PhotovoltaicsSmart Industries

15 min

Industrie 4.0 kan Europese PV-sector doen herleven

Imec-experts op het vlak van zonne-energie en industriële ontwikkelingen Eszter Voroshazi, Kris Van de Voorde en Jef Poortmans richten hun blik op de toekomst: welke uitdagingen en kansen staan de PV-sector te wachten met Industrie 4.0?

Scroll

Dit artikel is een aangepaste versie van een recent gepubliceerde visiepaper in Photovoltaics International Magazine.

Wat is Industrie 4.0?

De term Industrie 4.0 werd voor het eerst in Duitsland gebruikt, in 2011. Sindsdien doet hij dienst als een vergaarbak voor alles wat te maken heeft met geavanceerde industriële digitalisering en procesautomatisering. In dit artikel geven we een specifieke invulling aan Industrie 4.0: de overdracht van (aanzienlijke hoeveelheden) manueel of automatisch gegenereerde data tussen stakeholders in een productiewaardeketen, op een geautomatiseerde en dynamische manier. Dit betekent dat relevante parameters van de ontwerp- tot de installatiefase worden gemonitord en uitgewisseld. En daarenboven dat de data automatisch worden geüpdatet zodra er iets verandert en dat AI-algoritmes (artificiële intelligentie) ook alle gevolgen bewaken van wijzigingen op onderling verbonden processen.

We kunnen dit concept verduidelijken aan de hand van een hypothetisch en sterk vereenvoudigd scenario voor de zonnepanelensector. 

Denk aan een architect die een gebouw ontwerpt en daarvoor geïntegreerde zonnepanelen (Building Integrated Photovoltaics of BIPV) nodig heeft, met specifieke afmetingen en energiecapaciteit. Als resultaat van de ontwerpfase komt alle relevante informatie in een digitaal bestand. Dit wordt de centrale referentie waaruit iedereen die verderop betrokken is bij de productie en installatie informatie kan gaan putten. Tijdens het bouwen merkt de architect dat er van de oorspronkelijke bouwplannen moet afgeweken worden en dat dit ook gevolgen heeft voor de BIPV-modules. Wanneer de architect dan de nieuwe informatie aan het digitaal bestand toevoegt, krijgen de BIPV-fabrikant en zijn leveranciers automatisch een update met de nieuwe specificaties. 

Het systeem werkt ook in de andere richting: als in-line tests tijdens de zonnepanelenproductie afwijkende elektrische parameters opleveren, krijgt de architect automatisch een waarschuwing. De AI-module geeft hem meteen ook suggesties om met deze afwijking om te gaan. Bijvoorbeeld door elders in het ontwerp of energiemanagement van het gebouw te compenseren. Of door het eisen van een nieuwe productierun.

Dit artikel zal duidelijk maken dat Industrie 4.0 een begrip met veel facetten is. Het beschreven scenario illustreert dat het in elk geval veel verder gaat dan on-site automatisering. Bovendien is Industrie 4.0 meer een transitie dan een concreet gedefinieerde toestand of einddoel. Net als alle andere sectoren zal ook de PV-sector Industrie 4.0 in toenemende mate omarmen. Het heeft daarbij weinig zin om proberen vast te stellen “of je er al bent”. Wij zien twee belangrijke (en met elkaar verbonden) indicatoren voor de waarde en maturiteit van Industrie 4.0 in om het even welke sector: in welke mate genereert Industrie 4.0 nieuwe inkomstenmodellen en welke veranderingen doen er zich voor in de waardeketen (fusies, nieuwe spelers die hun opwachting maken, bestaande die irrelevant worden enz.).

Industy 4.0 in all its facets according to a study “Industry 4.0: hype or reality?” by PWC and FlandersMake (©PWC)

Industrie 4.0 in al zijn facetten, volgens de studie “Industry 4.0: hype or reality?” van PWC en FlandersMake (©PWC)

Kansen voor de Europese zonne-energiesector

De groei van de zonnepanelensector steunt enerzijds op de uitbreiding van de productiecapaciteit en anderzijds op maximale standaardisatie om aan lage kost zonne-energiecentrales te kunnen realiseren. De Aziatische spelers tonen op dit domein hun meesterschap. Maar bij de productie van PV-producten voor nieuwe markten zoals BIPV gelden fundamenteel andere regels en is een hechte band met lokale stakeholders en klanten essentieel. Dit biedt nieuwe kansen voor spelers in Europa. Om de doelstellingen te bereiken van lokale wetgevingen en van de Europese richtlijn op bijna-energieneutrale gebouwen (Nearly zero-energy buildings of NZEB) moeten we in Europa ons stedelijk patrimonium grondig gaan renoveren. De huidige praktijk om bijna-energieneutrale woningen te bouwen is bovendien ontoereikend om tegen 2050 de doelstellingen inzake de verlaging van de CO2-uitstoot te halen. Dit vraagt om de verdere ontwikkeling van het concept van ‘plus-energiewoningen’, die meer energie produceren dan ze verbruiken.

Uitgangspunten in onze visie

Voor de eenvoud beperken we onze bespreking van de transitie van de zonne-energiesector naar Industrie 4.0 in eerste instantie dan ook tot toepassingen in gebouwen. Vooral in de EU is dit immers een snelgroeiende markt. Ook beschrijven we onze scenario’s voor kristallijne zonnepanelen, die wereldwijd 95% van de PV-markt voor hun rekening nemen. En tot slot geven we een centrale rol aan de fabrikanten van zonnepanelen. Dankzij Industrie 4.0 zien we voor hen een kans om Europa opnieuw een groter aandeel laten opeisen in de wereldwijde PV-waardeketen.
Laat ons op basis van deze uitgangspunten eerst overlopen welke stakeholders hierbij betrokken zullen zijn en hoe zij kunnen bijdragen aan de transitie.

Software maakt van de architect een energie-expert

Zoals gezegd, begint het hele verhaal waarschijnlijk bij de architect. Die kijkt traditioneel vooral naar de functionele en esthetische aspecten van het gebouw dat hij ontwerpt. En hij moet rekening houden met de wetgeving inzake energieprestaties.

Een Industrie 4.0-omgeving maakt het mogelijk om deze redenering om te keren en energieprestaties als uitgangspunt te nemen bij het ontwerpen van gebouwen. Het Barcelona Forum, geopend in 2004, is waarschijnlijk het eerste voorbeeld van een dergelijke aanpak waarbij de energie-aspecten leidend zijn voor het gehele ontwerpproces. Dankzij Industrie 4.0 zullen architecten over software beschikken die hen hierbij helpt en hun ontwerpen omzet in CAD-bestanden (of andere digitale output) die gebruikt kunnen worden in de productieketen. Wanneer dergelijke oplossingen gemeengoed worden in de PV-sector, krijgen architecten dus een extra dimensie aan kennis. Dergelijk ‘assisted design’ in de bouwsector zou ook de aanvaarding van BIPV onder architecten kunnen bevorderen. Voor architecten zou BIPV een soort ‘slim of speciaal glas’ worden en de software zou onmerkbaar het hele elektrische gedeelte van het ontwerp voor zijn rekening nemen. 

Nieuwe technologieën en partnerships voor de assemblage van modules

Zodra de PV-moduleleverancier de digitale bestanden van de architect ontvangt, kan hij onderdelen bestellen en de productie plannen. Of nog beter: de AI-software heeft dat mogelijk al in zijn plaats gedaan. Dit leidt ook tot betere samenwerking van de modulefabrikant met zijn glasfabrikant en leveranciers van zonnecellen, interconnecties en laminatiematerialen. 

Innovations in interconnect- and lamination technologies, such as this fabric-based foil (left), could ease customization and integration (right) in an Industry 4.0 scenario.

Innovaties in de interconnectie- en laminatietechnologieën, zoals deze op textiel gebaseerde folie (links), zouden maatwerk en integratie (rechts) in een Industrie 4.0 scenario gemakkelijker kunnen maken.

Imec onderzoekt momenteel de mogelijke toepassing van een op textiel gebaseerde folie met geïntegreerde interconnecties als laminatiefolie. Deze zou als voordeel hebben dat hij de vorm van het glas en de module kan aannemen, waardoor maatwerk veel gemakkelijker wordt. Dit betekent ook dat textielfabrikanten voortaan een rol zullen spelen in de productie van zonnepanelen. En bijgevolg moet het digitale bestand in ons Industrie 4.0 scenario dan ook parameters bevatten voor het weven enz. Niet toevallig zien we in dit hele verhaal talrijke nieuwe kansen voor softwareontwikkelaars, die een centrale rol zullen innemen in Industrie 4.0.

Als alle onderdelen zijn besteld en geleverd, kan het assemblageproces beginnen. Op maat gemaakte PV-modules vragen nu nog veel manuele ingrepen, in tegenstelling tot de al goed ingeburgerde volautomatische productietechnologieën voor standaardcellen en -panelen. 

 Zodra automatisatietechnologieën ingezet worden worden voor maatwerkproductie, kunnen ook hier de processtromen worden geoptimaliseerd (al dan niet met behulp van AI). 

Dit kan bijvoorbeeld door de productiebatches slim te combineren en te plannen op basis van de individuele eisen in de assemblagelijn. Ook de kwaliteit zal flink stijgen door automatisering. Barsten en andere fouten die ontstaan door het handmatig manipuleren van reeksen cellen kunnen dan worden vermeden. Op dezelfde wijze zullen beter gecontroleerde en homogene trekkrachten bij het aanbrengen van de laminatiefolies het aantal breuken beperken. Momenteel start bij imec het TWILL BIPV onderzoeksproject dat precies deze aspecten onderzoekt. Een centraal onderdeel van het project is een pilootlijn van 12 meter voor de geautomatiseerde assemblage van op maat gemaakte zonnepanelen.

Technisch zijn er geen noemenswaardige obstakels voor het automatiseren van op maat geassembleerde modules. Maar door de lage productievolumes is dit soort automatisering economisch nog niet lonend voor moduleproducenten. De transitie naar volautomatische assemblage zal pas gerechtvaardigd zijn als een aantal early adopters opduiken. Denk aan een grote projectontwikkelaar die totale ontwerpvrijheid wenst en een groot aantal PV-modules op maat nodig heeft.

Large-scale projects can kick-off the market for customized BIPV and thereby justify the transition to automated production and assembly.

Grootschalige projecten kunnen de markt voor BIPV op gang trekken en de transitie naar geautomatiseerde productie en assemblage lonend maken. Links: Cité de la Musique, Parijs, Shigeru Ban Architects, BIPV door ISSOL | Midden: Franse ministerie van Defensie, Parijs, ANMA Architects, BIPV door ISSOL (© Agence Nicolas Michelin & Associés) | Rechts: Financiëntoren, Luik, Jaspers Eyers Architects, BIPV door ISSOL ©P.Andrianopoli (Beelden ter beschikking gesteld door ISSOL).

Hierbij verliezen we niet uit het oog dat het hierboven geschetste scenario voor moduleassemblage verschillende nuances zal hebben naarmate BIPV technologie evolueert of wanneer andere technologie (zoals geprinte elektronica of organische PV) om de hoek komt kijken. Maar het resultaat zal uiteindelijk hetzelfde zijn: aan het eind van de productie ontstaan op maat gemaakte PV-modules die klaarstaan voor vervoer naar het bouwterrein.

Een gerobotiseerd bouwterrein

Op dat bouwterrein ontmoeten we opnieuw verscheidene relevante stakeholders. Om te beginnen is het transport van grote glaspanelen naar het bouwterrein binnen een strakke planning al een uitdaging op zich. Allerlei productie- en verkeersfactoren kunnen de planning immers beïnvloeden. Ook bij de bouwvakkers en elektriciens op het terrein vallen er fundamentele aanpassingen te verwachten door Industrie 4.0. Zal de elektricien nog verantwoordelijk zijn voor het elektrisch ontwerp? Misschien ontvangt hij een kant-en-klaar schema van een van de softwaremodules en moet hij enkel nog de kabels leggen. Of zullen robotkranen de PV-modules en alle bedrading volautomatisch plaatsen?

Vervolgens moeten op het bouwterrein ook alle randapparaten, zoals omvormers en batterijen, worden geïnstalleerd. In het Industrie 4.0 scenario worden die eveneens op maat besteld volgens de automatisch berekende systeemvereisten. Technische evoluties in dit domein zullen ook tot modulaire oplossingen leiden. Nu moet je vaak een te zware omvormer aansluiten, enkel om te vermijden dat je systeem bij occasionele piekmomenten uitvalt. Modulaire systemen zullen het mogelijk maken om ze gedurende hun hele operationele levensduur flexibel aan te passen aan de reële energieprestaties van het gebouw. 

Ten slotte speelt ook het onderhoud een rol. Aangezien Industrie 4.0 doorheen de hele productieketen de relevante data logt en eenvoudig beschikbaar stelt, worden die een belangrijke input voor het gebouwbeheer (BIM – Building Information Management). Aspecten zoals predictive maintenance en prestatieanalyses zullen hierdoor efficiënter verlopen.

Databeheer outsourcen aan een vertrouwde tussenpersoon

In elk Industrie 4.0 scenario fungeren de data als smeerolie. Maar wie is eigenaar van de data en wie beheert ze? Om Industrie 4.0 te laten functioneren zullen stakeholders die nu nog concurrenten zijn data met elkaar moeten delen. Dat betekent bijvoorbeeld dat machinefabrikanten die productiegegevens met elkaar delen automatisch ook gevoelige informatie meesturen over bepaalde machinespecificaties of -instellingen, of dat deze informatie in elk geval kan afgeleid worden. Daarom zullen volgens ons nieuwe stakeholders op het toneel verschijnen, die als vertrouwde tussenpersoon de data zullen anonimiseren en de informatiestromen beheren. Ook de wetgever zal op dit domein initiatieven moeten nemen.

Net zoals data niet op zichzelf staan, behoort de energie van een gebouw tot een groter geheel. Industrie 4.0 scenario’s moeten daarom vroeg of laat ook met deze meer holistische context rekening houden. Terwijl de productie en het verbruik van energie lokaal wordt geoptimaliseerd in de ontwerpfase van het gebouw (bijv. door rekening te houden met de schaduwen), moeten ook de energiestromen over het net worden geoptimaliseerd. De conclusie luidt dus dat er protocols nodig zullen zijn voor slimme communicatie tussen de diverse BIM’s en de systemen van de netbeheer.

De lineaire productiehiërarchie doorbreken

Wie naar de waardeketenoptimalisatie bij de assemblage van PV-modules kijkt, merkt dat die nogal wat overeenkomsten met de autosector vertoont. Decennialang is die sector geëvolueerd naar steeds meer integratie van de autoconstructeurs zelf, hun leveranciers en hun distributie- en dealernetwerk, tot bij de klant.

Maar vóór de PV-sector deze evolutie begint na te bootsen, moeten we inzien dat ook de autosector constant in evolutie is. Thomas Müller, Executive Vice President bij Audi, liet tijdens zijn presentatie op het Imec Technology Forum in mei 2018 zien dat de constructeur de vrij lineaire hiërarchie van leveranciers van tier 1 tot 4 en de bijbehorende samenwerking en partnerships wil doorbreken. Zijn argument luidde dat de autoconstructeurs veel nauwer en directer moeten samenwerken met halfgeleiderbedrijven. Die bedrijven zitten nu bijna altijd in tier 4 en staan dus niet echt hoog op de agenda van de constructeur. Thomas Müller illustreerde zijn argument met het voorbeeld van een elektronisch onderdeel in de portiergrepen, dat dankzij rechtstreekse interactie tot 20% van zijn oorspronkelijke grootte kon worden verkleind. Dit gaf de ontwerpers aanzienlijk meer ontwerpvrijheid. Net zoals de autosector moet de PV-sector zijn partnerships met deze en andere leveranciers herstructureren en versterken.

Proeftuinen als essentiële testomgevingen

Voor een beter begrip van deze en andere facetten van de transitie naar Industrie 4.0 is imec momenteel betrokken bij verscheidene ‘living labs’ of proeftuinen in Vlaanderen. Imec werkt daarbij in veel gevallen nauw samen met Flanders Make, het strategisch onderzoekscentrum voor de maaksector. In de proeftuinen wordt ook onderzoek verricht naar aspecten zoals:

  • Connectiviteit (tags, drones en andere technologieën voor lokalisatie en procesoptimalisatie binnenin gebouwen), 
  • Co-bot samenwerking (bijv. om te zoeken naar de optimale cognitieve belasting van operators in hun omgang met industriële robots),
  • Energie (bijv. hoe bereik je een evenwicht tussen de enorme hoeveelheden data die worden geproduceerd en de stijgende energiebehoeften van grote datacenters),
  • Rekenkracht (bijv. slimme dataselectie en distributie over edge- en cloud-computing), 
  • Uitdagingen voor slim onderhoud en de circulaire economie (met o.a. recycling, hergebruik en andere end-of-live scenario’s).

Dergelijke proeftuinen zullen steeds belangrijker worden voor de ontwikkeling van nieuwe samenwerkings- en partnershipstructuren die deel uitmaken van de transitie naar Industrie 4.0. Ze zullen ook nuttig zijn om na te gaan welke richtingen niet alleen duurzaam zijn, maar ook economische waarde opleveren. Een mooi voorbeeld hiervan in de context van de circulaire economie is afkomstig van Atlas Copco, wereldwijd een toonaangevende leverancier van compressoren, afzuiginstallaties, luchtbehandelingssystemen enz. Deze onderneming neemt al vele jaren gebruikte installaties van klanten terug en verkoopt die na revisie aan andere klanten, die niet noodzakelijk de meest geavanceerde producten nodig hebben. Waarom zou een gelijkaardig businessmodel niet opgaan voor zonnepaneleninstallaties? Imec verkent samen met de H2020 CIRCUSOL-projectpartners de technische en commerciële aspecten van de circulaire economie op het domein van zonnepanelen en batterijen.

Doorbraak van PV op nieuwe markten

Nieuwe businessmodellen en partnerships en een aanzienlijke vooruitgang in de bouwsector zijn maar enkele voordelen die Industrie 4.0 kan brengen voor de PV-sector. Industrie 4.0 zou volgens velen ook tot de definitieve doorbraak van PV op nieuwe markten kunnen leiden, zoals de luchtvaart, de autosector en de scheepvaart. Op al deze markten bestaat een groeiende trend naar elektrisch aangedreven voer- en vaartuigen. Nochtans kan PV op deze markten pas echt belangrijk worden als een aantal knelpunten worden opgelost. Een van de belangrijkste redenen waarom zonne-energie op deze markten nog achterophinkt, is het gebrek aan maatwerk en integratie. In de voertuigen zelf, maar bijvoorbeeld ook voor PV-gebaseerde laadstations. Als Industrie 4.0 er zoals beschreven voor kan zorgen dat de PV-sector op deze twee domeinen een grote sprong voorwaarts maakt, dan zou zonne-energie ook in deze nieuwe sectoren eindelijk een rol van betekenis kunnen spelen. En dan hebben we het nog niet eens over de mogelijkheden die worden gecreëerd door de overvloed aan sensoren voor het Internet of Things (IoT) en Industrie 4.0 toepassingen in andere sectoren. Het lijkt onwaarschijnlijk dat al deze sensoren hun energie uit batterijen zullen halen. Tegelijk ligt het voor de hand dat PV alleen maar een belangrijke rol zal kunnen vervullen als de technologie drastisch op de behoeften van deze sensoren wordt toegesneden.

Conclusie: verstandig evolueren naar Industrie 4.0

Het lijkt erop dat de transitie naar Industrie 4.0 voor de PV-sector vrijwel evenveel kansen als uitdagingen inhoudt. Het is vrijwel onmogelijk om de volledige complexiteit van de evolutie in kaart te brengen, laat staan dat we de volgorde zouden kunnen voorspellen van de gebeurtenissen die de PV-sector het Industrie 4.0 tijdperk zullen binnenleiden. Maar we kunnen wel enkele vuistregels op een rijtje zetten.

Een van deze regels luidt dat je de keuzes die je maakt altijd moeten afwegen tegen de waarde die ze zullen opleveren. Bij deze afweging hanteer je best zowel economische parameters (zal de keuze het bedrijf meer of nieuwe commerciële activiteiten opleveren) als duurzaamheidscriteria (zal de keuze leiden tot een gezondere planeet met gezondere mensen). Om dergelijke keuzes te vergemakkelijken moeten sommige fundamentele aspecten in de waardeketen worden herbekeken. Proeftuinomgevingen kunnen dit proces ondersteunen.

Als we de juiste beslissingen nemen, zou Industrie 4.0 tot een heropleving van de Europese PV-sector kunnen leiden. En we zijn van mening dat ons Europese ecosysteem wereldwijd het beste geplaatst is om deze holistische uitdaging aan te gaan.
 

Meer weten? 

 

Biografie Eszter Voroshazi

Dr. Eszter Voroshazi is the group leader of PV system activities at imec on the EnergyVille  campus. This research group focuses on innovative PV-module and powerelectronic technologies and energy-yield simulations for integrated PV systems. She received her engineer certification from INSA de Rennes (2008) and her Ph.D. from KU Leuven(2012).

Biografie Kris Van de Voorde

Kris Van de Voorde is the innovation program manager at imec. With a focus on clusters and transitions, he is initiating and supporting Industry 4.0 and circular-economy-related projects. He holds a master’s in electrical engineering (UGent), a third degree in industrial management (KU Leuven) and an MBA (Vlerick Business School).

Biografie Jef Poortmans

Dr. Jozef Poortmans is an imec Fellow and has been the scientific director of imec PV and energy activities since 2013. He is a part-time professor at KU Leuven and UHasselt, and is also the R&D strategy coordinator of EnergyVille, a partnership between imec, VITO, KU Leuven and UHasselt, which focuses on smart cities and smart grids.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies