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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: