Co-Innovation auf dem Weg zu einer Recycling-Gesellschaft

Die zweite industrielle Revolution in den 1870er Jahren brachte gewaltige technologische Innovationen mit sich, die den Übergang vom Malthusianismus, in dem das Wirtschaftswachstum direkt an die Bevölkerungszahl gekoppelt war, zur Geburtsstunde der Massenproduktion und des modernen linearen Wirtschaftsmodells auslösten. Höhere Effizienz und Produktivität in Kombination mit einem bis zu diesem Zeitpunkt in der Geschichte beispiellosen Bevölkerungswachstum führten zu einem Kreislauf, in dem riesige Mengen an Ressourcen für die Herstellung von Produkten eingesetzt wurden, die dann konsumiert und schließlich entsorgt wurden. Obgleich dieses Wirtschaftsmodell das individuelle Einkommen von Personen und deren Lebensqualität stark verbessert hat, hat es auch eine monumentale Schädigung unserer Umwelt zu verantworten.

Das Paradigma des „Produzierens, Konsumierens und Wegwerfens“ hat dazu beigetragen, dass die Mengen an CO₂, Methan (CH₄), Distickstoffmonoxid (N₂O) sowie anderen derartigen Gasen in der Erdatmosphäre rapide angestiegen sind. Dies erhöht die Intensität des Treibhauseffekts, der natürlichen Erwärmung der Erde, und treibt so die globale Durchschnittstemperatur in die Höhe. Eine Störung des natürlichen Wettergeschehens ist die Folge. Ausgedehnte Hitzewellen, übermäßig starke Regenfälle und heftige Stürme kommen immer häufiger vor.

Angesichts der drohenden Zerstörung unserer Umwelt, die immer mehr ihren Lauf nimmt, werden aber auch proaktive Maßnahmen ergriffen. So gibt es beispielsweise eine Stadt in Japan, die in dieser Hinsicht Aufmerksamkeit erregt. Es handelt sich um die Stadt Shimokawa, die sich in Hokkaido, rund 200 Kilometer von der nördlichsten Spitze der Insel entfernt, befindet. Die beschauliche Kleinstadt Shimokawa, die vor allem als Heimat des Weltklasse-Skispringers Noriaki Kasai bekannt ist, zählt nur etwa 3.400 Einwohner und leidet unter einer hohen Überalterungsrate: 39 % der Einwohner sind über 65 Jahre alt. Ein weiteres einzigartiges Merkmal der Stadt ist, dass etwa 90 % ihrer Fläche aus Wäldern besteht. Die Bewohner der Stadt schaffen es, sich diese Eigenschaft zunutze zu machen, indem sie die forstbasierte Industrie und die Energieversorgung mit Waldbiomasse auf dem Weg zu einer Recycling-Gesellschaft förderen.

Die mit dem Klimawandel verbundenen Risiken sind echt und das Bewusstsein für diese Risiken ist in nur kurzer Zeit stark gestiegen.

Ohne eine angemessene Bewirtschaftung sind Wälder anfällig für Forstschäden durch das Auftreten von Naturkatastrophen. Heftige Regenfälle und Erdbeben können tödliche Erdrutsche auslösen. Wenn Wälder aufgrund von Naturkatastrophen oder durch von Hitzewellen verursachten Dürreperioden Schaden nehmen, kann dies die CO₂-Bindungsrate beeinträchtigen und dazu führen, dass Kohlenstoff wieder zurück in die Atmosphäre gelangt. Dies verhindert wiederum, dass Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche in den Weltraum entweichen kann und trägt so zur globalen Erderwärmung bei.

Shimokawa hat ein umfassendes Waldbewirtschaftungskonzept entwickelt und umgesetzt, das die Pflanzung, Aufforstung, Ernte und vollständige Nutzung des Holzbestands, der wichtigsten Ressource des Waldes, ohne Abfälle umfasst. Das Holz wird zu Produkten wie Schnittholz, Nebenprodukten wie Sägespänen und hochwertigen Produkten wie ätherischen Ölen verarbeitet. Aus dem Rest werden Holzhackschnitzel gewonnen, die als Brennstoff für die Biomassekessel dienen. Dazu wurde eine Rohstoffproduktionsanlage zur Herstellung von Biomasse-Hackschnitzeln errichtet.

Die Biomassekessel in Shimokawa versorgen Einrichtungen wie öffentliche Thermen, Kindergärten und Altenpflegeheime mit Wärme. So kommt die Stadt auf einen Selbstversorgungsgrad von ca. 70 % bei der Wärmeversorgung von öffentlichen Einrichtungen und auf ca. 50 %, wenn man die Nutzung zur Holztrocknung in Holzfabriken privater Hand einbezieht.

Es sind jedoch noch einige Probleme zu lösen und Herausforderungen zu meistern. Die nötige Technologie zur Unterstützung einer Wärmeversorgung über Holzbiomasse besteht in Japan derzeit noch nicht. Trotzdem übernahm Shimokawa eine Pionierrolle bei der Einführung von Wärmeversorgungsanlagen auf Basis von Holzbiomasse. Bei einer solchen Pionierarbeit liegt es in der Natur der Sache, dass sich im Verlauf des Projektes einige neue Probleme und Herausforderungen ergeben. Wenn die endliche Ressource Holz als Brennstoff für die Wärmeversorgung mit Holzbiomasse aus dem Wald genutzt werden soll, müssen diese Anlagen integriert und effizient betrieben werden.

Yokogawas langjährige Mitwirkung in Japans weltweit führender Fertigungsindustrie hat es dem Unternehmen ermöglicht, wertvolle Erfahrung in den Bereichen Effizienz und Energieeinsparung zu sammeln. Obwohl die Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien in ihrer Entwicklung noch relativ am Anfang stehen, umgeht Yokogawa dieses Problem elegant dank der Integration seiner Mess- und Regeltechnik sowie IoT-Technologien.

Die Stadt Shimokawa hat die Hilfe von Yokogawa bei der Entwicklung eines Wärmeversorgungssystems basierend auf Holzbiomasse in Anspruch genommen. Die Stadt muss die Effizienz der kleinen, verstreuten Versorgungsanlagen, die die Wärmeversorgung mit Biomasse in Shimokawa liefern, weiter verbessern und eine stabile sowie ausreichend bemessene Versorgungslage gewährleisten. Shimokawa betreibt derzeit insgesamt 11 Wärmeversorgungskessel, die mit Biomasse arbeiten, und plant, das angehäufte Know-how schließlich auf ähnliche Anlagen im ganzen Land anzuwenden.

Das „Ichinohashi Bio-Village“, ein kleiner Stadtteil in Shimokawa mit rund 100 Einwohnern, einer alarmierend hohen Überalterungsrate und einem großen Bedarf an intelligenten Lösungen zur Verbesserung der Lebensqualität, profitiert besonders von dem gemeinsamen Vorhaben. Um die einzelnen Elemente des dort aufgebauten Biomasse-Wärmeversorgungssystems effektiv zu verwalten, setzt Yokogawa den hauseigenen e-RT3-Controller ein, der Informationen aus allen Teilen des Systems sammelt und verarbeitet. Dies wiederum ermöglicht eine Echtzeit-Fernüberwachung mithilfe von Fast/Tools, dem einfach zu bedienenden sowie hoch skalierbaren Regelungs- und Datenerfassungssystem.

Im Jahresverlauf schwankt die Temperatur in Shimokawa zwischen -30 °C und +30 °C. Dieser Umstand und die Tatsache, dass zwischen den Versorgungseinrichtungen und den Empfängern der Wärmeversorgung zum Teil erhebliche Entfernungen liegen, können zu einer Überkompensation in Form einer übermäßig hoch angelegten Versorgung führen. Durch die Prognostizierung des Wärmebedarfs auf Grundlage von Wärmebedarfsdaten aus der Vergangenheit und aktuellen Wetterinformationen wird in Kombination mit Yokogawas Regeltechnik ein effizienterer Betrieb möglich.

Die Endlichkeit von Biomasse-Brennstoffen setzt voraus, dass die richtige Balance zwischen Angebot und Nachfrage aufrechterhalten wird. In naher Zukunft wird das Community Energiemanagementsystem (CEMS) von Yokogawa, in dem der e-RT3 sowie Fast/Tools integriert sind, die Vorhersage des Wetters und des zu erwartenden Wärmebedarfs im Ichinohashi Bio-Village an bestimmten Tagen, die Entwicklung eines effektiven Betriebsplans und die Analyse der Ergebnisse zum Einbezug in den zukünftigen Betrieb ermöglichen.

„Yokogawa bietet Lösungen an, die die Stabilität, Effizienz und Sicherheit des Betriebs in Industrieanlagen und anderen Infrastruktureinrichtungen verbessern, indem Prozesse beschleunigt, Workloads reduziert und Energieeinsparungen erzielt werden.“
Takashi Nishijima (Präsident und CEO, Yokogawa)

Die Möglichkeit, die gewonnenen Daten für die Modellierung heranzuziehen, erleichtert den Einsatz eines Analyse-Algorithmus zur Optimierung der Prognosefunktion, die als Ergänzung zur Regelungsmethode fungiert. Dies wird wesentlich zur erfolgreichen Ausbalancierung des Angebots und der Nachfrage beitragen.

Die Funktionen, die das in Shimokawa zum Einsatz kommende CEMS erfüllt, beschränken sich auf die Erfassung und Visualisierung von Jahresdaten. Dennoch hat dieser Versuch eine Fülle von wertvollen Informationen geliefert. Die effektive Verwaltung von Betriebsdaten unterstützt das Gebäudemanagement, indem sie dabei hilft, bestimmte Bereiche zu identifizieren, die einer Sanierung bedürfen. Die Daten können zudem bei der Entscheidungsfindung hilfreich sein, wenn es um zukünftige Investitionen geht.

Yokogawas drei Nachhaltigkeitsziele für das Jahr 2050, die das Unternehmen im August 2017 verkündete, sind das Erzielen von Netto-Null-Emissionen und das Eindämmen des Klimawandels, die Transformation zu einer Kreislaufwirtschaft und die Sicherstellung von Wohlbefinden für alle. Takashi Nishijima, Präsident und CEO von Yokogawa, sagte dazu: „Yokogawa bietet Lösungen an, die die Stabilität, Effizienz und Sicherheit des Betriebs in Industrieanlagen und anderen Infrastruktureinrichtungen verbessern, indem Prozesse beschleunigt, Workloads reduziert und Energieeinsparungen erzielt werden.“

Yokogawa wird auch in der Zukunft gemeinsam mit seinen Kunden im Wege der Co-Innovation an der Entwicklung revolutionärer neuer Modelle wie diesem arbeiten, um nachhaltige Werte zu schaffen und schließlich seine längerfristigen Nachhaltigkeitsziele zu verwirklichen.