Aktuell ist der Kampf gegen den Klimawandel unbestritten die größte globale Herausforderung. Die Treibhausgas-Emissionen müssen schnell und nachhaltig reduziert werden. Gleichzeitig verlangt eine stetig wachsende Weltbevölkerung nach immer mehr Energie. Wenn die Sustainable Development Goals (SDG) der UN erreicht werden sollen und alle Menschen das gleiche Recht auf Wohlstand und ein gesichertes Leben haben sollen, setzt dies die ausreichende Verfügbarkeit und Nutzung von Energie voraus. Derzeit rechnen Experten mit einer Erhöhung des weltweiten Energiebedarfs um 50 Prozent bis 2050. Daraus ergibt sich faktisch ein Energiedilemma, denn die Verwendung von Energie stellt die bei weitem größte Quelle der globalen CO2-Emissionen dar.

Dieser Zielkonflikt lässt sich nicht durch Verzicht oder rückwärtsgewandte Strategien bewältigen. Die Lösung liegt vielmehr im verantwortungsvollen Einsatz von Technologien sowie im kompletten Umbau der Energieerzeugung und -nutzung; weg von fossilen Quellen und hin zu regenerativ erzeugter Energie. Die einzige dafür im großen Maßstab verfügbare Ressource besteht in der regenerativ erzeugten Elektrizität. Die Menschheit steht heute am Ende des fossilen Zeitalters und am Beginn einer neuen Ära der Elektrizität als saubere und nahezu unbegrenzte Basis für die weltweite Energieversorgung – der All Electric Society (AES). Der Begriff umschreibt eine Welt, in der regenerativ erzeugte elektrische Energie als neue primäre Energieform global in ausreichendem Maße und vollständig wirtschaftlich zur Verfügung steht und damit zur klimaneutralen Basis der weltweiten Energieversorgung wird.

Die technischen Grundlagen der AES sind schon vorhanden. Auf einer Fläche von 0,3 Prozent der Landfläche der Erde ließe sich aus der Energie der täglichen Sonneneinstrahlung die elektrische Energie zur Deckung des weltweiten Bedarfs erzeugen – und dies zu Kosten, die bereits jetzt deutlich unter denen der fossilen Energieträger angesiedelt sind. Das Transport- und Speicherproblem lässt sich mit grünem Wasserstoff und den darauf aufbauenden synthetischen Kohlenwasserstoffen beheben. Diese Vision einer nachhaltigen und klimaneutralen Gesellschaft und Wirtschaft ist wissenschaftlich begründbar, realistisch sowie durch Technik und Innovationen umsetzbar.

Der Architekturrahmen einer vernetzten Welt

Die Sustainable Development Goals (SDG) der UN setzen die ausreichende Verfügbarkeit und Nutzung von Energie voraus.

© Phoenix Contact

Der Schlüssel zur Realisierung einer All Electric Society liegt im schnellen und umfangreichen Ausbau der regenerativen elektrischen Energieerzeugung sowie der umfassenden Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung sämtlicher Bereiche von Gesellschaft und Wirtschaft. Hinzu kommen die effiziente und koordinierte Bereitstellung und Verwendung dieser Energie. Gefordert ist also ein komplett integriertes, vernetztes und intelligentes Energiesystem über alle energieverbrauchenden, -erzeugenden und -speichernden Bereiche hinweg. So kann Energie überall dort eingesetzt werden, wo sie gerade erforderlich ist, respektive lässt sich auf vielfältige Arten zwischenspeichern, wenn sie nicht benötigt wird. Im Ergebnis werden erhebliche Energieoptimierungen und -einsparungen erzielt. Dazu bedarf es einer physischen Vernetzung der Energieflüsse. Der eigentliche Schlüssel zur Kopplung der einzelnen Sektoren liegt jedoch in der durchgängigen datentechnischen Kopplung sämtlicher Bereiche.

Die technologischen Entwicklungen der letzten Jahre zeigen, dass die notwendigen Mittel für diese Mammutaufgabe bereitstehen. Die sektorenübergreifende Vernetzung von Millionen Dingen und technischen Systemen bedingt Daten- und Informationsmodelle sowie Semantiken und Mechanismen, die eine solche Kommunikation zwischen den technischen Systemen automatisiert und autonom ermöglichen. Als Lösung bietet sich der digitale Zwilling als virtuelle, datentechnische Abbildung von physischen Dingen oder Prozessen an. Im Rahmen der Arbeiten der Plattform Industrie 4.0 ist hierzu mit der Asset Administration Shell (AAS) ein strukturiertes Metamodell eines solchen digitalen Zwillings entstanden. Die AAS hat mittlerweile eine Form und Güte erreicht, die sich als erforderlicher Architekturrahmen für die vernetzte Welt nutzen lässt. Das Modell und die Architektur können über die Ausprägung von Teilmodellen auf fast alle Anwendungsbereiche übertragen werden.

Die Asset Administration Shell eignet sich für statische Produktdaten ebenso wie für dynamische Inhalte, beispielsweise Prozessdaten. Sie umfasst auch einen Mechanismus, der die jeweils verwendete Semantik eindeutig, maschinenlesbar und international erkennen lässt. Sprache zu detektieren und automatisiert in andere Sprachen übersetzen zu können, stellt eine wesentliche Voraussetzung für die Interaktion in und zwischen unterschiedlichen Anwendungsfeldern dar. Die AAS definiert nicht nur die jeweilige Struktur und Semantik der Daten, sondern auch Kommunikationsprotokolle – wie OPC UA oder REST – sowie Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen für den Datenaustausch. Das Thema Cybersecurity wird ebenfalls umfassend adressiert. Darüber hinaus findet eine internationale Normung der Asset Administration Shell und ihrer Interaktionsfähigkeit im Rahmen der IEC WG 24 als IEC 63278 statt.

Der Digital Product Passport 4.0

Die Sektorenkopplung bildet die Grundlage für eine All Electric Society.

© Phoenix Contact

Das Datenmodell der AAS bildet auch den Kern der Initiative »Digital Product Passport 4.0« des ZVEI. Im Rahmen der Ökodesignverordnung strebt die EU die Schaffung eines einheitlichen Digital Product Passports an, um darüber die für die Kreislaufwirtschaft relevanten Produktdaten zugänglich und austauschbar zu machen. Der ZVEI und seine Mitgliedsunternehmen haben durch die Projekte »Digitales Typenschild« zur eindeutigen Identifizierung eines Produkts per normiertem QR-Code sowie „Product Carbon Footprint“ für die Zuweisung und Aggregation des CO2-Fußabdrucks einzelner Komponenten und Produkte verdeutlicht, dass sich ein solcher Produktpass durch die Anwendung der AAS und ihrer Infrastruktur umsetzen lässt. Das Product-Passport-Modell kann aber deutlich mehr abbilden als lediglich Informationen in Bezug auf das Ökodesign. Durch die Flexibilität des zugrundeliegenden AAS-Metamodells lassen sich beliebige Gruppen von Produktinformationen, von Umweltdaten über technische Eigenschaften bis zu CAD-Modellen inklusive gesicherter Zugriffsrechte auf diese Informationen darstellen. Auf einige Bereiche kann offen zugegriffen werden, während andere Bereiche hochgeschützt und nur vertraglich zugewiesenen Nutzern zugänglich sind.

Das AAS-Metamodell erweist sich als so generisch, dass es als grundsätzlicher Rahmen ebenfalls in sämtlichen weiteren Sektoren außerhalb der Industrie Anwendung finden kann. Generell bietet jedes neue Teilmodell sowie jede Adaption auf neue Applikationsfelder dann immer noch die Interoperabilität sowie die Optionen der Nutzung etwa der definierten Zugriffsschnittstellen oder Security-Maßnahmen. Es lassen sich sogar andere sektorspezifische Datenmodelle derart einbinden, dass sie innerhalb eines Anwendungsbereichs weiter Bestand haben und transparent zum Einsatz kommen können. Gleichzeitig ist ein sektorübergreifender Austausch bestimmter Informationen aus diesen Modellen heraus möglich. Damit kann die Asset Administration Shell als Integrationsplattform bestehende Aktivitäten und Initiativen zusammenführen. Als Beispiel sei der Gebäudesektor genannt, der mit den seit Jahren laufenden Aktivitäten zum »Building Information Modelling« Pionierarbeit in diesem Kontext geleistet hat. Durch einen einheitlichen digitalen Produktpass, der in diesem Fall auch das BIM-Modell eines Produkts trägt, könnte der Gebäudesektor beispielsweise nahtlos mit anderen Anwendungen gekoppelt werden.

Anwendungsspezifische Daten-/Vertrauensräume

Digitale Identifikation: Der QR-Code auf dem Produkt ermöglicht den sofortigen Zugriff auf dessen aktuelle Daten und Dokumente.

© Phoenix Contact

Für den sektorübergreifenden Austausch der strukturierten und semantisch klassifizierten Daten stellt die europäische Initiative Gaia-X eine weitere Plattform zur Verfügung, die insbesondere eine souveräne Datennutzung erlaubt. Gaia-X legt offene Schnittstellen und Standards zur Integration einzelner Unternehmen, vorhandener Cloudanbieter oder sektorspezifischer Cloudplattformen hin zu einer föderierten Struktur fest. Damit Marktteilnehmer, Nutzer und Konsumenten ihre Daten teilen und im Rahmen neuer Geschäftsmodelle miteinander interagieren können und wollen, braucht es den Aufbau datentechnischer virtueller Vertrauensräume, in denen die Aktivitäten nach festgeschriebenen Regeln und Vereinbarungen ablaufen. Nutzer benötigen Sicherheit und die Wahrung ihrer individuellen Datensouveränität, um an solchen Datenplattformen teilzunehmen. Diese Daten-Governance, welche die geschäftlichen, rechtlichen und technischen Grundlagen der Datenökosysteme beschreibt, entsteht derzeit im Rahmen der Definition und Ausprägung von anwendungsspezifischen Datenräumen. Ein Beispiel stellt das Datenökosystem Catena-X für die Automobilindustrie dar. Hier lassen sich die Regeln und Geschäftsmodelle ebenfalls in einzelnen Datenräumen hochgradig spezifisch und anwendungsbezogen ausprägen.

Zur Ermöglichung eines datenraumübergreifenden Austausches von Informationen muss sauber – quasi im Sinne eines modularen Schichtenmodells – auf den grundlegenden einheitlichen Festlegungen aufgesetzt werden. Darunter fallen zum Beispiel die Daten- modelle, Kommunikationsstrukturen, Security oder Austauschmechanismen im Cloudumfeld. Das durch die Plattform Industrie 4.0 und das Bundes- ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) initiierte Projekt »Manufacturing X«, das einen gemeinsamen Datenraum für die produzierende Industrie schaffen will, bietet hier eine große Chance zur Vereinbarung gemeinsamer Standards. Manufacturing X wird auf die Definitionen und Standards der AAS als gemeinsames Datenmodell aufsetzen und so den zentralen Grundstein für die informationstechnische Sektorenkopplung legen.

Eine ordnende Struktur

Die informationstechnische Sektorenkopplung kann aber nur gelingen, wenn die Datenstrukturen und die damit verbundene Kommunikations- und Sicherheitsinfrastruktur eine abgestimmte sektorübergreifende Anwendung finden. Dazu muss an vielen Stellen in den verschiedenen Bereichen von Wirtschaft und Gesellschaft parallel und autonom an diesem Themenkomplex gearbeitet werden. Hierzu wird als Rahmen eine ordnende Struktur auf Basis von konsensual erarbeiteten Standards benötigt. Sie darf die notwendige Individualisierung und Differenzierung bei der detaillierten Ausgestaltung von technischen Lösungen oder Geschäftsmodellen nicht zu stark beschränken, um Wettbewerb und Innovation zu begünstigen und bestenfalls zu fördern. Die Struktur muss jedoch einen architektonischen Führungsrahmen setzen.

Der Autor: Roland Bent ist ehemaliger CTO bei Phoenix Contact sowie ehemaliger Vorsitzender der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE.

© Phoenix Contact

Als unabhängige Plattform hat sich die Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (DKE) in ihrem »Commitment 2030« dazu verpflichtet, gemeinsam mit ihren Stakeholdern aus der Industrie, den Verbänden sowie der Gesellschaft und Politik diesen Rahmen zu schaffen. Aus technischer Sicht gibt es bereits die Grundlage eines Architekturrahmens zur umfassenden und durchgängigen datentechnischen Vernetzung aller Bereiche der Gesellschaft und Wirtschaft. Als wesentlich und erforderlich erweisen sich jetzt die intensive Abstimmung sämtlicher Akteure sowie der gemeinsame Wille zum Konsens und zur Umsetzung. Aus derzeitiger Sicht hat der Digital Product Passport 4.0 auf Basis der AAS das Potenzial, zum universellen Datenmodell für die informationstechnische Sektorenkopplung zu werden. Er wäre damit der Schlüssel zur Realisierung der All Electric Society und der damit einhergehenden Transformation von Gesellschaft und Industrie hin zu einer nachhaltigen und klimaneutralen Zukunft mit Wachstums- und Wohlstandsperspektiven für alle Menschen.