Digitales und Kreislaufwirtschaft

Konzeptioneller Rahmen

Jüngste Studien haben sich dafür ausgesprochen, dass digitale Technologien (DTs) den Übergang vom linearen Wirtschaftsmodell zum Kreislaufwirtschaftsmodell (CE) positiv beeinflussen und Unternehmen bei der Umsetzung von Kreislaufstrategien unterstützen können. Trotz dieser allgemeinen Aussage wird in der Literatur immer noch übersehen, wie Unternehmen verschiedene digitale Technologien der Industrie 4.0 über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg anwenden sollten, um CE-bezogene Strategien zu operationalisieren. Um diese Lücke zu schließen, wird in einem Beitrag in MDPI Sustainability („Untersuchung, wie digitale Technologien eine Produkt-Kreislaufwirtschaft ermöglichen„) ein konzeptioneller Rahmen vorgeschlagen, der die DTs im Hinblick auf die Operationalisierung von CE aus der Perspektive des Produktlebenszyklus untersucht.

Basierend auf den Erkenntnissen, die durch eine systematische Literaturrecherche gewonnen wurden, wird geklärt, wie DTs die CE-Leistungsziele in den drei Phasen des Produktlebenszyklus unterstützen können: Produktdesign, Produktnutzung und Produktrückgewinnung oder Recycling. Darüber hinaus untersuchen die neun Autoren, wie verschiedene Industrie 4.0-DTs, wie das Internet der Dinge, Big Data und Cloud Computing, genutzt werden, um den Übergang zu einer CE zu operationalisieren. DTs, die auf das dienstleistungsorientierte Produkt-Service-System angewandt werden, tragen zur Innovation in zirkulären Geschäftsmodellen bei, um ungenutzte Ressourcen vollständig zu nutzen und hochwertige personalisierte Dienstleistungen anzubieten. Wir haben drei Leistungsziele festgelegt: weniger Material- und Ressourcenverbrauch, Verlängerung der Produktlebensdauer und Schließung des Kreislaufs, um die Auswirkungen von DTs bei der Förderung der CE-Entwicklung zu bewerten. Durch die Untersuchung, wie DTs die Leistungsziele von CE beeinflussen, erweitert der in dieser Arbeit entwickelte konzeptionelle Rahmen das Wissen über die Rolle von DTs als Befähiger von CE im Produktlebenszyklus. Unsere Ergebnisse stellen eine praktische Referenz dar, die es Forschern und Managern ermöglicht, das Potenzial von DTs zur Unterstützung des Übergangs zu CE zu nutzen.

Die Kreislaufwirtschaft ist ein restauratives oder regeneratives industrielles System, das die Wiederverwendung von Materialien oder Produktkomponenten anregt. Die Kreislaufwirtschaft verbessert die Effizienz und Produktivität durch Kreislaufstrategien wie Reduzieren, Wiederverwenden, Reparieren, Recyceln und Wiederherstellen. Die CE fördert ein „Cradle-to-Cradle“-Modell wirtschaftlicher Abläufe durch innovative Rahmenwerke wie Produkt-Service-Systeme (PSS) und industrielle Symbiose. Durch die Einbeziehung der Methodik der „5R-Strategien“ (d. h. Abfall, Reduzierung, Wiederverwendung, Wiederverwendung und Recycling) kann die CE die Nachfrage nach begrenzten ursprünglichen Ressourcen reduzieren, indem sie den Material- und Energiefluss in den Produktions- und Verbrauchsprozessen verringert und die Lebensdauer von Produkten und Dienstleistungen verlängert. Die CE setzt sich auch für den Schutz der biologischen Vielfalt und des Lebensraums ein, indem sie Emissionen und Verschmutzung reduziert und die natürliche Umwelt nicht als Abfalldeponie behandelt.

Die rasante Entwicklung digitaler Technologien (DT) wie das Internet der Dinge (IoT), cyber-physische Systeme (CPS), Cloud Computing, künstliche Intelligenz (KI), Big-Data-Analytik und digitale Zwillinge mobilisiert die Automatisierung und den Datenaustausch im Prozess der intelligenten Fertigung und Produktion, um Überverbrauch und Produktionsfehler zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern und damit die nachhaltige Entwicklung voranzutreiben. Viele Wissenschaftler haben die Beziehung zwischen CE und DTs untersucht, um die Rolle von DTs bei der Unterstützung der CE-Implementierung zu bestimmen.

• Ranta et al. führten eine Multicase-Studie über eine durch DTs unterstützte Geschäftsmodellinnovation durch.
• Bressanelli et al. entwickelten einen konzeptionellen Rahmen, der die Rolle von DTs als Befähiger von CE in nutzungsorientierten Geschäftsmodellen validiert.

Die Beziehung zwischen Industrie 4.0 und CE ist auch ein aktuelles Forschungsthema in der Literatur:

• Rosa et al. analysierten die Überschneidungen zwischen der Industrie 4.0-Forschung und der CE-Forschung und erstellten einen Innovationsrahmen, um die Verbindung zwischen den beiden Themen durch hybride Kategorien wie Circular 4.0 und Digital CE hervorzuheben.
• Pham et al. zeigten anhand von Elektroroller-Sharing-Plattformen, dass Industrie 4.0 einen Rahmen für die Umsetzung der Sharing Economy und die Verbesserung der Nachhaltigkeit von Produktionssektoren im CE-Kontext bieten kann.
• Dev et al. entwickelten ein Echtzeit-Entscheidungsmodell für ein nachhaltiges Rückwärtslogistiksystem durch die Integration von Industrie 4.0 und CE.
• Yadav et al. entwickelten einen Rahmen zur Bewältigung der Herausforderungen eines nachhaltigen Lieferkettenmanagements durch Industrie 4.0 und CE-basierte Lösungen.
  Es wurden verschiedene Ansätze zur Geschäftsmodellinnovation vorgeschlagen, um CE zu unterstützen. DTs können zirkuläre Ziele durch miteinander verknüpfte Überwachungs-, Steuerungs-, Optimierungs- und Automatisierungsfunktionen erreichen. Ingemarsdotter et al. stellten fest, dass das IoT es Unternehmen ermöglicht, Produkte während ihres gesamten Lebenszyklus zu verfolgen, was zur Unterstützung von R-Strategien wie Wiederverwendung, Wiederaufbereitung und Recycling sowie zur gemeinsamen Nutzung von Produkten beiträgt.
• Guzzo et al. schlugen einen Rahmen für zirkuläre Innovation vor und überprüften ihn anhand verschiedener PSS-Fälle.
• Alcayaga et al. betrachteten CE, IoT und intelligente PSS aus einer ganzheitlichen Perspektive. Sie analysierten und entwickelten einen Rahmen für ein intelligentes zirkuläres System, der die binären Wechselbeziehungen zwischen intelligenter Zirkularität, zirkulären PSS und intelligenten PSS untersuchte.
• Kristoffersen et al. entwarfen einen zirkulären Strategierahmen auf der Grundlage von DTs, um die Bemühungen von Unternehmen des verarbeitenden Gewerbes zu unterstützen, die Anforderungen zur Erreichung des 12. nachhaltigen Entwicklungsziels innerhalb der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen zu erfüllen. Die Umstellung des unternehmerischen Denkens von einer linearen Wirtschaft auf eine Kreislaufwirtschaft ist mit vielen Herausforderungen verbunden und erfordert ein angemessenes Management nachhaltiger Produktions- und Verbrauchsmuster, geschlossener Lieferketten und PSS.
• Grafström et al. untersuchten die Hindernisse für die Umsetzung von CE unter vier Gesichtspunkten: Technologie, Markt, System und Kultur.
• Rajput et al. untersuchten mit Hilfe einer Hauptkomponentenanalyse die Faktoren, die Industrie 4.0 mit der Nutzung von CE verbinden, und identifizierten KI, Dienstleistungen und politische Rahmenbedingungen als wichtige Förderer.
• Abdul-Hamid et al. bewerteten die Herausforderungen, denen sich die Industrie 4.0 bei der Einführung von CE gegenübersieht, und wie diese Herausforderungen zu bewältigen sind.

Einige neuere Untersuchungen haben sich mit der Rolle der Digitalisierung bei der Gründung von Kreislaufunternehmen befasst:

• Okorie et al. führten eine umfassende Literaturübersicht über die Verbindungen zwischen CE, DTs und Industrie 4.0 durch. Die Autoren betonten, dass die Veröffentlichungen in diesem Bereich zwar zunehmen, aber nur eine Handvoll Publikationen die beiden Bereiche miteinander verbindet.
• Ingemarsdotter et al. skizzierten, wie das IoT theoretisch zirkuläre Strategien unterstützen kann, und zeigten die Fortschritte bei der Anwendung dieser Technologie auf. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass zwar einige Unternehmen das IoT zur Verlängerung der Produktlebensdauer genutzt haben, aber nur wenige das Instrument zur Schließung von Kreisläufen eingesetzt haben.

Darüber hinaus haben sich mehrere Fallstudien mit diesem Thema aus einer ähnlichen Perspektive befasst. Obwohl diese Studien nützliche Einblicke in die Digitalisierung von zirkulären Geschäftsmodellen bieten, sind weitere Forschungen erforderlich, um die Auswirkungen und Funktionen von DTs bei der Schaffung von zirkulären Unternehmen, die das gesamte Lebenszyklusmanagement berücksichtigen, vollständig zu verstehen, insbesondere in der Entwurfs- und Verwertungsphase.

->Quellen:

Originalpublikation:  Tetiana Shevchenko, Bernard Yannou, Meisam Ranjbari, Zahra Shams Esfandabadi, Michael Saidani, Ghada Bouillass, Kseniia Bliumska-Danko, Yafeng Han and Guohou Li:  Exploring How Digital Technologies Enable a Circular Economy of Products, in: MDPI Sustainability 2023  – mdpi.com/2071-1050/15/3/2067 – open access