Nachhaltigkeit und die Industrie 4.0 – Geht das zusammen?

Die nahe Zukunft stellt etliche Unternehmen der fertigenden Industrie vor diverse Herausforderungen. Sei es der Wunsch immer mehr Menschen, individualisierte Produkte zu erwerben, sei es der globale Wettbewerb und damit einhergehend auch ein wachsender Preisdruck oder seien es weitere finanzielle Belastungen durch die Folgen der Corona-Pandemie. All diese Herausforderungen werden in wenigen Jahren noch stärker zu spüren sein. Vor allem aber auch die Erwartungen und offiziellen Regularien hinsichtlich nachhaltigen Wirtschaftens und einer grünen Produktion bereiten vielen Unternehmen Kopfschmerzen.

Das liegt mitunter daran, dass der Schritt Richtung Digitalisierung immer noch nicht überall selbstbewusst und überzeugt getan wird. Zu gross sind die Sorgen mancherorts noch, die anfangs mitunter höheren Kosten durch Umstrukturierungen der Unternehmensstrategie kaum stemmen zu können. Doch es gibt auch Stimmen wie jene von Roger E. Gisi, dem Gründer der Initiative „Digitale Schweiz“, der betont, wie wichtig es ist, mehr Elan zu entwickeln und Vertrauen in die Digitalisierung zu fassen.

Die Digitalisierung erst und die mit ihr einhergehenden Technologien können die Industrie nachhaltig machen. Eine digitalisierte Industrie, die Industrie 4.0 also, ist letztlich automatisch nachhaltiger. Und sie ist dadurch nicht nur die einzig akzeptable Industrie für eine von der Klimaerwärmung bedrohte Welt. Eine Produktion, die vor allem Ressourcen schon, macht sich gerade auch ökonomisch bezahlt.

Die Industrie 4.0 leistet keinen geringen Beitrag zum Umwelt- und Klimaschutz. Sie kann in bedeutender Weise dazu beitragen, das „Netto-Null-Ziel“ zu erreichen, dass der Bundesrat 2019 beschlossen hat. Die am 27. Januar 2021 dazugehörige „Langfristige Klimastrategie der Schweiz“ sieht vor, bis 2050 unterm Strich keine Treibhausgase mehr auszustossen. Bis 2030 bedeutet das, dass die Treibhausgase um 50 Prozent gesenkt werden. Eine aktuelle Studie des Digitalverbandes Bitkom zeigt: Alleine digitale Technologien können die Hälfte dazu beitragen, dass die Klimaziele bis 2030 erreicht werden. Und im Bereich der industriellen Fertigung entfalten die digitalen Technologien sogar das grösste CO2-Einsparpotenzial unter allen betrachteten Anwendungsbereichen.

Digitale Zwillinge sind eine der Schlüsseltechnologien der Industrie 4.0 und ein erstes gutes Beispiel dafür, warum die Digitalisierung die Industrie auch hinsichtlich der Nachhaltigkeit geradezu revolutioniert.

Ein digitaler Zwilling ist die digitale Repräsentation eines Objektes aus der realen Welt. Das kann ein physisches Objekt, wie ein greifbares Produkt, es kann aber auch ein Dienst sein. Ebenfalls unerheblich ist, ob das reale Gegenstück bereits existiert oder zukünftig erst noch existieren soll.

Ein digitaler Zwilling als virtuelles Abbild etwa eines Fahrzeugs, hilft dabei, ressourcenschonender zu produzieren. ©chesky via stock.adobe.com

Der digitale Zwilling ist also ein virtuelles Abbild. Es lässt sich kontinuierlich mit Daten speisen, ist aber kein reines Datenkonglomerat. Vielmehr kann der digitale Zwilling Simulationen, Algorithmen und Services enthalten, welche die Eigenschaften oder das Verhalten des repräsentierten Objekts oder Prozesses beschreiben, beeinflussen oder auch Dienste darüber anbieten.

Tests an Produkten und Diensten stellen in Sachen Nachhaltigkeit eine Problemstelle dar. Sie sind aber natürlich wichtig, um Fehler im Vorfeld zu beheben und Produktionsabläufe effizienter zu organisieren. Digitale Zwillinge lösen das Problem: Ganze Produktions- und Betriebszyklen können mit Hilfe digitaler Zwillinge und mittels entsprechender Software zuerst im virtuellen Raum statt am realen Objekt ausgiebig simuliert und getestet werden. Dadurch lassen sich unzählige Tests mit physischen Prototypen auf ein Minimum reduzieren – denn man sieht schon virtuell, wie sich ein Produkt später verhalten wird.

Die Nachhaltigkeit betreffend bedeutet das, dass es zu deutlichen CO2-Einsparungen kommt. Denn der Verbrauch von Ressourcen ist viel leichter vorherzusagen. Zudem lassen sich verschiedene Designvariationen vollkommen ohne Rohstoffverschwendung testen. Letztlich können auch unterschiedlichste Produktionsschritte effektiver aufeinander abgestimmt werden. Unternehmen können sich so im Ganzen und von Anfang an an Nachhaltigkeitsprinzipien orientieren.

Up- und Recycling wird heute gerne als Trend bezeichnet und verstanden. Dabei war es früher ganz normal, defekte Produkte nicht sofort zu entsorgen. Stattdessen wurden sie repariert und umfunktioniert, um erneut eingesetzt werden zu können.

In der Industrie muss Kreislaufwirtschaft modern gedacht werden, um mit Hilfe von Wiederverwertung effektiv nachhaltig zu fertigen. Das kann langfristig gesehen im Grunde nur funktionieren, indem Unternehmen auf bestimmte Datenlösungen setzen. Diese müssen den vollständigen Lebenszyklus von Produkten digital erfassen und abbilden. 

Beispiele für Recycling, wie es bereits heute in der Industrie stattfindet, sind vielfach, wenn auch grundsätzlich immer noch zu selten anzutreffen. Ein offensichtliches Beispiel stammt aus dem Bereich Verpackungen und im Prinzip allem, was mit Druck und Papierverwendung zu tun hat. Hier wird meist an Dinge, wie dunkle Einmal-Papierhandtücher oder steifes Toilettenpapier gedacht, die jeglichen mehrlagigen Konkurrenzprodukten nicht das Wasser reichen können.

Doch hochqualitatives, umweltfreundliches Recyclingpapier muss Frischfaserpapier heute in nichts mehr nachstehen. Vor allem aber beschränkt es sich nicht auf Hygieneartikel. Viele Unternehmen drucken heute schon klimaneutral auf solches Papier. Produktverpackungen und Etiketten, aber auch Dinge wie Visitenkarten, Broschüren und viele andere Dinge können mit hoher Bildqualität und einer brillanten Farbwiedergabe nachhaltig umgesetzt werden. Ein klimaneutraler Druck als einer der relevanten Punkte rund um nachhaltiges Drucken sorgt zum Beispiel für ein aktives Entgegenwirken der Klimabelastung. Denn hierbei wird die während der Produktion eines Druckauftrags abgegebene Menge an CO2-Emissionen über zertifizierte Klimaschutzprojekte wieder ausgeglichen.

Ein weiteres Beispiel für Recycling im weiteren Sinne, an das vielleicht nicht immer sofort gedacht wird, ist in der Industrie die Nutzung von Abwärme, die in grossen Industrieanlagen entsteht. Man kann sie effizient dazu nutzen, um etwa die gesamten Bürogebäude zu beheizen. Solche Vorgänge sind natürlich durchaus komplex. Dennoch lassen sie sich gut koordinieren, indem die dazu notwendigen Daten zentral gebündelt werden. 

Lange schon ist die Produktionswelt eine globale Welt. Die moderne Technik erlaubt es, Produktion und Handel über Grenzen hinweg stattfinden zu lassen. Das geschieht tagtäglich – Güter werden von weit her beschafft und aus fast jedem Land verfrachtet. Die langen Transportwege sorgen für unglaubliche Mengen an CO2, die emittiert werden und die Umwelt belasten. Zusammen mit dem Sektor Mobilität ist das Transportwesen einer der grössten Umweltbelaster. 

Das wissen auch Kunden und Verbraucherinnen. Transparenz in Sachen Lieferkette wird daher immer wichtiger. Doch auch um nicht gegen diverse Transportregeln einzelner Länder zu verstossen, müssen Unternehmen ihre Lieferketten offenlegen. Nachweise, von wo bestimmte Rohstoffe kommen oder auch welche Lieferanten eingesetzt werden und welche Produktteile aus welchen Regionen stammen, sind nicht mehr zu vermeiden.

In der Industrie 4.0 können verschiedene Technologien dafür sorgen, dass Lieferketten transparenter und nachhaltiger werden. Mit einem virtuellen Abbild der Lieferkette etwa lassen sich diese hinsichtlich verschiedener Parameter optimieren. Je kürzer die Lieferkette zum Beispiel ist, desto mehr Zeit lässt sich natürlich auch einsparen. Das wirkt sich automatisch und direkt positiv auf den Emissionswert aus. Hinzu kommt etwa auch die Möglichkeit, umweltfreundlichere Transportmittel zu testen und zu überlegen, wo diese zum Einsatz kommen könnten. 

Um die Transparenz für Unternehmen und öffentliche Wahrnehmung zu erreichen, kann sich des IoT, des Internet of Things, bedient werden. Technologien, bzw. Anwendungen aus diesem Bereich arbeiten etwa oft Blockchain-basiert. Sie bieten dabei besonderen Schutz vor Fälschungen der Daten und können so das Vertrauen der an der Lieferkette beteiligten Unternehmen ausbauen.

Die Künstliche Intelligenz ist eine noch recht junge Technologie, die der Industrie 4.0 in Sachen Nachhaltigkeit enorm zuspielt. Sie wird vor allem in naher Zukunft noch deutlich häufiger und umfassender zum Einsatz kommen.

Die Künstliche Intelligenz wird vor allem zukünftig noch helfen, die Industrie mit Hilfe modernster Systeme und Maschinen nachhaltiger zu machen. ©willyam via stock.adobe.com 

Man denke hier beispielsweise an die bereits besprochene Kreislaufwirtschaft. Wie bereits erwähnt, tun sich viele Unternehmen immer noch schwer mit Aufbereitung und Wiederverwendung von Industrieprodukten. Vor allem ein zuverlässiges Identifizieren und die Bewertung von aus dem Markt zurückgeführten Industrieprodukten gilt es zu meistern. Für diese Aufgabe werden heute KI-basierte Identifikations- und Bewertungssystem für Altteile entwickelt. Das Projekt EIBA des Fraunhofer Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik gibt den Ton an. Die Maschine, die mit KI ausgestattet wird, soll mit Hilfe von Sensorik wie Tiefenkameras oder einer Waage die Altteile identifizieren. Anschliessend könne sie dann auch deren Zustand beurteilen. Die KI wird dafür anfangs mit bereits vorhandenen Daten gefüttert, um danach eine Datenbasis im Prozess aufzubauen und weiteres Wissen anzusammeln. 

An anderer Stelle kann mit Hilfe der KI bereits heute nachhaltiger produziert und transportiert werden. Denn die KI hilft dabei, die gesamte Wertschöpfungskette nachhaltiger zu gestalten. So können selbstlernende Technologien ressourcenschonendere Produktions- und Transportbedingungen schaffen, die sich für ein Unternehmen wie die Umwelt gleichermassen auszahlen. Dabei berücksichtigt ein KI-System Anforderungen an ein durchdachtes Vertriebsnetz sowie Lagerkapazitäten, Lieferzeiten und auch etwa die Bedürfnisse von Kundinnen und Kooperationspartnern.