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Mit virtuellen Abbildern das Klima schonen

„Digitaler Zwilling“? Klingt nach Science-Fiction! Tatsächlich aber ist die virtuelle Nachbildung von realen Anlagen, Prozessen oder Systemen ein vielversprechender Weg, um den Klimaschutz voranzubringen. 

Wie wir bei //next bereits gezeigt haben, geht Digitalisierung sehr wohl auch grün. Digitale Technologien können in vielen Bereichen der Wirtschaft, des Verkehrs und Alltags sowie der Industrie den Klimaschutz voranbringen. Ein wichtiges Werkzeug auf diesem Weg ist der so genannte „Digitale Zwilling“. Was es damit auf sich hat? Nun, im Kern beschreibt dieser Begriff den Weg, bestimmte Produktions- und Betriebsverfahren mit Hilfe von virtuellen Abbildern zunächst am digitalen statt am realen Objekt zu testen. Auf diese Weise lassen sich massiv Material, Energie und Ressourcen einsparen. Schließlich bestehen Digitale Zwillinge „nur“ aus Daten und Algorithmen.

„Wir verstehen unter dem Begriff ein Konzept, mit dem Produkte sowie Maschinen und ihre Komponenten mit Hilfe digitaler Werkzeuge modelliert werden, und zwar einschließlich sämtlicher Geometrie-, Kinematik- und Logikdaten“, erläutert Olaf Sauer, vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) in Karlsruhe. „Ein digitaler Zwilling ist das Abbild des physischen ‚Assets‘ in der realen Fabrik und erlaubt dessen Simulation, Steuerung und Verbesserung.“ 

Erst virtuell checken, dann real bauen

Die Vorteile liegen auf der Hand: Wenn die Fertigungs- und Produktqualität eines Produkts nicht stimmt, dann liegt das oft nicht zuletzt daran, dass lediglich Annahmen und Erfahrungswerte über die spätere Nutzung, Betriebsbedingungen und Lasten getroffen wurden – und als Entwicklungsgrundlage dienten. Diese Annahmen sind aber leider nicht immer richtig. Hier kommt der Digitale Zwilling ins Spiel. Mit seiner Hilfe lassen sich viele dieser Annahmen von vornherein (virtuell) überprüfen.

Im Prinzip sind digitale Zwillinge „gepimpte“ 3D-Modelle: Zunächst wird ein reales Objekt mithilfe einer 3D-Vermessung digitalisiert und verfügbar gemacht. Externe Informationen, die bei der Messung nicht erfasst werden konnten (etwa zur Beschaffenheit), werden hinzugefügt. Doch es reicht nicht, lediglich das Hier und Jetzt eins zu eins widerzuspiegeln. Das Ganze wird noch vernetzt, Sensoren ermöglichen, dass aus dem „statischen“ Modell ein dynamisches wird. Ein Modell, das nicht nur simuliert ist, sondern welches auf unterschiedliche Parameter reagieren kann.


Den Anwendungsgebieten sind damit keinen Grenzen gesetzt. So können beispielsweise die Fahreigenschaften eines Autos genauso verbessert werden, wie sich die Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit von Offshore-Windkraftanlagen überprüfen lassen. Alles am Computer statt auf der Piste bzw. auf dem Meer. Architekten und Planer modulieren, welche ihrer Entscheidungen sich wie auf den Energieverbrauch eines Hauses auswirken. Die virtuelle Simulation bestimmt den richtigen Einsatz der Heizungsanlage in einem Gebäude. Verschiedene Was-Wenn-Szenarien werden abgebildet – und auf ihre Energie-Effizienz analysiert. Es geht natürlich noch größer: Welche Auswirkungen können neue Technologien auf das lokale Klima, die Luftqualität in der Stadt und die Gesundheit der Bürger haben? Die Antwort liefert das digitale Pendant von Dorf, Gemeinde oder Metropole. 

Mit digitalem Zwilling auf Klimatour

Gleich doppelt hilfreich für das Klima war der Einsatz der Technologie beispielsweise bei der Expedition des deutschen Forschungsschiffs Polarstern in der Arktis. An Bord gab es natürlich nicht ohne Ende Platz. Mit Hilfe eines Digitalen Zwillings waren alle Forschenden in der Lage, ihre zugeteilte Kajüte online auszumessen und wussten so, welche Geräte hineinpassen und welche nicht. Auf diese Weise konnten Emissionen eingespart werden, die durch das Hin- und Herfliegen entstanden wären.

Natürlich wird auch schon an einem virtuellen Abbild der Erde gearbeitet – für den guten Zweck versteht sich. Das Modell soll zukünftig das Erdsystem samt Klimaentwicklung und Extremereignisse räumlich und zeitlich simulieren. Auf diese Weise, so die Hoffnung der Macher, entsteht ein Informationssystem, das Szenarien entwickelt und testet, die eine nachhaltigere Entwicklung aufzeigen und damit die Politik besser informieren.

Mehr „digitaler Zwilling" für den Klimaschutz geht wirklich nicht. 

Text: Jochen Schuster