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Hans-Jörg Bullingerwww.fraunhofer.de

Digitalisierung als Innovationstreiber für Excellence in der Umweltwirtschaft

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Menschen brauchen Zukunft

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Digitale Wirtschaft und Gesellschaft

Innovative Arbeitswelt

Gesundes Leben

Zivile Sicherheit

Nachhaltiges Wirt-schaften und Energie

Intelligente Mobilität

Was wird die Zukunft bringen?Welche Themen bewegen die Menschen?

Digitalisierung

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Es ist nicht gesagt,dass es besser wird,wenn es anders wird,wenn es aber besser werden soll,muss es anders werden.

Georg Christoph LichtenbergDeutscher Physiker und Schriftsteller(1742-1799)

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Die Hightech-Themen 2018 aus Sicht der DigitalbrancheDie wichtigsten Technologie- und Markttrends

Quelle: Bitkom-Branchenbarometer, 1. Quartal 2018

24%

25%

26%

26%

33%

43%

47%

48%

61%

67%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%

Mobile Apps / Mobile Websites

Enterprise Content Management

Blockchain

Cognitive Computing

Digitale Plattformen

Big Data

Industrie 4.0

Internet der Dinge und Dienste

Cloud Computing

IT-Sicherheit

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Die digitale Transformation verändert die Welt

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Vernetzung◼ Internet of Everything◼ Cloud◼ Sensoren ◼ Wireless and Mobile

Beispiele◼ Soziale Netze◼ Industrie 4.0◼ Connected Devices / Cars◼ Smart Home / Smart City / Smart Grids◼ Smart Mobility / Smart Services

Bildquelle: Werner Sobek

Die treibenden Kräfte der Entwicklung

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Schwarmintelligenz: 500 Roboter formen »Schraubenschlüssel«

© M. Rubestein Harvard University

Automatisierte Luftfracht:Dronenprototypen zu Lieferzwecken

Mensch-Maschine-Kooperation:Robo-Assistenten stürmen Fabriken

Die treibenden Kräfte der EntwicklungData Based Machines◼ Autonomik◼ Simulation◼ Big Data Analytics◼ Bio-Informatik◼ Selbstlernende Algorithmen◼ Sensordatenintelligenz

Beispiele◼ Automatisiertes Fahren◼ Selbstlernende Roboter◼ Leichtbauroboter◼ Sprach-/Gesichtserkennung◼ Lab-on-Chip◼ Drohnen

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Soziokulturelles◼ Individualisierung◼ Communities◼ Interdisziplinarität◼ Offene Systeme◼ Diversity◼ Work-Life-Integration

Beispiele◼ Social Communities◼ Start-up Communities◼ Business Portale◼ Co-Working◼ Co-Creation◼ Telework

Die treibenden Kräfte der Entwicklung

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Customer Experience at DBS Bank (Singapore)

Bildquelle: ubicentrex, Dassault

Innovationen in globalen Ent-wicklungs- und Produktions-netzwerken – auch in virtuellen Unternehmen

Beispiele◼ Collaboration Platforms◼ Customer Experience Centers◼ Bikesharing/Carsharing/Ridesharing

Ökonomisches◼ Digitale Geschäfts-

modelle◼ Open Innovation◼ Sustainability◼ Globale Wertschöpfung◼ Sharing Economy

Die treibenden Kräfte der Entwicklung

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Einige Branchen haben NachholbedarfWirtschaftsindex DIGITAL nach Branchen 2017 vs. 2022

37

40

40

44

45

45

45

54

59

65

78

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Gesundheitswesen

Verkehr und Logistik

Sonstiges verarbeitendes Gewerbe

Fahrzeugbau

Chemie und Pharma

Maschinenbau

Energie- und Wasserversorgung

Handel

Finanz- und Versicherungsdienstleister

Wissensintensive Dienstleister

IKT

2017 2022

Digitalisierungsgrad:

84

68

63

62

49

47

49

50

40

42

39

hoch

überdurch-schnittlich

mittel-mäßig

niedrig

Quelle: Kantar TNS, repräsentative Unternehmensbefragung: »Digitalisierung in der deutschen Wirtschaft 2017«, eigene Berechnung, n = 1.021

(Index max. 100)

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MärkteEnergie-wende

NachhaltigesBauen

E-Mobilität NeueArbeit

VernetzungKommunikation

Ubiquitär/Echtzeit

HochmobileWissensgesellschaft

System →Stadt

Produkt →Kunde

IndividualisiertePlusenergiehäuser

Standardisierung

Nachhaltigevernetzte Mobilität

Individual-mobilität

Dezentralisierte Systeme

ZentralisierteSysteme

Industrialisierung Linear/strukturiert

In allen Bereichen greift die digitale TransformationTechnologiesprung verändert alle Lebensbereiche

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Stadt als AnwendungsfeldTechnologien und Methoden konvergieren: ein Technologiemanagement-problem

Service und

Dienstleistung

Sicherheit

Politik und Verwaltung

Gesundheit

Bildung

KommunikationIT

Mensch und Lebensweise

UrbaneProduktion

Well-being Ernährung

RessourcenNachhaltigkeit

Transport und Logistik

Energie-/Ressourcen-infrastruktur

Gebäude Wohnen

MobilitätVerkehr

Stadtraum/ -versorgung

Konvergenz der Stadtsysteme

Geschäftsmodelleregulatives Umfeld

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Faktor Zeit: Herausforderung InnovationsgeschwindigkeitSchnelllebige Technologien versus langfristige Infrastrukturen

Veränderungsgeschwindigkeit in Jahren

Stadtstruktur

0 10 20 30 40 50 100 …

Fassaden (Gebäude)

Verkehrsstraßen

AutomobilIUK-Technologien

Konstruktion (Gebäude)

Abwasserinfrastruktur

Gebäudetechnik (Gebäude)

Tech

nis

che

Sy

ste

me in

Stä

dte

n

Sanierung~2,4% * Aus-/Neubau~1% * Umbau ~0,5% *

Verkehrsstraßen Stadtstruktur

Neuzulassungen~6%Wachstum ~39% *

Kommunikation Automobil Gebäude

*) Zahlen bezogen auf Deutschland 2010

Forschungsansatz Morgenstadt

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Fraunhofer-Initiative »Morgenstadt«Forschung für nachhaltige, lebenswerte und wandlungsfähige Städte der Zukunft

◼ Morgenstadt als eines der zentralen Zukunftsprojekte im Aktionsplan der Hightech-Strategie 2020 der Bundesregierung

◼ Zehn Fraunhofer-Institute bearbeitenFraunhofer-Initiative Morgenstadtmit ersten Pionierprojekten:

◼ Konzept für offene Systemforschung Morgenstadt

◼ Foresight-Prozess zur Morgenstadt

◼ Innovationsnetzwerk Morgenstadt: City Insights

◼ Konkrete Projekte:Urban Tech Republic Berlin,Güterbahnhof Nord Freiburg,gatelands am BBI Berlin, FunkkaserneMünchen…

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Kompetenzen für die Stadt der ZukunftAngewandte Systemforschung für urbane Technologien

Urbane EnergiesystemeEnergie emissionsfrei erzeugen + speichern

MobilitätVerkehrMultimodaleMobilitätssysteme

Gebäude-planungGebäude als klima-aktive Kraftwerke

WasserRessourcenMulti-Ressourcen-Kreisläufe

InformationKommunikation

IKT-Plattformen für Smart Cities

ProduktionLogistik

Urbane Produktionund Versorgung

SicherheitSchutz

Resiliente Gebäude und Infrastrukturen

UrbaneProzesse

Co-Innovation und Geschäftsmodelle

Morgenstadt-Forschungsfelder und -Landkarte:

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Beispiel: Redox-Flow-Batterie – Energie im TankApplikationszentrum Windrad und Redox-Flow-Batterie in PfinztalRedox-Flow-Batterien sind elektrochemische Energiespeicher mit einem flüssigen Speichermedium und werden als Pufferspeicher z.B. für die Windenergie eingesetzt.

In der Vanadiumlösung in diesen Tanks können bis zu 20 MWh gespeichert werden (Strombedarf einer kleinen Ortschaft für zehn Stunden)Quelle: Fraunhofer ICT

Die Batterie setzt sich zusammen aus den Stacks im Erdgeschoss und den Elektrolyte-Tanks im Untergeschoss

◼ hoher Wirkungsgrad (>75 %)◼ lange Lebensdauer, hohe Zyklenfestigkeit (> 10.000)◼ flexibler Aufbau (Trennung von Energiespeicher und -wandler)◼ leicht skalierbar◼ schnelle Ansprechzeit (μs – ms)◼ Überlade- und Tiefentladetoleranz◼ geringer Wartungsaufwand◼ kaum Selbstentladung

Vorteile:

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Beispiel: eEnergy – Intelligentes Speichern, Vernetzen und Einsparen durch Elektronik

Einsparpotenzial durch LED: 80%, d.h. in EU-15: Industrie: > 40 TWh/a; Haushalt: > 16 TWh/a

Einsparpotenzial durch drehzahlgeregelte Antriebe: 20 - 30%; Industrie in D: 20-25 TWh/a;Haushalt in D: 8 TWh/a

Intelligente Vernetzung: Virtuelles Kombikraftwerk arbeitet wie ein herkömmliches Großkraftwerk durch Zusammen-schaltung von 3 Windparks, 4 Biogas- und 20 Solaranlagen sowie einem Pumpspeicherwerk (Fraunhofer IWES)

Intelligentes Speichern: Die Batterien der Elektrofahrzeuge dienen als variabler Energiespeicher

10 TWh/a entsprechen etwa der Produktion von einem Atomkraftwerk oder zwei 500 MW Kohlekraftwerken oder 4000 Windkraftanlagen der 1 MW Klasse

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Beispiel: Integrierte EnergiesystemeGebäude im Wandel: Vom Parkhaus zum PowerhouseDas elektromobilisierte Parkhaus am Fraunhofer Institutszentrum Stuttgart verfügt über eine der größten Ladeinfrastruktur-Installationen in einem Bestandsgebäude. Mit dem Fraunhofer IAO Micro Smart Grid entsteht ein Demonstrator für die Konzeption und den Test lokal integrierter Energiesysteme.

Quelle: © Foto Victor S. Brigola, Fraunhofer IAO

www.microsmartgrid.deParkhaus mit Micro Smart Grid am Fraunhofer IZS in Stuttgart

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Beispiel: Mobilität Integrierte Prozesse schaffen Mehrwert für die Nutzer

+

Stadt Fahrzeug

»E-Mobilie«

ÖPNV Fahrzeug

+

Gebäude Elektrofahrzeug

+

www.trendsderzukunft.de

www.morgenstadt.de

Mobilitätssystem

Stadtfahrzeug

»Nutzen ist das neue

Haben«

Veränderung von Produkten im Kontext der Nutzung

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Beispiel: MobilitätEntwicklungslogik hin zur Elektromobilen Stadt

2050

Heute

2020

2030

2040

E-Flotten-StadtErste Verbreitung von Elektromobilen Konzepten in betrieblichen und kommunalen Flotten

Elektromobilität in Modellregionen &

Schaufenstern

Erste Projekte und Konzepte werden in den Modellregionen, Modellprojekten & Schaufenstern umgesetzt

Gemeinschaftliche Stadt

Mobilitätsressourcen (Fahrzeuge, Daten, Infrastruktur) werden gemeinschaftlich genutzt und sind zu großen Teilen elektromobil

Vernetzte intermodale Stadt

Klassische Elektromobilität (Schiene), ÖPNV allgemein sowie neue Formen der Elektromobilität sind eng miteinander verzahnt

Elektromobile Stadt

Die Fahrzeuge im urbanen Raum sind rein elektrisch. Die Städte sind optimal + emissionsfrei in der Region vernetzt

Quelle: Fraunhofer IAO

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Beispiel: Regeneratives WassermanagementProjekt DEUS 21: Dezentrale urbane WasserinfrastruktursystemeAbwasserreinigung durch Verwertung der Inhaltsstoffe

Ziel der neu entwickelten und eingesetzten Abwasserreinigungstechnologie ist es, Stoffkreisläufe zu schließen, indem die Inhaltsstoffe des Abwassers zu Wertstoffen umgewandelt werden: Kohlenstoffverbindungen zu Methan, Stickstoffverbindungen zu Ammoniumdünger und Phosphorverbindungen zu einem Phosphatdünger

Bestandteile:

◼ Qualitätsgesicherte Regenwassernutzung

◼ Intelligente Form des Abwassertransports (Vakuumkanalisation)

◼ Semidezentrale, nachhaltige anaerobe Abwasser-reinigung (Stoffwechselvorgang ohne Sauerstoff)

Die Verwertungsstrategie wurde erfolgreich in einem Neubaugebiet in Knittlingen realisiert.

Quelle: Fraunhofer IGB

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Beispiel: Wassernetzmanagement mit HydroDynDynamische Rohrnetzberechnung für Wassernetze

Die Softwarelösung HydroDynwird weltweit, wie z.B. in der Mongolei, in Libyen, VAE, Kuwait und Saudi-Arabien sowie bei den Stadtwerken Hof und Marburg verwendet.

Integration: Modelldaten können aus Fremdsystemen übernommen werden

Prozessbegleitende Simulation: Ein Simulationsmodell läuft online in Echtzeit

Leckerkennung: Vergleich zwischen gemessenen und simulierten Werten

Leckortung: Mit Hilfe von Sensoren

Prozessoptimierung: Mittels mathematischer Optimierungsverfahren

Transparenz: Der Betreiber wird im optimalen Betrieb seines Systems unterstützt

Die Software HydroDyn erlaubt die Modellierung und Simulation von Wassernetzen basierend auf einer modifizierten Version des global etablierten Epanet-Rechenkerns

Quelle: Fraunhofer IOSB-AST

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…und woran noch geforscht wirdTechnologien für Zukunftsstädte

ResilienteInfrastrukturen

DienstleistungenSmartphone-Apps

IT-Werkzeuge für Gebäude- und

Stadtplanung / BIM (Building Information Modeling)

Virtuelle Kraft-werke

Energiespeicher-technologien

Mobilitätskonzepte/ Autonomes Fahren

Logistiklösungen/ Logistik für die

letzte Meile

Smart Cities Open Data

HybrideStadtspeicher

Urban Mining

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Herausforderung Innovation in der Digitalisierung

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SchlüsseltechnologienGroße Anwendungsbereiche – Treiber für Innovationen

Schlüsseltechnologien

wie die

◼ Nanotechnologie, ◼ Mikro- und Nanoelektronik, ◼ Photonik, ◼ Mikrosystemtechnik,◼ Werkstofftechnik, ◼ Produktionstechnik ◼ Luft- und Raumfahrttechnologie

sind Treiber für Innovationen

und die Grundlage für neue Produkte, Verfahren und Dienstleistungen.

AutomobilMedizintechnikMaschinenbau

LogistikUmwelt

StarkeAnwendungsbereiche

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Innovationsradar: Neue Ideen braucht das LandDas Fraunhofer ISI erstellt im Auftrag des Kompetenz-netzwerks Umweltwirtschaft NRW jährlich aktuelle Innovationen einschließlich ihrer Einordnung zu Marktpotenzial und NRW-Relevanz (https://knuw.nrw/).

◼ Nachhaltige Holz- und Forstwirtschaft(z.B. Naturfaser-Kunststoffe, Lignin-Elektrolyte für Redox-Flow-Batterien etc.)

◼ Wasserwirtschaft(z.B. Wassernetzoptimierung, Erneuerbare Aktivkohle etc.)

◼ Umweltfreundliche Landwirtschaft(z.B. Schädlings-App, Pflanzenschutz-Manager etc.)

◼ Umweltfreundliche Mobilität(z.B. Flach-Batterien, Leichtbau etc.)

◼ Minderungs- und Schutztechnologien(z.B. Brennstaub-Reduzierer, Rußfilter etc.)

Beispiele:

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Technologieentwicklungsportal

»Technologiemarkt«»Technologieentwicklung«

Technologie-entwicklungs-

fähigkeit systematisch

steigern

Tech-Audit

Relevante neue

Technologien identifizieren

Technologie-Radar

Alternative, ressourcen-effiziente

Technologien finden

Ressourcen-Effizienz-Analyse

„Patentlücken“ in

Technologien aufspüren

White-Spot-

Analyse

Neue Anwendungs-felder / Märkte

für Technologien

auffinden

Markt-Explorer

Technologieentwicklungsportal

Evaluierung und

Visualisierung neuer Trends

TrendArena®

Unternehmen brauchen zusätzlich Unterstützung beim Business Model Engineering

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NEU: Innovation in der Digitalisierung und Wirtschaft 4.0 4 Handlungsfelder

Die Smart Creatives machen es einfach und beanspruchen eine neue Art von Führung3

Ambidextrie als Erfolgsfaktor erkennen1

Technologien werden neu interpretiert und Interdisziplinarität wird neu erlebt2

4 Der »Invention Manager 1.0«

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Fazit

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1 Eine klare Strategie

2 Das beste Team und beste Arbeitsbedingungen

4 Einen unbeugsamen Willen zum Gewinnen

5 Laufende Qualitäts- und Ergebniskontrollen

3 Zielgerichtete Prozesse und Methoden

Was Business Excellence auszeichnet:

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Schwäbische National Strategy

Schaffa, net schwätza

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Vorne ist uns zu weit hinten!

Motto für NRW in der Umweltwirtschaft: