Zelená transformace ve výrobě: evoluce a nové příležitosti

Takto chceme přispět k cíli udržení a posílení konkurenceschopnosti průmyslové produkce oboru v měřítku Evropy i světa a ke zvýšení intenzity společných výzkumných, vývojových a inovačních aktivit mezi podniky a výzkumnými organizacemi. V tomto příspěvku, který navazuje na předchozí, publikovaný v prosincovém vydání, bychom rádi představili některá východiska zelené transformace v oboru strojírenské výrobní techniky a výhledy možných změn v oboru.

Zelenou transformaci v oboru strojírenské výrobní techniky nahlížíme optikou hlavních dvou tematických oblastí, kterým se musíme věnovat a ve kterých je třeba absolvovat nezbytné změny. První tematickou oblastí je „snižování spotřeby energie a uhlíkové stopy“ a druhou je „využití principů cirkulární ekonomiky“. Obě tyto tematické oblasti sdružují řadu výzev a příležitostí, které je nutné věcně posoudit, připravit se na ně a ještě lépe je využít pro budoucí konkurenční výhodu. V následujícím článku se věnujeme druhé tematické oblasti „využití principů cirkulární ekonomiky“.

Cirkulární ekonomika spojuje několik principů, které nám umožňují používat minimum přírodních zdrojů a zároveň produkovat minimální množství odpadu. Pro přehlednost a zjednodušení uvádíme šest důležitých přístupů a principů, které jsou dle Institutu cirkulární ekonomiky (INCIEN) pro zavádění cirkulární ekonomiky do praxe klíčové.

Ekodesign: Začínáme od návrhu produktu tak, aby měl minimální dopad na životní prostředí (nebo rovnou dopad pozitivní), a to během celého jeho životního cyklu. (Například 100% biologicky rozložitelné výrobky, které však nejsou producenty mikropolutantů a nepůsobí žádnou zátěž pro životní prostředí.)

Průmyslová symbióza: Odpad jednoho se stává zdrojem pro ostatní. Tento přístup cílí k omezení vlivu průmyslu na životní prostředí (například industriální ekopark Kalundborg v Dánsku). Často je průmyslová symbióza založena na přeměně odpadů na zdroje, využívání odpadní energie či recyklaci vod.

Sdílená ekonomika: Pronájem místo nákupu. V rámci fungování ekonomiky funkcionality nepotřebujeme produkt jako takový, ale službu, kterou nám poskytuje. (Například: sdílení automobilů, jež snižuje spotřebu primárních materiálů a zmenšuje uhlíkovou stopu, nebo sdílení pracovních nástrojů.)

3R principy (redukovat, znovupoužívat, recyklovat): Tyto tři metody dávají nový život předmětům, které se měly stát odpadem. 3R principy zahrnují široké spektrum příkladů od vzniku tzv. re-use center, kam lidé mohou odevzdávat produkty, které již dále nevyužijí, po zpětný odběr produktů samotným výrobcem, který je recykluje, a snižuje tak množství primárních zdrojů nezbytných pro výrobu nových produktů.

Cradle to cradle: Myšlenka, že produkt je navržen tak, aby mohl být donekonečna recyklován, se blíží principům, které fungují i v přírodě. Díky tomu mají produkty neutrální nebo pozitivní dopad na prostředí. (Například: interface koberce, které jsou recyklovatelné donekonečna.)

Biomimikry: Tato disciplína analyzuje řešení poskytovaná přírodou a snaží se je aplikovat do výroby nových produktů a služeb. (Například: koncepce budov v poušti, jejichž konstrukce je inspirována kaktusy, u kterých jsou vertikální branches využívány jako stínidla, jež snižují potřebu využívání vnitřní klimatizace.)

Cirkulární ekonomika (nebo oběhové hospodářství, jak je definováno v právu EU) je koncept, který je integrální součástí udržitelného rozvoje. Zabývá se způsoby, jak zvyšovat kvalitu životního prostředí a lidského života pomocí zvyšování efektivity produkce.

Abychom se chovali cirkulárně, musíme změnit naše myšlení už při samotném designu výrobků. Při návrhu nových produktů je důležité myslet na to, odkud a jaké materiály používáme, co se s výrobkem stane po ukončení jeho životnosti, jaké zdroje energie potřebujeme na jejich výrobu. V cirkulární ekonomice v ideálním případě neexistuje odpad. Je založena na funkčních a nekončících cyklech, ve kterých jsou materiálové toky uzavírány a znovu využívány ve výrobě, přičemž při koloběhu neztrácejí svou hodnotu. V praxi to znamená zaměřit se na trvanlivost produktů, jejich opětovné použití, repasování a recyklaci, aby výrobky, komponenty a materiály zůstávaly v koloběhu nekončícího cyklu a nestávaly se odpadem.

Přijetím tzv. Zelené dohody (European Green Deal) pro Evropu nastartovala v členských státech EU transformaci na zelenou ekonomiku. Klíčových je sedm oblastí, ze kterých na oblast strojírenství vážou především první čtyři:

• Transformace hospodářství a společnosti
• Udržitelná doprava pro všechny
• „Třetí průmyslová revoluce“
• Ekologičtější energetický systém
• Renovace budov podporující ekologičtější životní styl 
• Jednání v souladu s přírodou v zájmu ochrany planety a zdraví nás všech
• Podněcování klimatických opatření na globální úrovni

Cennými zdroji pro pochopení tématiky cirkulární ekonomiky a udržitelného rozvoje ve vazbě na strojírenství jsou následující dokumenty a zdroje:

Národní strategie: Strategický rámec cirkulární ekonomiky České republiky 20240 „Maximálně cirkulární Česko v roce 2040“, Ministerstvo životního prostředí, listopad 2021

Brožura: Cirkulární Česko, výstup projektu TL01000317 s názvem “Odpad zdrojem neboli uplatnění nových metod výzkumu pro rozvoj cirkulární ekonomiky v ČR”

Brožura: The Eco-Factory - Solutions for Experts and Decision Makers  

Brožura: Cecimo Circular Economy Report,  April 2019, The European Machine Tools Sector and the Circular Economy

Institut Cirkulární Ekonomiky

Tento obor není velkým spotřebitelem vody, a ani samotné výrobní stroje vodu nespotřebovávají ve větší míře, proto tento pilíř politiky EU a ČR pro zaměření hospodaření s vodou není primární. Primární oblasti, ve kterých se může obor strojírenská výrobní technika zapojit do procesu přechodu na oběhové hospodářství, jsou vázané zejména na materiál a energii. V současné době je tento obor již po fázi, kdy si mezi roky 2008 až 2020 prošel obdobím, v němž se většina firem věnovala tématu spotřeby elektrické energie produkovaných výrobních strojů. Tato vlna optimalizace byla iniciována jak vlnou ekodesignu v oblasti machine tools v konkurenčních zemích produkujících výrobní stroje, tak zejména zájmem Evropské komise o vytvoření „štítkování“ výrobních strojů z energetického hlediska, obdobně jako je to například u domácích spotřebičů. Většina tuzemských výrobců oboru strojírenské výrobní techniky realizovala na svých strojích mnoho opatření, která snižují spotřebu elektrické energie a stlačeného vzduchu, a to jak softwarových, tak i změnami ve stavbě strojů a zařízení. Na základě analýz životního cyklu a dopadů výrobních strojů machine tools na životní prostředí prováděných zejména v Německu okolo roku 2010 bylo identifikováno, že jednoznačně a z více než 90 % je největším negativním projevem výrobních strojů typu obráběcí a tvářecí stroj spotřeba energií během jejich životní fáze užívání. Všechny ostatní negativní projevy a dopady na životní prostředí realizované ve fázi výroby i fázi likvidace jsou podstatně méně významné.

Z hlediska využívání materiálu, resp. jeho užitého množství, je třeba konstatovat, že současné výrobní stroje nejsou v žádném případě navrhovány s malým důrazem na využívání instalovaného a užitého materiálu. Velké množství výrobních strojů má své nosné struktury v dnešní době navrhované pomocí optimalizačních výpočtových technik, jejichž snahou je maximálně využít materiál a neplýtvat s ním. Důvodem je nákladnost, náročnost na výrobní přepravu i samotná vazba hmotnosti na dynamické vlastnosti nosných struktur výrobních strojů. V oblasti úspor materiálů v současnosti nejsou žádné jednoduché cesty a způsoby, a snahu o omezení množství instalovaného materiálu je třeba vázat na následné produkční i recyklační vlastnosti.

Z hlediska recyklovatelnosti by se dalo s malou nadsázkou konstatovat, že výrobní stroje mohou být příkladem výrobků a zařízení s maximálním stupněm recyklovatelnosti. Stroje jsou z většinové části tvořeny rozebíratelnou strukturou dílců a komponent, a dekompozice stroje po jeho užití na prvotní materiály a součásti je příkladná.

Současný stav produkce v oboru strojírenské výrobní techniky je z hlediska stavby strojů a zařízení s ohledem na využití materiálu a energie ve velmi dobrém a technologicky a technicky pokročilém stavu. Je třeba zahájit novou vlnu zavedení ekodesignu, která však bude podstatně náročnější. Dosáhnout zlepšení oproti současnému stavu bude stát velké úsilí a náklady, ale výsledky již budou v řádech jednotek procent. Velkým prostorem pro zlepšení efektivity (energetické i ekonomické) je však zvyšování využití strojů, protože se ukazuje, že nejhorším nepřítelem energetické náročnosti výroby je situace, kdy výroba nebo stroj běží, spotřebovávají se režijní energetické nároky, a přitom se nic neprodukuje. Velkou a složitou výzvou bude hledání cest, jak podpořit témata dlouhodobějšího využívání, servisovatelnosti, znovupoužití, repasovatelnosti tak, aby podniky v těchto tématech mohly podnikat a vytvářet zisk, a přitom neprosperovat z produkce množství nových prodaných produktů.

Další průmyslově orientovaná témata a zaměření vázaná na sektor strojírenské výrobní techniky ve vazbě na cirkulární ekonomiku budoucnosti lze nalézt v dokumentu evropského sdružení Cecimo nazvaném The European Machine Tools Sector and the Circular Economy, publikovaném v Cecimo Circular Economy Report, Edition April 2019.

Téma využití principů cirkulární ekonomiky je ve výzkumu v oboru strojírenské výrobní techniky přítomné nepřímo již přibližně 20 let. Nebyl užíván přímo pojem cirkulární ekonomika, ale byly zkoumány některé z principů, které k cirkulární ekonomice patří. Ve výzkumu byla věnována pozornost tématu snižování užitého materiálu pro stavbu strojů, zejména pro stavbu nosných struktur, dále významně tématu snižování energetické náročnosti výrobního procesu a výrobních strojů a částečně také tématu analýzy dopadů celého životního cyklu výrobního stroje na životní prostředí. Tato dosavadní témata výzkumu krátce popíšeme.

Smysluplné využívání materiálu. Využití materiálu ve strojírenství je předmětem dimenzování a optimalizací. Tématu snižování materiálové náročnosti se významně věnoval například evropský projekt DEMAT [1] a projekt ECOFIT [2]

Snižování spotřeby energií. Výrobní stroje jsou významným spotřebičem energií, zejména elektrické energie a stlačeného vzduchu. Stlačený vzduch je připravován kompresory, které jsou pak také spotřebičem elektrické energie. Dosavadní výzkum vedl dvěma směry, a sice na analýzu toho, jaké režimy a spotřebiče tvoří jaký podíl spotřeby elektrické energie a druhý směr výzkumu a vývoje se věnoval návrh a zavádění opatření pro snížení spotřeby. Jedná se o snahu zvyšování energetické účinnosti a zvládnutí realizace výrobních technologií s minimálním příkonem energie. Jak je patrné z dosavadních výzkumů, např. [4] a [6].

Analýza životního cyklu LCA výrobních strojů. Výzkum snižování materiálové náročnosti stavby strojů a výzkum zvyšování jejich energetické efektivnosti byl zahájen spíše intuitivně, na základě odhadu, že se jedná o evidentní příspěvky ke snižování zátěže životního prostředí i nákladnosti strojů, technologií a jejich provozu. Následně se po roce 2010 začal věnovat výzkum i oblasti objektivizace dopadů výrobních strojů a výrobních technologií na životní prostředí. Začaly být využívány a adaptovány techniky LCA pro oblast „Machine Tools“. Řada studií a analýz začala přinášet výsledky, které ukazují, že nejškodlivějším projevem výrobních strojů je jejich spotřeba elektrické energie. Všechny ostatní aspekty výroby, likvidace, recyklace, výparů atd. mají výrazně menší příspěvek k zátěži životního prostředí. Více např. v [3], [8] a [9]. Nově otevíranými tématy jsou například: Automatizace a intenzifikace výrobních procesů a technologií, jako nástroje vyšší energetické účinnosti; Prodlužování životnosti výrobních strojů a technologií, jejich lepší servisovatelnost, predikce servisních zásahů; Znovupoužití a repasovatelnost strojů (viz např. [7]) a technologií s cílem jejich udržení ve výrobě s minimalizací výměn celých strojů a zařízení; Využívání moderních technik digitálních dvojčat strojů a zařízení pro identifikaci životnosti, plánování servisních aktivit a optimalizaci využití strojů s cílem minimalizovat spotřebu materiálu i energie (viz např. [5], [10]); Recyklovatelnost strojů a zařízení, které již nebudou dále užívány; Hledání nových obchodních a podnikatelských modelů, které umožní prosperitu a zisk, bez základu v nově prodávaných strojích a zařízeních.

Uplatňování principů cirkulární ekonomiky a oběhového hospodářství je jednou z největších a nejsložitějších výzev pro obor strojírenské výrobní techniky, protože problematiku nelze řešit jen technicky a odborně, ale s ohledem na to, že se váže na změny obchodních modelů, změny v kvalifikaci pracovníků a na sociální, společenské a legislativně-regulatorní aspekty. K hlavním směrům výzkumu a vývoje by měla patřit pro náš obor zejména následující témata:

• smysluplné a optimalizované využívání materiálu: výzkum nových optimalizačních a návrhových technik. Výzkum, analýza a lepší znalost skutečných zátěžných spekter dimenzovaných dílců, systémů a struktur;
• snižování spotřeby energií, resp. zvyšování energetické účinnosti výrobních strojů a technologií: uplatňování opatření snižujících spotřebu energií. Uplatňování intenzifikace a automatizace výroby s minimálními prostoji, kdy plýtváme režijními energetickými náklady bez produkčního užitku. Hledání nových technik pro využívání výrobní kapacity, aniž by zbytečně stála nebo byla bez výrobní zátěže, ale spuštěná;
• analýza životního cyklu LCA výrobních strojů a technologií s ohledem na životní prostředí a uhlíkovou stopu: vývoj nástrojů a technik, které umožní přesněji pochopit, jak výrobní stroje a technologie zatěžují životní prostředí, a dokázat lépe posuzovat odlišné designové řešení strojů a odlišné scénáře jejich využívání. Dokázat tyto nástroje LCA a predikce zátěže skleníkovými plyny zavádět do průmyslu a do návrhových a produkčních řetězců. Musíme přejít od intuitivních postupů k objektivním analýzám toho, čemu věnovat pozornost a úsilí při dalším zdokonalování výroby a strojů;
• prodlužování životnosti výrobních strojů a technologií, jejich lepší servisovatelnost, predikce servisních zásahů: je třeba hledat řešení pro návrh strojů a technologií s delší dobou využití, a současně řešit lepší servisovatelnost z hlediska časové i ekonomické zátěže a minimálního narušení produkčního využití strojů a zařízení;
• znovupožití a repasovatelnost strojů a technologií s cílem jejich udržení ve výrobě s minimalizací výměn celých strojů a zařízení: je třeba hledat obchodní modely a související technická řešení, která umožní znovupoužití strojů a jejich repasování za obchodně výhodných a přijatelných podmínek;
• využívání moderních technik digitálních dvojčat strojů a zařízení pro identifikaci životnosti, plánování servisních aktivit a optimalizaci využití strojů s cílem minimalizovat spotřebu materiálu i energie: moderní metody simulací a vytváření digitálních dvojčat strojů mají zatím nevyužitý potenciál pro přispění k lepší udržitelnosti výroby a její energetické a materiálové efektivitě;
• recyklovatelnost strojů a zařízení, které již nebudou dále užívány: přestože patří výrobní stroje a technologie k příkladům v možnostech dekompozice a recyklovatelnosti je třeba hledat další způsoby pro zdokonalení, zvláště u nerozebíratelných prvků a komponent;
• hledání nových obchodních a podnikatelských modelů, které umožní prosperitu a zisk, bez základu v nově prodávaných strojích a zařízeních: jedná se o jedno z nejnáročnějších témat pro výzkum a vývoj v oblasti techniky i obchodu, které zatím nemá jasné obrysy ani možné cesty.

[1]   Projekt DEMAT https://cordis.europa.eu/project/id/246020

[2]   Projekt ECOFIT https://cordis.europa.eu/project/id/13989

[3]   F. Krautzer, R. Pamminger, C. Diver, W. Wimmer, Assessing the environmental performance of machine tools –Case studies applying the ‘LCA to go’ webtool. Procedia CIRP 29 ( 2015 ). Pp 502 – 507

[4]   D. Zeng, H. Cao,  S. Jafar, Y. Tan, S.Su,  A Life Cycle Ecological Sensitivity Analysis Method for Eco-Design Decision Making of Machine Tool  Procedia CIRP 69 ( 2018 ). Pp. 698 – 703

[5]   A. A. Ahmed, M. A. Nazzal, B.M. Darras, Cyber‑Physical Systems as an Enabler of Circular Economy to Achieve Sustainable Development Goals: A Comprehensive Review. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology (2022) 9. pp. 955–975

[6]   S. Zust, R. Zust, T. Schdeleit, K. Wegener, Development and Application of an Eco-design Tool for Machine Tools, Procedia CIRP 48 ( 2016 ) pp. 431 – 436

[7]   S. Yang, A. Raghavendra, J.Kaminski, H.Pepin, Opportunities for Industry 4.0 to Support Remanufacturing. MDPI Applied Sciences, 2018, 8, 1177; doi:10.3390/app8071177

[8]   I. Daniyan, K. Mpofu, B. Ramatsetse, M.Gupta, Review of life cycle models for enhancing machine tools sustainability: lessons, trends and future directions. Heliyon 7 (2021) e06790

[9]   A. A. Khan, J.Abonyi, Simulation of Sustainable Manufacturing Solutions: Tools for Enabling Circular Economy.  MDPI Sustainability 2022, 14, 9796.

[10]  R. Rocca, P.Rosa, C. Sassanelli, L. Fumagalli, S. Terzi, Integrating Virtual Reality and Digital Twin in Circular Economy Practices: A Laboratory Application Case. MDPI Sustainability 2020, 12, 2286

[11]  P. Kerdlap, J.S. Choong Low, S. Ramakrishna. Zero waste manufacturing: A framework and review of technology, research, and implementation barriers for enabling a circular economy transition in Singapore. Resources, Conservation & Recycling 151 (2019) 104438

Článek vznikl s podporou projektu Technologická platforma strojírenská výrobní technika v rámci řešení projektu CZ.01.01.01/07/23_010/0001228.