Als eine der führenden Industrienationen trägt Deutschland eine besondere Verantwortung für und im Kampf gegen den weltweiten Klimawandel. Die deutsche Regierung hat sich das Ziel gesetzt, im Jahr 2030 im Vergleich zu 1990 65 % weniger Treibhausgase auszustoßen. Für die Erreichung des Ziels müssen in den nächsten Jahren 372 MT CO2e (CO2e sind Kohlenstoffdioxidäquivalente) reduziert werden. Mit Blick auf die Fertigungsbranche bedeutet das, dass bis zu 64 MT CO2e bei beschleunigter Digitalisierung und bis zu 37 MT CO2e bei moderater Digitalisierung eingespart werden können. Der Einsatz von 5G-Campusnetzen in der Fertigung bietet entlang der Wertschöpfungskette eine Reihe von Möglichkeiten der CO2-Einsparung.
Klimaeffekte der Digitalisierung: CO2-Einsparpotenzial für Fertigungsindustrie
Die von Accenture im Auftrag von Bitkom durchgeführte Studie „Klimaeffekte der Digitalisierung“ verdeutlicht zweierlei: Eine beschleunigte Digitalisierung ist geboten, um das deutsche Klimaziel anzugehen. Dabei ist das CO2-Einsparpotenzial in der Fertigungsbranche besonders hoch. Die Konnektivität von Assets, seien es Produkte, Anlagen oder ganze Fabriken, ist dafür eine wichtige Voraussetzung. Dabei können auch bereits ausgediente oder brachliegende Assets ins Auge gefasst werden. Denn Nachhaltigkeit kommt auch bei industriell genutzten Anlagen immer größere Bedeutung zu. Nicht immer ist es ökologisch sinnvoll, auf komplett neue Infrastrukturen zu setzen. Statt dieses „Greenfield“ bezeichneten Ansatzes, ist es von Fall zu Fall sinnvoll, auf „Brownfield Upcycling“, also die Sanierung und Revitalisierung der vorhandenen Anlagen, zu setzen. Dabei kann der Mobilfunkstandard 5G durch die Möglichkeit zur zuverlässigen Echtzeitkonnektivität einen wichtigen Beitrag bei der Prozessdigitalisierung unter Einbeziehen von Altanlagen und -maschinen leisten.
Die Installation von Campusnetzen ist der erste Schritt, der gegangen werden sollte. Mit 5G steht der erste Mobilfunkstandard zur Verfügung, der nicht rein für Privatanwender, sondern die Belange der Industrie entwickelt wurde. Die Vorteile von 5G – es gilt als robust, deterministisch und liefert effizienter höhere Geschwindigkeiten als bisher 4G – bringen vor allem industriellen Anwendern große Vorteile. Industriebereiche, wie etwa Flughäfen, Häfen, oder eben die Fertigung, profitieren außerdem davon, dass die Nutzung der Vorteile des neuen Mobilfunkstandard keines flächendeckenden Ausbaus eines 5G-Netzes durch einen oder mehrere Telekommunikationsanbieters bedarf. Diese kommen schon in einem geschlossenen Firmennetz, einem sogenannten Campusnetzwerk, zum Tragen. Mit realistischen Ende-zu-Ende Latenzen von unter 10 ms und einem Datendurchsatz von mehr als 3.600 Mbit/s eignet sich der aktuelle Mobilfunkstandard, um größere Flächen in Außenbereichen,wie weitläufige Lagerstätten in Hafengebieten abzudecken. Die 5G-Technologie entwickelt sich ständig weiter. So wurden im April 2021 weitere Entwicklungen standardisiert, die als „5G-Advanced“ noch kürzere Latenzzeiten und mit hoher Verfügbarkeit auch cloudbasierte Maschinensteuerungen ermöglichen. Produkte mit diesen neuen Standards sind erst mit einer marktüblichen Verzögerung verfügbar.
Konnektivität ist das Gebot der Stunde für CO2-Einsparungen
Darüber hinaus ist in puncto CO2-Fußabdruck und Nachhaltigkeit interessant: Obwohl 5G pro übertragenem Bit bis zu 90 % weniger Energie als 4G benötigt, lassen sich in einem 5G-Netz in derselben Zeit mehr Informationen übertragen als in der Vorgängervariante. Neben der Errichtung von Campusnetzen ist jedoch auch der Einsatz von digitalen Zwillingen und künstlicher Intelligenz (KI) nahezu unumgänglich, um die CO2-Emissionen einzudämmen.
Robuste Konnektivität ist die Grundvoraussetzung für den Einsatz anderer Technologien, die ebenfalls einen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Aufkommens in der Fertigung leisten können. Das gilt im Besonderen für KI und digitale Zwillinge. Der Einsatz digitaler Zwillinge leistet sogar mehrfach einen Beitrag, weil die Produktion zahlreicher Prototypen – die jeweils mit dem Einsatz von Rohstoffen und Vorprodukten verbunden ist (deren Förderung und Produktion jeweils einen eigenen CO2-Fußabdruck hat) – vermindert wird.
Digitale Zwillinge als Enabler der Nachhaltigkeit
Der digitale Zwilling ermöglicht die Simulation oder Erprobung von Produkten und Anlagen im virtuellen Raum und kommt dabei ohne die Nutzung etwaigen haptischen Materials aus. Digitale Zwillinge sind am besten in einem sogenannten Edge-Cloud-Kontinuum angesiedelt; um sie bedarfsgerecht an den Orten verfügbar zu machen, an denen sie benötigt werden, befinden sie sich vor Ort (on the Edge) oder in privaten Clouds.
Auf globaler Ebene lässt sich das Konzept der digitalen Zwillinge durchaus als Enabler der Kreislaufwirtschaft betrachten, da – abgesichert durch Distributed-Ledger-Technologie – die Verfolgung von in Materialien enthaltenen Substanzen möglich wird. Lebenszyklusdatenketten mit vertrauenswürdigen und einheitlichen Beschreibungen ermöglichen es, jeden einzelnen Partner in der Lieferkette gezielt dabei zu unterstützen, Teile so zu gestalten, dass das Endprodukt oder der finale Prozess so ressourcenschonend und energieeffizient wie möglich ist. Zu den beschriebenen Vorteilen lassen sich außerdem die Reduzierung von Abfällen und die Minimierung von Gemeinkosten und doppeltem Aufwand ergänzen. Diese erhöhen im Gegenzug die Gesamtanlageneffektivität der ökosystembasierten Wertschöpfung.
Green 5G treibt nachhaltige Entwicklung voran
Insgesamt lässt sich die Konsequenz ableiten, dass nicht nur jedes Element der Lieferkette, sondern auch die Transportsysteme selbst als digitaler Zwilling modelliert werden müssten. Dazu zählen sowohl physische Transportsysteme, wie Fahrzeuge, Züge und notwendige Infrastruktur, aber auch Datentransportnetze, die die verschiedenen Produktionsstandorte bis hin zum Endverbraucher verbinden. Physische und digitale Logistik und Produktion haben bereits begonnen, miteinander zu verschmelzen.
So gibt es bereits Lösungen, die den Verzug an 3D-gedruckten Metallwerkstücken beheben, bevor dieser überhaupt entsteht. Mithilfe eines von der Software erstellten digitalen Zwillings kann ermittelt werden, an welchen Stellen im Verlauf der Fertigung ein Verzug auftreten könnte. Die Software schlägt anschließend ein optimiertes Modell vor, welches die identifizierten Abweichungen kompensieren und zum bestmöglichen Druckergebnis führen soll. Das lokale Aufschmelzen einzelner Druckschichten und im schlimmsten Fall qualitätsmindernde Werkstücke werden so umgangen.
Fertigungsindustrie muss Ausstoß von CO2 verringern
Zu einer weiteren Steigerung ihrer Wertigkeit verhilft KI den digitalen Zwillingen. Etwa bei Serviceeinsätzen, da der digitale Zwilling hilft, diese bedarfsgerecht zu steuern und dem Servicepersonal Einblick in Systeme und Lösungen geben kann. So arbeitet Predictive Maintenance in der Regel über Daten innerhalb des Mobilfunknetzes oder eigenen Campus-Netzwerkes einer Fertigungsumgebung. Hier besteht ein großes Potenzial, mit Green 5G, also der Senkung des Energieverbrauches durch den Einsatz von 5G, die nachhaltige Entwicklung in diesem Umfeld voranzutreiben.
In der virtuellen Realität können Abbilder von Produktionsstrukturen dargestellt und simuliert werden – vom Projektarbeitsplatz mit kollaborativen Roboter bis hin zur komplexen industriellen Anlage. So kann sich der oder die Produktionsverantwortliche schon mit Anlagen und Prozessschritten vertraut machen, die noch nicht realisiert sind. Ein Beispiel hierfür ist die Implementierung der Abläufe in einer Robotersimulation, die dann später auf der realen Maschine nur noch parametrisiert werden müssen. 5G bietet hier die Möglichkeit, rechenintensive Operationen, wie Simulation und Rendering vor Ort auszuführen, um lokale, tragbare Ressourcen (wie Tablet-PCs oder HMDs) zu entlasten, da sie nur eine vergleichsweise geringe Rechenkapazität aufweisen.
Im Sinne der Nachhaltigkeit ist die Fertigungsbranche angehalten, den Ausstoß von CO2 und anderen umweltschädlichen Treibhausgasen zu minimieren. Mit digitalen Technologien und Anwendungen wie 5G, digitalen Zwillingen und KI ist dies so einfach wie noch nie.
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