Potenziale der CO2-Emissionsreduktion durch digitales und durchgängiges Engineering bei industriellen Produktionssystemen

Abstract

Die Industrie spielt eine entscheidende Rolle bei der Erfüllung gesellschaftlicher Bedürfnisse, muss jedoch kontinuierlich effizienter und nachhaltiger werden. Die Bedeutung von nachhaltigen Produktionssystemen nimmt immer mehr zu, da die vorhandenen natürlichen Ressourcen nicht unendlich verfügbar sind und ein verantwortungsvoller Umgang mit ihnen von grundlegender Bedeutung ist. Digitale Technologien und Prozessverbesserungen bieten das Potenzial, die Nachhaltigkeit im gesamten Entstehungsprozess von Produktionsanlagen in der Industrie zu verbessern. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Bedeutung eines digitalen und durchgängigen Engineerings von industriellen Produktionsanlagen unter Berücksichtigung neutraler Austauschformate als Grundlage der Nachhaltigkeit zu untersuchen. Hierzu wurde der Fokus auf die Entwicklung und Validierung einer Methode zur systematischen Bewertung der CO2 -Emissionen im Engineering Prozess gelegt. Die ECEE-Methode (Evaluation of Carbon Emissions in Engineering) identifiziert relevante Emissionsquellen im Engineering und quantifiziert deren CO2 -Massenkoeffizienten. Darauf aufbauend werden Formeln entwickelt, die es ermöglichen, die Gesamtemissionen, deren Kosten und den Anteil an den Gesamtkosten des Engineerings zu berechnen. Ein wesentlicher Aspekt der Methode ist, dass neben den Kosten für CO2 -Zertifikate auch optional die Kosten für CO2 -Filterung in die Bewertung einfließen können, mit dem Ziel, einen Anreiz zur Emissionsreduktion zu schaffen. Zur Überprüfung der Anwendbarkeit wurde die ECEE-Methode anhand von Use Cases aus den Bereichen Montage und Lackierung validiert. Es wurden verschiedene Szenarien in den Prozessen der Virtuellen Inbetriebnahme und der digitalen Energiesimulation untersucht. Zur einfacheren praktischen Umsetzung und Anwendung wurde in diesem Zuge auch eine Web-Software in Python entwickelt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein durchgängig digitaler Engineeringprozess auf Basis neutraler Datenstandards den CO2 -Ausstoß signifikant reduzieren kann. Durch die Digitalisierung lassen sich Produktionsanlagen effizienter planen, konstruieren und betreiben, wodurch Energieverbrauch und Emissionen verringert werden. Zudem ermöglicht der nahtlose Datenaustausch zwischen Beteiligten eine Vermeidung von Medienbrüchen und redundanter Datenhaltung, was Fehlerquellen und Abstimmungsaufwand reduziert. Insgesamt bietet ein digitaler Engineeringprozess vielfältige Möglichkeiten, die CO2 - Emissionen über den gesamten Lebenszyklus hinweg zu senken - von der Konzeption bis zur Produktionsunterbrechung. Die ECEE-Methode ermöglicht eine realitätsnahe Bewertung der CO2 -Emissionen im Engineering und dient Unternehmen als Instrument, um wesentliche Emissionsquellen zu identifizieren und Einspar- sowie Effizienzmaßnahmen einzuleiten. Sie zeigt, dass ein digitaler Engineering Prozess ein wirksames Mittel ist, damit der CO2 -Ausstoß im Engineering gesenkt werden kann.

Industry plays a crucial role in meeting societal needs but must continuously become more efficient and sustainable. The importance of sustainable production systems is growing, as existing natural resources are not infinitely available and their responsible use is essential. Digital technologies and process improvements offer the potential to improve sustainability throughout the development process of industrial production plants. The aim of this work is to investigate the importance of digital and continuous engineering of industrial production plants, considering neutral exchange formats as a basis for sustainability. For this purpose, the focus was on the development and validation of a method for the systematic evaluation of CO2 emissions in the engineering process. The ECEE method (Evaluation of Carbon Emissions in Engineering) identifies relevant emission sources in engineering and quantifies their CO2 mass coefficients. Based on this, formulas are developed to calculate total emissions, their costs and the share of the total costs of engineering. An important aspect is that, in addition to the costs of CO2 certificates, the costs of CO2 filtering can also optionally be included in the evaluation in order to create an incentive to reduce emissions. To verify practicality and applicability, the ECEE method was validated using use cases from the areas of assembly and painting. Various scenarios in the processes of virtual commissioning and energy simulation were investigated. For easier practical implementation and use, web software in Python was also developed in this context. The results show that a continuous digital engineering process based on neutral data standards can significantly reduce CO2 emissions. Digitalization makes it possible to plan, design and operate production plants more efficiently, reducing energy consumption and emissions. In addition, the seamless exchange of data between participants makes it possible to avoid media breaks and redundant data storage, which reduces sources of error and coordination costs. Overall, a digital plant development process offers a wide range of opportunities to reduce CO2 emissions over the entire life cycle — from initial design to production interruption. The ECEE method enables a realistic assessment of CO2 emissions in engineering and serves as a tool for companies to identify significant sources of emissions and initiate saving and efficiency measures. It shows that a digital engineering process is an effective means of significantly reducing CO2 emissions in engineering.