Wie digitale Zwillinge die Circular Economy voranbringen

Die Circular Economy in der Industrie

Die Circular Economy hat sich aus der linearen Wirtschaft und ihrem Prinzip „take, make, waste“ entwickelt. Sie steht für eine Wirtschaftsweise, in der die Ressourcen, die für die Herstellung von Produkten gewonnen und eingesetzt werden, nach ihrem Gebrauch nicht als Abfall entsorgt, sondern zurück in den Wertschöpfungskreislauf geführt werden. Sie stehen als Sekundärmaterialien weiterhin zur Verfügung. Industrieunternehmen können so ihre Materialkosten senken und durch die Wiederverwendung, Reparatur oder das Recycling von Produkten und Materialien auch neue Einnahmequellen erschließen. Das Potenzial der Circular Economy für die deutsche Wirtschaft ist enorm, haben die Unternehmensberatung Deloitte und der BDI, Bundesverband der Deutschen Industrie e. V., durch die Studie „Zirkuläre Wirtschaft: Herausforderungen und Chancen für den Industriestandort Deutschland“ im Mai 2021 ermittelt:

• Die Substituierbarkeit der wichtigsten Rohstoffe wie Stahl und Aluminium und die Umstellungen auf inländisch gewonnene Sekundärrohstoffe führen zu einer jährlichen Steigerung der Bruttowertschöpfung der deutschen Industrie um 12 Mrd. Euro und knapp 180.000 zusätzlichen Arbeitsplätzen
• Die zirkuläre Wirtschaft etabliert neue Geschäftsmodelle und fördert Innovationen hauptsächlich in den drei Bereichen Reduktion der Stoffintensität in der Produktion, Maximierung der Stoffnutzung (Langlebigkeit) und Wiederverwertung.

Wie jede Transformation stellt auch die zu einer Circular Economy die Unternehmen vor Herausforderungen, vor allem in den Produktionsumstellungen. Hier wiederum liegen die Chancen in der Digitalisierung – und da kommt der digitale Zwilling ins Spiel.

Der digitale Zwilling in der Twin Transition 

Die Twin Transition, also die gleichzeitige digitale und ökologische Transformation, fördert die Verwirklichung der Circular Economy. Digitale Technologien liefern die Daten und Verfahren, mit denen Unternehmen Prozesse optimieren, Ressourcen effizienter nutzen und negative Umweltauswirkungen ihrer Geschäftstätigkeit reduzieren können. Der digitale Zwilling, eine virtuelle Repräsentation eines physischen Objekts oder Systems, spielt dabei eine Schlüsselrolle.

Er kann dabei helfen, den gesamten Lebenszyklus der Produkte zu erfassen und vom Produktdesign bis zum Lebensende und der Rückführung der Komponenten in den Kreislauf effektiv zu planen. Der digitale Zwilling – ob Produkt- oder Produktionszwilling – ist aus mehreren Gründen entscheidend für die Umsetzung der Circular Economy:

1. Produktdesigns optimieren: Mit digitalen Zwillingen können Unternehmen Produkte und Prozesse virtuell simulieren, und sich so den Bau eines physischen Prototyps sparen. Sie können so Szenarien von Produktdesigns anlegen, KI-Copiloten einsetzen und eine Wissensbasis zu eingesetzten Rohstoffen nutzen und ausbauen, die für eine Wiederverwendung am Lebensende ausschlaggebend ist.
2. Ressourcen effizient managen: Digitale Zwillinge können genaue Daten über den Zustand und die Nutzung von Ressourcen und Materialien liefern. Diese Informationen sind entscheidend, um effiziente Recyclingprozesse zu planen und die Wiederverwendung von Komponenten und Materialien zu ermöglichen. Sie unterstützen somit das Prinzip der Circular Economy, wonach Ressourcen so lange wie möglich im Wirtschaftskreislauf gehalten werden sollen.
3. Energie sparen: Optimierte Betriebsabläufe, weniger Materialverbrauch und eine bessere Auslastung von Maschinen spart Energie. Digitale Zwillinge messen Energieverbräuche präzise und ordnen sie den Stellen zu, an denen sie entstehen. Sie liefern so detaillierte Erkenntnisse über die Energieflüsse in der Fabrik. Energieverbrauchsspitzen können geglättet und der Gesamtenergieverbrauch reduziert werden.
4. Vorhersage und Wartung durchführen: Durch die kontinuierliche Überwachung von Maschinen und Prozessen können digitale Zwillinge vorhersagen, wann Wartungen oder Reparaturen an Maschinen und Anlagen notwendig sind. Dies hilft, Ausfallzeiten zu minimieren und die Lebensdauer von Ausrüstungen zu verlängern. In einer zirkulären Wirtschaft trägt dies dazu bei, Abfall zu reduzieren.
5. Transparenz, Information und Rückverfolgbarkeit aufbauen: Digitale Zwillinge bieten eine vollständige Transparenz über den Lebenszyklus eines Produkts. Diese Transparenz ermöglicht, genau zu verfolgen, wo und wie Ressourcen verwendet werden. Sie stellt sicher, dass diese am Ende ihres Lebenszyklus effektiv recycelt oder wiederverwendet werden können. Das ist insbesondere wichtig, als dass die Dokumentationspflichten wie digitaler Produktpass und als ein Beispiel davon der Batteriepass für viele Unternehmen in naher Zukunft gesetzlich gefordert sind.
6. Innovationen und Weiterentwicklung von Geschäftsmodellen unterstützen: Digitale Zwillinge können innovative Geschäftsmodelle wie zum Beispiel „Product as a Service“ unterstützen. Solche Modelle basieren auf der Nutzung von Produkten anstatt auf deren Besitz und erfordern präzise Daten, um Wartung, Rücknahme und Recycling zu managen.

Durch diese Vorteile in verschiedenen Ebenen entlang des Lebenszyklus eines Produkts spielen digitale Zwillinge eine zentrale Rolle in der effektiven Implementierung und Skalierung der Circular Economy. Sie ermöglichen es Unternehmen nicht nur, umweltfreundlicher zu agieren, sondern auch effizienter und wettbewerbsfähiger zu werden. Ein Beispiel aus der Praxis zeigt, wie das Zusammenspiel des digitalen Zwillings mit anderen Technologien funktioniert und zu mehr Effizienz führt.

Use Case: Herausforderung Batterierecycling meistern

Der globale Batteriemarkt wächst rasant: Die globale Nachfrage nach Lithium-Ionen- und Natrium-Ionen-Batterien wird 2030 das 18,55 mal so hoch sein, wie 2020, zeigt die Studie „Battery Monitor 2023“ der Unternehmensberatung Roland Berger und der Universität RWTH Aachen. Batterien spielen eine zentrale Rolle für die Zukunft der Elektromobilität. Bisher ist ihr ökologischer Fußabdruck kritisch und die Wertschöpfungsketten gerade zum Lebensende und der Wiedergewinnung von Rohstoffen hin werden nicht ausgeschöpft. Das EU-Parlament hat deswegen beschlossen, dass ab Februar 2027 alle in der EU neu auf den Markt gebrachten LV-Batterien, Industriebatterien und Batterien für Elektrofahrzeuge mit einer Kapazität von mehr als 2 kWh einen digitalen Batteriepass benötigen. Dieser digitale Produktpass dokumentiert den Lebenszyklus der Batterien, von den Rohstoffen über den Einsatz bis zur Wiederverwendung.

Eine der Herausforderungen für Batteriehersteller ist die Demontage der Batterien am Lebensende, damit die Rohstoffe bestmöglich in den Recyclingkreislauf überführt werden können. Wir haben gemeinsam mit einem interdisziplinären Konsortium aus Industrie und Forschung – zu dem u.a. Volkswagen AG, Liebherr-Verzahntechnik und Deckel Maho Pfronten gehören – in dem Forschungsprojekt ZIRKEL untersucht, wie Automatisierungslösungen zu einer Demontage der Batterien auch in großem Maßstab beitragen können. Unsere digitalen Zwillinge spielen eine entscheidende Rolle in diesem Projekt. Sie ermöglichen die sorgfältige Analyse, Definition und Modellierung von Datenschnittstellen für angedockte Maschinen und KI-Plattformen.

Die gewonnenen, kontextualisierten Daten können dann für KI-Analysen oder in einer Blockchain verwendet werden, um etwa die Rückverfolgbarkeit recycelter Komponenten für den EU-Batteriepass zu gewährleisten. Bei der Demontage- und bei den Recyclingprozessen können die digitalen Zwillinge Anpassungen an unterschiedliche Batterietypen und Batteriezustände vornehmen und sorgen so für die Schließung von Materialkreisläufen. Sie erhöhen die Effizienz der Prozesse, tragen zur Flexibilität und zu einer Reduzierung der Kosten bei. Die digitalen Zwillinge fördern damit eine nachhaltige Circular Economy im Bereich der Elektromobilität.

Fazit

Die Implementierung digitaler Zwillinge in die Circular Economy bietet immense Potenziale, die Effizienz und Nachhaltigkeit industrieller Prozesse zu steigern. In Kombination mit dem europäischen Green Deal fördert die Technologie die Umweltschonung und sie trägt zur wirtschaftlichen Resilienz insbesondere in Wachstumsmärkten bei. Für eine erfolgreiche Transformation ist daher entscheidend, dass Unternehmen die Chancen erkennen und nutzen, die digitale Zwillinge für eine umfassende Circular Economy bieten.

Lesen Sie hier eine vollständige Beschreibung des Projekts ZIRKEL.