Produktionsmonitoring: MES als Basis für die Energiewende?

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Der Einsatz eines Manufacturing Execution Systems ist die Voraussetzung für eine effiziente und ressourcenschonende Produktion. Damit unterstützt die Software auch die Nachhaltigkeit und wirtschaftliche Umsetzung der Energiewende.

Produktionsmonitoring in der Praxis: Vor 15 Jahren war Deutschland der Vorreiter im Photovoltaik-Markt. Maschinenbau und Produktion für Photovoltaik (PV) erlebten ihren Höhepunkt und öffneten einen neuen Markt, der sich nicht nur ökonomischen, sondern auch ökologischen Zielen widmete. Lokale Unternehmen entwickelten neue Technologien, um den Wirkungsgrad wie auch die Herstellung in großen Stückzahlen zu optimieren. Der wachsende Bedarf und der technologisch bereitete Weg befeuerten auch den globalen Konkurrenzkampf. Mit staatlicher Unterstützung und strategischem Vorgehen erarbeitete sich China eine marktbeherrschende Stellung in der Produktion von PV-Zellen und -Modulen.

Neue Softwarelösungen für das Produktionsmonitoring

Der heutige Markt ist geprägt von neuen Technologien, während Anpassungen in den Lieferketten die Marktbedingungen grundlegend verändern. Neben den kostenoptimierten PV-Modulen aus China finden auch auf Wirkungsgrad und Qualität optimierte PV-Module ihre Abnehmer. Zusätzlich ermöglichen neue Softwarelösungen und der hohe Automatisierungsgrad die Relativierung des Standortvorteils von China.

Zweite Renaissance der PV-Herstellung

Der politisch enorm beschleunigte Wechsel von fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Erdgas zu erneuerbaren Energien und die angespannte Situation der Lieferketten aus China, ermöglichen eine zweite Renaissance der PV-Industrie in Deutschland, Europa und den USA. Unternehmen, die den rauen Wettbewerb der vergangenen Jahre überlebt haben, wie auch Startups erobern mit hocheffizienten Modulen und attraktiven Preisen den globalen Markt oder finden in Spezialanwendungen ihren Kundenkreis. Die weltweit installierte PV-Kapazität betrug im März 2022 etwa 1 TW. Die EU allein erreichte bereits Ende 2021 eine Kapazität von 170 GW. Nichtsdestotrotz fehlt noch weit mehr Kapazität, um das in Paris gesetzte 2-Grad-Ziel zu erreichen. Dabei spielen besonders Produktionskapazitäten in Europa und den USA eine wichtige Rolle. Europa plant den Ausbau der PV-Produktionskapazitäten auf 30 GW bis 2025. Unterstützt werden diese Pläne durch Initiativen der Europäischen Union wie ESIA (European Solar PV Industry Alliance), REPowerEU oder ESMC (European Solar Manufacturing Council). Die USA ebnet den Weg zum Ausbau durch den Inflation Reduction Act (IRA), der der Branche rund 370 Milliarden US-Dollar durch Steuerbegünstigungen einbringt. Die US-Pläne zum Ausbau der Produktionskapazität belaufen sich auf 10 GW bis 2025 und 50 GW bis 2030.

Produktionsmonitoring und mehr: Anforderungen bei der Produktion von PV-Technologie

Die Produktion von Technologien wie Solarzellen, Elektrolyseuren und Batterien erfordert eine hohe Präzision und Kontrolle des Produktionsprozesses. Besonders im Bereich der Zellenfertigung für PV-Module geht es um die Herstellung hoher Stückzahlen mit gleichbleibender Qualität. Um diese Anforderungen zu erfüllen, setzen Produzenten auf MES (Manufacturing Execution System). Denn eine MES-Lösung ermöglicht die Steuerung und Überwachung des Produktionsprozesses sowie deren laufende steuernde Optimierung. Hierbei werden Daten in Echtzeit erfasst – von der Auftragsfreigabe bis zur Fertigstellung. Gleichzeitig wird Ausschuss vermieden und der Verbrauch von Ressourcen geschont, was zu einem nachhaltigen Beitrag bei der Herstellung neuer Technologien in Serie führt.

Dabei ist jede Verbesserung des Wirkungsgrades oder Erhöhung der Produktionskapazität entscheidend für den Markterfolg. Mit den steigenden Anforderungen wächst auch der Bedarf nach branchenspezifischen MES-Lösungen. So bietet beispielsweise die Lösung FabEagle MES der Kontron AIS GmbH Funktionen wie „Virtual-Single-Product-Tracking“, um die Herausforderungen und die schnelle Skalierung von Produktionsstandorten zu meistern. Funktionen und Module eines auf PV spezialisierten MES decken die Bereiche Rückverfolgbarkeit, Produktionssteuerung und Transparenz ab.

Die Rolle von MES in der PV- und Batterieproduktion

Ein wichtiges Merkmal ist die sichere Erfassung von Prozess- und Equipment-Daten über branchenspezifische Schnittstellenstandards wie SECS/GEM, PV02 oder OPC UA, um Anlagenzustände und -daten, Materialbewegungen oder Prozessparameter zuverlässig zu erfassen. Zudem empfiehlt sich die Verwendung spezifischer Befehle für die Material- und Werkstückträgerverriegelung. Diese verhindern eine falsche Materialhandhabung und steuern die ordnungsgemäße Ausführung der Schritte in den vorhandenen Arbeitsplänen.

Unbedingt erforderlich ist eine komplette Materialverfolgung und -rückverfolgung. Sie stellt nicht nur korrekte Bestandsdaten sicher, sondern gewährleistet auch eine durchgängige Rückwärts- und Vorwärtsgenealogie. Die Rückverfolgung beginnt in der PV-Modulproduktion mit dem fertigen Solarmodul und kann bis zu den Solarzellen, Wafern, Ingots, Kristallen, Rohsilizium sowie den Verbrauchsmaterialien für die Herstellung eines Moduls zurückgehen. Die Vorwärtsverfolgung startet mit dem Rohsilizium und führt zu allen fertigen Solarmodulen, die aus einer bestimmten Siliziumcharge hergestellt wurden.

Sollen der Bestand an Halbfertig- und Fertigprodukten und der damit verbundene Verbrauch an Roh- und Betriebsstoffen verfolgt werden, ist eine Echtzeit-Verbindung des MES zum ERP-System für einen kontinuierlichen Austausch von Stammdaten, Arbeitsaufträgen, Produktionsfortschritten und Qualitätsinformationen unerlässlich. Die so erfassten Anlagendaten lassen sich direkt zur Berechnung von KPIs wie Overall Equipment Effectiveness (OEE) verwenden, um die Anlagenleistung genau zu überwachen und stetig zu verbessern.

Produktionsmonitoring über alle Standorte hinweg

Abgerundet wird ein MES für PV- oder Batterieproduktion durch eine standortübergreifendes Produktionsmonitoring, dass es Unternehmen ermöglicht, ihre Produktion weltweit aufzusetzen und gleichzeitig die Kontrolle über die jeweiligen Prozesse zu behalten. So können sie Produktionskennzahlen miteinander vergleichen und Erkenntnisse zur Prozessverbesserung an mehreren Standorten implementieren.

Unter Einbezug der prognostizierten Wachstumspotenziale spielt neben den bereits beschriebenen Merkmalen auch das Thema Skalierung eine enorme Rolle. Laut dem Marktreport ITRPV von 2022 werden im Jahr 2029 über 60 Prozent der Solarzellen an Standorten mit einer Produktionskapazität größer 5 GW hergestellt. Gleichzeitig soll der Wafer-Durchsatz in den Prozessanlagen pro Stunde um etwa 30 Prozent steigen. Vorrausetzung dafür sind nicht nur sehr fortschrittliche Technologien in den Anlagen, sondern auch zuverlässige und hochverfügbare Softwarelösungen, die diese Fortschritte unterstützen.

Ein MES trägt zu einer effizienteren Produktion bei, da es die Ausnutzung der Ressourcen und die Produktionsleistung optimiert. Nur durch die Verwendung eines MES kann sichergestellt werden, dass die Produktion von PV-Zellen und -Modulen und Batterien so effizient wie möglich abläuft und gleichzeitig Ressourcen geschont werden.

Der Autor Robin Schubert ist Produktmanager bei der Kontron AIS GmbH.

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