Dieser mobile Demonstrator der Ultraeffizienzfabrik ist im Oktober beim Kongress BW im Heidelberg zu sehen. (Quelle: Fraunhofer IPA/Foto: Rainer Bez)
Eine Vision soll Wirklichkeit werden
Ein Forschungsteam des Fraunhofer IPA hat eine Ultraeffizienzfabrik ersonnen, also eine Fabrik, die weder Abfall noch Abwasser oder Abluft verursacht. Ein mobiler Demonstrator soll das Konzept nun in der Industrie bekannter machen sowie zeigen, wie es praktisch umgesetzt werden kann und welchen Nutzen es Unternehmen bietet.
Eine Ultraeffizienzfabrik verarbeitet nachwachsende Ressourcen oder verwertet Reststoffe. Sie deckt ihren Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen. Sie verursacht keinen Müll, verunreinigt keine Gewässer und beheizt umliegende Wohnhäuser, Schulen oder Schwimmbäder mit der ungenutzten Abwärme, die in der Produktion entsteht. Alle Produktionseinheiten sind so aufeinander abgestimmt, dass Energie, Material und Arbeitskraft optimal genutzt und gleichzeitig Emissionen und Kosten vermieden werden. Um diese Vision verwirklichen zu können, haben Forscherinnen und Forscher des Geschäftsbereichs Kreislaufwirtschaft und CO2-neutrale Produktion am Fraunhofer IPA fünf Handlungsfelder identifiziert (s. Kasten) und detaillierte Konzepte vorgelegt.
Doch bei theoretischen Betrachtungen ließen es die Stuttgarter Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler natürlich nicht bewenden. Ihr Ziel ist die praktische Umsetzung in der Industrie. Bereits Ende 2022 stellten sie deshalb eine ultraeffiziente Produktionsanlage fertig, die von Algorithmen optimal gesteuert wird. Über einen Leitstand können sie die Produktion im knapp 80 Kilometer entfernten Freudenstadt in Echtzeit überwachen. Denn die Maschinen auf dem dortigen Campus Schwarzwald sind alle mit Sensoren ausgestattet und schicken rund um die Uhr Kennzahlen nach Stuttgart.
Die fünf Handlungsfelder der Ultraeffizienzfabrik
- Material: ressourcenschonend wirtschaften, Stoffkreisläufe aufbauen und so viele Reststoffe wie möglich wiederverwerten
- Energie: regenerative Energiequellen erschließen, Abwärme im Betrieb oder andernorts nutzen
- Emissionen: Abfall, Abwasser, Abluft und Lärm möglichst komplett vermeiden
- Mensch/Personal: Arbeitswege kurz halten, flexible, kooperative Arbeitszeitmodelle etablieren, soziale Einrichtungen in Gewerbegebiete integrieren
- Organisation: Dienstleistungen und Einrichtungen überbetrieblich gemeinsam nutzen, innovative Geschäftsmodelle an der Schnittstelle zum urbanen Umfeld etablieren
Mobiler Demonstrator für Messen, Kongresse und Workshops
Der Nachteil dieser Ultraeffizienzfabrik im Labormaßstab ist: Sie ist zu groß, um sie auf Messeständen auszustellen, zu Kongressen mitzunehmen oder in Workshops vorzuführen. Doch genau das müsste man tun, wenn man das Konzept einer ultraeffizienten Fabrik bekannter machen und Interesse bei Unternehmen wecken möchte. Diese Lücke soll nun ein mobiler Demonstrator schließen.
Diese Ultraeffizienzfabrik im Miniaturformat besteht aus einem Hochregallager, verschiedenen Produktionsanlagen und einem Warenausgang. Ein fahrerloses Transportfahrzeug verbindet die einzelnen Stationen miteinander. »Die Modellfabrik stellt eine Matrixproduktion mit Digitalem Zwilling dar«, erklärt David Koch, Geschäftssegmentleiter CO2-neutrale und ressourceneffiziente Produktion am Fraunhofer IPA. Mit Sensoren erheben die Forscherinnen und Forscher in Echtzeit Kennzahlen wie etwa den aktuellen Stromverbrauch oder die verursachten Emissionen und stellen sie übersichtlich auf einem großen Bildschirm dar. Manche Werte sind auch einfach simuliert. Jedes der fünf Handlungsfelder der Ultraeffizienzfabrik ist mit einem eigenen Dashboard vertreten.
»Werden nun verschiedene Ultraeffizienzmaßnahmen ergriffen, veranschaulichen Kurven und Diagramme deren Wirkung«, sagt Koch. »So können wir beispielsweise simulieren, wie der Materialverbrauch und das Müllaufkommen zurückgehen, sobald Metallspäne nicht mehr entsorgt, sondern eingeschmolzen und wiederverwendet werden. Oder wie sich die CO2-Bilanz verbessert, sobald Strom und Wärme von der eigenen Biogasanlage kommen.« Und auch das wird auf einen Blick erkennbar: wie kostspielige Produktionsstillstände und Ausschuss vermieden werden, wenn Maschinen und Anlagen gewartet werden, sobald deren Zuverlässigkeit einen festgelegten Grenzwert erreicht, oder wie stark die Produktionskosten sinken, wenn besonders energieintensive Prozesse auf Zeiten verlegt werden, in denen die Solaranlage auf dem Dach den meisten Strom liefert.
Zielkonflikte und Wechselwirkungen vorab erkennen
Der mobile Demonstrator zeigt auch, welche Wechselwirkungen Ultraeffizienzmaßnahmen untereinander haben und welche Zielkonflikte auftreten können. »Wenn man einen Produktionsprozess so umgestaltet, dass er weniger Material verbraucht, kann das auf der anderen Seite dazu führen, dass er energieintensiver wird«, erklärt Koch. Wie man solche Zielkonflikte erkennt, bevor sie auftreten und wie man Wechselwirkungen vorausschauend identifiziert, klärt das Forschungsteam derzeit noch. Mit diesem Wissen wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dann Strategien erarbeiten, mit denen sich Zielkonflikte auflösen lassen. In diesem Zuge soll auch ein digitales Planungswerkzeug entstehen, das dabei hilft, kritische Rohstoffe zu erkennen und durch nachhaltige Alternativen zu ersetzen.
Erstmals zu sehen ist der mobile Demonstrator auf dem Ressourceneffizienz- und Kreislaufwirtschaftskongress Baden-Württemberg (Kongress BW) am 16. und 17. Oktober 2024 im Heidelberg Congress Center. Dort ist das Fraunhofer IPA mit einem Messestand vertreten. Neben der Ultraeffizienz werden dort auch Forschungsprojekte zur Batterie- und Wasserstofftechnologie vorgestellt.
Ihr Ansprechpartner
David Koch
Geschäftssegmentleiter CO2-neutrale und ressourceneffiziente Produktion
Telefon: +49 711 970-1476