Productieschaal: waarom een technologie die werkt in het lab nog niet werkt in de fabriek
Productieschaal is het vermogen om een technologie niet in enkele exemplaren, maar in duizenden of miljoenen exemplaren te maken, betrouwbaar en tegen een houdbare prijs. Een uitvinding die in een laboratorium perfect functioneert, is nog geen product. Pas als een fabriek diezelfde technologie dag in dag uit, foutloos en betaalbaar kan produceren, spreken we van productie op schaal.
Vergelijk het met bakken. Iedereen kan thuis één keer een perfecte cake maken. Maar duizend identieke cakes per uur bakken, met dezelfde smaak, structuur en houdbaarheid, vraagt om heel andere kennis: grondstoffen die altijd op tijd binnenkomen, ovens die precies dezelfde temperatuur aanhouden, en mensen of machines die fouten er meteen uit halen. Bij technologie als batterijen, chips of waterstofinstallaties geldt precies hetzelfde principe, maar dan met veel hogere inzet: fabrieken die miljarden euro's kosten en jaren bouwtijd vergen.
Wat is het precies?
Ontwikkelaars van nieuwe technologie doorlopen doorgaans een aantal stappen, die onderzoekers wel aanduiden met Technology Readiness Levels (TRL's), een schaal van 1 tot 9 die aangeeft hoe volwassen een technologie is. Bij TRL 1 tot 3 gaat het om fundamenteel onderzoek en een eerste werkend prototype op laboratoriumschaal, vaak een enkel exemplaar dat met de hand is gemaakt.
Daarna volgt de pilotfase (TRL 5-6): een kleine proeffabriek of testlijn waarop het proces herhaalbaar wordt gemaakt. Vervolgens komt de demonstratiefase, waarin een fabriek op middelgrote schaal laat zien dat het proces ook economisch kan werken. Pas bij TRL 9 is sprake van volledige commerciële productieschaal: een fabriek die continu, geautomatiseerd en tegen marktconforme kosten draait.
Bij elke stap groeit niet alleen het volume, maar verandert ook de aard van de uitdaging. Op laboratoriumschaal draait alles om de vraag: werkt het principe? Op productieschaal draait alles om herhaalbaarheid, toeleveringsketens van grondstoffen, automatisering en kostprijs per eenheid. Een belangrijk economisch verschijnsel hierbij is de leercurve: elke keer dat de cumulatieve productie verdubbelt, dalen de kosten met een min of meer vaste factor. Bij zonnepanelen is dit effect zo goed gedocumenteerd dat het een eigen naam heeft gekregen, de wet van Swanson, genoemd naar Richard Swanson, oprichter van zonnepanelenbedrijf SunPower: bij elke verdubbeling van de wereldwijd geproduceerde hoeveelheid zonnepanelen daalde de prijs historisch met ruwweg een vijfde.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel van opschaling is bijna altijd hetzelfde: een technologie betaalbaar en beschikbaar maken voor grootschalig gebruik. Een batterij die in het lab fantastische prestaties levert, heeft geen enkele impact op de energietransitie zolang er geen auto's of stroomnetten mee kunnen worden uitgerust. Hetzelfde geldt voor groene waterstof, nieuwe medicijnen of geavanceerde computerchips.
Daarnaast spelen strategische motieven mee. Landen willen niet afhankelijk zijn van een handvol buitenlandse fabrieken voor cruciale technologie zoals chips of batterijen. Dat verklaart waarom overheden de afgelopen jaren miljarden hebben uitgetrokken om productiecapaciteit binnen hun eigen grenzen te krijgen, denk aan chipfabrieken in de Verenigde Staten en Europa.
Ten slotte is opschaling ook een economische wedloop. Het bedrijf dat als eerste tegen lage kosten op grote schaal kan produceren, verovert doorgaans de markt en dwingt concurrenten om te volgen of af te haken. Dat maakt de stap van pilot naar fabriek niet alleen technisch, maar ook financieel en strategisch spannend.
Voorbeelden uit de praktijk
Tesla opende in 2016 zijn Gigafactory in Nevada, in samenwerking met batterijproducent Panasonic, om batterijcellen op een schaal te maken die tot dan toe ongekend was in de auto-industrie. Het woord 'gigafactory' zelf verwijst naar een productiecapaciteit uitgedrukt in gigawattuur per jaar, en is inmiddels een gangbare term geworden voor grootschalige batterijfabrieken wereldwijd.
Chipmaker TSMC uit Taiwan, wereldleider in het produceren van chips voor andere bedrijven, kondigde in 2020 aan een fabriek te bouwen in Arizona. De bouw en opstart bleken lastiger en trager dan gepland: de eerste productie startte pas enkele jaren later dan aanvankelijk voorzien, mede door tekorten aan gespecialiseerd personeel en hogere kosten dan in Taiwan.
Het Zweedse batterijbedrijf Northvolt, opgericht in 2016, bouwde met de Northvolt Ett-fabriek in Skellefteå een van de eerste grote Europese batterijgigafabrieken. Het bedrijf liep echter vast op de combinatie van hoge kosten, productieproblemen en tegenvallende vraag, en vroeg eind 2024 in de Verenigde Staten surseance van betaling aan onder hoofdstuk 11 van de Amerikaanse faillissementswet. Het voorbeeld laat zien dat opschaling ook kan mislukken, zelfs met een technologie die op kleinere schaal al bewezen was.
Een positiever voorbeeld van snelle opschaling is dat van de mRNA-vaccins tegen covid-19. Pfizer/BioNTech en Moderna gingen in 2020 binnen enkele maanden van laboratoriumhoeveelheden naar de productie van miljarden doses in 2021, een tempo dat in de farmaceutische industrie voordien ondenkbaar werd geacht en alleen mogelijk was door enorme, vooraf gefinancierde investeringen in productiecapaciteit.
Ook in de waterstofsector wordt gewerkt aan opschaling van elektrolysers, de apparaten die met stroom water splitsen in waterstof en zuurstof. Fabrikanten zoals het Duitse Thyssenkrupp Nucera bouwen aan fabriekscapaciteit om elektrolysers voortaan op gigawattschaal per jaar te kunnen produceren, in plaats van de veel kleinere installaties van enkele jaren geleden.
Hoe ver is de techniek?
De mate van opschaling verschilt sterk per technologie. Batterijen voor elektrische auto's en zonnepanelen zijn inmiddels op wereldschaal geproduceerd, met China als verreweg grootste producent van beide. De kosten zijn de afgelopen vijftien jaar spectaculair gedaald, precies zoals de leercurve voorspelt.
Geavanceerde chipproductie, met name de allerkleinste en snelste chips, blijft daarentegen geconcentreerd bij een handvol bedrijven, vooral TSMC en Samsung, omdat de benodigde fabrieken tientallen miljarden euro's kosten en extreem specialistische kennis vereisen. Nieuwe fabrieken buiten Azië, zoals in de Verenigde Staten en Duitsland, komen wel van de grond, maar met vertragingen en hogere kosten dan gehoopt.
Groene waterstof zit grotendeels nog in de fase tussen pilot en eerste commerciële schaal. Er staan wereldwijd wel grote projecten op de tekentafel, maar veel daarvan zijn de afgelopen jaren vertraagd of geschrapt omdat de vraag achterbleef en de kosten hoger uitvielen dan verwacht.
De belangrijkste obstakels bij opschaling zijn steeds vergelijkbaar: de enorme kapitaalbehoefte, tekorten aan grondstoffen zoals lithium en zeldzame aardmetalen, een tekort aan geschoold technisch personeel, trage vergunningsprocedures en aansluiting op het elektriciteitsnet, en onzekerheid over de vraag of er straks wel voldoende afnemers zijn tegen een prijs die de investering rendabel maakt.
Wie werken eraan?
In de chipindustrie zijn TSMC, Samsung en Intel de belangrijkste producenten die op de grootste schaal opereren. Het Nederlandse bedrijf ASML uit Veldhoven speelt daarbij een sleutelrol: het is wereldwijd de enige leverancier van de meest geavanceerde lithografiemachines, apparatuur die onmisbaar is om chips op grote schaal te kunnen maken.
Op het gebied van batterijen domineren Aziatische bedrijven als CATL, BYD en LG Energy Solution, terwijl Tesla en het noodlijdende Northvolt de belangrijkste westerse spelers zijn. Bij zonnepanelen lopen Chinese fabrikanten zoals LONGi ver voorop.
In de waterstofsector zijn onder meer Thyssenkrupp Nucera, Nel Hydrogen en Cummins actief met de opschaling van elektrolysers. Onderzoeksinstituten zoals het Belgische imec (chips), het Duitse Fraunhofer-Gesellschaft en het Nederlandse TNO ondersteunen bedrijven bij de stap van laboratorium naar fabriek, onder meer met pilotlijnen waarop nieuwe processen op iets grotere schaal getest kunnen worden voordat een bedrijf de volledige investering waagt.
Op beleidsniveau proberen de Verenigde Staten, met de in 2022 aangenomen CHIPS and Science Act, en de Europese Unie, met de in 2023 van kracht geworden Chips Act, met overheidssubsidies bedrijven te verleiden om productiecapaciteit binnen hun grenzen te bouwen, uit vrees voor te grote afhankelijkheid van Aziatische fabrieken.