Vereinheitlichung der Makro- und Mikrosicht auf den Lebenszyklus kritischer Werkstoffe
Eine zentrale Plattform, um die Vorteile von virtuellen und realen Welten zu nutzen und so ein klares Wertschöpfungsnetzwerk zu schaffen.
Kritische Werkstoffe wie Kupfer, Lithium, Nickel, Kobalt und Seltene Erden sind für die Energiewende unerlässlich. Von Windturbinen über Sonnenkollektoren bis hin zu Elektrofahrzeugen – Technologien für saubere Energie steigern die Nachfrage nach großen Mengen an kritischen Werkstoffen.
Die Internationale Energieagentur (IEA) weist darauf hin, dass
- ein Elektrofahrzeug die sechsfache Menge an Mineralien benötigt wie ein konventionelles Fahrzeug
- ein Offshore-Windpark 13-mal mehr Mineralien benötigt als ein Gaskraftwerk
Wie erreichen wir das Ziel?
Das Ganze ist mehr als nur die Summe seiner Teile
Das zu erwartende Minenangebot reicht nicht aus, um mit der Nachfrage Schritt zu halten, und es besteht ein hohes Risiko von Versorgungsunterbrechungen aufgrund von:
- der begrenzten Verfügbarkeit von Werkstoffen
- der geografischen Konzentration der Quellen
- dem Mangel an erschwinglichen alternativen Mineralien
Diese Knappheit unterstreicht die Dringlichkeit, dass das Wertschöpfungsnetzwerk für kritische Werkstoffe Best Practices für die Kreislaufwirtschaft priorisiert, die mit den globalen Nachhaltigkeitsbemühungen übereinstimmen. Kreislaufwirtschaft ist nicht nur eine Option, sondern eine Notwendigkeit – sie verlängert den Lebenszyklus von Werkstoffen, erzeugt aus Abfall Ressourcen und minimiert die Abhängigkeit von endlichen Rohstoffen.
Um Herausforderungen effektiv zu bewältigen, sollten die Phasen des Lebenszyklus kritischer Werkstoffe nicht voneinander getrennt betrachtet werden, ohne zu verstehen, wie sie als miteinander verbundene Teile eines breiteren Ökosystems zusammenpassen. Ein ganzheitlicher, kreislauforientierter Ansatz ist erforderlich, wenn wir angesichts der weltweit steigenden Nachfrage nach kritischen Werkstoffen zu einer abfall- und kohlenstoffarmen, generativen Wirtschaft übergehen wollen.
Den Take-Make-Waste-Kreislauf durchbrechen
„Ein regeneratives Wertschöpfungsnetzwerk ist die Basis für eine generative Wirtschaft. Recycling zum Beispiel entlastet das Primärangebot. Studien deuten darauf hin, dass bis 2040 die recycelten Mengen an Kupfer, Lithium, Nickel und Kobalt aus Altbatterien den Bedarf an primären Ressourcen für diese Mineralien um 10 % senken könnten.
Allerdings sind die Recyclingverfahren für viele Werkstoffe noch nicht vollständig etabliert, und das Recycling allein schließt die Notwendigkeit von Investitionen in neue Ressourcen nicht vollständig aus. Deshalb müssen wir auch neu entstehende Abfallströme aus Technologien für saubere Energie berücksichtigen.“
„Als Katalysator und Wegbereiter der generativen Wirtschaft bietet Dassault Systèmes Virtual Twin Experiences, die den Übergang zu einer ökologisch nachhaltigen Wirtschaft ermöglichen. Kritische Werkstoffe sind der Kern von Technologien für saubere Energie, die diesen Wandel in den Bereichen Infrastruktur, Technologie, Gesundheit und Mobilität vorantreiben“, erklärt de T'Serclaes.
Weiter sagt sie: „Virtuelle Zwillinge – ob für das Produktdesign, die Herstellung oder das Unternehmen – fördern die Kreislaufwirtschaft. Sie sorgen für die Transparenz und das Datenmanagement, die erforderlich sind, um ein kollaboratives Ökosystem zu schaffen, in dem kritische Werkstoffe von ihrer Gewinnung und Beschaffung bis zum Ende ihres Lebenszyklus nachverfolgt werden können.“
Nachhaltige Praktiken für eine geringere Umweltbelastung
- Nachhaltige Beschaffung
- Werkstoffinnovation
- Ökodesign
- Rückwärtslogistik
- Rückgewinnung durch Demontage
Nachhaltige Beschaffung
Nachhaltige Beschaffung ist der erste Schritt in Richtung Kreislaufwirtschaft – und die Reduzierung von Emissionen im Bergbau und in der weiteren Verarbeitung ist ein zentraler Punkt.
Nachhaltige Praktiken können in die vorgelagerten Abläufe integriert werden:
- Nutzung sauberer Energien
- Einsatz energieeffizienter Technologien an allen Standorten
- Wiederverwendung von Abfällen und Nebenprodukten als Rohstoffe
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Umweltmanagement, das die Auswirkungen aller Prozesse – einschließlich des Wasserverbrauchs, der Luftqualität und des Abfallmanagements – überwacht, um die Einhaltung gesetzlicher Anforderungen sicherzustellen.
Mit den Lösungen für den Bergbau von Dassault Systèmes, die auf der Virtual-Twin-Technologie basieren, können Unternehmen ihre Modelle überarbeiten, Prozesse und Geschäftsstrategien simulieren und rationalisieren – und dabei gleichzeitig die Ziele in den Bereichen Umwelt, Soziales und Governance (ESG) einhalten und Fortschritte in Richtung Klimaneutralität machen. Diese Synergie zwischen der realen und der virtuellen Welt verbessert das Verständnis und die Ergebnisse, so dass Bergbaubetriebe Innovationen vorantreiben und Nachhaltigkeit in den Betriebsablauf einbinden können, um ein verantwortungsvolles und nachhaltiges Wachstum zu erreichen.
Die Dekarbonisierung ist eine wesentliche Anforderung und Verantwortung für die Bergbauindustrie. Wir gestalten die Zukunft und definieren den Wert der Branche mit digitalen Lösungen neu, um Risiken zu verringern, den Fußabdruck zu minimieren und die Effizienz zu maximieren.
Tania Killeen
Head of Mining, Infrastructure,
Energy & Materials Industry,
Dassault Systèmes
Werkstoffinnovation
Angesichts der begrenzten Menge an kritischen neuen Werkstoffen kann die steigende globale Nachfrage nicht allein durch die Sicherung der Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus gedeckt werden. Um die Abhängigkeit von diesen Ressourcen zu verringern, muss die Innovation von Werkstoffen die Entwicklung alternativer Werkstoffe als Ersatz oder Ergänzung priorisieren.
Die Innovation alternativer Werkstoffe wird der Industrie helfen, die Nachfrage zu befriedigen und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren, die Ressourceneffizienz zu verbessern und eine kreislauforientierte, resiliente Wirtschaft zu fördern.
Die BIOVIA-Lösungen von Dassault Systèmes bieten eine umfassende Modellierungs- und Simulationsumgebung, mit der Forschende die Beziehungen zwischen der atomaren und molekularen Struktur eines Werkstoffs und seinen Eigenschaften sowie seinem Verhalten vorhersagen und verstehen können. Mit einem In-silico-Ansatz können Forschende die Eigenschaften von Werkstoffen optimieren, ohne teure physikalische Experimente durchführen zu müssen. Die Erstellung virtueller Zwillinge von Verbundwerkstoffen senkt auch die Forschungs- und Entwicklungskosten und beschleunigt den Prozess der Werkstoffinnovation.
James Wescott
BIOVIA Roles Portfolio Engineering Senior Manager,
Dassault Systèmes
Ökodesign
Produkte, die nach den Grundsätzen des zirkulären Designs konstruiert wurden, lassen sich am Ende ihres Lebenszyklus leichter zerlegen und verarbeiten.
Mindestens 40 % der Unternehmen sind dabei, die Grundsätze des Kreislaufdesigns in die Produktentwicklung einzubeziehen und Lebenszyklusanalysen in allen Phasen der Produktentwicklung durchzuführen.
Ökodesign Ökodesign konzentriert sich auf die Verbesserung der Haltbarkeit und Reparaturfähigkeit, um die Lebensdauer der Produkte zu verlängern und so den Bedarf an zusätzlichen Rohstoffen zu minimieren. Durch die Integration dieser Prinzipien können Unternehmen fundiertere Entscheidungen bei der Werkstoffauswahl treffen, die sich direkt auf den ökologischen Fußabdruck eines Produkts auswirken und gleichzeitig Möglichkeiten zur Marktdifferenzierung schaffen.
Olivier Pedoussaut
High-Tech-Industrie,
Solution Experience Director,
Dassault Systèmes
Rückwärtslogistik
Der Übergang von einer linearen Lieferkette zu einem zirkulären Wertschöpfungsnetzwerk – mit einem geschlossenen Kreislaufsystem – ist der entscheidende Faktor für einen erfolgreichen Übergang zur Kreislaufwirtschaft.
Und die Rückwärtslogistik (Reverse Logistics) ist eine zentrale Komponente bei der Umgestaltung des Wertschöpfungsnetzwerks, indem sie zurückgegebenen Produkten ein zweites Leben ermöglicht – sei es durch Wiederverkauf oder Wiederaufbereitung. Sie unterstützt nicht nur die Kreislaufwirtschaft, indem sie die Abhängigkeit von Rohstoffen verringert und gleichzeitig Abfälle reduziert, sondern schafft auch einen Mehrwert, da umweltfreundliche Produkte oft höhere Preise erzielen und den Gewinn steigern.
Die Rückwärtslogistik trägt zum Aufbau einer nachhaltigeren Wertschöpfungskette für kritische Werkstoffe bei. Durch die Nachverfolgung von logistischen Abläufen können Einsparpotenziale aufgedeckt und Effizienzlücken geschlossen werden. Gleichzeitig wird die Kundenzufriedenheit durch einen besseren Service und eine klare Kommunikation in Bezug auf Rücksendungen erhöht.
Jean-Yves Tresson
Industrial Equipment Industry Business Value Consultant Expert,
Dassault Systèmes
Rückgewinnung durch Demontage
Der Weg von der Entwicklung bis zur Fertigung wird neu konzipiert, um Produkte zu priorisieren, die funktionale Anforderungen erfüllen und zu einer Kreislaufwirtschaft beitragen.
Ein entscheidendes Element dieser Transformation ist die Integration von Design for Disassembly (Demontagegerechte Produktgestaltung) – ein strategischer Ansatz, der sicherstellt, dass Werkstoffe am Ende der Lebensdauer eines Produkts leicht zurückgewonnen, wiederverwendet oder recycelt werden können:
- Die Werkstoffe werden nach Langlebigkeit, Recyclingfähigkeit und Kompatibilität mit effizienten Demontageprozessen während der Entwicklung ausgewählt, um eine einfache Wiederverwendung zu gewährleisten
- Bei der Planung der Demontage in der Fertigung sind integrierte Demontagefunktionen der Schlüssel zur Minimierung des Abfalls während der Produktion.
- Durch die Planung der Rückgewinnung am Ende des Lebenszyklus durch Demontage werden die Produkte zerlegt, um hochwertige Werkstoffe zu gewinnen
Wird Design for Disassembly in die Entwicklungs- und Fertigungskette integriert, können Unternehmen sicherstellen, dass Werkstoffe nicht nur verbraucht und entsorgt werden, sondern erhalten bleiben, zurückgewonnen und wieder in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden. Durch die effiziente Rückgewinnung wertvoller Ressourcen können Unternehmen die Abhängigkeit von neuen Werkstoffen verringern, natürliche Ressourcen schonen und Umweltschäden minimieren.
Karim Fradj
ENOVIA Quality and Sustainability Director,
Dassault Systèmes
Neue Maßstäbe für alle Branchen
Eine integrierte Plattform, die als Innovationszentrum für kritische Werkstoffe dient, ist von entscheidender Bedeutung, um vollständige Transparenz und Rückverfolgbarkeit im Wertschöpfungsnetzwerk von kritischen Werkstoffen zu erreichen. Wie hat die 3DEXPERIENCE® Plattform von Dassault Systèmes Branchenführern dabei geholfen, innovativ zu sein und ihre Nachhaltigkeitsagenda voranzutreiben?
Bold Valuable Technology entwickelt, testet, fertigt und liefert leistungsstarke, gebrauchsfertige Batteriesysteme und Strukturlösungen für den Leichtbau.
„Wir müssen sehr schnell verschiedene Entwicklungsstufen durchlaufen und die Rückverfolgbarkeit für jede einzelne Komponente, die wir entwickeln und schließlich in die Produktion einführen, sicherstellen. Mit der 3DEXPERIENCE Plattform können wir die Grenzen des Machbaren verschieben und unseren Kunden die beste Technologie liefern.“
Gerard Torres
Chief Operating Officer,
Bold Valuable Technology
Die Envision Group bietet Systemlösungen für erneuerbare Energien und ist ein klimaneutraler Technologiepartner.
„Unsere Prozesse – von der Auftragsakquise und Produktionsplanung bis hin zur Logistik, dem Betrieb vor Ort und den Wartungsdiensten – müssen nahtlos ineinandergreifen, damit wir unsere Kunden pünktlich beliefern, gleichzeitig die Kontrolle über unsere globale Lieferkette erlangen und unsere Ziele in Sachen Klimaneutralität erreichen können.“
Shao Chunlei
Global Supply Chain Vice President und International Project Delivery and Service General Manager,
Envision Group
Verkor leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen und produziert in seiner ersten Gigafactory Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation.
„Die Zusammenarbeit mit Dassault Systèmes gibt uns die Möglichkeit, den gesamten Prozess des Produktlebenszyklus mit der 3DEXPERIENCE Plattform
abzudecken.“
Christober Raj
Head of Digital,
Verkor
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Wichtige Erkenntnisse über kritische Werkstoffe von den Nachhaltigkeitsexperten von Dassault Systèmes.
1. Was versteht man unter kritischen Werkstoffen?
Jedes Land hat seine eigene Definition von kritischen Werkstoffen – in der Regel im Hinblick auf die Souveränität und die Versorgungssicherheit. Wenn man die einzelnen Definitionen zusammenfasst, könnte man sagen, dass es sich um Mineralien, Elemente, Substanzen oder Werkstoffe von großer wirtschaftlicher Bedeutung handelt, die eine wesentliche Funktion in einer oder mehreren Energietechnologien erfüllen. Dabei besteht ein hohes Risiko, dass die Lieferkette aufgrund der Konzentration der Quellen und des Mangels an geeigneten Alternativen unterbrochen wird.
Für die IEA sind kritische Werkstoffe wesentliche Komponenten in Technologien für saubere Energie wie Windparks, Stromnetze, Photovoltaikanlagen und Elektrofahrzeuge.
2. Warum sind kritische Werkstoffe vor allem in den Bereichen Transport, Energie und Elektronik so wichtig?
Der Übergang zu einer klimaneutralen Produktion bis 2050 wird im Jahr 2040 sechsmal mehr Mineralien erfordern als im Jahr 2020. Während die Länder ihre Bemühungen zur Emissionsreduzierung beschleunigen, müssen sie sicherstellen, dass die Energiesysteme resilient und sicher bleiben.
Kritische Werkstoffe wirken sich auf transformative Spitzentechnologien aus, wobei jede Technologie andere Arten von Werkstoffen erfordert. So sind zum Beispiel Lithium, Nickel, Kobalt, Mangan und Naturgraphit für die Verwendung in Batterien unverzichtbar. Für Dauermagnete, die in Windkraftanlagen und Elektromotoren eingesetzt werden, sind Seltene Erden unerlässlich.
3. Wie sieht der Lebenszyklus kritischer Werkstoffe aus?
Der Lebenszyklus von Werkstoffen kann in mehrere Segmente unterteilt werden. Bei der Förderungwerden Werkstoffe aus ihrer natürlichen Umgebung entnommen und zu Substanzen verarbeitet, die für industrielle Anwendungen geeignet sind.
Die Werkstoffinnovation umfasst die Entwicklung neuer Werkstoffe, um die Abhängigkeit von kritischen Werkstoffen zu verringern. Beim Produktdesign werden diese Werkstoffe zur Herstellung von Produkten verwendet, wobei der Schwerpunkt auf Abfallvermeidung und Recycling liegt. Dann werden die Produkte hergestellt, vermarktet und verwendet.
Bei der Demontage werden die Produkte zerlegt, um wiederverwendbare Elemente zu extrahieren. Letztlich dienen Recycling und Rückgewinnung dazu, wichtige Werkstoffe aus Produkten am Ende ihrer Lebensdauer zurückzugewinnen.
4. Wie zirkulieren kritische Werkstoffe in einer Kreislaufwirtschaft?
In einer Kreislaufwirtschaft werden kritische Werkstoffe so behandelt, dass möglichst wenig Abfall entsteht und eine maximale Wiederverwendung und ein maximales Recycling erreicht wird. 2019 lag der Anteil der in der Fertigung und im Baugewerbe verwendeten Sekundärwerkstoffe bei etwa 9 %. Selbst wenn das Potenzial der Ressourcenrückgewinnung voll ausgeschöpft wird, ermöglichen die derzeitigen Wirtschaftsstrukturen nur eine Kreislaufwirtschaft von 30 bis 40 %.
Daher müssen die globalen Produktions- und Verbrauchssysteme umstrukturiert werden. Dies beginnt mit der Schaffung neuer Geschäftsmodelle, die auf den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft basieren. Die Einbindung von Ökodesign-Prinzipien könnte helfen, indem nachhaltigeren Designs und einer besseren Planung für die Verlängerung der Lebensdauer und die Demontage Vorrang eingeräumt wird.
5. Was ist das Wertschöpfungsnetzwerk für kritische Werkstoffe?
Eine Wertschöpfungskette umfasst alle Aktivitäten im Zusammenhang mit der Wertschöpfung während des gesamten Lebenszyklus eines Produkts oder einer Dienstleistung, von der Rohstoffgewinnung bis zum Ende der Lebensdauer. Um zu einem stärker auf Kreislaufwirtschaft ausgerichteten Modell für kritische Werkstoffe überzugehen, müssen wir einen zusätzlichen Wert aus recycelten und wiedergewonnenen Werkstoffen generieren, indem wir sie als neue Inputs wieder in die Industrien einführen.
Da herkömmliche Modelle der Wertschöpfungskette linear sind, werden wir dies nur durch ein komplexeres Modell des Wertschöpfungsnetzwerks erreichen. Ein vernetztes Wertschöpfungsnetzwerk bietet mehr Möglichkeiten der Zusammenarbeit. Dadurch interagieren vernetzte Akteure über das gesamte Netzwerk hinweg und beeinflussen die mit der Wertschöpfung verbundenen Aktivitäten.
6. Was sind verantwortungsvoll bezogene Werkstoffe?
Werkstoffe aus verantwortungsvollen Quellen werden durch Prozesse gewonnen, bei denen Nachhaltigkeit, ethische Arbeitspraktiken und minimale Umweltauswirkungen im Vordergrund stehen. Das bedeutet, dass die Gewinnung, die Produktion und der Transport von Werkstoffen den ESG-Standards entsprechen müssen.
Kritische Werkstoffe unterliegen jedoch einem hohen Risiko der Unterbrechung der Lieferkette. Um diese Risiken zu verringern, ist die nachhaltige Beschaffung von Werkstoffen ein wesentlicher Faktor und wird durch eine soziale Betriebslizenz erleichtert.
Darüber hinaus können wir durch die Förderung der Prinzipien der Kreislaufwirtschaft die globale Nachfrage effizient decken, indem wir Werkstoffe zurückgewinnen, die wieder in den Produktionskreislauf einfließen, wodurch der Bedarf an Bergbau und dessen Umweltauswirkungen verringert wird.
7. Wie können wir die Rückverfolgbarkeit in der gesamten Wertschöpfungskette effektiv erreichen?
Die Rückverfolgbarkeit über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg ist kein Wunschtraum. Einige Sektoren haben es geschafft. Wir haben jedoch ein hochkomplexes Ökosystem, an dem viele Akteure im Bereich kritischer Werkstoffe beteiligt sind. So werden beispielsweise für die Elektronik mehr als 50 verschiedene kritische Werkstoffe benötigt, die jeweils von einem anderen Standort und Lieferanten stammen.
Die Entwicklung umfassender Standards und Vorschriften, die eine durchgängige Rückverfolgbarkeit gewährleisten, bleibt eine Herausforderung. Unser Ziel bei Dassault Systèmes ist es, umfassende Lösungen anzubieten, die diese Rückverfolgbarkeit unterstützen. Wir möchten den Akteuren die Möglichkeit geben, die benötigten Informationen auf kollaborative, zuverlässige, transparente und sichere Weise bereitzustellen und gleichzeitig die Einhaltung der einschlägigen Vorschriften zu gewährleisten.
8. Was sind die wichtigsten Vorschriften in Bezug auf kritische Werkstoffe?
Weltweit haben sich Vorschriften für kritische Werkstoffe entwickelt, um die Rückverfolgbarkeit in der gesamten Wertschöpfungskette zu gewährleisten und die Kreislaufwirtschaft zu fördern. Die einzelnen Länder versuchen, dieses Ökosystem mit dem gemeinsamen Ziel zu transformieren, die Autarkie und Kreislaufwirtschaft für strategische Werkstoffe zur Bekämpfung des Klimawandels zu erhöhen.
In Europa sind die wichtigsten Verordnungen das „Gesetz zu Kritischen Rohstoffen“ (Critical Raw Materials Act), die „Netto-Null-Industrie-Verordnung“ (Net-Zero Industry Act) und der „Digitale Produktpass“. In den USA fördern der „Inflation Reduction Act“ und das „Bipartisan Infrastructure Law“ das Recycling und die nachhaltige Nutzung von kritischen Werkstoffen. In China zielt der vierzehnte Fünfjahresplan für die Entwicklung der Kreislaufwirtschaft darauf ab, die Effizienz der Ressourcennutzung zu verbessern.