Der Digitale Prozesspass

[vc_row][vc_column][vc_custom_heading text=“Der Digitale Prozesspass“ font_container=“tag:h1|font_size:48|text_align:left“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1676559757045{margin-top: -25px !important;}“][vc_custom_heading text=“Best Practice auf dem Weg zum nachhaltigen Energiedatenmanagement“ font_container=“tag:h2|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1676559763674{padding-bottom: 10px !important;}“][vc_column_text]Shari Alt und Dirk Werth, August-Wilhelm Scheer Institut

(Titelbild: © Adobe Stock |560511806|Smart Future)[/vc_column_text][ultimate_spacer height=“15″ height_on_tabs=“15″ height_on_tabs_portrait=“15″ height_on_mob_landscape=“15″ height_on_mob=“15″][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_custom_heading text=“Kurz und Bündig“ font_container=“tag:h2|font_size:34|text_align:left“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1661761237969{margin-top: -25px !important;}“ el_class=“box-headline“][vc_row_inner el_class=“box-content-wrapper“][vc_column_inner][vc_column_text]Die Verfügbarkeit von Rohstoffen ist eines der zentralen Risiken für die Weltwirtschaft. Das Jahr 2022 hat auch in Deutschland zahlreichen Industriesektoren sehr deutlich vor Augen geführt, wie hoch die Abhängigkeit von gesicherten Lieferketten für verschiedene Rohstoffe geworden ist. Vor diesem Hintergrund ist das Konzept einer zirkulären Wertschöpfung immer stärker in den Fokus der Wirtschaft gerückt. Durch die Schließung von Stoffkreisläufen kann zum einen der Zugriff auf Rohstoffe gesichert werden, zum anderen birgt die Circular Economy das Potenzial, CO2-Emissionen zu senken.[/vc_column_text][/vc_column_inner][/vc_row_inner][/vc_column][/vc_row][vc_row css=“.vc_custom_1519752670572{margin-top: -10px !important;}“][vc_column][ultimate_spacer height=“30″ height_on_tabs=“15″ height_on_tabs_portrait=“15″ height_on_mob_landscape=“15″ height_on_mob=“15″][vc_column_text]Aus den bestehenden und künftigen politischen Initiativen zum Wandel der Wirtschaft hin zu einer Kreislaufwirtschaft ergeben sich für Unternehmen neue Anforderungen, denen sie gerecht werden müssen. Hierzu zählt unter anderem das Ausweisen der verursachten CO2-Emissionen je Produkt. Bislang herrscht allerdings noch an vielen Stellen Unsicherheit und Unklarheit über die Umsetzung der neuen Anforderungen. Um Licht ins Dunkel zu bringen, ist es für Unternehmen daher derzeit wichtig, Erfahrungen und Erkenntnisse durch die Analyse ihrer Ist-Situation und die Entwicklung erster Prototypen zu sammeln, die zukünftig eine transparente Betrachtung ihrer Produktionsprozesse ermöglichen.[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]Der Standort Homburg gilt in der Robert Bosch GmbH als Impulsgeber und Vorreiter hinsichtlich Energiemanagement und Energieeffizienzmaßnahmen. Bereits vor zehn Jahren wurde hier mit der Energy Platform ein System installiert, welches es erlaubt, Energieverbräuche mittels Sensorik transparent zu machen und damit die Basis für eine kontinuierliche Verbesserung der Energieeffizienz zu schaffen. Im Leitwerk und Kompetenzzentrum Homburg der Robert Bosch GmbH werden neben dem stetig wachsenden Bereich der Wasserstofftechnologie modernste Dieseltechnologien für Personen- und Nutzkraftwagen hergestellt. Die derzeit stattfindende Transformation der Automobilwirtschaft hin zu einer ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft zeichnet sich demnach auch am Standort Homburg ab, der diese nachhaltige Transformation aktiv vorantreibt. Eines der Hauptziele des Unternehmens auf dem Weg zur ressourcenschonenden Kreislaufwirtschaft stellt die transparente Darstellung der verursachten CO2-Emissionen, der eigens produzierten Produkte, dar. Um hierbei neben dem möglichen Nachweis und der Kommunikation dieser Werte auch Hebel identifizieren zu können, die verursachten Emissionen nachhaltig und kontinuierlich zu reduzieren, wird eine prozessgenaue Betrachtung und Analyse entlang des Produktwertstroms notwendig.[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Ein Prototyp zur Schaffung erster Transparenz und Erfahrung“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Um dieser Herausforderung zu begegnen, arbeiten das August-Wilhelm Scheer Institut und das Energy Management Team des Standorts Homburg der Robert Bosch GmbH gemeinsam an einem Prototypen eines Digitalen Prozess-
passes. Dieser Digitale Prozesspass kann die während der Produktion verursachten CO2-Emissionen prozessscharf darstellen. Der Betrachtungsrahmen für diesen ersten Prototyp beschränkt sich auf eine ausgewählte am Standort Homburg gefertigte Produktkategorie, die Kategorie „Rail“ (Druckspeicher im Common-Rail-System zur Dieseleinspritzung). Die wertschöpfenden Prozesse zur Produktion dieser Produktkategorie befinden sich fast vollständig in einer einzelnen Produktionshalle am Standort Homburg, der Halle Ho109. Durch diesen räumlich klar festzulegenden Betrachtungsrahmen empfiehlt sich die Produktkategorie „Rail“ besonders für die Konzeption und Erstellung eines ersten Prototyps zum Digitalen Prozesspass. Es kann ein idealer Testraum zum Sammeln erster Erfahrungen geschaffen werden, ohne hierbei auf zusätzliche Hürden und eine gesteigerte Komplexität des Vorhabens, aufgrund der räumlichen Gegebenheiten, zu stoßen. Um für die Pilotierung ebenfalls im Hinblick auf den zeitlichen Betrachtungsrahmen klare Grenzen zu definieren, wurde der Digitale Prozesspass basierend auf historischen Daten des Kalenderjahres 2021 erstellt.[/vc_column_text][vc_single_image image=“32328″ img_size=“large“ title=“Abbildung 1: Systemkomponenten Digitaler Prozesspass“][vc_custom_heading text=“Transparenztool Digitaler Prozesspass“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Um Transparenz bezüglich der verbrauchten Energie und damit auch der verursachten Emissionen während der Produktion erlangen zu können, sind im Kern zwei unterschiedliche Clouds für den Digitalen Prozesspass notwendig. Zum einen werden Informationen darüber benötigt, welche und wie viele Produkte wann und wo prozessiert worden sind, und zum anderen, wie hoch der Energieverbrauch im zeitlichen Verlauf für die unterschiedlichen Maschinen und Fertigungslinien war. Durch das Verknüpfen der Informationen dieser beiden Hauptclouds lassen sich Aussagen über den gemessenen Energieverbrauch während der Produktion eines bestimmen Produktes und damit Aussagen zu den verursachten CO2-Emissionen des Produktes treffen.[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Von der Datensichtung bis zur Umsetzung“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Zu Beginn des dreimonatigen Projektes zwischen dem August-Wilhelm Scheer Institut und der Robert Bosch GmbH wurden zunächst die bereits unternehmensintern erfass-
ten Daten mit Relevanz für den angestrebten Prototyp des Digitalen Prozesspasses zusammengetragen. Das Ergebnis dieser Datensichtung stellt eine Übersicht der aktuell verfügbaren Betriebs- und Energiedaten für die einzelnen Wertstromabschnitte dar, die das Produkt „Rail“ am Standort Homburg, in der Halle Ho109, durchläuft. Neben der reinen Sichtung der verfügbaren Daten für die Erstellung des Prototyps, wurde zudem eine Analyse der Daten anhand von elf Kriterien der Datenqualität durchgeführt (siehe Abbildung 2) – denn letztlich ist die Datenqualität des Digitalen Prozesspasses nur so gut wie die der zugrunde liegenden Primärdaten. Im Idealfall sind daher stets alle elf Kriterien der Datenqualität ohne Einschränkungen erfüllt.

Um beispielsweise den aktuellen Stand der vorliegenden Primärdaten in Bezug auf das Kriterium der Vollständigkeit im Rahmen des gemeinsam durchgeführten Projekts transparent zu machen, wurde ein Sankey-Diagramm erstellt [1]. In diesem wird der gemessene gesamte Energiebezug der Halle Ho109 in die gemessenen Energiebezugsströme einzelner Verbraucher in der Halle unterteilt. Eine sich dabei potentiell ergebende Differenz zwischen dem gesamten Energiebezug der Halle und der Summe der gemessenen Energiebezüge der darin betriebenen Verbraucher bedeutet eine bestehende Unklarheit darüber, wo die für die Halle bezogene Energie hinfließt beziehungsweise wovon diese Energie verbraucht wird. Bezogen auf den zu erstellenden Digitalen Prozesspass würde eine solche Differenz dazu führen, dass die Energieverbräuche in Höhe der bestehenden Differenz nicht auf einzelne Produktionsprozesse und damit auf einzelne Produkte verteilt werden können. Die angegebenen Verbräuche innerhalb des Digitalen Prozesspasses wären daher nicht realitätsgenau.

Basierend auf der Zusammenfassung und der Analyse der Daten-Ist-Situation wurde eine Potentialanalyse hinsichtlich des realisierbaren Betrachtungsumfangs des Digitalen Prozesspass-Prototyps erstellt. Hierbei wurden verschiedene Perspektiven analysiert und hinsichtlich ihrer Umsetzbarkeit bewertet:

• mögliche inkludierte Energieformen (z.B. Strom, Druckluft, Kälte, Wärme, Prozessgase)
• mögliche betrachtete Energiebezugsebene (z.B. Hallenebene, Wertstromabschnitt-Ebene, Fertigungslinien-Ebene, Maschinenebene)
• mögliche Zuordnung der verbrauchten Ener-
gie zu Produkten (z.B. Produktkategorie, Produkttyp, Charge, individuelles Produkt).

Sofern manche der theoretisch bestehenden Möglichkeiten mit der aktuellen Datenlage als nicht realisierbar eingestuft wurden, sind Erweiterungsmaßnahmen inklusive einer Kosten-Nutzen-Analyse zur Schaffung der notwendigen Voraussetzungen für eine künftige Umsetzung ermittelt worden.

Auf Basis der Ergebnisse der Datensichtung und der durchgeführten Analyse wurde in einem nächsten Schritt die Konzeption des Prototyps des Digitalen Prozesspasses für die Produktkategorie „Rail“ vorgenommen. Hierbei wurden neben der Festlegung des Betrachtungsrahmens auch die Darstellungsform der Lösung, die verfolgten Analyseziele sowie das Zugriffsmanagement konzipiert. Da es sich bei der zu entwickelnden Lösung um einen Prototyp handelt, welcher es ermöglichen soll, erste Erfahrungen und Erkenntnisse für eine künftige Einführung eines solchen Prozesspasses sammeln zu können, war es bei der Konzeptionierung wichtig, sich auf Kernaspekte zu fokussieren und die Komplexität damit zunächst möglichst begrenzt zu halten.

Der erste Prototyp für den Digitalen Prozesspass sollte demnach eine Zuordnung der verbrauchten elektrischen Energie auf ein Stück der Produktkategorie „Rail“ ermöglichen, wobei zwischen verschiedenen Energieerfassungsebenen differenziert werden können sollte. Demnach wurde der Prototyp so konzipiert, dass darin Informationen über die Höhe der durchschnittlich verbrauchten Energie beziehungsweise der verursachten CO2-Emissionen eines Stücks der Produktkategorie „Rail“ angegeben sind,
• wenn dieses in der Halle Ho109 produziert worden ist (Hallenebene),
• wenn dieses einen bestimmten Wertstromabschnitt durchlaufen hat (Wertstromabschnitt-
Ebene),
• wenn dieses durch eine bestimmte Fertigungs-
linie in einem Wertstromabschnitt prozessiert worden ist (sofern Fertigungslinien im Wertstromabschnitt vorhanden sind) (Fertigungsli-
nien-Ebene),
• wenn dieses auf einer bestimmten Maschine innerhalb einer Fertigungslinie/ eines Wertstromabschnitts bearbeitet worden ist (sofern der Energieverbrauch auf Maschinenebene erfasst wird) (Maschinenebene).

Die dadurch mögliche immer tiefer gehende und detaillierte Betrachtungsweise der verbrauchten Energie beziehungsweise des CO2-Fußabdrucks pro Stück lässt Vergleiche zwischen identischen Fertigungslinien oder Maschinen zu. Weiter kann eine Transparenz hinsichtlich der Energie- und damit den CO2-intensivsten Wertstromabschnitten geschaffen werden. Durch diese Einblicke innerhalb des Digitalen Prozesspasses können datenbasierte Entscheidungen zur kontinuierlichen Verbesserung der Prozesse angestoßen und damit die Energieeffizienz nachhaltig gesteigert werden.

Zur flexiblen und ortsungebundenen Nutzung dieser Informationen wurde der Digitale Prozesspass in Form eines interaktiven Dashboards als passwortgeschützte Webanwendung umgesetzt. Hierfür wurde auf dem bestehenden Ist-Zustand eine für den Prototyp notwendige Daten-Infrastruktur zur Erfassung und Speicherung der Daten aufgebaut. In einem nächsten Schritt wurden Algorithmen entwickelt, welche eine automatisierte Analyse der Daten zur Ermittlung der durchschnittlichen Energieverbräuche/ CO2-Emissionen pro Stück für die unterschiedlichen Energiebezugsebenen ermöglichen. Innerhalb des Dashboards lässt sich die Ansicht hinsichtlich der verschiedenen Energiebezugsebenen frei wählen. Allerdings muss, um zum Beispiel in die Maschinenebene zu gelangen, zunächst der zugehörige Wertstromabschnitt (Zerspanung, Zwischenprozesse, Montage, Prüfung) gewählt werden. Dies liegt in den bestehenden Zusammenhängen zwischen den einzelnen Maschinen, den Fertigungslinien und den Wertstromabschnitten begründet (siehe Abbildung 4). Pro betrachteter Ebene werden im Dashboard neben Visualisierungen auch Kennzahlen zur verbrauchten Energie sowie den verursachten CO2-Emissionen jeweils insgesamt und durchschnittlich pro Stück angegeben. Ein Beispiel: Wurde im Dashboard der Wertstromabschnitt „Zerspanung“ angewählt und hier die Maschinenebene ausgewählt, wird angezeigt, wie viele CO2-Emissionen im Durchschnitt je Stück anfallen, wenn es auf den unterschiedlichen Maschinen im Wertstromabschnitt „Zerspanung“ gefertigt worden ist.[/vc_column_text][vc_single_image image=“32329″ img_size=“large“ title=“Abbildung 3: Betrachtungsrahmen Prototyp Digitaler Prozesspass“][vc_custom_heading text=“Ausblick“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Durch diesen ersten gemeinsam mit dem August-Wilhelm Scheer Institut entwickelten Prototyp des Digitalen Prozesspasses konnte die Robert Bosch GmbH wertvolle Erkenntnisse hinsichtlich des Aufwands und der notwendigen Genauigkeit der Daten für den Digitalen Prozesspass sammeln. Nach und nach kann der bestehende Prototyp nun in seiner Komplexität erhöht und damit dem angestrebten Zielbild eines realitätsgetreuen CO2-Fußabdrucks der produzierten Produkte nähergebracht werden.

Hier wird es notwendig sein, in den nächsten Schritten weitere Energieformen sowie weitere Produktzuordnungsmöglichkeiten (siehe Abbildung 3) in den Prototyp zu implementieren. Letzteres ist gerade wegen der bestehenden Produktvielfalt in der Produktkategorie „Rail“ notwendig. So gehört zur Produktkategorie eine Vielzahl an unterschiedlichen Produkttypen, die sich in ihrer Größe und ihren Merkmalen (zum Beispiel der Anzahl von Bohrungen für Hochdruck-Konnektoren) unterscheiden.
Um diese Unterschiede auch im CO2-Fußabdruck eines Produktes sichtbar machen zu können, müssen die in den einzelnen Prozessschritten verbrauchten Energien verursachungsgerecht den einzelnen Produkttypen der Produktkategorie „Rail“ zugeordnet werden können. Die dafür notwendige Erweiterung des entwickelten Prototyps soll in einem Folgeprojekt zwischen dem August-Wilhelm Scheer Institut und der Robert Bosch GmbH realisiert werden.

Zukünftig kann der CO2-Fußabdruck demnach im Digitalen Prozesspass auch pro-
dukttypengenau für die einzelnen Prozessschritte sowie für den gesamten Fertigungsprozess transparent dargestellt werden.[/vc_column_text][vc_single_image image=“32330″ img_size=“large“ title=“Abbildung 4: Musterbeispiel Dashboard Digitaler Prozesspass“][ult_createlink title=“Zu den Literaturangaben“ btn_link=“url:https%3A%2F%2Fbit.ly%2F3kGOYCI|target:_blank“][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][ult_dualbutton btn_hover_style=“Style 2″ btn_border_style=“solid“ btn_color_border=“#ffffff“ btn_border_size=“2″ btn_alignment=“left“ dual_resp=“off“ button1_text=“Einzelheft kaufen“ icon_link=“url:https%3A%2F%2Fwww.im-io.de%2Fproduct%2Fmetaverse%2F|title:Metaverse%2C%20NFTs%20%26%20Cryptos|target:_blank“ btn1_background_color=“#f3f3f3″ btn1_bghovercolor=“#f07d00″ icon=“Defaults-book“ icon_size=“22″ icon_color=“#f07d00″ icon_hover_color=“#ffffff“ button2_text=“Jetzt abonnieren“ btn_icon_link=“url:https%3A%2F%2Fwww.aws-institut.de%2Fim-io%2Fabo%2F|title:Abo||“ btn2_background_color=“#f3f3f3″ btn2_bghovercolor=“#f07d00″ btn_icon=“Defaults-chevron-right“ btn_icon_size=“22″ btn_icon_color=“#f07d00″ btn_iconhover_color=“#ffffff“ divider_text=“oder“ divider_text_color=“#f07d00″ divider_bg_color=“#ffffff“ btn1_text_color=“#f07d00″ btn1_text_hovercolor=“#ffffff“ btn2_text_color=“#f07d00″ btn2_text_hovercolor=“#ffffff“ title_font_size=“desktop:20px;“ btn_border_radius=“30″ title_line_ht=“desktop:22px;“ btn_width=“280″][/vc_column][/vc_row]