Optimale Planung modularer Produktionsnetzwerke und -standorte für eine nachhaltige Prozessindustrie – Entwicklung und Analyse von Planungsmodellen zur Entscheidungsunterstützung

• Antragsteller: Professor Dr. Tristan Becker; Professor Dr.-Ing. Stefan Lier
• Fachliche Zuordnung: Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung ; Operations Management und BWL-spezifische Wirtschaftsinformatik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538242827

Zur Bewältigung der Klimakrise muss schnellstmöglich eine globale Dekarbonisierung erfolgen. Dies hat zur Folge, dass Industriegüter aus nachhaltigen Rohstoffen unter Einsatz erneuerbarer Energien hergestellt werden müssen. Im Gegensatz zu den aktuell genutzten fossilen Quellen sind erneuerbare Rohstoffe und Energien durch Schwankungen und Unsicherheiten in der Verfügbarkeit hinsichtlich Menge, Zeit und Ort charakterisiert. Gleichzeitig führen unvorhersehbare, brüchige Ereignisse, wie Disruptionen in den Supply Chains und Märkten als Folge u.a. von Pandemien, Kriegen und katastrophale Klimaextreme zu Schwankungen und Unsicherheiten nicht nur auf der Rohstoffseite, sondern auch auf der Marktseite. Als ein Lösungsansatz für diese Herausforderungen werden in der Forschung wandlungsfähige, modular aufgebaute Produktions- und Logistikkonzepte diskutiert. Insbesondere für die rohstoffnahe, biobasierte Chemieindustrie bieten modulare Produktionskonzepte die Möglichkeit, flexibler auf die starken Veränderungen sowohl auf Rohstoff-, als auch auf Marktseite in den Dimensionen Menge, Zeit, Produkt und Ort zu reagieren. Die räumliche und zeitliche Verteilung dieser Rohstoffe sowie Kundennachfragen sind aber mit einem hohen Grad von Variabilität und Unsicherheit behaftet. Im Aufbau dezentralisierter Produktionsnetzwerke und einer zunehmend unabhängig werdenden lokaler Wertschöpfung liegt zudem das Potenzial, Stoffkreisläufe hin zu einer Kreislaufwirtschaft zu schließen. Um die Effizienzpotenziale modularer Produktionskonzepte zu realisieren, müssen Planungsmethoden die Flexibilität modularer Produktionskonzepte im Rahmen der Netzwerk- und Standortplanung einbeziehen. Dazu sind die Entwicklung und Erweiterung mathematischer Optimierungsmodelle und spezieller Lösungsmethoden unter Berücksichtigung der Anforderungen modularer Produktionskonzepte erforderlich. Im Rahmen der Produktionsnetzwerkplanung soll insbesondere eine Planung der Liefertouren erfolgen, um Synergiepotenziale zwischen Standort- und Tourenplanung in einem modularen Location-Routing-Problem zu quantifizieren. Zur Umsetzung der Produktionsnetzwerkplanung muss die Lösung für jeden Produktionsstandort detailliert werden. Die Gestaltung und der Betrieb modularer Produktionsstandorte werden dazu als Facility- Layout-Problem modelliert. Zur Untersuchung des Beitrags modularer Produktionskonzepte zur Dekarbonisierung der Chemieindustrie wird eine zweite Zielfunktion modelliert, welche Treibhausgasemissionen erfasst. Gleichzeitig müssen adäquate Modelle Unsicherheiten in der Verfügbarkeit von Rohstoffen sowie unsichere Kundennachfragen antizipieren. Mittels einer Anwendung auf verschiedene Anwendungsbeispiele werden die entwickelten Optimierungsmodelle validiert. Die Ergebnisse ermöglichen Einsichten in die ökonomische und ökologische Vorteilhaftigkeit des Einsatzes modularer Produktionskonzepte sowie Empfehlungen für Entscheidungsträger aus Politik und Wirtschaft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen