Industrie 4.0 – Beitrag, Nutzen und Potenzial für Ressourceneffizienz

Industrie 4.0 steht für die vierte industrielle Revolution, welche auf die Automatisierung als dritte Stufe folgte. Physische und digitale Welt werden miteinander in cyber-physischen Systemen verbunden: Unternehmensprozesse werden digitalisiert und Daten dezentral erfasst sowie leichter zugänglich. Dadurch können Anlagen, Maschinen, Werkstücke und Produkte mittels neuer Informationstechnologien verknüpft werden. Die entstehenden Informationsnetzwerke bilden die Grundlage für Innovationen wie effizientere Prozesse, innovative Produkte und neue, hybride Formen der Wertschöpfung wie Industrielle Produkt-Service-Systeme (IPS²).

Um in einem Umfeld mit immer schnelleren Produktinnovationszyklen und steigender Variantenvielfalt als Unternehmen wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) sich mit den Herausforderungen und Chancen der Digitalisierung auseinandersetzen. Vor allem im verarbeitenden Gewerbe wird die Digitalisierung der Produktion auf dem Weg zur Industrie 4.0 immer schneller vorangetrieben. Möglichkeiten für Kosteneinsparungen durch Digitalisierung ergeben sich über den gesamten Produktlebensweg: Beginnend beim der Rohstoffgewinnung, über die Herstellung, Logistik und Distribution über die Nutzung bis zum Recycling der produzierten Güter. Dabei spielt die Produktentwicklung aufgrund ihres Einflusses auf Innovationen und Prozesse im gesamten Produktlebensweg eine herausragende Rolle

Neben betriebswirtschaftlichen Vorteilen bietet Industrie 4.0 jedoch auch ein enormes Potenzial zur Erhöhung der Ressourceneffizienz. Durch intelligente Sensoren und Maschinen können Fehler im Produktionsablauf erkannt, Verbesserungspotenzial identifiziert und zukünftige Ereignisse vorhergesagt werden. Hierdurch lassen sich Effizienzsteigerungen im Produktionsprozess erzielen und so Material- und Energieeinsparungen realisieren sowie Treibhausgasemissionen senken. Digitalisierung hat aber nicht nur Einfluss auf die Ressourceninanspruchnahme im Produktionsprozess sondern auch in der Produktnutzung und im End-of-Life. Digitalisierung ermöglicht einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen. Die Chancen einer auf Ressourceneffizienz ausgerichteten Digitalisierungsstrategie wurden unter anderem von der Bundesregierung [1] sowie dem Umweltbundesamt [2] erkannt und diskutiert. Eine differenzierte Analyse der Beziehungen der einzelnen Komponenten steht jedoch noch aus.

Angebote des VDI ZRE

Grundlage von Industrie 4.0 bildet die Erfassung von Daten, wie Maschinen- oder Prozessdaten – idealerweise in Echtzeit. Hierzu hat das VDI ZRE umfangreiche Informationen im Themenschwerpunkt Echtzeitdaten zusammengestellt. Als Unterstützung für die weitere Digitalisierung des eigenen Unternehmens, erstellt das VDI ZRE verschiedene Instrumente. Der Fokus liegt hierbei auf dem immensen Einsparpotential von Ressourcen wie Energie und Material. Um zunächst das Einsparpotential in Ihrem Unternehmen zu identifizieren, können Sie den Ressourcencheck Digitalisierung des VDI ZRE nutzen.

Wie sich durch die Digitalisierung von Produktionsprozessen der Energieaufwand reduzieren lässt, wird in unserem Video über die Blechwarenfabrik Limburg aufgezeigt. Möglichkeiten zur Einsparung von Material können Sie im Video Material sparen durch I4.0 erkunden. Weitere Praxisbeispiele von Unternehmen, welche erfolgreich Ressourcen durch Einführung von Industrie 4.0 einsparen, finden Sie im Innovationsradar und in den Gute-Praxis-Beispielen. Das VDI ZRE bietet in diesem Zusammenhang mehrere Kurse mit dem Thema „Ressourceneffizienz durch Digitalisierung“ an. Kursinhalte und Termine finden Sie auf unserer Weiterbildungsseite.

Digitalisierungsstufen auf dem Weg zu Industrie 4.0

Die Auswertung vergangener Ereignisse im Produktionsablauf und die Erfassung aktueller Prozessdaten stellt die traditionelle reaktive Business Intelligence (BI) dar, welche in vielen Unternehmen derzeit genutzt wird. Um jedoch Industrie 4.0 vollständig umzusetzen, müssen die Daten in Echtzeit analysiert und miteinander in Beziehung gesetzt werden. Dies ermöglicht Ursachen zu identifizieren, um sie anschließend zu eliminieren.

Wird zusätzlich künstliche Intelligenz (KI) eingesetzt, können zukünftige Probleme sogar prädiktiv vermieden werden. Zu den weiteren Potenzialen beim Einsatz von KI im verarbeitenden Gewerbe, vor allem in Bezug auf die Ressourceneffizienz, wird derzeit eine Studie im Auftrag des VDI ZRE erstellt.

Die Digitalisierung von Prozessen ist eine Voraussetzung für Industrie 4.0. Im Folgenden werden zwei Arten der Einteilung in einzelne Digitalisierungsstufen vorgestellt, um den Weg hin zur Industrie 4.0 zu verdeutlichen. Der Zusammenhang zwischen den einzelnen Digitalisierungsstufen eines Unternehmens und den daraus resultierenden Ressourceneinsparungsmöglichkeiten wurde bereits 2017 in der Studie „Ressourceneffizienz durch Industrie 4.0“ systematisch analysiert [3]. Dabei wurden den fünf identifizierten digitalen Entwicklungsstufen einzelne ressourceneffizienzsteigernde Maßnahmen zugeordnet. Die Stufen Erkunder, Einsteiger, Fortgeschrittener, Experte und Vorreiter im Rahmen von Industrie 4.0 wurden jeweils in den fünf Dimensionen Unternehmensstrategie, Mitarbeiter, Technologie, Produkte und Dienstleistungen sowie Organisation und Prozesse beurteilt. Ein Teil dieser Betrachtungen bezog sich auch auf die Bedeutung der verwendeten Daten.

Das Modell nach McKinsey [4] hingegen fokussiert eine datengestützte Einteilung der Digitalisierungsstufen. Hier bildet die Datenverfügbarkeit, -interpretation und -nutzung die Grundlage aller Digitalisierungsprozesse auf dem Weg zu Industrie 4.0, vgl. Abbildung 1. Um dies zu erreichen, können Strategien zur Ressourceneffizienzsteigerung den sechs Digitalisierungsstufen aus Abbildung 1 nach McKinsey [4] zugeordnet werden. Der Grad der Digitalisierung wird anhand der Verfügbarkeit und der anschließenden Interpretation von Daten eingeteilt. Die Nutzung der unter dem Begriff Big Data zusammengefassten Daten mithilfe künstlicher Intelligenz, die Voraussage zukünftiger Ereignisse und der Echtzeiteingriff zur Optimierung der laufenden Produktion bilden den aktuellen Stand der Forschung und Entwicklung ab. Im Folgenden werden den Digitalisierungsstufen nach McKinsey einzelne Ressourceneffizienzsteigerungsmaßnahmen zugeordnet und am Beispiel der Blechwarenfabrik Limburg praktisch erläutert.

Digitalisierungsstufen, adaptiert nach [4]

Ressourceneffizienzsteigerung vor Produktionsbeginn

Allgemeine Strategien zur Steigerung der Ressourceneffizienz eingeteilt nach Produkt und Produktion können der VDI-Richtlinie 4800 Blatt 1 „Ressourceneffizienz - Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien“ [5] entnommen werden. Werden diese Strategien den Digitalisierungsstufen nach McKinsey zugeordnet, wird deutlich, dass ein Großteil der Strategien bereits in der Planungsphase für ein neues Produkt ansetzt. Beginnend mit der effizienten Gebäudeinfrastruktur und der Fertigungsprozessauswahl über die Dimensionierung der Fertigungsmittel bis hin zur Nutzung von Prozess- und Abwärme wird hier maßgeblich die effiziente Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen geplant.

Reaktive Ressourceneffizienzsteigerung

Viele Unternehmen möchten bestehende Produktionsanlagen digitalisieren. Die erste Digitalisierungsstufe nach McKinsey bildet das Reporting, welches die Erstellung einer eindeutigen und vollständigen Produktdokumentation nach VDI-Richtlinie 4800 vereinfacht. Werden die gewonnenen Daten im zweiten Digitalisierungsschritt, dem Monitoring, überwacht, erlaubt dies bereits eine primär manuelle Fertigungsprozessverbesserung. Diese beiden ersten Digitalisierungsstufen der Datenaufnahme und -bereitstellung lassen sich für die meisten Unternehmen noch relativ einfach realisieren und sind traditionellen Business-Intelligence (BI)-Systemen zuzuordnen.

Im Übergang zu Data Mining werden Methoden von Big Data genutzt. Durch die Evaluation der erfassten Daten wird es möglich die Ursache von Problemen zu finden. Werden diese eliminiert, lassen sich Verluste durch Nacharbeit, Entsorgung fertiger Produkte und eingekaufter Materialien sowie unsachgemäße Lagerung bzw. Überlagerung vermeiden.

Die bis zur vierten Digitalisierungsstufe möglichen Maßnahmen zur Ressourceneinsparung, sind jedoch lediglich reaktiv. Beim Beispiel der Blechwarenfabrik werden mithilfe eines Produktionsplanungs- und -steuerungs- (PPS) sowie eines Manufacturing-Execution-Systems (MES) Produktionsdaten erfasst und an ein BI-System weitergeleitet. Ein digitaler Abgleich von Bedarf und Verbrauch hilft hier Leckagen im Druckluftsystem zu finden, eine reaktive Wartung wird möglich.

Prädiktive Ressourceneffizienzsteigerung

Prädiktive Ressourceneffizienz wird durch Künstliche Intelligenz (KI) vereinfacht, indem zukünftige Szenarien simuliert sowie deren Eintrittswahrscheinlichkeit berechnet wird. So lassen sich Produktionsspitzen mit großem Energiebedarf an die Verfügbarkeit regenerativer Energien wie Wind- und Solarenergie anpassen. Eine dezentrale Anlagen- und Prozesssteuerung, dynamisch kooperierende Systeme in einem modularen Umfeld sowie durchgängige Datenintegration werden für eine echtzeitfähige KI-Steuerung benötigt.

Bei der Blechwarenfabrik werden Abweichungen im Stromverbrauch, bspw. von Pumpen oder Elektromotoren von einem Predictive-Maintenance-System (PMS) erfasst. Erhöhter Stromverbrauch entsteht u.a. durch verschlissene Kugellager. Der Austausch dieser Lager kann nun geplant und in Stillstandzeiten der Anlage durchgeführt werden. Das System erhält eine digitale Rückmeldung über den erfolgten Austausch. Auch die Warenströme im Lagerhaus können an den errechneten Solarstrom angepasst und geplant werden, um den Eigennutzungsgrad der Anlage zu erhöhen.

Es wird deutlich, dass Ressourceneffizienzsteigerung in allen Digitalisierungsstufen nicht nur theoretisch möglich, sondern auch praktisch realisierbar ist. Haben Sie Fragen, Anregungen, Hinweise oder möchten mehr über Ressourceneffizienz in der Produktion erfahren, schreiben Sie uns gerne an: zre-industrie[at]vdi.de

 

Quellen

1)     Digitalisierung gestalten: Umsetzungsstrategie der Bundesregierung; Presse- und Informationsamt der Bundesregierung; Berlin; 2019

2)     Digitalisierung nachhaltig gestalten Ein Impulspapier des Umweltbundesamtes; Umweltbundesamt; Dessau; ISSN 2363-832X; 2019

3)     Ressourceneffizienz durch Industrie 4.0: Potenziale für KMU des verarbeitenden Gewerbes; McKinsey&Company (Hrsg.); 2017

4)     The "big data" Revolution in health care; McKinsey&Company (Hrsg.); 2013

5)     VDI 4800 Blatt 1 „Ressourceneffizienz - Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien“; VDI-Gesellschaft Energie und Umwelt (Hrsg.); 2018

6)     www.youtube.com/watch; VDI Zentrum Ressourceneffizienz; 2014

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