Die Entwicklung im Bereich der Künstlichen Intelligenz (KI) ist rasant. Der enorme Anstieg der Leistungsfähigkeit von KI-Systemen sowie deren vielfältiger Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern bietet für die Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft große Chancen. Doch gleichzeitig stellt diese Entwicklung die jeweiligen Branchen auch vor enorme Herausforderungen.
Gerade in der Wissenschaft gilt die Maxime: Künstliche Intelligenz muss vom Menschen her gedacht werden und zu dessen Wohl entwickelt werden. Umfassende Forschung ist dafür wichtiger denn je, um technische Entwicklungen – und damit auch aus ethischer, sozialer und rechtlicher Perspektive – zu verstehen und in die Anwendung bringen zu können. Durch die Generierung enormer Datenmengen wird die Informationsdichte der Anlagen erhöht, jedoch steigt dadurch die auch die Komplexität durch Interpretation. Die Frage lautet deshalb: Ist eine Künstliche Intelligenz die richtige Antwort?
VISION
Ziel des Projekts ist es, eine betriebsfähige und vollautomatisch arbeitende Pilotanlage sowie ihren digitalen Zwilling für die Herstellung von Nanocellulose aus Buchenholzfasern aufzubauen. In der zweiten Phase soll diese durch eine KI in ihrer Effizienz vollautomatisch verbessert werden. Der Industrie sollen dadurch wichtige Entscheidungshilfen und ein enormer Erfahrungsvorsprung übermitteln werden.
Die Projektlaufzeit ist in zwei Phasen aufgeteilt: Der erste Teilschritt wird bis August 2023 vollzogen sein, das Ende der zweiten Förderperiode erfolgt dann zwei Jahre später. Während der gesamten Projektlaufzeit wird die Pilotanlage ausgelegt, geplant, gebaut und in Betrieb genommen. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die vollumfängliche Automatisierung der Prozessabläufe gelegt. Damit soll transparent dargestellt werden, welche Chancen und Herausforderungen bei diesem Schritt bestehen.
Berücksichtigt wird dabei bereits der Folgeprozesse für eine anschließende, KI-gestützte Optimierung zur Steigerung der Energieeffizienz. Der erarbeite Ansatz dient der Entwicklung neuer Verfahren und Materialien in der Bioökonomie.
Ziel des Projekts ist es, eine betriebsfähige und vollautomatisch arbeitende Pilotanlage sowie ihren digitalen Zwilling für die Herstellung von Nanocellulose aus Buchenholzfasern aufzubauen.
HINTERGRUND
In vielen Produkten des täglichen Bedarfs sind heutzutage Bestandteile eingearbeitet, die auf der Basis petrochemischer Produkte – also beispielsweise Kunststoffe, Weichmacher, Tenside, Emulgatoren, Stabilisatoren, Verdicker oder Lösemittel – erzeugt wurden und somit weder nachhaltig noch umweltverträglich sind. Im Marktsegment der Kosmetik sind das größtenteils synthetische Polymere oder Mikroplastik. Im Anwendungsfeld der Lebensmittelproduktion hingegen werden vor allem Emulgatoren und Fette auf Basis von unter anderem Palmöl eingesetzt, die in einem starken, sozio-ökologischen Spannungsfeld stehen.
In den meisten Fällen übernehmen diese Bestandteile allerdings keinerlei funktionelle Eigenschaften wie beispielsweise als Wirksubstanz oder Geschmacksträger, sondern nur sekundäre Aufgaben wie das Verdicken oder die Funktion als Wasserspeicher. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert, diese durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen. Die in den 80er-Jahren entwickelte Nanocellulose wäre solch eine Alternative: Sie kann aus lokalen Hölzern hergestellt werden, ist für Menschen und Tiere unbedenklich sowie nachwachsend und biologisch abbaubar.
Besonders zu hinterfragen sind allerdings die Zahlen seit Markteinführung des Materials: Seit den nun über 40 Jahren Entwicklungszeit am Markt ist die verfügbare Menge an Nanocellulose mit circa 30 Tonnen pro Tag sehr verhalten. Dies kann auf mehrere Faktoren zurückgeführt werden wie beispielsweise dem hohen Personaleinsatz, dem enormen Investitionsbedarf pro Tonne Produkt, dem großen Energiebedarf oder dem Mangel an Lieferanten für Anlagen.
MISSION
Um der Anwendung von holzbasierter Nanocellulose einen Impuls zu verschaffen, ist es deshalb notwendig, die Herstellung mit einem Höchstmaß an Automatisierung und modernster Technologie auszustatten, um die Kosten sowie die Entwicklungszeit auf ein Minimum zu reduzieren. Der dabei angestrebte Automatisierungsgrad soll vollumfänglich 100 Prozent betragen. Das bedeutet, dass die Anlage nach der Inbetriebnahme von der Beschickung mit Rohstoff bis zum fertig produzierten Produkt komplett selbstständig und ohne personellen Eingriff betrieben werden kann. Ist die erwünschte Qualität des Endproduktes erreicht, stellt sich die Anlage automatisch ab.
Im Anschluss soll mit Hilfe der gewonnenen Daten und einem entwickelten KI-Algorithmus eine vollautomatische Prozessoptimierung umgesetzt werden. Ziel ist es, die Herausforderungen und Chancen bei der Planung, dem Bau und Betrieb einer völlig automisch betriebenen Anlage zu demonstrieren und dem interessierten Publikum zu vermitteln, wie das Produkt Nanocellulose beschleunigt in den Markt kommen kann.
Durch diese Maßnahme entstehen mehrere Vorteile: Es wird zum einen demonstriert, welche Schritte, Kosten und Chancen bei der Integration von künstlicher Intelligenz in Prozessanlagen zu berücksichtigen sind. Zum anderen wird mit der KI-gestützten Prozessoptimierung der Wandel hin zu einer biologisch orientierten, industriellen Fertigung deutlich beschleunigt. Aufgrund der enormen Senkung von Investitions- und Herstellungskosten soll der breite Markterfolg von holzbasierter Nanocellulose einen großen Schritt nach vorn gebracht werden.
ZIELGRUPPEN
Beim Projekte stehen zwei Zielgruppen im Fokus: Denn sowohl der Wirtschaftsstandort Deutschland als auch die EU möchten und müssen sich hin zu einer Bioökonomie bewegen. Meist stehen jedoch die neu entwickelten Produkte auf der Basis nachwachsender Rohstoffe in wirtschaftlicher Konkurrenz zu etablierten Produkten, deren Prozesse über Jahrzehnte hinweg optimiert werden konnten. Diese Zeit steht heute allerdings nicht mehr zur Verfügung. Darum ist die in diesem Projekt entwickelte Technologie notwendig, um den Unternehmen eine Erfahrungsplattform für die KI-gestützte Produktentwicklung und Prozessoptimierung zu bieten.
Des Weiteren ist ein deutlicher Bedarf an Nanocellulose am Markt zu verzeichnen. Dennoch steht der großen Nachfrage auch nach über 40 Jahren der Entwicklung noch keine wirkliche Versorgungssicherheit mit wirtschaftlicher Grundlage gegenüber. Im Resultat wird dieses Projekt daher einen spürbaren Impuls liefern. Es dient der ökonomischen und ökologischen Optimierung von Produktionsanlagen und ermöglicht zugleich die effiziente Nutzung von Buchenholzfasern im Sinne der Forstwirtschaft. Von diesem zusätzlichen Bedarf profitieren anschließend sowohl die Forstbetriebe als Holzlieferanten, die Anlagenbauer, die Anlagenbetreiber als auch die Anwender für das Produkt Nanocellulose.
THEMENGEBIETE UND TEILBRANCHEN
Forst und Holz: Aufgrund der Erkenntnisse im Projekt wird der Rohstoff Holz in seiner Wertschöpfung gesteigert. Durch die Erzeugung von Nanocellulose werden Holzfasern als Rohstoffquelle herangezogen und die Nanocellulose in neue Anwendungen überführt. Die Branche der Zellstoffindustrie kann dadurch in Zukunft ihre Produkte an neue Unternehmen vermarkten oder selbst Anlagen zur Weiterverarbeitung, der eigens hergestellten Zellstoffe, in Betrieb nehmen.
Energie: Steigende Stromkosten und strengere Auflagen stellen stromintensive Industrien vor neue Herausforderungen. Die im Projekt eingesetzte innovative Technologie, Produktionstechnik in Verbindung mit zukünftiger KI, knüpft an diesen Problemen an. Die Grundlagenforschung zur Umsetzung der Industrie 4.0 bringt den Einsatz neuer Technologien – vor allem in der Zellstoffindustrie sowie Papierindustrie – voran und besitzt ein hohes Effizienzsteigerungspotenzial.
Neue Werkstoffe und Oberflächen: Bisher ist die Herstellung von Nanocellulose kostenintensiv und wird daher in nur sehr wenigen Branchen und Anwendungen eingesetzt. Durch die preiswertere Herstellung von Nanocellulose kann diese in neuen Werkstoffen eingesetzt werden und ist somit nicht nur der Schlüssel für Produktinnovationen, sondern zugleich auch potenzielle Lösung von Zukunftsfragen und Herausforderungen.
Über EFRE:Der Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) ist ein Strukturfonds der EU, mit dessen Hilfe der wirtschaftliche, territoriale und soziale Zusammenhalt innerhalb der EU gefördert wird. Baden-Württemberg konzentriert sich mit seinem EFRE-Programm auf das Leitmotiv „Innovation und Energiewende“ und unterstützt gezielt die Themen Forschung und Innovation sowie Verminderung der CO₂-Emissionen. Im Rahmen von REACT-EU fließen zusätzliche Mittel zur Bewältigung der COVID-19-Krise in das EFRE-Programm Baden-Württemberg.
