Längst sind Digitale Zwillinge State of the Art für die Entwicklung und das Monitoring industrieller Prozesse. Vergleichsweise neu allerdings ist die Idee, Digitale Zwillinge auch zur Ermittlung und Verminderung des ökologischen Fußabdrucks von Maschinen und Geräten zu nutzen. Im Projekt EcoTwin will das Fraunhofer IEM diesen bislang eher theoretischen Ansatz auf die Praxis vorbereiten. Gelingt das, dann könnte ein grüner Digitaler Zwilling den Energieverbrauch und den Materialeinsatz in Betrieben künftig deutlich reduzieren.

Wer sich das Forscherleben schwer machen will, der berechnet die Nachhaltigkeit von Maschinen und Geräten. Allein schon die Vielzahl an Einzelteilen verschiedener Hersteller, die für ein Elektrofahrzeug, einen Industrieroboter, eine Waschmaschine oder einen Drucker benötigt werden, ist, naja, »beeindruckend«. Und die meisten dieser Einzelteile bestehen ihrerseits aus Komponenten, die wiederum von verschiedenen Produzenten aus meist verschiedenen Ecken der Erde kommen. Wie also soll sich hier eine Ökobilanz ermitteln lassen? Zudem geht es bei all den technischen Errungenschaften natürlich nicht nur um die Entwicklung und Produktion, sondern auch um den Energieverbrauch während des jeweiligen »live cycle«. Und hier wird es ähnlich kompliziert.
»Nehmen wir eine Großwäscherei, bei der die Abwärme einer Maschine für andere Maschinen genutzt werden kann. Hier nur auf die einmal festgestellte Energiebilanz einer einzelnen Maschine zu blicken, führt also zu falschen Berechnungen«, sagt Rik Rasor. Der Forscher am Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM ist einer derjenigen, die sich das Leben schwer machen und genau das herausfinden wollen, was als kaum fassbar komplex gilt: Den tatsächlichen Energieverbrauch von Maschinen und das Ermitteln ihres ökologischen Fußabdrucks.
Rasor versucht das zusammen mit Kolleg*innen seines Fraunhofer Instituts, dem Wuppertal Institut und Kannegiesser, einem Hersteller industrieller Wäscherei-technik im Projekt mit dem bezeichnenden Namen EcoTwin, das zu den it’s OWL-Innovationsprojekten gehört. Im it’s OWL Spitzencluster entwickeln rund 200 regionale Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Organisationen hier aus der Region Ostwestfalen-Lippe Lösungen für die digitale Transformation im Mittelstand.

Ressourcenverbrauch simulieren

Ziel von EcoTwin ist es, einen »grünen« Digitalen Zwilling zu entwickeln, der es Unternehmen ermöglicht, den Ressourcenverbrauch von einzelnen Teilsystemen zu analysieren und besser einschätzen zu können. Gelingt das den Projektpartnern zumindest im Ansatz, dann wären sie einen großen Schritt Richtung Transparenz bei der Energiebilanz von Produkten gegangen. »Durch das Vernetzen bisher isolierter Datensilos werden beispielsweise Umweltwirkungen und Energiebilanz aller Aktivitäten über den gesamten Lebenszyklus erkennbar«, sagt Rasor. Waren bisher also nur einzelne Ausschnitte (Silos) des Lebenszyklus eines Produkts bekannt wie beispielsweise Zusammenbau oder Betrieb unter Standardbedingungen, würde nun mithilfe des grünen Digitalen Zwillings mehr und mehr das gesamte Produktleben von der Entwicklung bis zum Recycling der Einzelteile erfasst.

Grüner Digitaler Zwilling

Was aber ist das genau: Ein »grüner« Digitaler Zwilling beziehungsweise ein »Eco Twin«? »Ein Digitaler Zwilling ist die digitale Abbildung eines Produkts. Er spiegelt reale Geräte und Maschinen in der virtuellen Welt wider und simuliert dort, im Fall einen grünen Digitalen Zwillings, den jeweiligen ökologischen Fußabdruck. Dank der dieser, teils sehr detaillierten, Informationen werden übersichtlich auf dem Monitor nicht nur Entwicklungs-, Produktions- und Betriebsdaten einzelner Gerätschaften angezeigt. Die Forscher*innen können dann auch Interaktionen mit anderen Geräten und Maschinen nachbilden, um ein genaueres Bild davon zu erhalten, welchen Einfluss eine bestimmte Liefer- oder Produktionskette auf die Nachhaltigkeit des Unternehmens hat. Und: Sie können diesen Eco Twin dann auch anderen Unternehmen und Instituten zur Verfügung stellen. Hier könnten Simulationen auf Basis des Zwillings anschließend eine wichtige Entscheidungsgrundlage bieten. »Wir können dann Produkte, Produktionssysteme und ganze Lieferketten bereits in der frühen Planungsphase optimal an Nachhaltigkeitskriterien ausrichten – und diese über den gesamten Lebenszyklus beibehalten«, prognostiziert Rasor.

Vielfalt begrenzen

So weit die (mit kleineren Abstrichen) sehr realistische Theorie. Allein: Die Praxis ist durchaus verzwackter. Denn obwohl das Fraunhofer IEM bei Digitalen Zwillingen über eine ausgewiesene Expertise verfügt, sind die Themen Digitaler Zwilling und Nachhaltigkeit ausgesprochen facettenreich. »Von der Planung, über die Entwicklung, den Betrieb bis zum End of Life entstehen selbst bei überschaubaren Geräten eine Vielzahl an verschiedenen, zunächst voneinander getrennten, Modelle, für die jeweils eine Vielzahl an Daten ermittelt, eingespeist und in ein Verhältnis zueinander gesetzt werden müssen«, erklärt Rasor. »Wir wollen deshalb zunächst ‚nur‘ die verschiedensten Maschinen eines grünen Digitalen Zwillings entlang des Geräte- und Maschineneinsatzes und in verschiedenen Unternehmensbereichen untersuchen.«
Andere Teile des Produktlebenszyklus wie beispielsweise Entwicklung, Bau und Wiederverwertung einzelner Teile bleiben zunächst also außen vor. Und um die Vielfalt verschiedener Einsatzszenarien zu reduzieren, konzentrieren sich die Forscher*innen zunächst auch auf Wäschereiprodukte der Firma Kannegiesser. Berücksichtigt werden dabei allerdings mögliche Interdependenzen, etwa wenn sich einzelne Maschinen beziehungsweise ihr Digitaler Zwilling bei ihrem Energieverbrauch gegenseitig beeinflussen, weil Abwärme oder Abwasser genutzt werden können. »Gerade das Thema Energieverbrauch einzelner Geräte und mögliche Einsparpotenziale beim Einsatz von Gerätegruppen ist über den Digitalen Zwilling gut abbildbar und für die Unternehmen natürlich besonders wichtig«, sagt Rasor. Über den Eco Twin lassen sich einzelne Parameter etwa zur Energie oder dem Einsatz chemischer Mittel bei einer (Wasch-)Maschine virtuell variieren, um positive Ergebnisse später auch real nutzen zu können. Zudem wird dieses Wissen immer wichtiger, weil deutsche und europäische Gesetze deutliche Einsparungen fordern.

Mehrwert demonstrieren

Noch steckt das Projekt, dass auf drei Jahre angelegt ist, in der Anfangsphase. Was und wieviel die Forscher*innen um Rik Rasor konkret erreichen werden, ist also längst noch nicht abzusehen. Doch was sich jetzt schon abzeichnet ist, dass es mit dem Arbeiten am grünen Digitalen Zwilling längst nicht getan ist. »Es wird wichtig sein, dass wir die richtigen Methoden wählen und den organisatorischen Rahmen schaffen. Und wir werden eine Plattform benötigen, um den Austausch etwa zu Daten und Schnittstellen zu gewährleisten«, betont Rasor. Dann aber – so die Erwartung – sollte es möglich werden, bis zum Ende des Projekts den Prototypen eines Eco Twins zu entwickeln, der den grundsätzlichen Mehrwert dieser Anwendung auch praktisch demonstriert.

(hen)

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