Ressourcen nutzen
Neue Technologien für die Kreislaufwirtschaft
KI und der Digitale Produktpass spielen in der Kreislaufwirtschaft eine zentrale Rolle. Ohne kluge Algorithmen ist eine nachhaltige und damit kostensparende Fertigung kaum denkbar. Doch es gibt eine Hürde: die Daten.
Die effiziente Nutzung von Ressourcen ist heute ein wichtiger Hebel für nachhaltiges Wirtschaften. Insbesondere KMU stehen vor der Herausforderung, Material- und Energieverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig wettbewerbsfähig zu bleiben. Damit der grüne Umbau der Wirtschaft gelingt, musste das Bundesumweltministerin die KMU mit ins Boot holen, denn sie machen 99,5 % der Unternehmen aus. Hier setzt die Initiative Green-AI Hub Mittelstand an.
Das Programm richtet sich an KMU und will dabei helfen, KI einzusetzen, um Ressourcen effizienter zu nutzen. David Möller leitet das Unternehmen 4Packaging. Die 120 Mitarbeitenden aus Dissen stellen Tiefdruck- und Prägeformen für den Druck von Verpackungen her. Möllers Firma graviert jährlich in rund 20.000 Druckwalzen Motive. Die Fehlerquote sei mit 1,1 % heute schon "sehr gut", sagt er. Doch sein Ziel sind 0,7 %. Denn 92 fehlerhafte Walzen pro Jahr machen einen sechsstelligen Betrag aus. Der Arbeitsprozess ist komplex. Es werden Chrom- und Kupferschichten im Mikrometerbereich mittels Galvanik auf die Zylinder ab- und aufgetragen, wobei verschiedene Parameter die Qualität bestimmen, etwa pH-Wert, Stromdichte, Temperatur, Dauer oder Verschmutzungsgrad des Bades. Derzeit werden die Bäder manuell überwacht, Proben werden zur Analyse ins Labor geschickt.
Störquellen früh erkennen
Hier setzen die Experten des Green-AI Hub Mittelstand an. Zusätzliche Sensoren überwachen die Bäder kontinuierlich und erkennen Störquellen frühzeitig. Zum Einsatz kommt dabei KI, die künstlichen Neuronale Netze (KNN) analysieren die Daten, die aus den bisherigen Sensoren der Maschinen- und Anlagen stammen sowie den zusätzlich in den Bädern angebrachten, um die Qualität der Tiefdruckzylinder zu bestimmen. Ergänzt wird die KI durch den Einsatz von Computer Vision, die automatisiert Bildaufnahmen von den Tiefdruckzylindern nach Fehlern untersucht und gegebenenfalls den Fehlertyp einordnet.
Für den Einsatz der Technologien sind große Datenmengen notwendig sowie anfänglich Handarbeit für das Training, denn Fehler müssen erkannt und markiert werden. Danach arbeitet der Datenaufbereitungsschritt automatisch, und es sind nur im Einzelfall Korrekturen nötig. 4Packaging erwartet eine Verbesserung um 20%, also etwa 403 Zylinder, was mindestens einer halben Million Euro Ersparnis entspricht. Dank KI reduzierte sich zudem der Carbon Footprint um 9 bis 12 t CO2-Äquivalente und der Material Footprint um 26 bis 73 t CO2-Äquivalente.
Das Datenproblem der Mittelständler
Jannis Vogel vom Deutschen Forschungszentrum für künstliche Intelligenz (DFKI) arbeitete als KI-Experte monatelang bei 4Packaging mit: "Die Probleme der Mittelständler fangen oftmals schon dabei an, eine geeignete Datenbasis zum Training der KI-Modelle aufzubauen. Beispielsweise werden Sensordaten einer Maschine erhoben, es fehlt jedoch die Verknüpfung mit den Ausfallereignissen." In den nächsten Jahren werden sich die Anforderungen noch erhöhen. 2026 greift die erste Stufe der Ökodesign-Verordnung für nachhaltige Produkte (ESPR), zuerst für Batterien und bestimmte Textilien, insbesondere Schuhe, außerdem
- Eisen und Stahl, später dann auch Elektrogeräte, Möbel, Baumaterialien. Der Digitale Produktpass (DPP) wird dabei eine zentrale Rolle spielen. Hier werden sämtliche Daten gesammelt, die als Voraussetzung für eine zukünftige Kreislaufwirtschaft gelten:
- ganzheitliche Transparenz über den gesamten Lebenszyklus, einschließlich der Rohstoffbeschaffung
- ökologische Angaben zu Treibhausgasemissionen (Product Carbon Footprint), Wasserverbrauch und anderen Umweltauswirkungen
- Sicherstellen von Langlebigkeit, Wiederverwendbarkeit, Erweiterbarkeit und Reparaturmöglichkeiten von Produkten
- alle relevanten Informationen für das Recycling, wie Inhaltsstoffe, potenzielle Gefahren, Anweisungen zur Demontage und ordnungsgemäßen Entsorgung
Wie funktioniert der Digitale Produktpass?
Jeder Akteur entlang der Zulieferkette – vom Rohstofflieferanten über den Hersteller bis hin zum Händler – trägt zu diesem Informationssystem bei. Sie werden in einer sogenannten Registry hinterlegt. Der DPP basiert auf den Daten, die bereits vorliegen sollten. Die Vorteile liegen auf der Hand:
- Durch die genaue Erfassung der Lieferanteninformationen, Materialien, Gefahrstoffe und der Produktionsprozesse kann ein Produkt besser recycelt und wiederverwendet werden. Das reduziert den Einsatz neuer Rohstoffe und minimiert Abfall
- Da der DPP detaillierte Informationen über die Materialien enthält, wird es leichter, gebrauchte Produkte zu reparieren oder wiederzuverwenden. Dies führt zu einer Verringerung des Ressourcenverbrauchs
- Langfristig trägt der Ansatz dazu bei, CO2-Emissionen zu reduzieren und die Umwelt zu schützen. Denn Produkte, deren gesamte Lebensdauer transparent nachverfolgt werden kann, lassen sich umweltfreundlicher gestalten und besser in den Kreislauf zurückführen
- Unternehmen können auf standardisierte und normierte Daten zugreifen, was die Zusammenarbeit entlang der Zulieferkette verbessert und Effizienzsteigerungen ermöglicht
Doch schon mit dem letzten Punkt sind viele KMU überfordert, weiß Alexander David vom Start-up Greenable, das PCF und DPP-Services anbietet. "Die größte Herausforderung für Unternehmen sind die über Jahre gewachsenen internen Datenstrukturen. Von Papierdokumenten über Excel-Sheets bis hin zu ERP-Systemen sind die Informationen überall verteilt. Die DPP-relevanten Daten müssen in einer gewissen standardisierten Art vorliegen, beispielsweise maschinenlesbar oder interoperabel sein, um kompatibel mit unterschiedlichen IT-Systemen entlang der Lieferkette sein zu können. Dazu kommt die semantische Struktur: Wie wird ein CO2-Fußabdruck berechnet oder was bedeutet der Recyclinganteil im Material? Das bekommt kein KMU nebenbei hin." Sie müssen Experten einstellen, oder externes Know-how einkaufen. "Natürlich kostet das erst einmal Geld", sagtDavid weiter, "aber langfristig rechnet sich das."
Die digitale Zukunft ist nachhaltig
Greenable hat zusammen mit dem Green-AI-Hub auf der Hannover Messe 2024 die Produktionsinsel_Skye vorgeführt, die zum Demonstrator-Ökosystem der SmartFactory Kaiserslautern gehört. Dabei lag der Schwerpunkt darauf, wie der DPP, der dort in der Verwaltungsschale umgesetzt war, das Tor zur Zukunft der Produktion öffnen kann. Die _Skye überprüft recycelte Komponenten und bietet sie zur erneuten Nutzung an, beispielsweise in Datenräumen. Sobald eine Komponente im Datenraum gesucht wird, bietet _Skye diese an, günstiger und mit geringstem CO2-Fußabdruck. "Damit konnten wir vorführen, wie der DPP hilft, Ressourcen und Geld zu sparen", erläutert David. "Langfristig wirkt sich nämlich fast jede nachhaltige Maßnahme wirtschaftlich positiv aus."
SmartFactory Kaiserslautern, smartfactory.de
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