Mittwoch, August 09, 2017

Die Kraft der Lernkurve

Wie das  Swanson-Law die Welt verändert

Alles wird besser, alles wird billiger.
Eines der erstaunlichsten Gesetze in der Welt neuer Produkte ist die Tatsache, dass die Preise mit zunehmender Stückzahl nach einem einfachen mathematischen Gesetz sinken. 
Da man das Gesetz kennt, kann man für viele Produkte, die in großer Zahl hergestellt werden, den zukünftigen Preis abschätzen. Insbesondere für relevante Produkte die für die weltweite Energiewende nötig sind liegen jetzt interessante Resultate vor, die in Energy Nature [1] veröffentlicht wurden.

Stetig sinkende Preise

Im Bereich der Computerprodukte ist es jedem schon einmal aufgefallen, ein Laptop, eine Festplatte oder ähnliches waren vor zehn Jahren viel teurer als heute. Um die Situation grafisch übersichtlich darzustellen, wird die Anzahl der produzierten Produkte, etwa Festplatten, nach Rechts mit logarithmischer Skala aufgetragen und der Preis, ebenfalls Logarithmisch, nach oben.
Man erhält damit eine Lernkurve, auf der mehr oder weniger alle Punkte liegen:
Lernkurve für Festplatten
Die Steigung der Kurve gibt jetzt an, wie schnell der Preis mit zunehmender Stückzahl fällt. Bei Festplatten zeigt die orange Linie in etwa, dass bei einer Verzehnfachung der Produktion der Preis auf etwa ein Zehntel gefallen ist. 
Das ist in der IT nicht ungewöhnlich, ähnliche Werte findet man für RAM, Rechenleistung oder Glasfaser-Datenübertragung. Hier wirkt sich aus, dass in der IT durch eine Verkleinerung eine starke Verbilligung der Produkte einhergeht. 

Die Rückkopplung

Im Bereich von anderen industriellen Produkten, fällt der Preis nicht ganz so schnell, aber immer noch viel schneller als man vermuten würde. Die Ursache liegt in einer Rückkopplung, wie unten in der Grafik für Solarzellen dargestellt:

Rückkopplung bei Produktbedarf und Preis
  1. So wird zunächst zu einem hohen Preis ein Produkt hergestellt. Der hohe Preis liegt an der geringen Erfahrung mit der Herstellung und den hohen Kosten wie Vertrieb, Anlagen usw. 
  2. Nimmt der Markt das Produkt zum hohen Preis an, was bei Solarzellen etwa durch Subventionen erleichtert werden kann, geht die Produktion an die Kapazitätsgrenze 
  3. Neue Fabriken, oft auch von neuen Marktteilnehmern, werden gebaut, da offensichtlich ein Bedarf besteht.
  4. Die neuen Fabriken berücksichtigen Verbesserungsmöglichkeiten und sind auch größer, um den Markt zu befriedigen, die effizientere Produktion führt zu geringeren Herstellungskosten
  5. Der Verkaufspreis sinkt und damit wird der Markt für das Produkt größer. 
Wenn der Markt bei 20% geringeren Preisen doppelt so groß ist, was zumindest in der Solarbranche bisher der Fall war, geht die Abwärtsspirale weiter, bis entweder eine Marktsättigung entsteht, oder eine dominierende Rohstoffknappheit.

Prognosetool Lernkurve

Es mag akademisch interessant sein, die Vergangenheit zu verstehen, viel spannender ist es aber immer, in die Zukunft zu schauen und haltbare Prognosen zu erstellen. 
Im Bereich der Batterietechnik wurde das in dem oben zitierten Artikel [1] ausführlich getan. 
Hier muss man jetzt sorgfältig zwischen Lernkurve und zeitlicher Preisentwicklung unterscheiden!
Auf der Abbildung sieht man die Lernkurve für sehr viele verschiedenen Energiespeichertechniken, die alle einen ähnlichen Trend nach unten zeigen. Aber es gibt wichtige Unterschiede.

Lernkurve verschiedener Energiespeichertechniken [1]
Die Bleibatterie, eine Produkt, das in extrem hohen Stückzahlen hergestellt wird (Lead acid, gelbe Rauten) zeigt praktisch keine Preisänderung in den letzten 23 Jahren, da die Stückzahl nicht mehr nennenswert erhöht werden kann und zudem der Rohstoffpreis von Blei wohl den Preis dominiert. Ähnlich Pumpspeicher, grüne Punkte, die sogar einen geringen Preisanstieg hatten.

Die Elektrolyse (Electrolysis braune Quadrate), hat zwischen 1956 und 2014 "nur" ein Marktwachstum von 100% gesehen, damit einhergehend einen Preisrückgang von 18% bei der Verdopplung des Volumens, und damit eine geringe Aussicht, in den nächsten 70 Jahren eine grundlegende Änderung zu sehen.

Ganz anders Produkte, die noch "jung" sind, wie etwa die Lithium Ionen Batterie für Elektronik (Laptop, Smartphone), dort sieht man eine sehr steile Lernkurve, in den letzten 16 Jahren ist der Preis um mehr als den Faktor 10 gefallen, der Grund liegt im extremen Marktwachstum mit einen Faktor von über 10000%. 

Hat man ein Verständnis für diese Dynamik, kann man die Linien verlängern und bekommt den Preis bei höheren Produktionsmengen in der Zukunft.

Batteriepreise Elektroautos

Jetzt muss man "nur" noch wissen wie stark der Absatz eines Produkts bei sinkenden Preisen wächst. Das ist wiederum sehr schwierig, wie man bei Elektroautos sieht. Zum einem liegt es am Marktumfeld, etwa Benzinpreise, Dieselabgase und auch am Marketing eines Elon Musk oder gesetzlichen Regelungen, etwa in China.

Batteriepreise Elektroautos [1]
Mit dem Wissen um diese Schwierigkeiten haben die Autoren in [1] dies abgeschätzt und dabei die Kosten eines Elektroautos, genaugenommen der Batterie und Stromkosten, und die Kosten eines Verbrenner-Autos mit Motor und Tankfüllung, verglichen. Die Prognose zeigt, dass möglicherweise schon 2022 ein Elektroauto bei gleicher Leistung, billiger ist, als ein Benzinauto. Danach wird der Markt komplett kippen, weil niemand wird ein teures Auto kaufen, nur damit es Benzin verbraucht und Abgase produziert.

Zukunft

Kennt man die wirtschaftlichen und technischen Zusammenhänge kann man eigentlich erstaunlich genau die Zukunft prognostizieren. Aber das stimmt nur, wenn man alles berücksichtigt. Und daher zwei Gegenbeispiele:

Das Gesetz von Moore über den Preisverfall von Computerchips aus dem Jahr 1965 hat wesentlich länger gehalten, als Gordon Moore selbst glaubte! Er dachte, dass etwa ab 1978 das Gesetz nicht mehr gilt, weil er sich einfach nicht vorstellen konnte, dass ein Transistor heute nur wenige Nanometer groß ist und 0,0000000001$ kostet.

In der Elektrizitätswirtschaft war man um 1970 völlig sicher, dass durch den Bau von vielen Kernkraftwerken der Preis für Strom so weit fällt, dass man in Zukunft fast keinen Stromzähler mehr braucht. Es ist anders gekommen, aber das ist eine andere Geschichte.

Quellen:

[1] The future cost of electrical energy storage based on experience rates O. Schmidt, A. Hawkes, A. Gambhir and I. Staell, NATURE ENERGY 2, 17110 (2017) | DOI: 10.1038/nenergy.2017.110 | www.nature.com/natureenerg

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