Digitalisierung: So erreicht die Industrie ihre Klimaziele

Das große Thema in der Industrie ist die Defossilierung der Produktion. Ein Knackpunkt dabei: Die Industrie muss anders handeln, als die Menschen im privaten Leben. Laut Professor Christoph Herrmann, Leiter Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST, sei beim Wohnen die Lösung über Niedrigenergie- und Passivhäuser mit Wärmepumpen durch Erneuerbare Energien vorhanden. Bei der Mobilität sei es ähnlich, denn 98 Prozent der Emissionen kämen aus der Individualmobilität – da gebe es als Lösung Elektrofahrzeuge. „Es ist jetzt nur die Frage, ob wir das umsetzen oder nicht“, kommentiert er.

„Aber bei der Industrie haben wir diese One Shot Bullet nicht. Das ist eine große Herausforderung. In der Industrie setzen wir die gesamte Palette an Energieträgern ein. Beispielsweise lässt sich durch Gas erzeugte hohe Prozesswärme nicht einfach durch Strom ersetzen“, erläutert Herrmann.

In der Industrie sei der Druck zudem wesentlich herausfordernder als bei den Privathaushalten, wenn es um die Defossilierung gehe. „Aus meiner Erwartungshaltung wird der Druck auf die Industrie durch politische Vorgaben zur Dekarbonisierung eher größer als kleiner werden.“ Aber auch Energie- und Materialeffizienz dürfe nicht außer Acht gelassen werden. Einen großen Hebel gebe es durch die Erneuerbaren Energien.

Die CO₂-neutrale Fabrik von morgen

Professor Alexander Sauer, Leiter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, wiederum wirft einen Blick auf die Fabrik der Zukunft. Dabei gelte es sechs wichtige Punkte zu beachten. Das Ziel sei die CO₂-Neutralität und es stehe die Frage im Raum, wie diese erreicht werden könne.

„Zum Beispiel durch regionale Vernetzung von Fabriken mit ihrer Umgebung, durch Sektorkopplung sowie durch eine gewisse Intelligenz in dem Umgang mit Energie, wann etwa CO₂-neutrale Energie vorhanden ist. Dafür müssen wir flexibel sein und steuerbare Produktionseinheiten haben. Nicht zu vergessen ist das Thema der Effizienz. Zudem benötigen wir lokale oder regionale Energieversorgung beispielsweise durch PV-Anlagen, Wind- oder Wasserkraft“, erklärt Sauer. Eine Wasserstoffleitung wäre je nach Lage der Fabrik auch noch möglich.

Intelligentes und transparentes Energiemanagement

Als besonders wichtigen Punkt hebt Sauer das Thema Intelligenz hervor. „Denn wenn ich beim Energieverbrauch intelligenter werden will, muss ich die Energieverbräuche erst einmal erfassen. Die Verbräuche müssen dann integriert werden, um zu einem intelligenten und transparenten Energiemanagement zu kommen“, betont Sauer. Im Anschluss müsse man aus diesen integrierten Informationen auch in der Lage sein, zu agieren. „Lässt sich das dann noch automatisieren, bin ich bei autonomen Energiesystemen angelangt.“

Digitalisierung befähigt die Nachhaltigkeit

Genau darauf könne die Industrie setzen, denn „Digitalisierung ist das Werkzeug, das uns zur Verfügung steht“, betont Professor Rüdiger Daub, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV. „Zuvor ist das messbar machen notwendig, um das, was wir alles vorhaben, auch umzusetzen“, fährt er fort.

Es sei erkennbar, dass der Digitalisierungsgrad bei größeren Unternehmen höher sei als bei kleineren. Da habe sich in den vergangenen Jahren aber auch kaum etwas verändert. Viele der Daten würden zwar mittlerweile verfügbar gemacht, gesammelt und gespeichert und ein Teil werde noch verarbeitet, aber nur wenige Daten werden ausgewertet.

Es dürfe laut Daub aber auch nicht einfach alles digitalisiert werden, da in der Komplexität vieles verloren gehe. „Es muss hingegen zwingend das Ziel im Vordergrund stehen, sodass man weiß, wo man hinstrebt. Erst dann lässt es sich effizient umsetzen und direkt angehen. Ich muss mich dem Use Case, den ich umsetzen will, annähern“, unterstreicht Daub.

OPC-UA als Kommunikationsstruktur für mehr Wissen

Die größten Aufwände, die die Unternehmen haben, um gerade im Bereich Nachhaltigkeit zu digitalisieren, sei nach wie vor die Datenstruktur zu erzeugen und die ganzen Systeme zu integrieren. „Wir sind deswegen sehr stark im Bereich OPC-UA als Kommunikationsstruktur aktiv, mit dem Ziel, nicht nur eine Zahl weiterzugeben, sondern diese Zahl mit zusätzlichen Informationen anzureichern, so dass dadurch dann auch Wissen entsteht“, beschreibt Daub.

Aus seiner Sicht müsse das Ziel sein, dass „wir die Produktionssysteme und Anlagenteile so spezifiziert und standardisiert haben, dass ich den Use Case ‚Energieverbrauch‘ auf jeder Anlage erkennen kann. Das funktioniert durch eine größtenteils sich selbst generierende Datenstruktur, auf der ich aufbauen kann, so dass ich schnell mit Daten arbeiten kann, um direkt einen Mehrwert zu erzeugen“, bekräftigt Daub. Momentan werde noch viel Arbeit investiert, diese Grundlage zu schaffen.

Anlagen smart und autonom steuern mittels KI

Ist diese Datenstruktur vorhanden, ließe sich ein Energieüberwachungssystem implementieren, mit dem sich darstellen lasse, wie hoch der Energieverbrauch pro Tag sei und welchen Netzbezug das Unternehmen hab. „Hat ein Unternehmen diese Transparenz erreicht, lassen sich viele einzelne Hebel ziehen und auch den ersten Schritt machen“, sagt Daub. „Damit ist man aber noch nicht am Ziel.“

Zusammenfassend lasse sich demnach sagen, dass „die erste Stufe ist, regelbasierte Betriebsstrategien zu etablieren und mit einfachen Schritten Effizienzen zu heben“, so Daub. Liegen die Daten vor, ließen sich auch weitere Use Cases heben – durch Anomaliedetektion. Denn wenn die Energieverbräuche der Anlage bekannt seien, ließen sich auch Verschleiße an der Anlage ableiten – wobei es sich dann schon um Predictive Maintenance handele.

„Die letzte Stufe ist dann die smarte, autonome Steuerung – da lässt sich schon viel mit KI machen. So konnte sich beispielsweise durch intelligente Steuerung die Amortisationszeit eines Energiespeichers um neun Prozent verkürzen“, betont Daub.

Carbon-Footprint des Produkts

Letztlich sei aber von Interesse, wie der Carbon-Footprint eines jeden Produkts sei. Somit wäre der nächste Schritt, die IT-Systeme so zu gestalten, dass man auch aus den Zulieferketten, aus der Produktion und aus dem Verschnitt von Material die CO₂-Informationen mit in das System integriere. "Dann können wir aus dem Energieverbrauch, aus der Zulieferkette, aus dem Ausschuss in der Produktion den CO₂-Fußabdruck als eigentliche Regelgröße berechnen. Das will der Kunde ja wissen, wenn er etwas kauft“, rechnet Daub vor.

Um letztlich die Defossilierung der Produktion zu erreichen, zählt Daub nachfolgende Punkte auf: "Die Ist-Situation, dass die Strompreise volatiler sind, bietet aber auch Chancen, sich gegenüber dem Wettbewerber zu differenzieren. Zudem ist die Digitalisierung das Werkzeug, dass wir nutzen müssen, um in diesem Umfeld bestehen zu können und die ganzen Maßnahmen sinnhaft umzusetzen. Weiterhin ist die Elektrifizierung der erste Weg, CO₂-neutral zu werden, da wir Erneuerbare Energien zur Verfügung haben. Das geht nicht überall und wir brauchen für die anderen Dinge neue Technologien. Wasserstoff ist der gesetzte Weg in der Strategie der Bundesregierung für die Wärmeerzeugung, wo wir hohe Temperaturen brauchen, an dem wir nicht vorbeikommen", schließt Daub.

• Was muss eine Fabrik haben, um CO₂-neutral zu sein?
• Digitalisierung der Batterieproduktion für Maschinenbauer
• Klimaneutrale Werke: Wie die Politik helfen kann
• Digitalisierung hilft bei Erreichen der Klimaziele