Im Kontext strengerer Regularien und wachsender gesellschaftlicher Erwartungen streben viele Unternehmen ambitionierte Ziele zur Reduktion von Emissionen an. Dabei stehen sie vor erheblichen Herausforderungen, insbesondere in der Produktentstehung, die maßgeblich die späteren Umweltauswirkungen bestimmt. Studien zeigen, dass bereits in der Planungs- und Entwicklungsphase rund 80 % der zukünftigen Umweltauswirkungen festgelegt werden. Zwei Ansätze haben besonderes Potenzial, Emissionen zu reduzieren und Ressourcen zu schonen: die Kreislaufwirtschaft und ein effizienter Produktbetrieb. Die Kreislaufwirtschaft ermöglicht es, Stoff- und Ressourcenkreisläufe zu schließen, Neuproduktion zu minimieren und Ressourcen nachhaltig zu nutzen. Gleichzeitig erfordert der Betrieb von Produkten eine Optimierung im Hinblick auf Effizienz und Ressourcenschonung. Digitale Technologien spielen in beiden Bereichen eine Schlüsselrolle, da sie innovative Ansätze und Lösungen ermöglichen. Das Projekt GoProZero setzt genau hier an: Ziel ist es, den Produktentstehungsprozess ganzheitlich zu gestalten, um ressourceneffiziente und kreislauffähige Produkte zu entwickeln, die den Anforderungen einer modernen, nachhaltigen und digitalisierten Industrie gerecht werden. Dazu werden Ansätze zur strategischen Planung, zur Gestaltung von Prozessen und Organisationen sowie zur Nutzung digitaler Technologien wie modellbasiertem Design, Dateninfrastrukturen und KI-gestützten Systemen entwickelt. Gleichzeitig wird die Umsetzung der Projektziele in praxisnahen Leuchtturmprojekten sichergestellt, um konkrete Problemstellungen der Partnerunternehmen zu adressieren und innovative Lösungen zu etablieren. Durch diesen umfassenden Ansatz unterstützt GoProZero Unternehmen dabei, Emissionen zu senken, Ressourcen effizient zu nutzen und ihre Wettbewerbsfähigkeit in einer nachhaltigeren Industrie zu stärken.

Motivation und Handlungsbedarf

Die Klimakrise sowie aktuelle geopolitische und soziale Herausforderungen stellen zentrale Probleme unserer Zeit dar, die Politik, Gesellschaft und Wirtschaft gleichermaßen betreffen. Die Agenda 2030 der Vereinten Nationen hat 17 Ziele für eine nachhaltige Entwicklung definiert, die den Weg für eine zukunftsfähige, ressourcenschonende und gerechte Welt weisen sollen. Unternehmen stehen dabei unter zunehmendem Druck, ihre Emissionen zu reduzieren und Ressourcen effizienter zu nutzen. Regulierungen wie das Greenhouse Gas Protocol verpflichten Unternehmen, Emissionen entlang der gesamten Wertschöpfungskette – einschließlich der Nutzung ihrer Produkte – zu berücksichtigen. Gerade die Nutzung von Produkten („Downstream“) stellt eine besondere Herausforderung dar, da sie außerhalb des direkten Einflussbereichs liegt.



Digitale Technologien bieten dabei immense Chancen, Transparenz zu schaffen und sowohl Emissionen als auch den Ressourcenverbrauch zu minimieren. Die Kombination von Digitalisierung und Nachhaltigkeit – als „Duale Transformation“ – eröffnet innovative Möglichkeiten, nachhaltige Lösungen effizient und strukturiert umzusetzen. Insbesondere die Kreislaufwirtschaft, die den geschlossenen Materialkreislauf von Produkten anstrebt, bietet einen effektiven Ansatz, um Emissionen und Verschwendung zu reduzieren. Gleichzeitig erfordert sie ein Umdenken in der Produktentstehung, hin zu zirkulären Prozessen und ressourceneffizientem Design.



Engineering Paradigma: Das traditionelle Konzept des Ecodesigns, das Prinzipien wie Langlebigkeit, Reparierbarkeit und Recyclingfähigkeit umfasst, ist oft zu generisch und greift zu kurz, um die Anforderungen der Kreislaufwirtschaft und der Digitalisierung zu erfüllen. Die zentrale Herausforderung besteht darin, ressourceneffiziente und kreislauffähige Produkte zu gestalten, die über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg nachhaltig sind. Dabei müssen auch neue Ansätze integriert werden, die die Potenziale digitaler Technologien wie digitaler Zwillinge und datengetriebener Optimierung erschließen. 





Engineering Management: Unternehmen stehen vor der Aufgabe, ihre Entwicklungsorganisationen und Geschäftsmodelle auf zirkuläre Wertschöpfung auszurichten. Ein zentrales Problem ist, dass bisher keine übergeordneten Lösungen existieren, die Wertschöpfungssysteme, Prozesse und Geschäftsmodelle umfassend miteinander verbinden. Die Transformation hin zu einer zirkulären Organisation erfordert zudem ein Verständnis für die Wechselwirkungen zwischen Produktentwicklung, Geschäftsmodellinnovation und Wertschöpfungsnetzwerken. Hier fehlen oft klare Leitlinien und messbare Ziele, die die Unternehmen bei der Umstellung unterstützen. 



Modellbasiertes Design, Analyse und Bewertung: Die wachsende Komplexität bei der Entwicklung nachhaltiger Produkte stellt eine erhebliche Herausforderung dar. Es fehlen systematische Ansätze, um die Vielzahl an Anforderungen – von der Nachhaltigkeit über technische Spezifikationen bis hin zu wirtschaftlichen Aspekten – ganzheitlich zu managen. Die Anwendung von modellbasierten Methoden (MBSE) kann diese Komplexität beherrschbar machen, wird aber bislang selten im Kontext von Kreislaufwirtschaft und Ressourceneffizienz eingesetzt. Ein weiteres Problem ist die fehlende Verbindung zwischen MBSE und Technologien wie digitalen Zwillingen, die eine wichtige Rolle bei der Umsetzung spielen könnten.



Lifecycle Data Management (Digitale Zwilling und Datenräume in Industrie 4.0): Für eine effektive Kreislaufwirtschaft ist der Zugang zu Lebenszyklusdaten unerlässlich. Derzeit mangelt es jedoch an Standards und interoperablen Plattformen, die einen souveränen Austausch von Daten entlang der Wertschöpfungskette ermöglichen. Obwohl Ansätze wie digitale Zwillinge und Datenräume existieren, werden sie noch nicht ausreichend genutzt, um Transparenz und Effizienz über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg zu gewährleisten. Zudem fehlt es an robusten Systemen, um diese Daten sinnvoll auszuwerten und für Entscheidungen nutzbar zu machen.



AI-supported Engineering: Die Vielzahl an Anforderungen – wie Nachhaltigkeit, Kosten, Produzierbarkeit und technische Performance – führt zu einer enormen Komplexität in der Produktentwicklung. Derzeit fehlen integrierte KI-Ansätze, die disziplinübergreifende Designalternativen generieren und bewerten können. Bestehende KI-Lösungen konzentrieren sich oft auf einzelne Phasen des Lebenszyklus, wie die Produktion oder den Betrieb, ohne die gesamte Produktentstehung zu berücksichtigen. Die Herausforderung besteht darin, KI so einzusetzen, dass sie nicht nur die Entwicklung ressourceneffizienter Produkte unterstützt, sondern auch Erkenntnisse aus der Nutzung früherer Produktgenerationen integriert. 

Um Unternehmen zu befähigen die aufgezeigten Handlungsbedarfe zu adressieren ist das Ziel des Projekts eine Systematik zur Entwicklung von kreislauffähigen und ressourceneffizienten Produkten unter Einsatz digitaler Technologien. Das Ziel lässt sich durch sechs Teilziele detaillieren: 

• AP1 Engineering Paradigma: Untersuchung aktueller und zukünftiger Bedarfe, Best Practices und Potenziale für ressourceneffiziente und kreislauffähige Produkte.

• AP2 Engineering Management: Entwicklung von Wertschöpfungsstrukturen, Prozessen und Geschäftsmodellen im Kontext der Kreislaufwirtschaft.

• AP3 Modellbasiertes Design, Analyse und Bewertung: Erstellung von Methoden und Tools für die Entwicklung ressourceneffizienter Produkte.

• AP4 Lifecycle Data Management: Aufbau einer prototypischen Dateninfrastruktur zur Bewertung von Designentscheidungen.

• AP5 AI-supported Engineering: Integration KI-gestützter Systeme für generative Designs mit Fokus auf Zirkularität und Ressourceneffizienz.

• AP6 Projektmanagement und Transfer: Projektkoordination und Kommunikation der Ergebnisse.