Mit dem „Energieeffizienz-Index der deutschen Industrie“ können produzierende Unternehmen bereits heute erkennen, wo sie im Vergleich zu anderen stehen und welche Möglichkeiten es gibt, ihre Position zu verbessern. Nachhaltigkeit greift aber deutlich weiter – und auf dem Weg zur Ultraeffizienzfabrik sind weitere Handlungsfelder neben Energie auch Material, Emissionen sowie Mensch und Organisation. Erkennbar wird damit: Nachhaltigkeit und damit als Vision das Ziel einer symbiotisch-verlustfreien Produktion lässt sich nur erreichen, wenn alle Beteiligten in Engineering und Fertigung zusammenarbeiten und Entscheidungen auf Basis einer verlässlichen Datengrundlage treffen. An der Realisierung wird in der Forschung gearbeitet – gefragt ist jetzt der Schulterschluss zu den produzierenden Unternehmen, um die Potentiale auch zu nutzen.

Die Systems Engineering Vision 2035 wurde von dem International Council on Systems Engineering (INCOSE) als Dachorganisation für das Systems Engineering (SE) erarbeitet und von einer Reihe renommierter, mit dem SE vertrauter Personen reviewed. Im Kern bezieht sie sich unter anderem auf die Sustainability Development Goals der Vereinten Nationen und die Frage, wie das SE dazu beitragen kann, die Erde als System zu gestalten und zu schützen. Eine wichtige Erkenntnis dabei ist: Der Qualifizierungsbedarf für die Systems Engineers ist groß – und sie müssen sich Gehör bei den Entscheidungsträgern verschaffen!

Durch ein wachsendes Verkehrsaufkommen in Kombination mit den Klimaschutzzielen wird vor allem der Einsatz batterieelektrischer Antriebssysteme seitens Verkehrsplanung und Automobilindustrie verstärkt angestrebt. Vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung rückt dabei vermehrt das Ende der Nutzungsphase bzw. Möglichkeiten zur Verlängerung der Lebensdauer der Hochvolt-Batteriesysteme in den Fokus. Dazu sind, bezogen auf den konventionellen Verbrennungsmotor sowie für andere Produkte und Branchen, im Rahmen der Kreislaufwirtschaft verschiedene Kreislaufstrategien (R-Strategien), wie z. B. Reuse/Repurpose, Reparatur oder Remanufacturing denkbar. In Abhängigkeit der Ausgestaltung der jeweiligen R-Strategie ist damit sowohl ein ökologischer als auch ein ökonomischer sowie sozialer Nutzen in der Umsetzung verbunden.

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs schreitet kontinuierlich voran und somit steigt auch die Anzahl der produzierten und verbauten Elektromotoren. Die verbauten Elektromotoren werden aktuell am Ende ihrer Nutzungsdauer geschreddert und anschließend recycelt. Allerdings lassen sich mit diesen Verfahren wertvolle Rohstoffe wie Kupfer, aber auch Seltene-Erden-Metalle wie Neodym nicht zurückgewinnen. Nachhaltige Werterhaltungsstrategien, um Elektromotoren im Sinne einer modernen Kreislaufwirtschaft aufzuarbeiten und wiederzuverwerten, fehlen bislang. In diesem Zusammenhang wird im Vortrag erläutert, inwiefern Remanufacturing eine vielversprechende End-of-Life-Strategie für Elektromotoren sein kann und wie dadurch Produkt und Komponenten wiederverwendet und der Verbrauch natürlicher Ressourcen reduziert wird.

Wenn im industriellen Umfeld ein Rohstoff, ein Bauteil, eine Software, oder eine Dienstleistung plötzlich nicht mehr zur Verfügung steht, kann dies nicht nur für die Fertigung, sondern auch für die Instandhaltung von betroffenen Geräten und Anlagen fatale Folgen haben. Die Component Obsolescence Group Deutschland (COGD) e.V. hat im Laufe der Jahre verschiedene Vorgehensweisen und Methoden entwickelt, mit denen sich diesen Herausforderungen wirksam begegnen lässt. Hinsichtlich eines nachhaltigen Engineerings gewinnt dabei vor allem das proaktive Obsoleszenzmanagement immer mehr an Bedeutung, auch im Hinblick auf die Reparierbarkeit von Anlagen oder Produkten, die Sorgfaltspflicht über die gesamte Lieferkette hinweg, die Wiederverwertung in der Kreislaufwirtschaft oder das Eliminieren von Schadstoffen. Vor allem die Zunahme von Stoffverboten oder -einschränkungen erweist sich zunehmend als Obsoleszenz-Risiko. Wenn die Nutzbarkeit wichtiger Chemikalien, Rohstoffe, Materialen oder Bauteile sinkt, wirkt sich dies auf die gesamte Lieferkette aus. Es gilt, solche Probleme und Herausforderungen so frühzeitig zu erkennen, dass sie bereits im Produktentstehungsprozess berücksichtigt werden können.

Die zunehmende Individualisierung von Produkten stellt Unternehmen vor neue Herausforderungen. Insbesondere kundenindividuelle Produkte, die in kleinen Stückzahlen, aber zu den Kosten einer Großserienproduktion hergestellt werden sollen, sind ein wesentlicher Treiber dieser Entwicklung. In einer Praxisstudie des Leistungszentrums Mass Personalization in Stuttgart wurden Unternehmen in der DACH-Region zu ihrem Personalisierungsgrad sowie zu den Herausforderungen und Hemmnissen der Produktindividualisierung befragt. Durch die Einbindung der Kunden in die Produktentwicklung und den Produktionsprozess von personalisierten Produkten können Unternehmen Wettbewerbsvorteile erzielen – sowohl durch das maßgeschneiderte Angebot als auch durch die mit der Personalisierung verbundenen Nachhaltigkeitsaspekte.

Die steigende gesellschaftliche Bedeutung von Nachhaltigkeit und Klimaschutz schlägt sich auch als Wunsch nach einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft in der deutschen Automobilindustrie nieder. Bei der Entwicklung neuartiger, nachhaltiger Technologien und Produkte müssen die Entwicklerinnen und Entwickler eine Vielzahl an Abhängigkeiten berücksichtigen, zum Beispiel in Bezug auf die Produzierbarkeit, Recyclingfähigkeit, die Nutzungsweise oder das Geschäftsmodell – über alle Entwicklungs- und Lebenszyklusphasen hinweg. Der Vortrag zeigt das Vorhaben und erste Ergebnisse des Projektes Cyclometric, dessen Ziel es ist, ein Tool zu konzipieren, um Produktentwickelnde bereits in einer frühen Phase bei der Entwicklung von kreislaufgerechten Fahrzeugbauteilen zu unterstützen. Darunter fällt auch die Personalisierung von Bauteilen, die bspw. nach Nutzung im Fahrzeug anderweitige Lebensräume der Nutzenden bereichern können. Kern dieser Toolentwicklung ist die Integration von Informationen aus der Ökobilanzierung (engl. Life Cycle Assessment, LCA), um an den Schlüsselstellen im Produktlebenszyklus datenbasierte Entscheidungen treffen zu können. Der Vortrag thematisiert die dabei entstehenden Herausforderungen und mögliche Lösungsstrategien.

Kurzvorstellung von Industrielösungen für mehr Nachhaltigkeit

Die Internationale Raumstation ISS ist seit Ende 2000 durchgehend bewohnt. Der Kostendruck ist enorm, jedes Kilogramm zur ISS kostet 5000 Dollar. Deshalb werden dort alle Abfälle konsequent recycelt – selbst aus Urin wird Trinkwasser regeneriert. Ab Ende 2025 soll es eine Raumstation um den Mond geben, Transportkosten etwa 25.000 Dollar pro Kilogramm.
Der Weltraum ist also die Triebfeder für regenerative Lebenserhaltungs- und Versorgungssysteme, deren Technik inzwischen auch auf der Erde eingesetzt wird. Eine noch größere Herausforderung ist das Leben auf Mond und Mars: Wie kann man dort Ressourcen nutzen, ohne auf Nachschub von der Erde angewiesen zu sein? Hier zeigt sich mehr denn je: Eine extreme Herausforderung ist der Vater aller disruptiven Innovationen.

Generative Artificial Intelligence (Generative Künstliche Intelligenz) wird die Ingenieursarbeit umkrempeln – am Fraunhofer IEM testen wir bereits die aktuellen Tools und fragen, was sie für die Produktentwicklung leisten können. Dabei entsteht zweierlei: spannende Visionen und sehr konkrete Handlungsempfehlungen für Unternehmen, die durch den Einsatz von Generative AI künftig im Wettbewerb vorn liegen wollen. Fünf Punkte stellen sich als wichtig für den erfolgreichen Einsatz von KI heraus: Strategisches Vorgehen (Einsatzfelder ganzheitlich identifizieren), Datengrundlage (Fleißarbeit lohnt sich und schafft Grundlagen), Sicherheit & Integrität (Schaffen eines unternehmensinternen Datenraumes), dauerhaftes Budget (für eine Generative-AI-Lösung sollte auch langfristig Budget eingeplant sein) und vor allem Mindset und Weiterbildung – für die erfolgreiche Nutzung von Generative-AI-Tools gilt es, Mitarbeiter:innen zu begeistern, zu qualifizieren und kontinuierlich mitzunehmen.

Der Vortrag wägt die Erfordernisse an einen modernen Produktentwicklungsprozess ab und zeigt Lösungen für ein schnelles, wertorientiertes und zielgerichtetes Vorgehen auf. Denn einerseits besteht der Bedarf nach einer guten initialen Abgrenzung des Entwicklungsauftrags. Andererseits muss im Projekt aber jederzeit flexibel auf neue Erkenntnisse und veränderte Randbedingungen reagiert werden können. Ein besonderes Augenmerk des Vortrags liegt auf der Integration generativer KI-Technologien in den Projektablauf. Denn die Art und Weise der Projektdokumentation und Anforderungsbeschreibung haben einen wesentlichen Einfluss darauf, ob der Einsatz von generativer KI Vorteile bringt oder nicht.

Europäische und globale Anforderungen an produzierende Unternehmen und deren Produkte nehmen stark zu. Eine Vielzahl an stoffrechtlichen Regelungen und ESG-Pflichten führen zu einem kaum überblickbaren regulatorischen Rahmen. Diese Entwicklung wirkt sich insbesondere auf Unternehmen mit komplexen Lieferketten aus und stellt diese vor große Herausforderungen. Der Vortrag liefert einen Überblick zu der Vielfalt der aktuellen Regelungen und stellt (Best-Practice-)Ansätze aus der Forschung und der praktischen Umsetzung vor. Das zeigt beispielhaft auf, wie Unternehmen mit den Anforderungen umgehen können.

Vorstellung erster Ergebnisse aus dem Projekt „SLE – Sustainable Lifecycle Engineering“, dessen Ziel es ist, eine Entwicklungsmethodik für nachhaltige Lebenszyklen zu etablieren. Besonders in den frühen Phasen des Engineerings spielen Entwickler:innen eine Schlüsselrolle bei der Festlegung von Designentscheidungen, die die späteren Nachhaltigkeitseigenschaften der entwickelten Systeme maßgeblich beeinflussen. Vor diesem Hintergrund adressiert das Projekt „SLE“ drei zentrale Handlungsfelder: die Analyse von Nachhaltigkeitsaspekten im Engineering, die Einführung einer modellbasierten Entscheidungsunterstützung für Entwickler:innen und die Integration von Nachhaltigkeitsdaten in bestehende Produktlebenszyklusmanagement-Ansätze. In dem Vortrag wird vorgestellt, wie sich damit die Anwenderunternehmen Diebold Nixdorf, Harting, Miele, Siemens Industry Software und Wago unterstützen lassen, eine nachhaltige Wertschöpfung und Systementwicklung zu realisieren.

Die Ultraeffizienzfabrik steht für die synergetisch verlustfreie Produktion im urbanen Umfeld. Unter Berücksichtigung der fünf Handlungsfelder Energie, Material, Emissionen, Mensch und Organisation wird die Nachhaltigkeit von produzierenden Unternehmen optimiert. Es werden aktuelle Forschungsergebnisse präsentiert, die insbesondere auch mögliche Wechselwirkungen und Zielkonflikte zwischen den Handlungsfeldern bzw. Dimensionen der Nachhaltigkeit beleuchten. Dabei werden auch Praxisbeispiele vorgestellt und Möglichkeiten zum Umgang mit Zielkonflikten diskutiert.

Nach dem Stromkrieg Ende des 19. Jahrhunderts erlebt der Gleichstrom eine Renaissance. Durch den Einsatz von Gleichstrom wird das industrielle Energiesystem effizienter, flexibler und sicherer. Gleichzeitig wird die Integration erneuerbarer Energiequellen und Speichersysteme in das Gleichstromnetz effizienter und kostengünstiger. In diesem Vortrag werden die technologischen Aspekte, Vorteile und Herausforderungen des Gleichstroms anhand konkreter Anwendungsbeispiele in der Industrie erläutert.

KUKA Systems hat eine Roboterzelle auf Gleichstromtechnik umgerüstet, um die DC-Potentiale im produktionsrealistischen Umfeld zu validieren. Der im DC-Netz integrierte Speicher bietet mehrere Vorteile: Insbesondere bei hochdynamischen Bewegungsabläufen wird zwar kurzfristig viel Energie benötigt, beim Abbremsen lässt sich diese aber zu großen Teilen durch Rekuperation zurückgewinnen und zwischenspeichern – und damit wieder einsetzen. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich auf diese Weise Lastspitzen deutlich reduzieren lassen. Der Anwender kann damit bei Energieeffizienz und im Versorgungsvertrag punkten. Erläutert wird zudem, welche Maßnahmen für die Umstellung auf die Gleichstromversorgung erforderlich sind.

In einer Zeit, in der Klimawirksamkeit und Nachhaltigkeit zunehmend in den Vordergrund rücken, stellt die Erreichung maximaler Klimaeffizienz für produzierende Unternehmen eine essentielle Herausforderung dar. Eine innovative Plattform eröffnet nun die Möglichkeit, durch Echtzeitdaten und präzise Messungen den wahren ökologischen Fußabdruck entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu erfassen. Dies ermöglicht eine umfassende Bewertung und Simulation klimawirksamer Maßnahmen noch vor Beginn der Produktion. Emissionen, die über direkte Unternehmensaktivitäten hinausgehen, machen oft einen signifikanten Anteil der Gesamtemissionen aus. Die Plattform schafft die notwendige Transparenz und bietet die Grundlage für datenbasierte Entscheidungen zur Steigerung der Klimaeffizienz. Indem sie Echtzeitdaten integriert, ermöglicht sie eine ganzheitliche Sicht auf den ökologischen Fußabdruck und unterstützt Unternehmen dabei, den Übergang zu klimafreundlicheren Praktiken effektiv zu gestalten. Durch die Bereitstellung von Entscheidungsmodellen, die sowohl Emissionsreduktion als auch ökonomische Faktoren berücksichtigen, ebnet die Plattform den Weg für Investitionen in klimapositive Maßnahmen. Sie ermöglicht es Unternehmen, präzise zu bewerten, wie verschiedene Handlungen ihren ökologischen Fußabdruck beeinflussen und wie sie effektiv zur Dekarbonisierung beitragen können.

Die Digitalisierung ermöglicht Unternehmen das Sammeln großer Datenmengen. Deren Analyse erlaubt die Optimierung der Produktionsprozesse und ermöglicht damit ein Plus an Energie- und Ressourceneffizienz. Allerdings müssen auf dem Weg dahin mehrere Klippen umschifft werden: So ist schon das „Einsammeln“ der Daten nicht trivial – proprietäre Systeme und Schnittstellen erschweren das –, und anschließend gilt es, Daten und Tools für die Analyse zusammenzuführen. Der Ansatz des „Composable Enterprise“ liefert hier ein Konzept, Menschen, Prozesse und Systeme organisch miteinander zu verbinden. Möglich wird so eine agile Automatisierung kritischer Geschäftsprozesse auf der Basis digitaler Applikationen und deren Integration in die bestehende Infrastruktur – und damit eine schnelle Reaktion auf aktuelle, sich stetig ändernde Herausforderungen.

Das Energiesystem für die Fabrik steht neuen Herausforderungen gegenüber. Es soll effizient sein, die Umwelt nicht belasten und dabei sicher, zuverlässig und kostengünstig die Produktion mit der notwendigen Energie in der richtigen Qualität versorgen. Ein Spagat, der mit einem systemischen Ansatz und Einbeziehung neuer Technologien sowie möglicherweise der Verwendung von Wasserstoff gelingt. Anhand des Energiewürfels, der die erforderlichen Gestaltungseigenschaften des Energiesystems aufzeigt, wird das Zusammenwirken unterschiedlicher Lösungsmöglichkeiten dargestellt. Die gute Nachricht vorab: Die Gestaltungseigenschaften des Energiesystems verstärken sich und bilden keinen inneren Zielkonflikt. So werden Lösungen aufgezeigt, wie ergänzend zu den Möglichkeiten aus den Vorträgen zuvor mit Hilfe von sektorkoppelnden und flexiblen Energiesystemen Energiekosten gesenkt werden und die Klimafreundlichkeit erhöht wird. Abschließend wird die Wasserstoffnutzung adressiert, Chancen dargestellt und mögliche Transformationspfade aufgezeigt.