Mit dem Digitalen Zwilling zu mehr Nachhaltigkeit
Die Themen Nachhaltigkeit und Circular Economy (Kreislaufwirtschaft) sind aktuell die zentralen Themen der Wirtschaft. Der „Earth Overshoot Day“ macht uns bewusst, dass der Mensch mehr Ressourcen verbraucht, als eigentlich auf unserer Erde zur Verfügung stehen. Deshalb ist es für jedes Unternehmen wichtig, in seinen Produkten und Prozessen nachhaltig mit den vorhandenen Ressourcen umzugehen.
Digitale Zwillinge bergen ein hohes Potenzial für die Nachhaltigkeitsbewertung
Das Potenzial des Digitalen Zwillings in Bezug auf Nachhaltigkeit wird als sehr hoch eingeschätzt. Laut der msg-Studie zum Digitalen Zwilling, die im Jahr 2020 in Kooperation mit dem Fraunhofer IPK veröffentlicht wurde, stellt der Digitale Zwilling aus Sicht der Befragten eine gute Basis für die Analyse von Stoff- und Energieströmen zur Nachhaltigkeitsbewertung dar. Erste Einsätze zum Energie-Monitoring gibt es bereits. Der Digitale Zwilling kann also die digitale Grundlage für eine zunehmend nachhaltige Wertschöpfung bilden.
Definition des Digitalen Zwillings
Aber was versteht man unter einem Digitalen Zwilling und wie kann er zur Nachhaltigkeitsbewertung eingesetzt werden? Ein Digitaler Zwilling ist eine exakte digitale 1:1-Abbildung oder Relation zu einem realen Produkt, Prozess oder Produktion. Für einen vollständigen Digitalen Zwilling wird ein Digitaler Master (SOLL-Zustand) und ein Digitaler Schatten (IST-Zustand) benötigt. Eine Sensorik erfasst und steuert die Daten und deren Übertragung in die virtuelle Welt. Die Verarbeitung der Daten durch Business Analytics oder Künstliche Intelligenz kann in der realen Welt erfolgen, zum Beispiel im Fahrzeug, passiert aber primär im Digitalen Zwilling.
Abb. 1: Definition und Dimensionen des Digitalen Zwillings
Anwendungsfälle eines Digitalen Zwillings zur Nachhaltigkeitsbewertung
Wie der Digitale Zwilling zur Nachhaltigkeitsbewertung eingesetzt werden kann, stellen wir anhand von beispielhaften Anwendungsfällen aus den Bereichen Produkt, Prozess und Produktion der fertigenden Industrie dar. Nachhaltigkeit setzt sich aus den Dimensionen Ökologie, Ökonomie und Soziales zusammen. In der ökologischen Dimension wird die effiziente Ressourcennutzung zum Schutz unserer Umwelt betrachtet. Die Ökonomie beschäftigt sich u.a. im Rahmen der Circular Economy mit der Reduzierung von CO2 Emissionen, Abfall und Energie. Die Dimension Soziales umfasst die gesellschaftliche Verantwortung für die nachhaltige Nutzung der Ressourcen – von Privatpersonen und Unternehmen.
Abbildung 2: Anwendungsfälle und Einfluss des Digitalen Zwillings auf Ökologie, Ökonomie und Soziales
Erhöhung der Produktwertschöpfung durch konsequente Wartung und Wiederverwendung
Durch die 1:1 Relation zwischen dem realen Produkt und dem Digitalen Zwilling ist ein produktspezifisches Monitoring möglich. Basierend auf Daten aus der tatsächlichen Nutzung ist es möglich, genaue Aussagen über den Verschleiß und die Lebensdauer des Produktes oder seiner Komponenten zu treffen. Es kann der individuell exakte Zeitpunkt ermittelt werden, an dem eine Reparatur oder der Austausch einer Komponente nötig wird. Damit werden die Ressourcen geschont, in dem die Nutzungszeit des Produktes verlängert wird. Sollte ein Produkt nicht mehr einsatzfähig sein, ist es möglich, Teile oder Komponenten zu extrahieren, um sie als Ersatzteile in anderen Produkten wiederzuverwenden. Durch den Digitalen Zwilling liegen Daten zur Nutzungshistorie vor. Diese lassen eine Bewertung zu, inwiefern das spezifische Bauteil sicher wieder in einem anderen Produkt eingesetzt werden kann. Durch Simulation kann die „Second Life“ Nutzung abgesichert und gegebenenfalls durch Garantiezertifikate bestätigt werden. Werden Daten aus der Supply Chain und Fertigung des Produktes berücksichtigt, kann zum Beispiel der Ressourceneinsatz oder CO2-Footprint ermittelt werden und als Verkaufsargument dienen.
Reduktion des CO2-Footprints durch transparente Prozesse entlang der Supply Chain
Mit einem Digitalen Zwilling lassen sich auch Prozesse wie die Supply Chain digital abbilden. Von den Rohstoffen über Lieferanten und Sub-Lieferanten bis zu den Distributoren und Transportwegen wird die Supply Chain End-to-End digital erfasst. Nicht zu vernachlässigen ist die Erfassung und Verwaltung von Verpackungsmittel. Mit Digitalen Zwillingen lassen sich Verpackungsmittel transparent rückverfolgen. Durch die Transparenz über die Verpackungsmittel lässt sich ein hoher Anteil recyceln, was wiederum die Ressourcen schont. Auf Basis des Digitalen Zwillings ist es nicht nur möglich, frühzeitig Lieferengpässe zu identifizieren oder die Transportkosten zu optimieren. Es besteht auch die Möglichkeit, die Lieferkette nach Gesichtspunkten der Nachhaltigkeit auszulegen. Damit kann ein energie- und emissionsoptimiertes Liefermodell identifiziert werden, welches den CO2-Footprint eines Produktes reduziert. Um die manipulationssichere Erfassung und Verwaltung von CO2-Daten entlang der Lieferkette sicherzustellen, kommt der Digitale Zwilling in Kombination mit Blockchain zum Einsatz.
Optimale Ressourcennutzung in der Produktion durch den Digitalen Zwilling
Viele Unternehmen stehen vor der Herausforderung, ihre Produktion nachhaltiger zu gestalten. Dazu gehört eine effiziente Ressourcennutzung genauso wie eine Optimierung der Emissionen. Zunächst gilt es, eine exakte digitale Abbildung von physischen Anlagen und Fertigungslinien als Digitaler Zwilling zu schaffen. Damit können die Einstellung der Maschinen realitätsnah simuliert und optimiert werden. Ein großer ökologischer Vorteil, der durch den Einsatz der Digitalen Zwillinge entsteht, ist die Überwachung bzw. Steuerung der Produktionsanlagen in Bezug auf eine optimale Ressourcennutzung. Damit wird zum Beispiel eine automatisierte Reduzierung von Verschwendungen oder Leerlaufzeiten möglich. Die nächste große Entwicklungsstufe wird sein, dass Entscheidungen im Produktionsprozess selbstständig durch einen Digitalen Zwilling getroffen und umgesetzt werden. Diese Einschätzung teilen in unserer Studie nur sechs Prozent der Befragten.
Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Unsere Studie zeigt, dass der Digitale Zwilling zunehmend Bedeutung in der Nachhaltigkeitsbewertung gewinnt. Es gibt Anwendungsfälle im Produkt, Prozess und der Produktion zur nachhaltigen Ressourcennutzung. Bei der Erfassung und Bewertung der Daten für die Nachhaltigkeitsbewertung müssen die Aufgabenstellung und das Zielbild im Fokus stehen. Ansonsten besteht die Gefahr, dass der Aufwand für die Datenbereitstellung den erwarteten Nutzen übersteigt. Sie wissen nicht, ob sich eine Nachhaltigkeitsbewertung für Sie und Ihr Unternehmen lohnt? Dann helfen wir Ihnen gerne weiter.
Die IT- und Automotiveexperten der msg
msg entwickelt gemeinsam mit Ihnen eine Vision und ein Zielbild des Digitalen Zwillings mit Fokus auf den Nutzen und einem Business Case des jeweiligen Anwendungsfalls. Um den Nutzen abzusichern, führen wir u.a. Datenflussanalysen entlang des Lifecycles durch und prüfen die Verfügbarkeit und Qualität der Daten. Daraus können wir wiederum ableiten, ob der erwartete Nutzen den Ressourcenverbrauch und Emissionsausstoß übersteigt und Sie somit einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten können.