Unternehmen, die ihre Produktion nachhaltig gestalten, profitieren wirtschaftlich: Sie senken Kosten durch energieeffiziente Prozesse und bedarfsgerechte Ressourcenplanung, reduzieren Abfall und Emissionen und halten gesetzliche Vorgaben ein. Gleichzeitig positionieren sie sich als Vorreiter für Kunden und Partner, die ebenfalls auf Nachhaltigkeit setzen. Gerade in der Fertigung und Produktion werden die Ergebnisse einer zugleich nachhaltigen und digitalen Strategie sichtbar: Hier entstehen die Kennzahlen, die die Auswirkungen der nachhaltigen und digitalen Maßnahmen belegen. Zwei Beispiele aus der Praxis zeigen, was Software-definierte Automatisierung und digitale Zwillinge zum einen für das Batterierecycling und zum anderen im Maschinenbau bewirken können.
Unabhängig davon, ob Unternehmer gesetzlich verpflichtet sind, ihr Unternehmen nachhaltig zu transformieren oder ob sie aus Überzeugung oder einer strategischen Überlegung heraus Ökologie, Ökonomie und Soziales in Einklang bringen möchten: Die langfristigen Chancen und Vorteile liegen vor allem in diesen Punkten:
- Ressourcen effizient einsetzen
- Energie sparen
- Produktionskosten senken
Zirkularität in der Produktion erreichen
Wer seine Produktion sogar nach den Grundsätzen der Circular Economy ausrichten möchte, geht noch einen Schritt weiter. Der Fokus liegt dann darauf, eine Zirkularität in der Produktion zu erreichen. Das bedeutet im ersten Schritt über Lebenszyklusanalysen zu verstehen, welche Ressourcen wann und wo in der Produktion eingesetzt werden und die Energie- und Materialverbräuche einzelner Produktionseinheiten zu kennen. Im nächsten Schritt werden dann die Voraussetzungen für geschlossene Kreisläufe geschaffen: Der Energiebezug erfolgt aus regenerativen Quellen, Produkte können am Ende ihres Lebenszyklus wiederverwendet oder recycelt werden, in den Produktionsprozessen entsteht weniger Abfall, der dann wiederum in die Produktion integriert werden kann. Ein zentraler Bestandteil dabei ist die Produktgestaltung, die sicherstellt, dass Materialien und Komponenten leicht getrennt, repariert oder wiederverwertet werden können, um die Kreislauffähigkeit bereits in der Entwicklungsphase anzulegen. Diese Ansätze tragen nicht nur dazu bei, den ökologischen Fußabdruck zu verringern, sondern schaffen auch langfristige wirtschaftliche Vorteile durch Ressourceneinsparungen und die Sicherung von Rohstoffen.
Dabei gilt es jedoch, auch Herausforderungen wie hohe Investitionskosten und die Anpassung bestehender Lieferketten zu berücksichtigen. Gleichzeitig bieten sozial nachhaltige Ansätze, etwa die Förderung lokaler Arbeitsplätze, zusätzliche Potenziale. Durch die Kombination bewährter Verfahren mit neuen Technologien wie der additiven Fertigung oder durch gezielte Modernisierungen (Retrofit-Maßnahmen) können Unternehmen zirkuläre Produktionsweisen effizienter umsetzen.
Verbindung von Digitalisierung und Nachhaltigkeit
Die Strategie ist das eine. Um sie erfolgreich umzusetzen, benötigt es jedoch nicht nur Investitionen und Innovationen, sondern auch fortschrittliche Technologien, die die Prozesse effizienter und messbarer gestalten. Zudem müssen die aus der Strategie resultierenden Aktionspläne auch so ausgeführt werden können, dass sie messbare Ergebnisse liefern. Die Digitalisierung spielt deshalb eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung von Nachhaltigkeitsmaßnahmen in der Produktion. Sie liefert die Technologien wie digitale Zwillinge, Automatisierungslösungen oder Künstliche Intelligenz (KI) und die Daten, mit denen messbar wird ob die Umsetzung der Maßnahmen sowohl ökologisch als auch ökonomisch erfolgreich ist. Besonders digitale Zwillinge können dabei unterstützen, Produktionsprozesse virtuell zu simulieren und zu optimieren, während Automatisierung und KI eine Anpassung und präzise Steuerung der Ressourcennutzung ermöglichen. Die parallele Transformation hin zu einer digitalisierten und nachhaltigen Produktionsweise wird als „Twin Transition“ bezeichnet. Sie gilt als Schlüssel zum Erfolg der Veränderungsprozesse.
Nachhaltigkeit erreichen mit Daten und Technologien
12,7 Mio. Tonnen CO2 lassen sich in der Industrie bis zum Jahr 2030 über eine beschleunigte Digitalisierung einsparen, zeigt die Studie „Klimaeffekte der Digitalisierung 2.0“ des Bitkom e.V. Dafür sind zwei Technologien maßgeblich, so die Ergebnisse der Untersuchung. Zum einen die Automatisierung in der Produktion. Sie sorgt dafür, dass Prozesse selbstständig und mit dem geringstmöglichen Material- und Energieeinsatz über vernetzte Anlagen, Maschinen, Werkstücke und Bauteile ablaufen. Zum anderen digitale Zwillinge, also virtuelle Abbilder von realen Prozessen und Maschinen. Sie ermöglichen, dass Innovationen oder Änderungen und Anpassungen an Prozessen und Anlagen zunächst digital umgesetzt und dort optimiert werden, bevor sie in die reale Produktionswelt übernommen werden. Das spart Material, Energie und Arbeitszeit.
Zwei Anwendungsfälle zeigen, welche Beispiele es aus der Praxis schon gibt:
Beispiel 1: Mit digitalen Zwillingen bis zu 29,5 Prozent Energie im Maschinenbau sparen
In Industrieunternehmen des produzierenden Gewerbes spielen Werkzeugmaschinen eine zentrale Rolle. Um ihre Form zu verändern ist die Zerspanung - das Drehen, Fräsen, Bohren und Schleifen - ein wichtiger Schritt in der Fertigung. Für diesen Prozess werden häufig Kühlschmierstoffe eingesetzt. Aber: Ihre Nutzung ist mit hohen Energiekosten verbunden. So hoch, dass sich ein Verbund aus Forschung und Wirtschaft – zu dem auch wir gehören – zusammengeschlossen hat, um in einem vom BMWK, Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, geförderten Projekt E-KISS* Maßnahmen zu entwickeln, mit denen der Energieeinsatz relevant gesenkt und die Produktivität gesteigert werden können.
E-KISS kombiniert verschiedene Technologien wie Data Science, digitale Zwillinge und Retrofit-Maßnahmen. Die Rolle des digitalen Zwillings war dabei, das vollständige digitale Gesamtbild der realen Systeme, also der Anlage mit ihren Eigenschaften, Zuständen, Abhängigkeiten und dem Verhalten der Systeme untereinander, abzubilden. Mit dem Fokus und der Zielsetzung „Energieeinsparungen in der Kühlmittelversorgung erreichen“ war es besonders wichtig, die Daten über Prozesse, Werkzeuge und Werkstücke aufzunehmen und Änderungen kontinuierlich festzuhalten. Durch diese datenbasierte Modellierung des Systems haben wir im Forschungsverbund die Basis für Ansätze und Methoden zur Optimierung des Energieverbrauchs entwickelt.
Das Ergebnis am Ende der Projektlaufzeit beeindruckt: Die Fertigungsanlage für Werkzeugmaschinen mit Kühlschmierstoffen hat 13.590 Kilowattstunden pro Jahr weniger verbraucht und damit 29,5 Prozent Einsparungen bei Strom erreicht. Das ging nur durch das Zusammenspiel von nachhaltigen Zielen, Retrofit-Maßnahmen, die sich auf einzelne Komponenten auswirkten, Data Science zur Erfassung und Interpretation der Daten, und dem digitalen Zwilling als Schlüsseltechnologie für Analyse und Optimierung von Verfahren.
Den vollständigen Use Case lesen: Wie digitale Zwillinge dabei helfen, bis zu 29,5 Prozent Energie im Maschinenbau zu sparen
Beispiel 2: Digitale Zwillinge optimieren das Batterierecycling
Die Zukunft der Mobilität ist elektrifiziert. Viele elektronische Vehikel setzen dabei auf Lithium-Ionen-Batterien. Indes ist der Produktlebenszyklus der Batterien mit erheblichen Belastungen für die Umwelt verbunden, von der Gewinnung der Rohstoffe über die Energieverbräuche bei der Herstellung bis zur Entsorgung. Batterierecycling klingt nach einer guten Lösung, indes scheitert es oft an der Realität: Es gibt viele Hersteller für Batterien, eine große Bandbreite unterschiedlicher Batteriepacks und keine sortenreine Rohstoffverwendung in den einzelnen Batterien. Ein interdisziplinäres Konsortium aus Industrie und Forschung hat deswegen in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF, unterstützten Forschungsprojekt ZIRKEL* untersucht, wie Automatisierungslösungen zu einer Demontage der Batterien auch in großem Maßstab beitragen können. Das Ziel von ZIRKEL ist den ökologischen Fußabdruck der Batterien zu verbessern. Zugleich sollte die Produktivität und Wirtschaftlichkeit im Demontage-, Trenn- und Zerteilungsprozess von Batteriesystemen und Elektromotoren nachhaltig gesteigert werden. Um diese Prozesse durchzuführen, hat Liebherr Verzahntechnik eine Anlage gebaut, von der wir durch unsere digitalen Zwillinge das digitale Abbild geschaffen haben.
Das Ergebnis: Die digitalen Zwillinge konnten die realen Abläufe erfassen, durch die Datenanalyse den optimalen Recyclingpfad angeben, die Materialkreisläufe bestimmen und optimieren und die Daten für KI-basierte Analysen kontextualisieren. Sie wurden im Projekt in einer Datenbank gespeichert, so dass die Rückverfolgbarkeit der recycelten Komponenten für den EU Battery Pass sichergestellt ist. Als Daten-Hub orchestrieren die digitalen Zwillinge einen nahtlosen Informationsfluss zwischen allen beteiligten Akteuren und steigern die Prozesseffizienz, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit.
Kurz gesagt: Die digitalen Zwillinge fördern eine nachhaltige Circular Economy im Bereich der Elektromobilität.
Die Ergebnisse von ZIRKEL präsentiert das BMBF auf der Hannover Messe 2025 (31. März bis 4. April 2025, Halle 2, Stand A35).
*E-Kiss Förderungszeichen: 03EN2037B; Zu den Projektpartnern von E-KISS gehören: Ascon Systems, Robert Bosch GmbH, ONLINE Industrieelektrik und Anlagentechnik GmbH (Online IAT), Technische Universität Braunschweig (IWF).
*ZIRKEL Förderkennzeichen: 02J21E044; Zu den beteiligten Partnern des Projekts ZIRKEL gehören neben dem BMBF und uns unter anderem auch Liebherr-Verzahntechnik, DMG Mori, Institut für Partikeltechnik der TU Braunschweig, Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, Synergeticon.
