasers et autres dispositifs photoniques, a de grandes propriétés optiques mais est trop cher pour la plupart des cellules solaires. La nouvelle technologie, cependant, utilise si peu de matériau que son prix n'est plus prohibitif. Alta Devices a passé ces dernières années à perfectionner le processus de production ; elle a lancé une ligne pilote pour fabriquer les matériaux photovoltaïques l'année prochaine et espère démarrer la production commerciale en 2013.
Alors que les risques et le coût de la mise à l'échelle des technologies énergétiques deviennent de plus en plus évidents, il devient courant pour les startups de considérer les aspects pratiques de la fabrication lorsqu'elles conçoivent leurs innovations. Mais comment une petite entreprise, même avec un matériau radicalement différent, espère-t-elle réussir sur des marchés solaires et batteries hautement concurrentiels qui nécessitent d'énormes investissements en capital ? S'associer avec une grande entreprise est une stratégie évidente. Alta Devices, par exemple, travaille avec Dow sur des matériaux de nouvelle génération pour les bardeaux solaires de l'entreprise chimique ; GM est un investisseur dans Sakti3. Pourtant, les startups énergétiques sont confrontées à la réalité intimidante selon laquelle la mise à l'échelle des innovations en opérations de fabrication réussies peut prendre des centaines de millions de dollars.
Il existe cependant au moins un exemple récent de réussite.
Avide de pouvoir: L'usine de batteries GE couvre un espace de la taille de trois terrains de football et demi et comprend des équipements énergivores tels que de grands fours. L'équipement électrique à droite alimente l'immense usine en électricité.
COURBE D'APPRENTISSAGE
Lorsque Yet-Ming Chiang a cofondé A123 Systems en 2001 sur la base de ses recherches au MIT sur les matériaux des batteries, il n'y avait pas de fabrication de batteries de pointe aux États-Unis. Bien que la plupart des travaux scientifiques qui ont conduit à l'invention des batteries lithium-ion aient été réalisés dans ce pays, y compris les progrès réalisés à l'Université du Texas, c'est Sony qui a commercialisé les batteries en 1991. Par la suite, les fabricants coréens et chinois ont fabriqué investissements importants dans la technologie. Avec quatre fois la capacité énergétique des batteries nickel-cadmium et deux fois celle des nouvelles batteries nickel-hydrure métallique, les batteries lithium-ion sont devenues la technologie dominante dans les appareils grand public, rendant possibles les petits et puissants téléphones portables et ordinateurs portables d'aujourd'hui.
Pendant ce temps, les deux principaux producteurs de batteries américains, Duracell et Eveready (maintenant appelé Energizer), ont essayé de développer leurs propres produits lithium-ion au cours des années 1990. Eveready est allé jusqu'à construire une usine à Gainesville, en Floride, mais alors même que l'usine se préparait à la production commerciale, le prix des batteries lithium-ion a chuté et l'entreprise a décidé qu'il était moins cher d'acheter des cellules auprès de producteurs japonais que de fabriquer les siennes. Il a quitté le secteur des batteries lithium-ion et Duracell a rapidement suivi.
Ainsi Chiang et ses collègues d'A123 ont construit une usine de fabrication à Changzhou, en Chine (voir Une startup électrisante, mai/juin 2008) . Cette décision ne visait pas à sous-traiter la production, dit Chiang, mais à acquérir le savoir-faire de fabrication nécessaire. Par la suite, A123 a acheté un fabricant sud-coréen afin de commencer à développer l'expertise nécessaire pour fabriquer les cellules plates requises pour les batteries de voitures électriques. Lorsque A123 a décidé qu'elle devait se rapprocher de ses clients automobiles potentiels à Detroit, elle a cloné l'usine coréenne de Livonia, dans le Michigan, et l'usine chinoise à quelques kilomètres de là à Romulus, grâce à une subvention de 249 millions de dollars du gouvernement fédéral. Grâce à cette stratégie, A123 a pu devenir un constructeur majeur dans un délai remarquablement court, construisant l'usine de Livonia en un peu plus d'un an et l'usine de Romulus en neuf mois.
L'entreprise est rapidement devenue l'une des startups énergétiques les plus en vue du pays et l'une des rares à avoir étendu sa technologie, construisant ce qu'elle prétendait en 2010 être la plus grande usine de batteries automobiles lithium-ion en Amérique du Nord. En 2009, il est devenu public, collectant environ 400 millions de dollars. Mais malheureusement pour ceux qui espèrent imiter un tel succès, les circonstances politiques et financières qui ont permis à A123 de récolter près d'un milliard de dollars d'investissements privés et publics sont révolues depuis longtemps.
L'une des leçons de l'A123 est exactement ce qu'il en coûte pour réussir, dit Chiang. Et on se demande combien de fois cela peut être reproduit. Dans le climat actuel, on se demande s'il y a une volonté de le faire encore et encore. Dans l'industrie biotechnologique, la voie de la commercialisation s'est éclaircie au fil des ans : établir des partenariats avec de grandes sociétés pharmaceutiques, atteindre les jalons attendus et se soumettre au processus d'approbation réglementaire requis pour les nouveaux produits. Mais ce n'est pas si simple pour les startups énergétiques, explique Chiang, dont la dernière startup, 24M, espère développer une technologie de batterie radicalement nouvelle. Les petites entreprises qui développent de nouvelles technologies énergétiques, dit-il, doivent encore le comprendre.
SPORTS D'ÉQUIPE
Ces jours-ci, l'usine de fabrication d'Evergreen Solar, vieille de trois ans, à Marlborough, dans le Massachusetts, est vide avec un grand panneau À louer devant. La faillite d'Evergreen en août, et de Solyndra un mois plus tard, a suscité de nombreuses critiques sur l'avenir de l'énergie solaire. En particulier, l'effondrement de Solyndra, un fabricant de la Silicon Valley qui avait reçu une garantie de prêt de 535 millions de dollars du gouvernement fédéral, a conduit à des critiques sur le rôle que le gouvernement a joué dans le soutien aux énergies renouvelables et, en particulier, son piètre bilan. dans la sélection des gagnants.
Le gouvernement a l'habitude de soutenir certaines pannes énergétiques notoires. Et la mise à l'échelle des nouvelles technologies est, bien sûr, risquée. Mais de telles critiques ont éclipsé les leçons sans doute plus intéressantes qui peuvent être tirées des faillites : à bien des égards, les échecs des entreprises en matière de stratégie et d'exécution étaient des échecs de fabrication. Leurs modèles commerciaux dépendaient de l'utilisation de technologies radicalement nouvelles pour réduire le coût de fabrication des panneaux solaires, ignorant le truisme selon lequel les nouvelles technologies ne sont au départ presque jamais moins chères que les processus existants bien optimisés. Et aucune des deux sociétés n'avait de produits suffisamment innovants pour inciter la plupart des clients à payer un prix plus élevé. Evergreen et Solyndra ont été confrontés à de nombreux changements inattendus sur le marché, parmi lesquels une baisse soudaine des prix du silicium et la surproduction de panneaux solaires, mais la capacité des entreprises concurrentes à continuer de réduire leurs coûts de fabrication de panneaux solaires plus conventionnels n'aurait pas dû être une surprise. (voir La machine solaire chinoise).
Il y a d'autres leçons de fabrication à tirer des effondrements de ces deux entreprises. L'innovation d'Evergreen s'articulait autour d'une seule étape du processus de production, un moyen de fabriquer des plaquettes de silicium à moindre coût. Pourtant, l'entreprise fabriquait et vendait des panneaux solaires complets - et ils étaient d'une taille différente de la norme de l'industrie, forçant ses clients dans la position indésirable de s'engager à long terme dans une technologie spécifique.
De même, Solyndra (l'une des ENFANTS des 50 entreprises les plus innovantes de 2010) a fait une série de faux pas de fabrication. Dans un dépôt auprès des régulateurs gouvernementaux en décembre 2009, la société a reconnu que notre équipement sur mesure peut prendre plus de temps et coûter plus cher à concevoir et à construire que prévu et peut ne jamais fonctionner comme requis pour répondre à nos plans de production. De tels mots d'avertissement sont souvent passe-partout dans ces documents, mais dans ce cas, ils étaient prémonitoires. En particulier, Solyndra a tenté de développer sa capacité de fabrication à un rythme rapide, en planifiant une deuxième usine de production alors même qu'elle agrandissait encore la première - et en perdant d'énormes sommes d'argent en raison de ses coûts relativement élevés. Rétrospectivement, il est évident que les deux sociétés ont développé leur fabrication beaucoup trop rapidement, avec une compréhension beaucoup trop faible de leurs processus de production uniques, de leur concurrence ou des exigences de leurs clients.
Un moyen d'éviter de telles erreurs est d'accroître la collaboration entre les entreprises développant de nouvelles technologies. La périphérie d'Albany ne sera jamais confondue avec la Silicon Valley, mais les noms des sociétés du College of Nanoscale Science and Engineering sont familiers à tous les acteurs de l'industrie des semi-conducteurs : Intel, IBM, TSMC, Applied Materials et Tokyo Electron. L'idée est que les installations partagées offrent une opportunité aux fabricants de puces, aux fournisseurs d'équipements et aux sociétés d'ingénierie de développer et d'évaluer leurs produits. L'année dernière, Sematech, le consortium américain de sociétés de semi-conducteurs, a déplacé ses opérations vers le complexe de 12 milliards de dollars. Sa plus récente initiative : aider à relancer l'industrie solaire américaine de la même manière qu'elle a aidé l'industrie des semi-conducteurs à reprendre pied dans les années 1980 et 1990.
L'une des leçons de l'échec de Solyndra est qu'il impliquait de parier sur une technologie très risquée et de dépenser des centaines de millions sur des processus de production non éprouvés, explique Pradeep Haldar, qui dirige le nouveau Consortium de fabrication photovoltaïque à Albany, un partenariat entre Sematech et CNSE. En revanche, dit-il, les fabricants de cellules solaires à couche mince peuvent utiliser l'infrastructure existante de l'usine d'Albany pour obtenir une vérification de la réalité, y compris les réactions des fournisseurs de matériaux et des clients potentiels.
Cette approche collaborative est attrayante même pour les grands fabricants tels que GE. L'innovation est un sport d'équipe, dit Idelchik, mais trop souvent aux États-Unis, nous essayons de le faire dans le vide. Des opportunités comme celles offertes au centre nanotechnologique d'Albany sont particulièrement importantes, estime-t-il, car les fabricants sont dans une période de transition. La récession mondiale qui a commencé en 2008 a laissé les entreprises avec d'énormes surcapacités, mais les coûts des matériaux et de la main-d'œuvre ont continué d'augmenter avec le niveau de vie dans des pays comme la Chine et l'Inde. Cela signifie qu'il n'est plus efficace d'essayer de réduire les coûts de fabrication, par exemple en recherchant une main-d'œuvre moins chère. Pour rester compétitives, dit Idelchik, les entreprises doivent passer à la fabrication à haut risque et à haut rendement de produits et de matériaux de pointe. Cependant, ajoute-t-il, une telle fabrication à haut risque nécessite un écosystème de fournisseurs, d'équipementiers et de clients.
Cet écosystème est essentiellement ce que Willy Shih de Harvard appelle les biens communs industriels. Quelle que soit la manière dont cela est décrit, c'est ce que les États-Unis ont perdu dans les écrans LCD et la photonique intégrée, ont presque perdu dans les batteries avancées et perdent rapidement dans les panneaux solaires en silicium. C'est ce que A123 et Dow tentent d'aider à reconstruire pour les batteries avancées dans le Michigan, ce que Sematech espère lancer pour les panneaux solaires à couche mince et ce que des startups comme Pellion, 24M et Alta Devices espèrent toutes pouvoir exploiter, puis éventuellement perturber .
La survie de ces startups dépendra, ironiquement, beaucoup de la robustesse et de la croissance des marchés qu'elles espèrent finalement remplacer. Pourtant, les biens communs industriels sont fragiles et leur survie dépendra à la fois des marchés et des politiques gouvernementales. La naissance de la fabrication de batteries de pointe dans le Michigan est en grande partie le résultat du soutien de l'administration Obama. Son succès dépendra du nombre de voitures électriques que GM et d'autres sont en mesure de vendre et si le gouvernement continue de fournir des incitations à l'industrie naissante, y compris le financement de la recherche. À plus long terme, sa santé pourrait très bien dépendre de sa capacité à adopter de nouvelles technologies vraiment innovantes dès les premières startups. Les conséquences se feront profondément sentir. Comme Shih l'a démontré, les États-Unis ont perdu à plusieurs reprises des secteurs manufacturiers clés et des compétences d'innovation connexes. Et sa liste des technologies à risque d'aujourd'hui est longue. Si les batteries de pointe, les technologies solaires et la fabrication de matériaux de pointe font encore plus de victimes, cela nuira sûrement à la capacité d'inventer les technologies futures.
Ces jours-ci, Yet-Ming Chiang passe au moins une partie de son emploi du temps chargé parmi les cabines exiguës de 24M, à cinq minutes à vélo de ses laboratoires du MIT. Il y a environ trois ans, alors qu'il travaillait chez A123 pendant un congé sabbatique du MIT, Chiang a commencé à réfléchir à ce à quoi pourrait ressembler la prochaine génération de technologie de batterie. Une grande partie des dépenses de fabrication des batteries lithium-ion est due à divers composants non actifs et au processus en plusieurs étapes de stratification des électrodes et des cathodes. Les pièces de stockage d'énergie réelles - les électrodes et l'électrolyte - représentent environ un cinquième du coût total. Et si, se demanda-t-il, vous pouviez concevoir une batterie qui se débarrasse des ingrédients qui ne stockent pas d'énergie et de l'assemblage coûteux de cellules et de modules ? Le résultat est la batterie à flux que 24M développe, dans laquelle les électrodes circulent sous une forme semi-solide. Un avantage potentiel de cette conception est que sa fabrication pourrait être beaucoup moins capitalistique. De plus, dit Chiang, il est conçu pour fonctionner avec la chaîne d'approvisionnement et l'infrastructure de fabrication existantes pour les batteries lithium-ion.
Chiang dit que son expérience avec l'A123 a été essentielle pour concevoir la nouvelle conception de la batterie. La meilleure façon de faire des recherches sur les batteries est de créer une entreprise de batteries, dit-il. En étant proche de la fabrication, vous reconnaissez ce qui peut avoir un impact. C'est l'argument qui explique pourquoi la fabrication est si importante dans ces régions en développement.
David Rotman est Examen de la technologie l'éditeur de.