Industrie 4.0 und Nachhaltigkeit: Forschung für die Fabrik von Morgen
Die Fraunhofer-Gesellschaft ist mit mehr als 30.000 Mitarbeitenden in 76 Instituten, die jeweils unterschiedliche Themenschwerpunkte in interdisziplinären Projekten bearbeiten, die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Das Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg ist Technologie- und Forschungspartner für Unternehmen, die aktiv die Zeitenwende hinzu Digitalisierung und Automatisierung gestalten und »Industrie 4.0« somit Wirklichkeit werden lassen wollen. Vor Ort drehe sich daher „mehr oder weniger alles um Produktionsprozesse und Fabriken und wie die entsprechend effizient aufgestellt werden können, unter anderem auch digital“, wie Sebastian Jentsch, Wirtschaftsingenieur und Projektleiter der Forschungsgruppe „Energie- und ressourceneffiziente Systeme“, Abteilung „Energiesysteme und Infrastrukturen“, ausführt. Dabei gehe es nicht nur um technische Optimierungen, sondern vielmehr darum, Unternehmen aufzuzeigen, wie sie in kleinen, machbaren Schritten ihre Produktion umstellen und gleichzeitig wettbewerbsfähig bleiben können. Denn das erklärte Ziel des IFF lautet: Forschung für nachhaltige Entwicklungen im Sinne ökologisch intakter, ökonomisch erfolgreicher und sozial ausgewogener Wertschöpfungsketten.
Smarte Produktion live erleben: Die Elbfabrik in Magdeburg
Die Elbfabrik des Fraunhofer IFF ist dabei weit mehr als ein gewöhnliches Forschungsgebäude. Sie ist vielmehr ein lebendiges Labor, dass die Zukunft industrieller Produktion erlebbar macht: Im Technikum unterstützen digitale Assistenzsysteme nicht nur die Produktionsabläufe, sondern auch die Einarbeitung in neue Produktionsprozesse, indem sie die Nutzer:innen durch diese leiten. Digitale Zwillinge simulieren Produktionsprozesse und helfen dadurch, Einsparpotentiale zu identifizieren. Erneuerbare Energien fließen in das Gebäudekonzept ein – nicht nur in Form von Photovoltaik- und Windkraftanlagen, sondern auch über innovative Lösungen wie Induktivplatten im Eingangsbereich, die beim Darüberlaufen Strom erzeugen.
Die Erzeugungsleistung der erneuerbaren Energien wird dabei regelmäßig im digitalen Energieleitsystem des Hauses erfasst und der Verbrauchsleistung des Gebäudes gegenübergestellt, sodass auf einem Dashboard jederzeit entsprechende Live-Daten abrufbar sind. Das erklärt Ziel dahinter ist, es Unternehmen zu ermöglichen, im Produktionsprozess präzise bestimmen zu können, wie viele CO₂-Emissionen in den einzelnen Erzeugnissen konkret drinstecken. Diese Informationen könnten via Blockchain direkt an die einzelnen Produkte gebunden werden, was nicht nur die Transparenz gegenüber der Kundschaft erhöht, sondern auch einen wichtigen Schritt auf dem Weg zum Digitalen Produktpass darstellt. Ein erstes Pilotprojekt in diesem Zusammenhang erfolgte mit der Magdeburger Möbeltischlerei aRTES möbel.
Falls auch Sie, liebe:r Leser:in, Interesse daran haben, zu ergründen, welche Sensoren es gibt und inwiefern diese sich in Ihrem Unternehmen zielführend einsetzen ließen, zögern Sie bitte nicht, die Forschungsgruppe zu kontaktieren.
Energiespeicher der Zukunft? Wasserstoff im Fokus der Forschung
Ein weiterer Schwerpunkt der Magdeburger Forschenden im Zusammenhang mit der Integration erneuerbarer Energien in industrielle Produktionsprozesse stellt das Thema Wasserstoff dar, denn durch Photovoltaik, Windkraft etc. erzeugte Energie wird häufig nicht dort gebraucht, wo sie erzeugt werden kann. Es braucht also Speicher – und Wasserstoff könnte als ein solcher Speicher dienen: Überschüssige Energie würde genutzt, um Wasser elektrochemisch in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten (Elektrolyse), und bei Bedarf wieder freigesetzt, indem der Wasserstoff verbrannt wird. Das Fraunhofer IFF betrachtet dabei alle Bereiche der Wasserstoffnutzung, wie Jentsch ausführt: „Von der Bereitstellung erneuerbarer Energien über die Wasserstofferzeugung, -speicherung, -infrastruktur bis hin zur -nutzung.“
In diesem Zusammenhang testen die Forschenden u.a. zwei verschiedene Elektrolysesysteme in ihrem Wasserstofflabor: Zum einen ein marktübliches Plug-In-System, welches ausreichen würde, um ein Ein- bis Zweifamilienhaus mit Energie zu versorgen; sowie zum anderen einen selbstgebauten frugalen Elektrolyseur, der perspektivisch für den Einsatz in sogenannten Entwicklungsländern genutzt werden könnte, da er zwar einen geringeren Wirkungsgrad aufweist, jedoch auch weniger wartungsaufwendig wäre und zudem keiner vorherigen Aufbereitung des verwendeten Wassers bedürfte.
„Dadurch dass das frugale System relativ einfach gebaut ist, wollen wir schauen, ob man da auch normales Trinkwasser oder vielleicht sogar Abwasser nutzen kann.“
Sebastian Jentsch
In einem anderen Projekt untersuchten die Wissenschaftler:innen zudem, inwiefern sich durch den Einsatz bestimmter Bakterien in Biogasanlagen zusätzlich zum dabei freiwerdenden Kohlenstoffdioxid und Methan auch Wasserstoff erzeugen ließe (HyPerFerment). Die Suche nach alternativen Wasserstofferzeugungsverfahren ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil der künftige Wasserstoffbedarf nur über Elektrolysesysteme voraussichtlich nicht vollständig gedeckt werden kann. Denn Wasserstoff werde ja nicht nur in energetischer Hinsicht genutzt, sondern auch stofflich, z.B. für die Herstellung von Düngemitteln oder synthetischen Kraftstoffen (E-Fuels), benötigt, wie Jentsch betont.
Mehr als Experimente – Wie Simulationen die Forschung ergänzen
Die Forschung am Fraunhofer IFF erfolgt aber nicht nur im Labor, sondern oftmals auch simulativ. So berechnete Dr. Wolfram Heineken, Mathematiker am Fraunhofer IFF, bspw. verschiedene Optionen zur Konstruktion von Laufwasserkraftwerken, mit deren Hilfe Flusswasserkraft zur Stromerzeugung genutzt werden könnte, ohne den Fluss aufstauen zu müssen. Dies könnte nicht nur massive Eingriffe in Flussökosysteme verhindern, sondern auch eine nachhaltige Wasserstoff- und Stromproduktion ermöglichen.
Darüber hinaus werden Simulationen oftmals zur Optimierung von Speicherungs- und Transportmöglichkeiten für Wasserstoff genutzt. Unterstützt durch Dr. Heineken simulierten die Forschenden so z.B. die Hitzeentwicklung in Hochdrucktanks bei unterschiedlichen Drücken, um dadurch deren Gestaltung verbessern zu können. Auch ermöglichen Simulationen eine effizientere Wasserstoffverteilung – sowohl im kleinen Maßstab, etwa durch eine verbesserte Routenplanung für Tankfahrzeuge, als auch im größeren Maßstab, etwa durch die Berechnung optimaler Pipeline-Durchmesser.
Den Herausforderungen der Umrüstung begegnen: Saubere Verbrennung, sichere Prozesse
Schließlich erforschen die Wissenschaftler:innen des Fraunhofer IFF auch die Bedingungen zur Umrüstung ehemals mit Erdgas betriebener Verbrenner und anderer bestehender Industrieanlagen auf Wasserstoff – „und das ist nicht ganz so trivial, weil man da entsprechend darauf achten muss, dass der Wasserstoff wirklich vollständig verbrennt, denn sollte der Wasserstoff unverbrannt in das Materialgefüge hineingelangen, kann das zu Qualitätsminderungen sowie ggf. zu Sicherheitsrisiken führen“, so Jentsch.
Gleichzeitig gibt es Überlegungen, den bei der Elektrolyse freiwerdenden Sauerstoff für weitere Proesse zu nutzen. So entsünde bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff (statt normaler Luft) etwa auch CO₂, das weniger stark mit Stickstoff u.ä. verunreinigt ist und sich daher in besonderem Maße für die Kohlenstoffindustrie eignet.
Falls auch Sie, liebe:r Leser:in, Interesse daran haben, die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff in Ihrem Unternehmenskontext zu ergründen, zögern Sie bitte nicht, die Forschungsgruppe zu kontaktieren.
Nachhaltige Produktion durch angewandte Forschung
Angesprochen darauf, ob sie in ihrer Arbeit bzw. in ihren Kontakten zu Unternehmen merken, dass das Thema Wasserstoff u.a. durch die Bundespolitik forciert wird, meint Jentsch: „Man merkt das schon, man merkt aber auch bei den Unternehmen selbst, dass sie sich umstellen wollen, eben auf CO2-freie Energien. Und da fällt halt unter anderem auch das Stichwort Wasserstoff und da ist man schon sehr bestrebt, auch an unterschiedlichsten Stellen, Wasserstoff zu integrieren.“
Ein Energiemonitoring schafft Transparenz über den Energieverbrauch, die schrittweise Umstellung auf erneuerbare Energien reduziert Emissionen, und Simulationen von Produktionsprozessen helfen, Einsparpotenziale frühzeitig zu erkennen. Diese Maßnahmen sind nicht nur ein Beitrag zum Klimaschutz, sondern machen sich oft auch wirtschaftlich bezahlt. „Letztlich ist das Ziel bei vielen Unternehmen immer das Gleiche: Die CO₂-Emissionen irgendwie zu senken“, so Jentsch. „Und da gibt es verschiedene Ansätze – über Energieeffizienz, über simulative Optimierung oder durch den Einsatz erneuerbarer Technologien.“
Genau hier setzt die Forschung am Fraunhofer IFF an: Ob smarte Produktionshallen mit digitaler Assistenz, innovative Energielösungen oder neue Konzepte zur Wasserstoffnutzung – das Fraunhofer Institut in Magdeburg entwickelt konkrete Lösungen für eine zukunftsfähige Industrie. Die Elbfabrik dient dabei als lebendiges Testfeld für die Technologien von morgen, während die Wasserstoffforschung Wege aufzeigt, um die Energieversorgung langfristig CO₂-neutral zu gestalten.
Nachhaltigkeit ist kein Selbstzweck, sondern kann eine strategische Chance sein. Die Elbfabrik macht deutlich, dass umweltfreundliche Innovationen kein abstraktes Zukunftsbild sind, sondern heute bereits Realität werden können – Schritt für Schritt.
Interview mit zwei Projektleitern
Die nachfolgenden Auszüge entstammen einem Interview mit den beiden Projektleitern Sebastian Jentsch und Dr. Wolfram Heineken, welches am 20.01.2025 in der Elbfabrik des Fraunhofer IFF in Magdeburg stattfand. Dieses sowie eine ergänzende Führung durch das Technikum und die Labore bilden eine Grundlage für den obigen Bericht.
Was ist Ihr Verständnis von „Nachhaltigkeit“?
Nachhaltigkeit bedeutet für mich, einen Kompromiss zwischen Ökonomie, Ökologie und Gesellschaft herzustellen.
Sebastian Jentsch
Die drei Bereiche – Ökonomie, Ökologie und soziale Bedinungen – müssen gemeinsam gedacht werden. Wenn eins davon fehlt, dann ist das keine gute Entwicklung. Es muss schon alles zusammen betrachtet werden.
Dr. Wolfram Heineken
Energieeffizienz und Optimierung von Systemen – letztlich gehört das für uns auch mit zur Nachhaltigkeit.
Sebastian Jentsch
Inwiefern spielt die globale Dimension hierbei eine Rolle für Sie? Warum (nicht)?
Wir denken die natürlich frühzeitig mit: Wie kann ich Technologien, die ich für Deutschland konzipiere, in einem Scaling auch für andere Länder entsprechend aufbauen? Das denken wir immer schon frühzeitig mit in unseren Ansätzen. […] Es stellt sich für aber auch immer die Frage: Was für Förderinitiativen gibt es? Wie ist das Interesse vonseiten der Unternehmen?
Sebastian Jentsch
Wie spiegelt sich „Nachhaltigkeit“ in Ihrem Institut wider?
Wir haben bei uns im Institut erneuerbare Energietechnologien mit integriert – Windkraft, Photovoltaik – und schauen, dass wir ein Leitsystem dafür aufbauen, um auch Unternehmen beispielsweise zu zeigen: So könntet ihr das auch machen. Und das ist für uns schon ein wichtiger Anspruch, dass wir viele Ideen hier auch schon mit umsetzen, die wir dann auch zeigen können, und dass sie auch praktikabel sind.
Sebastian Jentsch
Ab Februar läuft ein Projekt mit einer Schule hier aus Magdeburg an, da geht es bspw. auch um Ressourceneffizienz – Aus Alt mach Neu. Und da schauen wir uns bspw. an, wie man aus alten Plastikflaschen Filter macht; oder wie man aus alten Paletten mit Aluresten, Folie oder ähnlichem Parabolspiegel macht, womit man dann in der Mitte Wärme generieren kann, damit dann vielleicht Essen erwärmen kann oder sogar einen kleinen Motor betreiben kann.
Sebastian Jentsch
Ich meine, dass es zugenommen hat, dass bei Dienstreisen mit öffentlichen Verkehrsmitteln gefahren wird. […] Als ich hier anfing, war man noch der Exot, wenn man sagte, man möchte lieber mit dem Zug fahren. Das ist schon verbreiteter geworden, ja. … Dienstwagen wurden auch reduziert, weil man bemerkt hat, dass die eigentlich immer stehen.
Dr. Wolfram Heineken
Was wünschen Sie sich von Unternehmer:innen und Kooperationspartner:innen; von Politik und Zivilgesellschaft?
Wir wünschen uns von Unternehmen, dass sie offen sind für neue Technologien, auch wenn sie jetzt im ersten Moment vielleicht noch nicht ganz wirtschaftlich sind – aber vielleicht dann mit den Unternehmen zusammen wirtschaftlich werden können. … Also auch eine gewisse Offenheit für einzelne Pilotanlagen etc.
Sebastian Jentsch
Wir wünschen uns von der Politik eine zielgerichtete Förderung erklärter Schwerpunktthemen, sowohl in Form von Fördertöpfen als auch Förderpartnern, sodass man auch entsprechend Netzwerke schaffen und sich dort austauschen kann.
Sebastian Jentsch
Und natürlich muss die Politik daraufhin wirken, dass bestimmte Umweltstandards, die sonst nicht so wirtschaftlich wären, dass die sozusagen wirtschaftlich werden – entweder durch Förderung oder durch Bestrafung von schädlichem Verhalten. Da hat die Politik natürlich die Aufgabe, zu steuern.
Dr. Wolfram Heineken
Wir wünschen uns von der Gesellschaft, dass sie sowohl offen als auch kritisch mit neuen Technologien umgeht. […] Man sollte sich mit den Themen kritisch auseinandersetzen. Wenn ich mir bspw. Batteriespeicher anschaue: Dafür brauche ich viel Lithium. Also, wenn ich mir den Footprint in Deutschland angucke – alles super. Aber wenn ich wiederum gucke, wo das abgebaut wird, muss man das natürlich kritisch mitberücksichtigen. Und das gehört für uns hier mit dazu und das wünsche ich mir so auch von der Gesellschaft.
Sebastian Jentsch
Kontakt
Elbfabrik des Fraunhofer IFF
Joseph-von-Fraunhofer-Straße 1 | 39106 Magdeburg
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