Digitalisierung in der Windindustrie –
Teil 1 Reifegradmodell zur Bewertung des Digitalisierungsfortschritts

Horst Wildemann

Die Windindustrie wurde in den letzten 25 Jahren zu einer bedeutenden Branche in Deutschland. Entlang der Wertschöpfungskette sind viele Unternehmen international erfolgreich. Jedoch ist der Wettbewerbsdruck wegen neuer Vergaberegelungen und internationaler Konkurrenten sehr hoch. Ein Lösungsansatz ist, die Effizienz der Unternehmen in Deutschland durch die Nutzung von Software und Digitalisierung zu steigern. Damit sollen die Stromgestehungskosten (Levelized Costs of Electricity (LCOE) der Windenergie gesenkt werden. Das entwickelte Reifegradmodell kann Unternehmen dabei unterstützen, Effizienz- und Kostensenkungspotenziale zu identifizieren.

Die Windindustrie in Deutschland ist sehr erfolgreich. Die Branche beschäftigte in 2017 über 160 000 Mitarbeiter und erzielte einen Umsatz von 18 Milliarden Euro. Der Beschluss der deutschen Politik, mit der Energiewende den Anteil des Stroms aus erneuerbaren Energien zu steigern, beschert der Branche großes Wachstum. Die zahlreichen Förderungen ermöglichten es, Windparks an Land und auf See zu installieren und in das Stromnetz einzubinden. Die Technologie entwickelte sich rasch weiter, so dass die Leistung der Windturbinen in den letzten 20 Jahren um das Zehnfache zunahm [1]. Diese Entwicklung ermöglichte bei Onshore-Anlagen eine Senkung der Stromgestehungskosten um jährlich 14 Prozent [2]. Jedoch konkurrieren zunehmend auch ausländische Unternehmen um die Vergabe von Windprojekten. Sie bieten noch günstigere Anlagen an und sorgen damit für einen hohen Wettbewerbsdruck. Dieser wird durch die neue Vergabeform per Auktion noch verschärft. Die Anbieter geben Gebote zur Förderung des Windstroms ab, das niedrigste Angebot erhält den Zuschlag. Dies führte zu den sogenannten 0-Cent-Geboten, bei denen die Anbieter auf eine Förderung je Kilowattstunde Strom verzichten [3]. Aus diesen Entwicklungen folgt eine Bedrohung der deutschen Windindustrie. Denn der Ausbau im europäischen Heimatmarkt verlangsamt sich, die größten Marktpotenziale befinden sich laut den Teilnehmern der von uns durchgeführten Delphi-Befragung zukünftig in Asien und Nordamerika. Diese Märkte werden jedoch durch protektionistische Maßnahmen wie Zölle und Local-Content-Anforderungen abgeschirmt. Wie können die Unternehmen nun dem steigenden Wettbewerbsdruck begegnen? Hierzu müssen sowohl die Branche als Ganzes als auch die einzelnen Unternehmen eine Antwort finden.

Ein Lösungsansatz ist die Entwicklung eines Reifegradmodells, welches die Softwaredurchdringung in der Windindustrie beschreibt. Die Stromgestehungskosten stellen hierzu den Maßstab zur Erfolgsmessung dar. Die Hypothese ist, dass mit einem höheren Reifegrad die LCOE der Windenergie sinken. Damit würde die Windenergie im Vergleich zu konventionellen Energieträgern wettbewerbsfähig. 

Die Einführung technischer und organisatorischer Innovationen verläuft selten sprunghaft, sondern ist als zeitlich gestreckter Entwicklungsprozess zu betrachten. Während des Prozesses sind die Fähigkeiten des Systems schrittweise zu entwickeln, sodass sie die geltenden Zielsetzungen immer besser erfüllen können. Der Entwicklungsstand der Fähigkeiten kann als Reifegrad bezeichnet werden. Die Reifegradorientierung erfolgt mit dem Ziel, die Systemreife zu steigern und damit die Systemziele zu erreichen [4]. Dieses Konzept wird für die Windindustrie genutzt, um das Potential zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit aufzuzeigen. Anhand unterschiedlicher Szenarien wird der Reifegrad der Windindustrie gemessen und im Anschluss mit reiferen Industrien, wie der Automobilindustrie oder dem Maschinenbau, verglichen.

Für die Unternehmen der Windindustrie wurden vier Entwicklungsstufen identifiziert und systematisiert. In der ersten Stufe, Tradition, wird noch kein systematischer Ansatz zur Digitalisierung verfolgt. Ein Unternehmen aus diesem Reifegrad strebt, wenn überhaupt, nur eine geringe Weiterentwicklung an, wichtige Maßnahmen sind noch nicht ergriffen und meist auch nicht geplant. Die Strategie des Unternehmens weist keine Ansätze für Veränderungen auf und das Management fördert diese auch nicht. Damit stehen wichtige personelle und finanzielle Ressourcen nicht zur Verfügung. Bei der zweiten Stufe, Konzeption, werden hingegen die Digitalisierung vorbereitet und die ersten Schritte zur Anpassung vorgenommen. Das Management macht den Weg für Veränderungen frei und unterstützt die Mitarbeiter mit den benötigten Ressourcen. Zudem werden die Ist-Situation analysiert und Ziele formuliert. Ein Plan zur Implementierung von Konzepten der Industrie 4.0 ist formuliert und erste Maßnahmen sind ergriffen, jedoch stellen sich noch wenige Erfolge ein. Auf der dritten Stufe, Umsetzung, wird der Plan zur Digitalisierung mit großem Einsatz vorangetrieben. Das Unternehmen stellt hierfür Experten bereit und stattet diese mit umfangreichen Ressourcen aus, um die Veränderungsprojekte umzusetzen. Der Maßnahmeneinsatz zeigt Wirkung und die Produktivität steigt. Diese Erfolge spornen dazu an, weiterhin die Veränderungen durchzuführen und die angestrebten Aktivitäten zu implementieren. Auf der vierten Stufe, Weiterentwicklung, sind die Maßnahmen zur Digitalisierung weitgehend auf strategischer, kultureller und operativer Ebene implementiert. Dies ermöglicht es, eine hohe Performance und Effizienz zu erreichen. Unternehmen auf dieser Stufe weisen eine hohe Softwaredurchdringung ihrer Produkte und Prozesse auf und gelten als Maßstab für die erfolgreiche Umsetzung der Digitalisierung. Die maximale Ausprägung wiederum stellt den Soll-Zustand dar, wie er als Best Practice in der Branche angesehen wird. Die einzelnen Bewertungskriterien können auf einer Skala von eins bis vier angegeben werden. Um die Bewertung einer Dimension zu ermitteln und in einem Netzdiagramm zu veranschaulichen, wird der Durchschnitt der Bewertung ermittelt. Dabei werden die vier Stufen des Reifegradmodells berücksichtigt. 

Bild 1: Dimensionen und Themenfelder der Digitalisierung

Um die Wertschöpfung zu digitalisieren und damit die Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern, ist der Branchenkontext zu betrachten. Schließlich sollen die Empfehlungen die Akteure dabei unterstützen, auf zukünftige Entwicklungen bestmöglich zu reagieren. Die Windindustrie ist dynamisch und die komplexen Umfeldbedingungen erschweren eine Prognose. Die Methodik der Szenarioanalyse ermöglicht es in einem solchen Fall, verschiedene Entwicklungspfade zu erarbeiten. Damit entstehen in der Branchenanalyse verschiedene Haltepunkte, um den Unternehmen davon ausgehend die möglichen Pfade aufzuzeigen. Dabei werden branchen- und unternehmensspezifische externe sowie interne Einflussbereiche identifiziert. Für die Windindustrie sind die folgenden Haltepunkte relevant, die sich als Bewertungsdimensionen im Reifegradmodell wiederfinden: Produkte und Services, Produktion und Logistik, Strategie und Management, IT-Infrastruktur und Mitarbeiter. Die Dimensionen und zugeordneten Themenfelder befinden sich in Bild 1.

Die erste Reifegraddimension fragt die Einschätzungen zur Dimension Produkte und Services ab. Dabei geht es um die Standardisierung der Produkte, ihre Konfigurierbarkeit, die Verwendung von Neuheiten und um die Nutzung von Daten aus der Nutzungsphase der Produkte, Softwarebasierte Add-ons sowie eine Standardisierung und Modularisierung der Produkte. Damit sollen zusätzliche Umsatz- und Kostenpotenziale gehoben werden. Manche Services erlauben es zudem, den Erlös nicht nur über den einmaligen Verkauf des Produkts, sondern über weitere Aktualisierungen entlang der Nutzungszeit und über die Verwendung der Nutzungsdaten zu erzielen [5, 6]. Die Auswertung erhobener Daten für Condition Monitoring etwa ermöglicht es, den jeweils optimalen Instandhaltungsplan zu ermitteln und dem Kunden zur Verfügung zu stellen. Felddaten aus der Nutzung der Produkte stellen ferner einen Input für die Weiterentwicklung dar, das heißt die Produkte erfassen und übertragen hierzu relevante Daten und können auch nach ihrer Markteinführung softwarebasiert um neue Funktionalitäten ergänzt werden.

Die zweite Reifegraddimension bezieht sich auf die Dimension Produktion und Logistik. Die Fragen behandeln die Standardisierung, Automatisierung und Digitalisierung von Produktions- und Logistikprozessen. Liegt hier ein hoher Reifegrad vor, so sind etwa die mechatronischen Komponenten mit eingebetteten Systemen ergänzt. Es erfolgt eine Überwachung der Stabilität technischer Prozesse sowie kurzfristige und automatisierte, regelnde Eingriffe. Die Prozesse können mit Softwarelösungen verfolgt und visualisiert werden, indem sich Rückmeldedaten der Anlagen zur Lokalisierung von Objekten auswerten lassen. Moderne Software ermöglicht es, eine kontinuierliche Auswertung von Maschinen- und Werkzeugparametern durchzuführen, um Störungen oder Qualitätsabweichungen vorhersagen zu können, das heißt ein Condition Monitoring. Weitere Fragen behandeln die Qualität in der Produktion und die Konzepte, wie diese erreicht wird. Die hohe und wiederholbare Qualität in der Fertigung ist Voraussetzung für ein funktionierendes Produktionssystem und für zuverlässige Produkte [4, 7, 8]. Für die Logistik behandeln die Fragen die Maßnahmen zu soft- und hardwarebasierten Assistenzsystemen sowie zur Automatisierung und Verbesserung der Logistikaktivitäten. Weist ein Unternehmen hier einen hohen Reifegrad auf, bedeutet dies, dass physische Produktionsprozesse mit digitalen Prozessmodellen abgeglichen werden, um Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren. Die mechatronischen Komponenten sind darüber hinaus mit eingebetteten Systemen ergänzt. Es erfolgt eine Überwachung der Stabilität technischer Prozesse sowie kurzfristige und automatisierte, regelnde Eingriffe über zugehörige Software und Aktorik. Die Prozesse können zudem verfolgt werden, indem Rückmeldedaten der Anlagen und zur Lokalisierung von Objekten ausgewertet werden, etwa lassen sich Güter automatisch identifizieren und eine ausreichende Zahl von Meldepunkten ermöglicht ein Tracking und Tracing. Es erfolgt ferner eine kontinuierliche Auswertung von Maschinen- und Werkzeugparametern, um Störungen oder Qualitätsabweichungen vorhersagen zu können. Die Arbeitsanweisungen für Mitarbeiter sind zudem digital aufrufbar und eine geeignete Software stellt lediglich die vom Werker benötigten, auftragsspezifischen Informationen, unter Berücksichtigung der Echtzeit-Prozess-
parameter, zur Verfügung. Entlang der Wertschöpfung findet darüber hinaus ein durchgängiger Informationsaustausch zwischen den IT-Systemen statt, so dass die Auftragsinformationen mit den Produkt- und Kundeninformationen verknüpft sind. Die Maschinen melden den Auftragsstatus nach Beendigung automatisch zurück. Die Ressourcenplanung und -steuerung erfolgt ferner dezentral und in Echtzeit auf Basis autonomer Steuerkreise, die auf Echtzeitdaten zurückgreifen können. Die Produktionsprozesse passen sich daher auf Basis von Echtzeitdaten autonom an. Der Werker erfüllt eine kontrollierende Funktion und unterstützt die maschinelle Aktorik.

Die dritte Reifegraddimension bildet die Fragen zu Strategie und Management ab. Dabei geht es um die Verankerung der Digitalisierung in der Strategie und Organisation sowie in der internen und externen Kommunikation. Ohne eine entsprechende Strategie ist es schwer, zugehörige Ziele und Kennzahlen abzuleiten und das Handeln der Funktionen und Mitarbeiter entlang der Hierarchie in das Tagesgeschäft zu integrieren. Zudem sollen die Förderung von Innovationsprojekten durch Führungskräfte, ein passendes Vergütungssystem und eine geeignete Fehlerkultur die Veränderungen unterstützen [9]. Ferner geht es um die Kommunikation zur Wissensweitergabe im Unternehmen über Kollaborationsplattformen sowie um die Datenhaltung mit Freigabeprozessen und Sensibilisierung für Datensicherheit und Vertraulichkeit. Bei einem hohen Reifegrad wird Software zur digitalen Kollaboration etwa Sharepoint und Jive genutzt, welche bereichsübergreifend den Informationsaustausch und die Zusammenarbeit verbessern. Die Software wird so eingesetzt, dass sie die Komplexität und Redundanzen in der Kommunikation verringert. Digitale Kanäle sind zudem in Kommunikations- und Serviceprozesse integriert und es wurden hierzu Qualitätsmerkmale und Ziele definiert. Die mobile Infrastruktur mit Datenzugriff erlaubt es, dass Mitarbeiter auch unterwegs arbeits- und kollaborationsfähig sind. Zudem liegt ein softwarebasierter, digitaler Freigabeprozess zur beschleunigten Durchführung sowie Redundanzfreiheit durch den Einsatz einer zentralen Datenhaltung vor. Es gibt damit nur eine gültige Version einer Datei; es wird nicht die Datei selbst verschickt, sondern eine entsprechende Freigabe eingerichtet. 

Die vierte Reifegraddimension behandelt die IT-Infrastruktur. Es geht um die Automatisierung und IT sowie deren Unterstützung des Geschäftsbetriebs. Es werden Einschätzungen eingeholt, welche die IT-Infrastruktur, IT-Sicherheit und IT-Unterstützung abfragen. Eine aktuelle und funktionierende IT ist für Unternehmen essentiell, um Prozesse zu vereinfachen, zu automatisieren und digitale Lösungen anzubieten. Bei einem hohen Reifegrad sind einige Prozesse bereits automatisiert, etwa bei der Rechnungserstellung und im Zahlungsverkehr. Die IT-Infrastruktur wird regelmäßig aktualisiert, um veränderten Anforderungen gerecht zu werden. Zudem können die IT-Systeme durch offene Schnittstellen an neue eigene oder fremde IT-Strukturen angebunden werden. Zur Sicherstellung des IT-Betriebs und der Verfügbarkeit von Daten sind für verschiedene bedrohliche Szenarien Maßnahmen erarbeitet und getestet worden. Darüber hinaus umfasst die IT-Sicherheit Vorgehensweisen, um Sicherheitsmaßnahmen zu identifizieren und umzusetzen, etwa die Erfüllung der Norm IEC 62443. Im laufenden Betrieb werden die erhobenen Daten zur Entscheidungsunterstützung aufbereitet. Bei Innovationsprojekten unterstützt die IT-Abteilung, indem computergenerierte Daten für Simulationen zur Verfügung gestellt werden. In der Serviceabteilung erhalten die Mitarbeiter zudem über Assistenzsysteme Zugang zum IT-System. Beim Kunden vor Ort können dadurch Analysen durchgeführt und Aufträge freigegeben werden. Dies wird durch die hohe Softwaredurchdringung der Prozesse ermöglicht.

Die fünfte Reifegraddimension bezieht sich auf die Mitarbeiter des Unternehmens. Es geht um die Qualifikation und Expertise der Mitarbeiter bezüglich softwarebasierter Produkte und Prozesse sowie zur Nutzung der Kompetenzen durch das Unternehmen, um softwarebasierte Produkte und Services zu entwickeln. Die Expertise der Mitarbeiter und die Nutzung der Kompetenzen ist von großer Bedeutung für Innovationen und Veränderungen im Unternehmen [10]. Liegt in dieser Dimension ein hoher Reifegrad vor, so sind bei der Rekrutierung von Mitarbeitern die funktionsbezogenen Fähigkeiten ein wichtiges Auswahlkriterium. Die Mitarbeiter werden zudem fortlaufend zur Nutzung der Software und Anwendungen qualifiziert. Weiterbildungsbedarfe werden früh erkannt und mit passenden Angeboten versehen. Die Mitarbeiter haben darüber hinaus die Fähigkeit, neue Methoden und Prozesse zu entwickeln und in passender Software zu implementieren und können auf alle für sie relevanten Daten und Informationen zugreifen, diese erfassen und verarbeiten. Das heißt es wurde eine integrierte und interdisziplinäre IT-Kompetenz im Unternehmen aufgebaut. 

 

 

Schlüsselwörter:

Windindustrie, Reifegradmodell, Stromgestehungskosten, Digitalisierung

Literatur:

[1] Süß, M.: Entwicklung der Windkraft als wesentlicher Bestandteil einer wettbewerbsfähigen Energieerzeugung 2014.
[2] Liebrich, M.: Bloomberg New Energy Finance 2013.
[3] BWE: Branchenreport 2018. Die Windbranche in Deutschland im Überblick. Berlin 2018.
[4] Wildemann, H.: Reifegradmodell zur Beurteilung der Entwicklungsfähigkeit von Produktionssystemen. In: Industrie Management 27 (2011) 3, S. 40–44.
[5] Wildemann, H.: Modularisierung 4.0. München 2018.
[6] Schuh, G.; Anderl, R.; Gausemeier, J.; Hompel, M. ten; Wahlster, W.: Industrie 4.0 Maturity Index. Die digitale Transformation von Unternehmen gestalten. München 2017.
[7] Wildemann, H.: Produktivitätssteigerung per Industrie 4.0. München 2017.
[8] Niehues, M.; Reinhart, G.; Schmitt, R.; Schuh, G.: Organisation, Qualität und IT-Systeme für Planung und Betrieb. In: Reinhart, G. (Hrsg.): Handbuch Industrie 4.0. Geschäftsmodelle, Prozesse, Technik. München 2017.
[9] Berghaus, S.; Back, A.: Gestaltungsbereiche der Digitalen Transformation von Unternehmen: Entwicklung eines Reifegradmodells 2016.
[10] Lichtblau, K.; Stich, V.; Bertenrath, R.; Blum, M.; Bleider, M.; Millack, A.; Schmitt, K.; Schmitz, E.; Schröter, M.: Industrie 4.0-Readiness 2015.