Ganzheitliche Wandlungsfähigkeit von Produktionssystemen – der Schlüssel zur Ressourcenwende?

Resilienz verfolgt die Aufrechterhaltung der wertschöpfenden und wirtschaftlichen Betriebsfähigkeit durch wandlungsfähige Produktionssysteme und eine agile Organisation, insbesondere in Krisenzeiten (Kohl et al. 2021). Wandlungsfähigkeit im Kontext des Produktionssystems taucht dabei erstmals Ende der 90er-Jahre auf (Wiendahl et al. 2014). Bis heute lassen sich eine Vielzahl an Ansätzen zur Wandlungsfähigkeit produzierender Unternehmen finden, welche jedoch im Kern folgendes gemein haben. Bei Veränderungsbedarf kann das sozio-technische System (Produktionssystem) reaktiv aber auch proaktiv seine Organisationsstrukturen, Prozesse oder sein Handeln neu ausrichten bzw. rekonfigurieren. Die Umsetzung erfolgt nach dem Minimalprinzip (Nyhuis et al. 2010). Um den Wandel eines Systems zu ermöglichen, führt Hernández Morales (2003) erstmals in 2003 den Begriff Wandlungsbefähiger an, der noch immer dem Stand der Wissenschaft entspricht. Ein System kann dabei als wandlungsbefähigt angesehen werden, wenn es kompatible, mobile, modulare, skalierbare und universale Eigenschaften aufweist (Hernández Morales 2003, Wiendahl et al. 2014, Lanza et al. 2018).

Ein sozio-technisches System verknüpft soziale mit technologischen Teilaspekten innerhalb einer Organisationsstruktur. Besonders bei Entstehung von Produktionssystemen spielt die Aufgabenteilung zwischen den Teilaspekten Mensch und Technik eine zentrale Rolle. Die Funktionsverteilung bestimmt dabei den Grad der Automatisierung (Ulich 2020). Nyhuis et al. (2010) definieren Produktionssysteme als sozio-technische Systeme, die den Input von:mittels wertschöpfenden sowie unterstützenden Produktions- und Logistikprozessen in Output (Produkte, Abfälle, Nebenprodukte) verwandeln.

Im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtungsweise werden die zuvor erläuterten Forschungsansätze zu wandlungsfähigen Produktionssystemen und sozio-technischen Systemen zusammengeführt (Jäpel et al. 2023). Das heißt die Wandlungsbefähiger werden nicht nur auf rein technischer Ebene, sondern ebenso auf menschlicher und organisationaler Ebene angewendet. Somit wird eine stärkere Menschzentrierung gewährleistet. Ähnliche Ansätze finden sich auch bei Heinen et al. (2008). Demnach wird Wandlungsfähigkeit ermöglicht durch kompatible, mobile, modulare, skalierbare und universale Mensch-Technik-Organisation (MTO)-Teilaspekte im Unternehmen (siehe Abb. 1).

Das Bewusstsein der begrenzenten Ressourcen und die damit einhergehende Idee der Kreislaufnutzung ist bereits seit „Die Grenzen des Wachstums“ von 1972 bekannt (Meadows et al. 1972). Dennoch lag 2022 der weltweite Anteil an Materialien, die nach dem Ende ihrer Nutzungsdauer wieder in die Weltwirtschaft zurückgeführt wurden, so genannte Sekundärmaterialien, bei lediglich 7,2 % des gesamten Materialinputs in die Wirtschaft. Das heißt, dass mehr als 90 % der in der Wirtschaft eingesetzten Materialien entweder verschwendet werden, verloren gehen oder über Jahre hinweg nicht wiederverwendet werden können (Circle Economy 2023). Gleichzeitig sind Rohstoffe nur begrenzt verfügbar und etwa die Hälfte der in der EU verbrauchten Rohstoffe müssen laut Eurostat importiert werden. Dies bedeutet Abhängigkeiten von anderen Ländern, insbesondere bei der Versorgung mit kritischen Materialien. Ein deutlich geringerer Ressourcenverbrauch würde Versorgungsrisiken und Preisschwankungen reduzieren (Europäisches Parlament 2023). Um auf Strategien zur Ressourcenschonung einzugehen, muss jedoch zunächst geklärt werden, was unter dieser zu verstehen ist und wie ein Kreislaufwirtschaftsansatz definiert werden kann. In der Literatur wird mit Ressourcenschonung allgemein assoziiert, weniger Ressourcen zu fördern, zu verarbeiten, zu transportieren und letztlich zu entsorgen (Hinterberger 2022). In seiner Perfektion ist Ressourcenschonung das konsequente Zirkulieren von sämtlichen eingesetzten Ressourcen. McDonough und Braungart (2002) formten mit ihrem Werk „Cradle to cradle: Remaking the way we make things“ das Grundverständnis der Kreislaufwirtschaft. Ihre Idee ist, in der Industrie das hoch effiziente System der Natur mit ihren Nährstoffströmen zu imitieren, in dem Abfall überhaupt nicht aufkommt. Das „Cradle to cradle“ Prinzip verlangt, dass alle von der Industrie hergestellten Produkte und Materialien entweder aus biologisch bzw. physikalisch abbaubaren Materialien oder aus technischen Materialien bestehen. Somit sollen sie zur Nahrung für biologische Kreisläufe werden oder in geschlossenen technischen Kreisläufen dauerhaft als Grundlage für die Produktion zirkulieren (McDonough und Braungart 2002). Um solche Kreisläufe zu realisieren und damit den Energie- und Ressourcenverbrauch signifikant zu reduzieren, ist es vor allem nötig, von Anfang an nachhaltigere Produkte zu erzeugen. Schätzungsweise über 80 % der Umweltauswirkungen eines Produktes werden während der Entwurfsphase bestimmt (Europäisches Parlament 2023). Deshalb müssen Strategien zur Ressourcenschonung bereits während des Designprozesses Berücksichtigung finden. Darunter zählen Prinzipien wie Reparaturfähigkeit, Langlebigkeit, Aufrüstbarkeit, Wiederverwendbarkeit, Energieeffizienz, Schadstofffreiheit und auch der Recyclingprozess der Produkte. In der Literatur lassen sich diese meist als „r-Strategien“ finden. Die am häufigsten verwendeten sind die vier R’s – recycle, repair, reuse und reduce (z. B. Hinterberger 2022). In der Literatur lassen sich noch weitere „r-Strategien“ wie refurbish oder rethink finden. Potting et al. (2017) bspw. führen in ihrem Beitrag gleich zehn solcher Strategien an und ordnen diese innerhalb der Produktionskette in der Reihenfolge ihrer Priorität für ein Kreislaufsystem an. Da sich aber letztlich alle Strategien unter den genannten vier Grundprinzipien zusammenfassen lassen, beschränkt sich der vorliegende Beitrag auf diese. Um einen wesentlich geringeren Ressourcen- und Materialverbrauch in der Produktion und darüber hinaus im kompletten Lebenszyklus eines Produktes zu erreichen, muss bei allen Strategien der Fokus auf der Reduzierung des Ressourceneinsatzes und des Abfallausstoßes liegen. Daher ist auch bei den Rückführschleifen der Ressourcen (siehe Abb. 2) auf Energieeffizienz zu achten. Insbesondere die Prinzipien repair und recycle benötigen zusätzliche Energie in der Anwendung. Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass je kleiner der Kreislauf in der Abbildung ist, desto energieeffizienter und damit zirkulärer ist er (de Ruyter 2019). Recycling allein, insbesondere minderwertiges, ist immer noch eng mit einer linearen Wirtschaft verbunden. Daher sind Strategien zur Wiederverwendung, Reparatur und Verlängerung der Lebensdauer von Produkten und -komponenten, immer dem reinen Recycling vorzuziehen (Potting et al. 2017).

Für einen ganzheitlichen Ansatz müssen diese Ressourcenschonungsstrategien außerdem nicht nur auf Produktebene, sondern auf kompletter Produktionssystemebene Anwendung finden. Es ist daher notwendig bei jedem Entwurfsprozess – unabhängig ob für ein Produkt, einen Arbeitsprozess, eine Fertigungsinsel oder auch ein Geschäftsmodell – die genannten Prinzipien, allen voran die Reduzierung des Ressourceneinsatzes, zu berücksichtigen.

Für diesen Beitrag werden unterschiedliche qualitative Forschungsmethoden kombiniert. Im Fokus stehen dabei primäre Forschungsmethoden mit starkem Erkenntnisgewinn für die Praxis. Eine Fallstudie (Case Study), die nach Robra-Bissantz und Strahringer (2020) zur Erforschung komplexer gegenwärtiger Phänomene und darauf basierend zur Ableitung von Theorien angewendet wird, ist die Basis für die nachfolgend genutzten wissenschaftlichen Ansätze. Eine exploratorische Untersuchung bei einem nach EU-Kommission definierten mittleren Unternehmen (European Commission 2003) aus Sachsen, welches im industriellen Sektor tätig ist, führte zu ersten Forschungsansätzen zur Beschreibung und Bewertung der Wandlungsfähigkeit des untersuchten Unternehmens. Für die Fallstudie wurden die Geschäftsprozesse hinsichtlich der Themenschwerpunkte vernetzte Wertschöpfung, Fabrikplanung, Logistik sowie Digitalisierung analysiert. Dies erfolgte durch Befragung der Mitarbeitenden, Beobachtungen im Arbeits- und Produktionsbereich vor Ort sowie Sichtung von Geschäftsunterlagen. Auf Basis dieser Ergebnisse erfolgte eine Abstraktion in allgemeingültige Phänomene zur Steigerung der Wandlungsfähigkeit in produzierenden mittleren Unternehmen. Dabei wurden die, mithilfe einer qualitativen, sekundären Literaturanalyse, festgehaltenen Befähiger mit dem MTO-Ansatz bzw. (H)uman, (T)echnology and (O)rganisation-(HTO-approach) in einem Modell zusammengeführt. Beim beschriebenen methodischen Vorgehen wurden induktive und deduktive Verfahren miteinander verknüpft. Zur konsequenten Auslegung von Produktionssystemen im Sinne der Industrie 5.0 identifizierten Schlüsseltreiber Resilienz, Menschzentrierung und Nachhaltigkeit erfolgte im letzten Schritt eine argumentativ-deduktive Analyse. Argumentativ-deduktive Analysen spielen neben formal-/konzeptionell-deduktiven Analysen eine bedeutende Rolle zum Schließen von Forschungslücken im Bereich der Wirtschaftsinformatik (Wilde und Hess 2007). Hierfür wurde das Modell der Wandlungsbefähigung um die 4R-Prinzipien ergänzt und argumentativ an Beispielen erläutert.

Zur Untersuchung der Interdependenzen von Ressourcenschonungsstrategien und Wandlungsfähigkeit soll zunächst gezeigt werden, wie die zuvor dargestellten Wandlungsbefähiger auf ein sozio-technisches System angewendet werden können. Die Tab. 1 zeigt dazu Handlungsempfehlungen für eine gesamtsystemische Umsetzung auf.

Für den Befähiger Modularität bedeutet die Umsetzung auf der Ebene Mensch bspw., dass Mitarbeitende durch vielfältige Qualifikationen – erlangt in Form von Qualifikationsbausteinen – für einen flexibleren Einsatz in ihrem Arbeitsumfeld befähigt werden. Auf Ebene der Technik kann solch eine Umsetzung der Modularität z. B. durch Einführung eines flexibleren Fertigungskonzeptes wie einem Matrixproduktionssystem erreicht werden. Hellmich et al. (2022) definieren Matrixproduktionssysteme als Produktionssysteme, die aus „… frei anfahrbaren und logistisch individuell beplanbaren Prozessmodulen bestehen, welche über einen flexiblen Materialfluss miteinander verbunden sind“. Somit besitzen sie besonders hohes Potenzial, um bei wechselnden Produkteigenschaften sowie schwankenden Produktionsmengen und Losgrößen reagieren zu können (Hellmich et al. 2022). Auf der Ebene der Organisation kann Modularität in Form von einzelnen, rekonfigurierbaren Prozessbausteinen umgesetzt werden. Mit Hilfe von klaren Berechtigungs‑, Qualifizierungs- und Zugangsbestimmungen für alle Prozessbausteine, abgestimmt auf die Qualifikationsbausteine der Mitarbeitenden, lassen sich etablierte Prozesse flexibel kombinieren und an wandelnde Bedarfe anpassen.

Zur wirksamen Umsetzung von Ressourcenschonungsstrategien spielt wie eingangs erläutert der Prozess des Produktdesigns eine wesentliche Rolle. Darüber hinaus sind die Grundprinzipien nachhaltiger Gestaltung jedoch auch für alle weiteren Lebensphasen von Produkten sowie allen Ebenen eines sozio-technischen Systems relevant. Zum einen sollte Reparaturfähigkeit (repair) durch modularen Aufbau von Produkten aber auch der Anlagen und Maschinen im Unternehmen sichergestellt werden. Zum anderen sollten die verwendeten Rohstoffe, Komponenten und Bauteile vielseitig einsetzbar (reuse) sein wie z. B. universelle Werkzeugaufsätze für verschiedene Anwendungen. Weiterhin müssen die vorhandenen Materialien effizienter und länger verwendet werden, um einen starken Rückgang der Gewinnung von neuen Rohstoffen (reduce) zu erzielen (Circle Economy 2023). Zur Umsetzung der Trennbarkeit und damit Wiederverwendbarkeit (reuse und recycle) der eingesetzten Materialien ist eine Transparenz über alle Prozesse und insbesondere Stoffströme erforderlich. Erst das Wissen, welche Stoffe in welchen Erzeugnissen eingebracht wurden, ermöglicht eine langfristige Zirkularität der eingesetzten Stoffe. Diese Nachvollziehbarkeit der Wertschöpfungsketten kann bspw. durch digitale Identitäten wie digitale Produktpässe erzielt werden. Für einen ganzheitlichen Ansatz gilt es außerdem auch die Ressource Mensch zu schonen, indem Mitarbeitende achtsam und optimal fördernd eingesetzt werden und bspw. individuelle Weiterbildungen oder Mitwirkungsmöglichkeiten erhalten. Ziel muss es sein, die intrinsische Motivation der Mitarbeitenden zu fördern und so die individuellen Potenziale optimal zu nutzen. Zudem wirken sich intrinsische Faktoren der Mitarbeitenden auf organisatorische Maßnahmen, Praktiken und somit letztlich auf die Nachhaltigkeit des ganzen Unternehmens aus (Florea et al. 2013). Zur wirksamen Reduzierung des gesamtsystemischen Ressourcenverbrauches bedarf es nicht zuletzt auch einer Verlängerung der Lebenszyklen allgemein und zirkulärer Geschäftsmodelle, wie z. B. stärker serviceorientiertere Modelle und Dienstleistungen. Damit einher geht eine notwendige Anpassung in der Organisationsstruktur des Unternehmens, da ein solcher Wechsel auch Auswirkungen auf diese hat. Ein möglicher Ansatz hierfür sind hybride Organisationsstrukturen, welche den Übergang zu einem gemischten Geschäftsmodell aus Produkt‑, Service- und digitalen Angeboten unterstützen (Brosig et al. 2022).

Zur Identifikation möglicher Zielkonflikte oder sich begünstigender Kaskadeneffekte erfolgt eine Zusammenführung der Wandlungsbefähiger mit den Ressourcenschonungsstrategien, dargestellt im Modell (siehe Abb. 3). Aus diesem ergeben sich eine Vielzahl an Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Ebenen des sozio-technischen Systems in Verbindung mit den Wandlungsbefähigern und unter Betrachtung der Ressourcenschonungsstrategien. Nachfolgend sollen die möglichen Auswirkungen dieser Kombinationen exemplarisch anhand jeweils eines Wandlungsbefähigers erläutert werden. Am Beispiel des Befähigers Modularität lassen sich auf allen Ebenen des sozio-technischen Systems positive Interdependenzen feststellen. So fördern modulare Prozessbausteine (Ebene Organisation) auch die Konfigurierbarkeit von Geschäftsmodellen und unterstützen dabei zeitgleich die Umstellung von produktorientierten Geschäftsmodellen hin zu serviceorientierten, zirkulären Modellen (reduce). Auf technischer Ebene umgesetzte Modularität, in Form von Matrixproduktionssystemen, unterstützen das effiziente Produzieren von Ersatzteilen und somit die Reparierbarkeit (repair). Weiterhin kann ein Matrixproduktionssystem zur Demontage von Produkten rekonfiguriert werden, um so auch zum Ende des Produktlebenszyklus die eingesetzten Ressourcen zurückzugewinnen (recycle) (Hellmich et al. 2022). Modulare Qualifikationsbausteine (Ebene Mensch) wiederum fördern die beschriebene notwendige, intrinsische Motivation der Mitarbeitenden und die optimale Ausschöpfung ihrer Potenziale. Somit unterstützen sie die Schonung der menschlichen Ressource (reduce).

Darüber hinaus lassen sich auch mit Umsetzung der anderen Wandlungsbefähiger eine Vielzahl weiterer positiver Wechselwirkungen auf die Ressourcenschonung ausmachen. So unterstützt ein kompatibler Aufbau (Kompatibilität) von Produkten und Maschinen die Austauschbarkeit einzelner Komponenten. Dies steigert nicht nur die Wandlungsfähigkeit, sondern reduziert gleichzeitig den Einsatz von Primärrohstoffen (reduce). Die Universalität von Prozessen ermöglicht die Bearbeitung unterschiedlicher Stoffkreisläufe aus, in den Produktionskreislauf, zurückgeführtem Material (recycle, reuse). Universalität auf der technischen Ebene wiederum gestattet eine ergonomische Anpassung der Maschinen an die Anforderungen der individuellen Bedürfnisse der Mitarbeitenden und gewährleistet somit eine Schonung der Ressource Mensch (reduce). Durch Mobilität auf den Ebenen Mensch und Organisation lassen sich bspw. mithilfe von Remote-Arbeit sowohl die Ressource Mensch als auch Kraftstoff/Energieressourcen einsparen (reduce). Nicht zuletzt befähigt die Skalierbarkeit aller Ebenen (Mensch, Technik und Organisation) das gesamte sozio-technische System zur Einsparung von Energie (reduce) durch optimale Anpassung an wandelnde Produktionsanforderungen.

Andersherum kann die für die langfristige Zirkularität der Materialien notwendige, beschriebene Transparenz der eingesetzten Materialien auch die Wandlungsfähigkeit der Unternehmen fördern. Digitale Produktpässe, welche z. B. durch Nutzung von Blockchain-Technologien in Verbindung mit dem Internet der Dinge umgesetzt werden können, ermöglichen einen sicheren, dezentralen Datenaustausch für eine permanente, gemeinsam nutzbare Aufzeichnung der vollständigen Lieferketten (Wang et al. 2019). Damit kann durch die vollständige Transparenz sowohl die notwendige Rückverfolgbarkeit der eingesetzten Rohstoffe als auch eine bessere Planbarkeit, Entwicklung und Stärkung der eigenen Wertschöpfungsketten gewährleistet werden.

Trotz der Vielzahl an positiven Effekten lassen sich auch Zielkonflikte sowie negative Wechselwirkungen beobachten. Zielkonflikte treten vorwiegend zwischen den einzelnen Ressourcenschonungsstrategien auf. In Abhängigkeit des betrachteten Prozesses bedarf es einer individuellen Abschätzung, welche Ressource zu priorisieren ist. Bspw. kann die Rückgewinnung von eingesetzten (seltenen) Rohstoffen als wichtiger erachtet werden als die Einsparung von Energie, welche für den Rückgewinnungsprozess notwendig ist. Negative Wechselwirkungen werden insbesondere durch die für die Wandlungsfähigkeit notwendige Digitalisierung (z. B. Remote-Arbeit, smarte Produkte, digitale Produktpässe) und der damit verbundenen benötigten Rechentechnik verursacht. Im Speziellen aufwendige Rechenoperationen, die z. B. bei der Nutzung von Blockchains zwangsläufig auftreten, verursachen einen starken Energieverbrauch. In der Gesamtbetrachtung überwiegen eher die positiven Auswirkungen auf die Ressourcenschonung beim Einsatz dieser Technologien. Umso essenzieller ist es jedoch, auch Rechentechnologien auf ihre Effizienz zu prüfen und den Einsatz regenerativer Energiequellen zu bevorzugen.