3. Elektronik als Schlüsselindustrie für die Trends der Zukunft

Im Allgemeinen wird der Elektroindustrie eine gute Verknüpfung mit einigen Megatrends der Zukunft zugesprochen. Technische Grundlage für den gemeinhin als vierten Schritt der industriellen Revolution bezeichnete Industrie 4.0 - die in vollem Gange, aber noch nicht abgeschlossen ist - ist die Mikroelektronik mit disruptivem Potentialen für alle Sektoren der Volkswirtschaften. Unmittelbar und erheblich betroffen sind dabei insbesondere auch Industriezweige, in denen derzeit (noch) deutsche Unternehmen über bekannte multinationale Konzerne, aber auch zahlreiche mittelständische „Hidden Champions“ prägend tätig sind, dies z.B. im Maschinen- und Anlagenbau, Automotive, Industrieautomatisierung und der Elektroindustrie selbst. 

Die prognostizierten Veränderungen lassen also grundlegende Umwälzungen in der Basis unseres Wohlstands erwarten. Entsprechend ist in vielen Bereichen der Industrie 4.0 mittlerweile zunehmend auch die Politik und die Gesellschaft stark sensibilisiert.

Noch weiter vorausschauend ist die Industrie 5.0 im Gespräch, die zwar noch nicht klar umrissen und abgegrenzt ist, aber unter den Begriffen künstliche Intelligenz (KI), virtuelle Realität, augmented (erweitere) Realität, Blockchain-Technologie, kollaborierende Roboter und die Verknüpfung von menschlicher und maschineller Intelligenz geführt wird und was industrielle Prozesse, Vernetzungen des Wirtschaftslebens und das Arbeiten der Zukunft nochmals weiter grundlegend und massiv verändern wird.

Die Mikroelektronik ist Schlüsselindustrie zur Realisierung genannter Entwicklungen. Dies, wie regelmäßig in hochinnovativen Entwicklungen, mit Risiken, aber auch mit erheblichen Chancen. Erfolgsentscheidend wird dazu die Innovationsfähigkeit der einzelnen Unternehmen sein und die korrekte Antizipation von technologischen Entwicklungen – beides bedingt sich gegenseitig. 

3.1 Industrieanlagen, Automatisierung, Digitalisierung - die Fortsetzung der dritten industriellen Revolution

Auch wenn die schon etwas ältere Zukunftsinitiative der Bundesregierung von 2011 unter dem Namen „Industrie 4.0“ politikseitig nur eingeschränkt erfolgreich war, ändert dies nichts an der Tatsache einer fortschreitenden intelligenten Vernetzung von Maschinen und Abläufen in der Wirtschaft mit Hilfe von Elektronik, Informations- und Kommunikationstechnologie und sogenannten cyberphysischen Systemen¹. Wirtschaftsprozesse werden dabei unternehmensübergreifend bzw. über Wertschöpfungsketten hinweg integriert, flexible und automatische Reaktionen auf Umweltveränderung ermöglicht und Produkte letztendlich intelligent werden. Betroffen sind sämtliche Sektoren der Wirtschaft, dabei auch insbesondere die Kernindustrien der deutschen Wirtschaft wie Maschinen- und Anlagenbau, Automobilwirtschaft, chemische und pharmazeutische Industrie, die Elektroindustrie selbst und auch qualifizierte Dienstleistungsbranchen, die auf der Verarbeitung und Analyse von Daten basieren (Finanz- und Rechnungswesen, Steuerberatung und Wirtschaftsprüfung, Kreditwirtschaft). 

Populäre Beispiele sind die Smart Factory, miteinander kommunizierende und Handlungen auslösende Geräte im Internet der Dinge, Big Data, autonomes Fahren und intelligente Smart Grid Stromnetze. Zu den beiden letzteren kommen wir später.

Die Smart Factory kennzeichnet eine Produktionsumgebung, die durch Vernetzung von Maschinen, Geräten und Produkt selbststeuernde und dabei flexible Prozesse in der gesamten Wertschöpfung inkl. Beschaffung-, Produktions- und Absatzlogistik und individualisierter Fertigung anhand spezifischer Kundenbedürfnisse als Mass Customization sicherstellen soll. Die Vorteile der Massenfertigung wie Skalen- und Lerneffekte sollen erhalten, dabei aber gleichzeitig individuelle Produktgestaltungen ermöglicht werden durch Selbststeuerung, Automatisierung und Flexibilität in den Kapazitäten. Elektronisch wird dies sichergestellt durch die „Kommunikation“ von Kundenanforderung (z.B. Produktkonfiguration - ggf. durch den Kunden selbst), Fertigungsanlage(n), begleitenden Logistikprozessen und dem kundenindividuell hergestellten Produkt, wobei über den Prozess hinweg mit Hilfe von z.B. RFID-Chips, Bluetooth-Verbindungen, QR-Codes und Farbcodierungen die automatisierte Fertigung gewährleistet wird.

Im Internet der Dinge (IoT Internet of things oder weiter gedacht IoE Internet of Everything) werden physische Gegenstände mit der digitalen Welt verschmolzen, so dass die Gegenstände neben ihrer eigentlichen Funktion digitale Zusatzservices bieten können. Bislang war Bindeglied zwischen den Gegenständen der Mensch, künftig lassen sich die Gegenstände direkt miteinander verknüpfen - weiter gedacht, als smarte, intelligente Gegenstände führen sie automatisierte Handlungen aus.

Die Verarbeitung von Daten, deren Speicherung und deren Verwertung - größtenteils unbedingt in Echt-Zeit und dezentral - nimmt im Zuge der Digitalisierung und der ökonomisch sinnvollen Nutzung von Big Data oder der Realisierung von Automatisierung oder Mobilitätskonzepten eine entscheidende Rolle ein. Grundlage ist Cloud Computing. Kritische Technologie ist wiederum die Mikroelektronik.

¹ Cyberphysische Systeme sind Verknüpfungen von mechanischen Komponenten über Netzwerke wie z.B. das Internet mit elektronischen Teilen und Software und Informationstechnik. Sie ermöglichen die Kommunikation der Komponenten miteinander und ihre Selbststeuerung, indem sie selbst messen, berechnen, prüfen, daraus Ergebnisse austauschen und Handlungen ableiten. 



3.2 Mobilität der Zukunft

Das Thema „Mobilität“ wird derzeit sehr intensiv diskutiert, insbesondere der Automobilverkehr. Nach den Dieselskandalen der letzten Jahre, Fahrverbote in bestimmten Straßen oder Gebieten von Innenstädten, Grenzwertmessungen für Feinstaub und der CO₂-Diskussion stehen insbesondere die Antriebstechnologien der Zukunft im Fokus. Die Automobilindustrie steht aber noch vor weiteren erheblichen Herausforderungen, die Roland Berger unter dem Akronym MADE für neue Mobilitätskonzepte, Autonomes Fahren, Digitalisierung und Elektromobilität zusammenfasst.

Im Hintergrund der politischen und öffentlichen Debatte, die sich voll auf eMobilität in Form von Elektro-Automobile konzentriert, werden in Expertenkreisen auch andere Optionen noch nicht als erledigt angesehen werden (Hybrid, Wasserstoffbrennstoffzelle, eFuel usw.). Unabhängig von dem Mobilitätskonzept, das sich letztendlich durchsetzt, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass der Bedarf an Mikro- und Leistungselektronik steigen wird.
 

Ein integriertes Konzept der Elektromobilität sorgt einerseits zu vollkommen veränderten Prozessen und Teilebedarfen in der Produktion bei Herstellern und Zulieferern und es bedarf gleichzeitig auch einer vollständig neuen Infrastruktur an öffentlichen und privaten Ladeeinrichtungen mit elektronischer Vernetzung und einerseits leistungsfähigen, gleichzeitig auch intelligenten Ladesystemen. Sowohl Elektro- als auch Hybrid-Fahrzeuge sind mit Leistungselektronik vollgepackt. Da Silizium oftmals in der Leistung nicht ausreichen, kommt SiC-Leistungselektronik zur Verwendung. 

Autonomes Fahren ist die selbstständige Fortbewegung von Fahrzeugen, Robotern oder mobilen Transportsystemen ohne Eingriff des Menschen. Die dies ermöglichenden Technologien sind Mikroprozessorsysteme, Sensoren und Aktoren, Radar, GPS und Kameratechnik, dazu leistungsfähige mobile Datennetze und die mikroelektronischen Verknüpfungen zum Auslösen selbständiger Handlungen. Dabei gibt es unterschiedliche Grade der Autonomie, die unterschiedlich starken Einfluss des Menschen erfordern bzw. zulassen. Vorreiter sind Unternehmen in den USA, vorneweg Google und Tesla, die seit 2013 Testläufe fahren, Daimler Truck zog aber 2014 nach. US-amerikanische Unternehmen treiben das Thema stark voran, aber auch die deutschen Hersteller sind hier gut am Ball, wenn auch vorsichtiger, risikobewusst und mit einem starken Fokus auf Verkehrssicherheit, was ja aber nicht falsch sein muss.

Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass die Automobilwirtschaft, ein Herzstück der deutschen Industrie, in den nächsten Jahren an verschiedenen Fronten dem Druck erheblicher, die Geschäftsmodelle ändernder Herausforderungen gegenübersteht. Dabei sind nicht nur produktseitig erhebliche Änderungen am Automobil insbesondere hinsichtlich Antriebsstrang, Motor, Energieträger und Automatisierung notwendig, sondern auch die Produktionskapazitäten sind einerseits hin Richtung der veränderten Produkte, gleichzeitig zunehmender Vernetzung und mit den nächsten Schritten der Automatisierung und Digitalisierung von Geschäftsprozessen voranzutreiben. Diese Herausforderungen betreffen die Hersteller und die Zulieferer massiv, aber in unterschiedlichem Ausmaß. Leistungsfähige Mikro- und Leistungselektronik ist dabei einer der Schlüssel zum Erfolg.

Als alternatives Verkehrsmittel zum individuellen PKW steht immer wieder der Schienenverkehr in Form von ÖPNV, insbesondere für kürzere Entfernungen und den Verkehr in Metropolen, zur Debatte. Kommunen, speziell die von Fahrverboten mittel- oder unmittelbar betroffenen und benachbarte, wollen dies politisch fördern. Gleichzeitig erklärte die Deutsche Bahn aktuell die strategische Neuausrichtung auf eine „grüne Offensive“ mit den Zielen, bis 2038 den Bahnstrom zu 100% auf Ökostrom umzustellen, wobei dies im Fernverkehr schon gilt und Direktverbindungen und Taktungen zwischen Großstädten zu verbessern. Auch im Bahnverkehr wird an der Zukunft von selbstfahrenden Zügen gearbeitet oder Systeme sollen Schwachstellen und Wartungsbedarf an Betriebswagen erkennen. Der Zugverkehr soll vollautomatisiert werden. Zumindest in den letzten Jahren wurde die Wettbewerbssituation der Bahn (Ausschreibungen mit Wettbewerb durch andere Anbieter, Fernverkehrsbusse, Verbreiterung des Mobilitäts-Mix) eher verschärft. Ein zukünftiger Erfolg müsste politisch gewollt und gesellschaftlich getragen werden, dabei sind verschiedene Szenarien denkbar. Zu erwarten ist aber sehr wahrscheinlich, dass zukunftsfähiger Bahnverkehr die Themen Automatisierung, Digitalisierung usw. vorantreiben wird und damit die Nutzung von Mikro- und Leistungselektronik weiter ausgebaut werden muss.

3.3 Energie und Umwelt

Angesichts der allgemeinen Diskussionen rund um Umwelt und Klima steht auch die Nutzung von Energie im Mittelpunkt. Der Ausbau erneuerbarer Energien soll in Deutschland besonders vorangetrieben werden, insbesondere auch nachdem Kraftwerkskapazitäten aus Atomstrom und Kohlekraft politisch und gesellschaftlich unter Druck geraten. Speziell hier ist dazu auch ein massiver Ausbau der Netzkapazitäten zum Transport von Strom aus dem energiereichen Norden (Windkraft) in den industriestarken und energiehungrigen Süden notwendig. In anderen Ländern Europas und der Welt werden verschiedene Stromerzeugungsverfahren und Kraftwerksbauten für einen breiten und diversifizierten Energie-Mix vorangetrieben, weit überwiegend ist auch dabei der Umweltfokus relevant. Gleichzeitig besteht ein Spannungsfeld zwischen energiesicherer Versorgung, Sicherheit und Autarkie, hoher Energieeffizienz und dem Ziel der CO₂-Reduktion.

Intelligente Stromnetze (Smart Grids) steuern sich durch „kommunikative“ Vernetzung von Stromerzeugung, Netzwerksteuerung, Speicherkraftwerken oder -medien und elektrischen Verbrauchern. Der Trend zu zunehmend dezentraler Stromversorgung und höherer Schwankungsanfälligkeit der Versorgung durch zunehmend unregelmäßige Stromproduktion stellt die Steuerung des Gesamtnetzes vor neue Herausforderungen. Dezentrale Stromspeicherung und intelligenter Verbrauch bzw. Abruf des Stroms durch Endgeräte bieten Abhilfe und werden mit Innovationen vorangetrieben. Die Notwendigkeit zum Ausbau der Netze ist für einen Erfolg der Energiewende unabdingbar, gleichzeitig stockt der Ausbau durch individuelle Widerstände vor Ort und der Möglichkeit von Rechtsmitteleinsatz. Nichtsdestotrotz scheint eine Abkehr des eingeschlagenen Entwicklungspfades unrealistisch angesichts der Diskussionen um Umwelt und Klima, die global geführt und institutionell gestützt wird und die ökonomisch durch auch dadurch mögliches Wachstumspotential oder der Vermeidung von nachhaltigen Schädigungen des volkswirtschaftlichen Potentials rational erscheint. Verschiedene politische Förderprogramme für Projekte, Maßnahmen oder die Wirtschaft sind eingerichtet.

3.4 Der Beitrag der Mikro- und Leistungselektronik für die Trends der Zukunft 

Grundlegende kritische Technologie zur Auflösung der oben genannten Herausforderungen ist branchenübergreifend die Mikro- und Leistungselektronik durch verschiedene technologische Komponenten, Systeme und Leistungen, wie z.B.

•  Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS)
  wie z.B. Sensoren zur Wahrnehmung der Umgebung und der Auslösung von Steuerungsaktionen oder Aktoren als antriebstechnische Komponenten zur Umsetzung von elektrischen Signalen in mechanische Bewegungen.
   
• eingebettete Systeme (embedded systems) 
  mit Spezialprozessoren, Hightech-Controller und Speicher als kleinste, mikroelektronischer Chips zur Verarbeitung mechanischer oder elektrischer Reize.
   
• Netzwerkinfrastrukturen und drahtlose Vernetzungstechnologie
  zur Realisierung der oben genannten Vernetzungen und Verknüpfungen im Rahmen der Automatisierung von Produktionsprozessen, moderner Mobilität mit Ladenetzwerken bis hin zum autonomen Fahren oder intelligenter, gesamtwirtschaftlicher Energiesteuerung oder hocheffizienten Kommunikationsleistungen von Menschen und eben auch Dingen.
   
• Software für autonomes Computing
  zur Ableitung selbstlernender Algorithmen, automatischer Handlungen durch Maschinen, kollaborative Roboter und künstlicher Intelligenz.
  
  
• Server mit höchster Rechen-/Speicherkapazität, Echtzeit-Datenverarbeitung, Datenbanken
  zur höchsteffizienten Verarbeitung von Daten, die die Basis für die genannten Entwicklungen sind.



Bilderverzeichnis

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zu 3.1 Olivier Le Moal - Adobe Stock 182987341 - Industry 4.0, Next Industrial Revolution
zu 3.2 Mikko Lemola - Adobe Stock 162557712 - Navigation direction mobile application concept illustration
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zu 3.4 Sikov - Adobe Stock 213593664 - Artificial intelligence machine learnung business internet technology concept.