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Smart Mining – heute und morgen

Digitale Technologien bieten das Potential, zu deutlichen Verbesserungen zu führen, indem sie eine Verbesserung der Qualität und Verfügbarkeit von Daten und Informationen ermöglichen, was wiederum der Schlüssel zu signifikanten Produktivitätssteigerungen sein kann. Darüber hinaus können sinnvoll eingesetzte digitale Technologien einen Beitrag zu einer Verringerung der Umweltauswirkungen leisten. Daher wird davon ausgegangen, dass digitale Technologien das Potential haben, der Schlüssel für die Zukunfts-fähigkeit der Branche zu sein. Die Zukunft des Bergbaus ist „smart“ – dies scheint heute der allgemeine Konsens zu sein. Doch wie so oft bei populären Schlagwörtern, wird die genaue Bedeutung zunehmend unscharf. Daher bietet dieser Artikel einen Überblick über Smart Mining als Begriff, Konzept und globalen Trend.

Authors/Autoren: Aarti Sörensen M. A., Prof. Dr.-Ing. Karl Nienhaus, Prof. Dr.-Ing. Elisabeth Clausen, Institute for Advanced Mining Technologies (AMT), RWTH Aachen University, Aachen/Germany

Veränderung der Rahmenbedingungen

Es besteht kein Zweifel, dass die globale Bergbauindustrie heute in mehrfacher Hinsicht unter Druck steht und auf die sich wandelnden Anforderungen einer Vielzahl von Interessengruppen, aber auch auf sich ändernde technische und wirtschaftliche Bedingungen reagieren muss.

Einerseits führen abnehmende Wertstoffgehalte, zunehmende Teufen und der Abbau in abgelegenen Regionen zu längeren, energieintensiven Förderentfernungen. Der Wasser- und Energiebedarf erhöht sich und infolgedessen auch die Gesamtproduktionskosten. Seit mehreren Jahrzehnten wird beobachtet, dass die Gesamtproduktivität rückläufig ist und sich erst vor kurzem stabilisiert hat bzw. in einigen Bereichen verbessert wurde. Diese Trends führen auch zu einer längeren Dauer für die Entwicklung von neuen Bergbauprojekten (1).

Auf der anderen Seite verändern sich die Wertevorstellungen der „Stakeholder“ und die gesellschaftlichen Erwartungen sowie die oft neu gesetzten Rahmenbedingungen für Bergbauunternehmen. Die (End-)Verbraucher fordern zunehmend von den Unternehmen, dass Produkte aus nachvollziehbaren Quellen und verantwortungsbewusster Produktion stammen, sie ihren Mitarbeitern faire und sichere Arbeitsplätze bieten und gleichzeitig die Umwelt schonen und die Gemeinden und Kommunen fördern, in denen sie tätig sind. Die Investoren beurteilen die Unternehmen zunehmend nach Faktoren wie ihrer Umweltbilanz, ihrem CO2-Fußabdruck, ihren Treibhausgasemissionen und ihrem Energieverbrauch sowie nach ihrer Sicherheitsbilanz und den Vorteilen für die Mitarbeiter (2).

Dennoch hat die Branche immer noch das Ansehen, dass sie „mehr nimmt, als dass sie gibt“, und befindet sich daher in einer Reputationskrise. Der Bergbau der Zukunft muss sich mit den gesellschaftlichen Werten der nächsten Generation verbinden. Erhöhte Transparenz, verantwortungsvolle technologische Innovation, Nachhaltigkeit und gemeinsamer Wohlstand sind die Werte, die zukünftig eine ganz andere Gesellschaft gestalten werden (3).

Folglich stehen Bergbauunternehmen weltweit weiterhin unter dem Druck, kostenmäßig wettbewerbsfähig zu sein und akzeptable Renditen für die Aktionäre zu erzielen. Darüber hinaus besteht zugleich eine wachsende Nachfrage nach Unternehmen, die ihre Leistung anhand der Dreifachbilanz der Nachhaltigkeit ausrichten, d. h. welche die soziale, ökologische und ökonomische Leistung messen und bewerten (4).

Als besondere Eigenheit der Branche mussten die Bergbauunternehmen seit jeher mit einem hohen Maß an Unsicherheit und Unvollkommenheit an Informationen in ihren Betrieben umgehen, unabhängig davon, wo auf der Welt sie tätig sind. Das Wissen über den tatsächlichen Aufbau und den Zustand der Lagerstätte ist begrenzt, die Rahmenbedingungen für Produktionsbetriebe können extrem herausfordernd sein, die z. T. täglichen Veränderungen des abzubauenden Gesteins sind groß und ein enormes Problem für den Abbau und für alle nachgeschalteten Verarbeitungsprozesse. Diese Eigenschaften des Bergbaus stellen eine erhebliche Erschwernis für die Anlagen, ihren Betrieb wie auch für das wirtschaftliche Ergebnis eines Bergbauunternehmens dar (5).

Vor diesem Hintergrund bieten digitale Technologien das Potential, zu deutlichen Verbesserungen zu führen, indem sie eine Verbesserung der Qualität und Verfügbarkeit von Daten und Informationen ermöglichen, was wiederum der Schlüssel zu signifikanten Produktivitätssteigerungen sein kann. Darüber hinaus können sinnvoll eingesetzte digitale Technologien einen Beitrag zu einer Verringerung der Umweltauswirkungen leisten. Daher wird davon ausgegangen, dass digitale Technologien das Potential haben, der Schlüssel für die Zukunftsfähigkeit der Branche zu sein oder zumindest deutliche Verbesserungen zu ermöglichen. Die Zukunft des Bergbaus ist „smart“ – dies scheint heute der allgemeine Konsens zu sein.

Doch wie so oft bei populären Schlagwörtern, wird die genaue Bedeutung zunehmend unscharf. Daher bietet dieser Artikel einen Überblick über Smart Mining als Begriff, Konzept und globalen Trend.

Was genau ist also Smart Mining?

Interessanterweise gibt es, obwohl der Begriff inzwischen weit verbreitet ist, bisher keine feste Definition für den Begriff „Smart Mining“.

In einigen Quellen wird davon gesprochen, dass „smart“ bedeutet, dass der Bergbau durch die Anwendung digitaler Technologien „spezifischer, messbar, akzeptiert, realistisch und terminiert“ wird, während andere Quellen darauf verweisen, dass „smart“ als Abkürzung für „selbstüberwachende Analyse- und Berichtstechnologien“ („self-monitoring analysis and reporting technologies“) begonnen hat (6). Als ein erster Ausgangspunkt kann festgestellt werden, dass „smart“ mit einer digital befähigten Erfassung und Verarbeitung von Daten zu tun hat, die aus vernetzten Maschinen, Geräten und Anlagenteilen kommt. Diese Daten und Informationen fließen zurück in die Organisation, um damit bessere Entscheidungen in Echtzeit treffen zu können. Die erfolgreiche Implementierung eines „Ökosystems“ von IoT-Geräten (IoT – Internet of Things), welches es Betriebsleitern ermöglicht, bessere und vorausschauende Entscheidungen zu treffen, macht ein Bergwerk „intelligent“ (7).

Am Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen definieren wir Smart Mining als „die intelligente Vernetzung und Integration von Bergbaumaschinen (physische Komponenten) unter Verwendung von Informations- und Kommunikationstechnologien (Cyber-Systeme) zu sogenannten cyber-physischen Systemen, wobei der Austausch und die Übertragung von Daten und Informationen über eine Plattform, das IIoT (Industrial Internet of Things), erfolgt“ (Bild 1).

Fig. 1. Developing people and technology – the Institute for Advanced Mining Technology of the RWTH Aachen University. // Bild 1. Menschen und Technik fördern – das Institute for Advanced Mining Technology an der RWTH Aachen. Photo/Foto: RWTH Aachen.

Das intelligente Bergwerk der Zukunft stellt somit die langfristige Vision eines digital vernetzten, autonomen Bergwerks dar, in dem die vernetzten Systeme in der Lage sind, die weiter zunehmende Komplexität so weit zu reduzieren, dass eine verbesserte Entscheidungsfindung in Echtzeit realisiert werden kann (In diesem Zusammenhang ist „Echtzeit“ als „Rechtzeit“ zu verstehen, die Information muss also „rechtzeitig“ für den Prozess vorliegen, also je nach Prozess nicht notwendigerweise in Millisekunden.). Die Bergwerke der Zukunft werden daher nicht nur digital vernetzt, sondern auch flexibel und selektiv sowie dynamisch anpassbar, robust und zuverlässig sein (8).

Auf der Grundlage dieser Definitionen wird im nächsten Abschnitt näher aufgezeigt, welche Arten von Ausrüstung und Komponenten in einem Bergwerk das Potential haben, digitalisiert zu werden und den Rohstoffgewinnungsbetrieb durch ihre Integration in die IIoT-Landschaft zu verbessern.

Die Technologielandschaft

Im Allgemeinen umfassen die Komponenten der Infrastruktur eines intelligenten Bergwerks

  • automatisierte Geräte (wie beispielsweise Bagger und Muldenkipper, Walzenlader und Förderanlagen, Bohrgeräte, Brecher, Bunker, Skip-Anlagen usw.),
  • Hardwarekomponenten (wie Sensoren, RFID-Tags, drahtlose Infrastruktur, Drohnen, eingebettete Systeme) und
  • Softwarekomponenten (wie Cloud- und Plattformlösungen, Datenanalyselösungen, 3D-Bildgebungs- und Modellierungssoftware, Remote-Management-Lösungen u. a.) (9).

Daneben können neue Technologien wie modulare mobile Maschinen und batteriebetriebene Elektrofahrzeuge die Integration erneuerbarer Energien oder auch lokaler 3D-Druck dazu beitragen, den Betrieb eines Bergwerks intelligenter zu gestalten, was in diesem Fall auch eine Steigerung der Ressourceneffizienz und eine Senkung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe sowie des Energie- und Wasserbedarfs zur Folge haben kann. Dieser letzte Aspekt ist Teil dessen, was die Weltbank jetzt als „Climate Smart Mining“ bezeichnet und hierbei besonders die Dimensionen der Nachhaltigkeit und der sozialen und ökologischen Verantwortung für den weltweiten Bergbau betont.

Der „IT-Kern“ der meisten der oben genannten Anwendungen sind jedoch robuste und zuverlässige Sensoren, die Daten erfassen und in Kombination mit einer sicheren Datenübertragungs- und Kommunikationsinfrastruktur sowie hoch entwickelten Algorithmen und Softwareprogrammen in aussagekräftige Informationen verwandeln – idealerweise in Echtzeit.

Sensorgestützte Anwendungen können einerseits zur Überwachung wichtiger (Leistungs-)Parameter von Maschinen und Geräten in Echtzeit und zur Verbesserung der Ausfallvorhersage eingesetzt werden, während sie gleichzeitig die Überwachung und Steuerung von Prozessparametern, wie z. B. einen optimierten Materialfluss, eine bestmögliche Geräteauslastung, einen verbesserten Aufbereitungsprozess sowie eine optimierte Wettertechnik (Ventilation on Demand) ermöglichen.

Die Automatisierung von Betriebsmitteln wurde bereits in zahlreichen Bergwerken weltweit z. B. durch hochautomatisierte Muldenkipper, Bohrgeräte oder „Longwalls“ realisiert. Automatisierte Maschinen können sich über Tage zur Lokalisierung und Navigation meist auf GPS-Daten stützen. Weitere Sensoren an den Maschinen und die dazu gehörende Dateninfrastruktur und Software kombinieren die Informationen aus allen Teilsystemen zu einem Gesamtbild. Die Implementierung von automatisierten Lokalisierungs- und Navigationslösungen im Tiefbau ist weitaus schwieriger, da GPS-Signale und andere klassische Lokalisierungsdienste nicht unter der Erdoberfläche funktionieren. Es müssen also Alternativen in Form von lokalen Lokalisierungs- und Positionierungssystemen bereitgestellt werden.

Aufgabenstellungen bei der Umsetzung

Im Hinblick auf die Implementierung intelligenter Lösungen für den Bergbau scheinen die beiden größten Probleme für ein Bergwerk das „Was“ und das „Wie“ zu sein – einmal abgesehen von der oft diskutierten Zurückhaltung, (risikobehaftete) digitale Technologien zu implementieren und etwas Neues auszuprobieren.

Die Entscheidung, „Was“, also welche Art von Technologien bei einem bestimmten Betrieb eingesetzt werden sollte, erfordert eine vorhergehende solide Analyse der bestehenden Pro-bleme sowie von maßgeschneiderten Lösungen auf der Grundlage der Ergebnisse der Bewertung. Zudem ist eine robuste und funktionierende IT-Infrastruktur eine wichtige Grundlage, um die Kommunikation zwischen verschiedenen Systemen und Gerätetypen sicher zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang ist insbesondere auch die Sicherstellung der Interoperabilität von Systemen der Schlüssel zur Integration von Maschinen und Prozessen im gesamten Bergwerk und in der gesamten Wertschöpfungskette. Derzeit ist dies jedoch aufgrund einer geringen Standardisierung noch schwierig umzusetzen. Ein Lösungsbeitrag dazu ist z. B. die „Open Platform Communications Unified Architecture“ (OPC UA).

Um in diesem Zusammenhang einen grundlegenden Wandel zu bewirken, müssen die IT-Komponenten an jeden Bergwerksstandort angepasst und dort implementiert werden können. Viele Unternehmen haben jedoch genau dort ihre Probleme. Sie haben zwar individuelle Maßnahmen ergriffen, sei es das Condition Monitoring oder die Ortung von Personen durch Sensoren, aber sie setzen diese nicht an jedem Standort um (10).

Das „Wie“ der Einführung neuer Technologien bezieht sich auf den gesamten Prozess der Implementierung und Integration, oft in einen laufenden Betrieb. Dazu gehören das Personalmanagement, die Anpassung der Managementsysteme und der Wandel in der Unternehmenskultur genauso wie ein proaktiver Umgang mit den veränderten Arbeitsanforderungen und dem veränderten Qualifikationsbedarf der Belegschaft und den anzuwerbenden neuen Mitarbeitern. Großer Wert muss auf deren Ausbildung und langfristige Bindung an das Unternehmen gelegt werden, da die „Investitionen in die Ausbildung“ immer höher werden. Der Bergwerksbetreiber muss sicherstellen, dass seine Belegschaft über die für das „Bergwerk der Zukunft“ erforderlichen digitalen Kenntnisse verfügt, sei es nun über oder unter Tage (11).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass intelligente Technologien und eine zunehmende Automatisierung den Bergbaubetrieben helfen können, die oben skizzierten drei Aspekte der Nachhaltigkeit zu verbessern. Der Erfolg wird jedoch davon abhängen, wie diese Möglichkeiten konkret und im Einzelfall umgesetzt und in einen Gesamtprozess eingebettet werden.

Die Rolle von Forschung und Innovation

Auch wenn in den letzten zehn Jahren viele Fortschritte erzielt wurden und eine Vielzahl von Technologien inzwischen allgemein verfügbar ist, gibt es neue Aufgaben, die durch Forschung, Innovation und Kooperation angegangen werden müssen.

Ein Bereich, der dabei helfen kann, digital unterstützte autonome Maschinen und Anlagen weiter zu entwickeln, wird die zunehmende Nutzung von künstlicher Intelligenz (KI), maschinellem Lernen, robotergestützter Prozessautomatisierung, ausgefeilter Systemanalyse und Modellierung sein (Bild 2).

Fig. 2. Autonomous systems improve safety and productivity in mines. // Bild 2. Autonome Systeme verbessern die Sicherheit und erhöhen die Produktivität in Bergwerken. Photo/Foto: Sandvik

Damit wird es ermöglicht, die Daten zu „verstehen“, so ein „Situationsbewusstsein“ zu entwickeln, nahezu in Echtzeit (Rechtzeit) Einblicke in die Gesamtabläufe zu gewinnen und festzulegen, welche Handlungsoptionen in Betracht gezogen werden müssen (12).

Die Komplexität und die rauen Bedingungen insbesondere im untertägigen Bergbau erfordern technologische Entwicklungen, gestützt durch zusätzliche Forschung, insbesondere im Hinblick auf die Schaffung von autonomen Systemen unter Tage (Bild 3). Während die Ortung von Personal und Ausrüstung in einigen Bergwerken mit Hilfe von WiFi-Netzwerken realisiert wurde, haben untertätige autonome Lokalisierung, Positionierung und Navigation von Maschinen sowie die Maschine-zu-Maschine-Kommunikationssysteme noch immer einen großen Forschungs- und Innovationsbedarf. Das AMT ist eines der wenigen Forschungsinstitute weltweit, welches angewandte Forschung zu alternativen Sensortechnologien wie der Ultrabreitbandtechnologie (UWB) sowie der Sensorfusion betreibt, um die Entwicklung von automatisierten und autonomen Maschinen für den Einsatz unter den anspruchsvollen Bedingungen der Rohstoffgewinnung weiter voranzutreiben.

Fig. 3. The exploration vehicle “Dora” navigates autonomously and demonstrates technologies for the mining of the future. Representatives of the UPNS4D+ consortium present and demonstrate their joint development in the world cultural heritage Rammelsberg mine (Goslar/Germany) at the closing event of the funding series R4 – “Innovative Technologies for Resource Efficiency” (funded by the BMBF under the FKZ 033R126D). // Bild 3. Das Erkundungsfahrzeug „Dora“ navigiert autonom in untertägigen Grubenbauen und demonstriert Technologien für den Bergbau der Zukunft. Vertreter des UPNS4D+ Konsortiums präsentieren und demonstrieren ihre gemeinsame Entwicklung im Weltkulturerbe Bergwerk Rammelsberg (Goslar) bei der Abschlussveranstaltung der Förderreihe R4 – „Innovative Technologien für Ressourceneffizienz“ (gefördert vom BMBF unter dem FKZ 033R126D). Photo/Foto: AMT

Insbesondere im Hinblick auf die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation ist ein weiterer wichtiger Aspekt die Weiterentwicklung eines Interoperabilitätsstandards für den sicheren und zuverlässigen Datenaustausch durch „Open Platform Communications“ (OPC) Standards für Bergbaumaschinen. Experten sehen die OPC Unified Architecture (UA) als einen zentralen Kommunikationsstandard in IoT- und Industry 4.0-Umgebungen. OPC UA ist ein hersteller- und plattformunabhängiger, serviceorientierter Kommunikationsstandard, der eine wichtige Rolle bei der Förderung autonomer Entwicklungen im Bergbau spielen wird. Der VDMA Mining übernimmt eine führende Rolle bei der Entwicklung des OPC UA CS Mining, dem angepassten OPC UA-Standard für die Bergbauindustrie. Dabei arbeitet der VDMA Mining mit einer Reihe von Unternehmen zusammen, die aktiv an der Entwicklung des OPC UA CS Mining mitwirken. Das AMT unterstützt den VDMA Mining bei diesem Prozess, und Vertreter des bestehenden International Rock Excavation Data Exchange Standard (IREDES) nehmen ebenfalls an dem Prozess teil. Darüber hinaus steht der VDMA Mining in Kontakt mit der Global Mining Guidelines Group (GMG), um sicherzustellen, dass die Standards weltweit kompatibel sind und auf internationaler Ebene verbreitet werden.

Ein weiterer Bereich, in dem zukunftsweisende Forschung zu neuen Methoden und Technologien beitragen kann, ist die Weiterentwicklung selektiver und schonender Abbaumethoden, um die Ressourceneffizienz und Sicherheit zu erhöhen und gleichzeitig den bei der Produktion anfallenden Abraum zu verringern. Viele Fortschritte wurden bei der primären Aufbereitung mit dem Ziel erzielt, weniger Energie, Wasser und Chemikalien zu benötigen und gleichzeitig den Anteil des gewonnenen Wertgesteins zu erhöhen. Im Hinblick auf die selektive Gewinnung können Fortschritte bei der Echtzeit-Materialerkennung, z. B. während des Zerkleinerungsprozesses und/oder vor der Verarbeitung, weiter dazu beitragen, die Menge des in die Aufbereitung gelangenden Abraums zu reduzieren und damit die Ressourceneffizienz und den Energiebedarf weiter zu optimieren. In diesem Bereich leistet das AMT Pionierarbeit bei der Anwendung von Infrarot-Thermographie (IR) als bildgebendes Verfahren sowie von Acoustic Emission (AE)-Technologie für eine prozessintegrierte Materialcharakterisierung (13).

Forschung und Innovation spielen eine wichtige Rolle, um die Bergbauindustrie zukunftsfähig zu machen und es gibt noch eine Vielzahl weiterer Bereiche, in denen Forschung und Innovation einen wichtigen Beitrag leisten können.

Innovation bezieht sich dabei nicht nur auf die Technologien (Prozesse, Produkte, Dienstleistungen), die neu entwickelt werden, sondern auch auf den Prozess ihrer Entwicklung und der Anwendung. Es scheint ein klarer Trend zu sein, dass Innovationen zunehmend durch kollaborative Netzwerke, wie z. B. offene Innovationsnetzwerke, „Innovations-Ökosysteme“, kollaborative Forschungszentren und andere Formen der interdisziplinären Zusammenarbeit umgesetzt werden. Im Hinblick auf die Einführung von Technologien gibt es weiterhin den Trend, dass Bergbauunternehmen ein breites Spektrum von Partnern einbinden und mit ihnen zusammenarbeiten, einschließlich OEMs, Technologie-Dienstleistern, Startups und anderen Zulieferern, die nun ebenfalls dazu tendieren, sich durch neuartige Kooperationswege auf die sich schnell entwickelnden neuen Technologien zu konzentrieren (14). In beiden Bereichen erweist sich eine unternehmensübergreifende Zusammenarbeit als ein grundlegender Aspekt von Innovation und der nachhaltigen Integration neuer Technologien.

Implikationen für deutsche Zulieferer

Welche Rolle spielen vor diesem Hintergrund die Zulieferer und welche Auswirkungen hat dies auf die deutschen Bergbautechnologie- und Dienstleistungsanbieter (mining technology and service providers, METS), um die Bergbauindustrie im Zeitalter der kooperativen Innovation voranzubringen?

Nach Ansicht von Peter McCarthy von AMC Consultants werden die meisten Probleme von kleinen METS-Unternehmen gelöst, sodass davon auszugehen ist, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Förderung der gesamten Branche spielen werden. Nach Einschätzung von Ben Adair, CEO des CRC ORE, einem kollaborativen Forschungszentrum in Australien, haben Bergbauunternehmen, Zulieferer und METS-Unternehmen die besten Chancen, die Branche zukunftssicher zu machen, indem sie gemeinsam an der Innovation der Branche arbeiten und Probleme gemeinsam angehen. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, laut Len Eros, Global Mining Manager für den Bereich Motion Business bei ABB, dass bei einer Zusammenarbeit zwischen einem Endanwender und einem OEM oder Forschungsteam die Ergebnisse besonders erfolgreich sein können, da die verschiedenen Teammitglieder unterschiedliche Sichtweisen und unterschiedliches Problemverständnis einbringen. Die Vielfalt dieser Teams erfordert ein offeneres Denken, was zu neuen Lösungsansätzen führt (15).

Zahlreiche Akteure der Bergbauindustrie sind heute bereits schon in eine Reihe von Forschungspartnerschaften und Innovationsnetzwerken eingebunden, die nach technologischen Lösungen für die von den Bergwerksbetreibern formulierten spezifischen Herausforderungen suchen. Daher ist auch die Förderung der Zusammenarbeit zwischen deutschen Zulieferern, auch um gemeinsam Systemlösungen zu entwickeln, die internationalen Bergwerksbetreibern angeboten werden können, ein wichtiger Ansatz, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit nachhaltig zu sichern. Da die Integration neuer Technologien in bestehende Prozesse immer komplexer wird, bevorzugen die Bergwerksbetreiber derartige Systemlösungen anstelle von Einzel- oder Insellösungen. Diese Lösungen müssen jedoch in der Zusammenarbeit erarbeitet werden, und dabei spielt die Weiterentwicklung von Standards wie OPC UA eine zentrale Rolle, um das IIoT im Bergbau weiter voranzubringen.

Zusammenfassung und Ausblick

Dieser Artikel bietet einen Überblick über verschiedene Aspekte von Smart Mining und erläutert Ansätze zur Beschreibung des vielfältigen Inhalts und der Bedeutung des Begriffs. Darüber hinaus werden einige der mit Smart Mining verbundenen Aufgabenstellungen erörtert und aufgezeigt. Diese gehen über die einzusetzenden Technologien hinaus und betreffen auch den Prozess der Entwicklung, Einführung und der nachhaltigen Adaption. Es wurden zudem einige der Zukunftsbereiche von Forschung und Innovation angesprochen, wobei insbesondere der Aspekt neuer kollaborativer Arbeitsmethoden als künftiger Weg zur erfolgreichen Weiterentwicklung der Bergbauindustrie hin zu einer intelligenteren und nachhaltigeren Gewinnung der benötigten Rohstoffe hervorgehoben wurde. Anschließend wurden einige Implikationen für deutsche Zulieferer skizziert und Vorschläge für die zukünftige Ausrichtung und Entwicklung gemacht. Die Notwendigkeit der Zusammenarbeit zwischen Zulieferern und Bergwerksbetreibern in Innovationsnetzwerken und Kooperations-Forschungszentren kann sich als Schlüsselfaktor erweisen, um die Industrie als Ganzes voranzubringen und das Potential der technologischen Innovation und des intelligenten Bergbaus nachhaltig nutzen zu können.

Fig. 4. The Smart Mining Conference takes place every two years in Aachen. The next will be in autumn 2021. // Bild 4. Die Smart Mining Conference findet alle zwei Jahre in Aachen statt. Der nächste Termin ist im Herbst 2021. Source/Quelle: RWTH Aachen

Als ergänzende Information sei darauf hingewiesen, dass das AMT in Zusammenarbeit mit dem VDMA Mining und der DMT GmbH & Co. KG alle zwei Jahre die „Smart Mining Conference“ veranstaltet, um die Zusammenarbeit innerhalb der Branche zu fördern und eine Plattform zu bieten, auf der neue technologische Fortschritte einem internationalen Publikum vorgestellt und diskutiert werden können (Bild 4). Die nächste Smart Mining-Konferenz findet im November 2021 in Aachen statt und bietet Branchenexperten, Start-ups und Technologieanbietern einen professionellen Rahmen, um neue Lösungen vorzustellen und die Zusammenarbeit auf nationaler und internationaler Ebene zu fördern.

Als weitere ergänzende Information ist zu berichten, dass das Bergbauunternehmen Anglo American mit seinem FutureSmart MiningTM-Projekt einen Rahmen geschaffen hat, um einen visionären Ansatz zu fördern, bei dem Technologie, Digitalisierung und Nachhaltigkeit Hand in Hand gehen (16). Das Ziel dieses Ansatzes ist es, Innovationen zu ermöglichen, welche die Funktionsweise des Bergbaus ggf. auch grundlegend verändern, den ökologischen Fußabdruck signifikant verringern und gleichzeitig den Bergbau sicherer und produktiver machen. Das entsprechende „Future-Smart Mining Forum“, das von Anglo American in regelmäßigen Abständen organisiert wird, ist bereits zu einer wichtigen Plattform für die Förderung von Zusammenarbeit und Innovation in der Branche geworden.

Was aus dieser Initiative und der Diskussion in internationalen Foren deutlich wird, ist, dass eine klare Vision zur Verringerung der Umweltauswirkungen des Bergbaus bei gleichzeitiger Verbesserung der Produktivität und Sicherheit die gemeinsamen Merkmale für den zukünftigen Bergbau darstellen. Obwohl die Gewinnung von Rohstoffen immer einen Eingriff in die Natur bedeutet, wird der Bergbau von morgen zunehmend unter Tage stattfinden und über Tage kaum mehr sichtbar sein (17).

Wahrscheinlich werden die drohende Gefahr des Klimawandels und Schwierigkeiten bei der Wasserversorgung die Art und Weise, wie moderner Bergbau betrieben wird, schnell verändern. Unterm Strich, so lässt sich mit Gewissheit sagen, werden Betreiber Wege finden, ihre Bergwerke durch die Integration neuer, angepasster Technologien zukunftsfähig zu gestalten, um dadurch ihre wirtschaftlichen Ziele und ihre „Social License to Operate“ nachhaltig zu sichern.

References/Quellenverzeichnis

References/Quellenverzeichnis

(1) www.mckinsey.com/industries/metals-and-mining/our-insights/how-digital-innovation-can-improve-mining-productivity

(2) www.miningmagazine.com/innovation/news/1383087/thinking-ahead

(3) www.mining.com/miners-need-to-adopt-next-generation-values-to-battle-reputation-crisis-says-anglo-american-boss/?utm_source=Daily_Digest&utm_medium=email&utm_campaign=MNG-DIGESTS&utm_content=miners-need-to-adopt-nextgeneration-values-to-battle-reputation-crisis-says-anglo-american-boss

(4) www.miningmagazine.com/innovation/news/1383087/thinking-ahead

(5) www.mckinsey.com/industries/metals-and-mining/our-insights/how-digital-innovation-can-improve-mining-productivity

(6) www.miningmagazine.com/partners/partner-content/1372645/what-makes-mine-smart

(7) www.miningmagazine.com/partners/partner-content/1372645/what-makes-mine-smart

(8) www.energieagentur.nrw/eanrw/smart_mining_im-gespraech_mit_dr_elisabeth_clausen

(9) www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/smart-mining-market-100246

(10) www.miningmagazine.com/innovation/news/1383087/thinking-ahead

(11) www.miningmagazine.com/editor-s-comment/opinion/1373879/the-future-of-mining-is-underground

(12) www.miningmagazine.com/innovation/news/1383087/thinking-ahead

(13) www.amt.rwth-aachen.de/en/home.html

(14) www.miningmagazine.com/innovation/news/1383087/thinking-ahead

(15) www.miningmagazine.com/innovation/news/1371836/disrupting-mining-calls-for-more-collaboration

(16) www.angloamerican.com/futuresmart/futuresmart-mining

(17) www.futurelab-aachen.de/en/schlauer-schuerfen/

Authors/Autoren: Aarti Sörensen M. A., Prof. Dr.-Ing. Karl Nienhaus, Prof. Dr.-Ing. Elisabeth Clausen, Institute for Advanced Mining Technologies (AMT), RWTH Aachen University, Aachen/Germany

Smart Mining – Interview mit Prof. Elisabeth Clausen

Prof. Dr.-Ing. Elisabeth Clausen leads the Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) at RWTH Aachen University. // Prof. Dr.-Ing. Elisabeth Clausen leitet das Institute for Advanced Mining Technologies (AMT) der RWTH Aachen. Photo/Foto: Peter Winandy

Mining Report Glückauf (MRG): In dem Artikel sind Sie zitiert mit der Aussage, dass der Bergbau der Zukunft einen weniger starken ökologischen Fußabdruck hinterlassen wird. Warum ist ein intelligenter Bergbau denn auch nachhaltiger?

Prof. Elisabeth Clausen: Sinnvoll eingesetzte Digitalisierung wird dazu führen, dass die heute vorliegenden unvollständigen und unzuverlässigen Informationen über die Lagerstätte, den Prozess sowie den Maschineneinsatz oder auch -zustand erheblich verbessert werden können. Durch die Vernetzung können darüber hinaus Daten übergreifend verfügbar gemacht werden, sodass diese Informationen nicht mehr nur für einzelne Anwendungen und Prozesse zur Verfügung stehen, sondern übergreifend genutzt werden können.

Das Potential für eine Verbesserung der Nachhaltigkeit – und damit meine ich ganz explizit die drei Säulen Ökonomie, Ökologie und Soziales – kann genau auf dieser Reduktion von Unwissen basieren. Daraus können Optimierungen abgeleitet werden, z. B. was den Einsatz, die Auslastung oder auch die Wartung von Maschinen angeht, aber auch die Verbesserung der Selektivität bei der Gewinnung. Somit können beispielsweise Instandhaltungs- oder Wartungskosten gesenkt oder insgesamt die Produktivität gesteigert werden. Ferner lassen sich durch eine gesicherte und gute Datenlage die Energie- und Ressourceneffizienz erhöhen sowie die Arbeitssicherheit verbessern. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von Technologien zur Lokalisierung und Erkennung von Maschinen und Personen mit dem Ziel der Vermeidung von Kollisionen erfolgen oder auch ganz allgemein durch die Entwicklung von autonomen Gewinnungsprozessen, sodass keine Personen sich mehr im unmittelbaren Gefahrenbereich aufhalten müssen. Durch den Einsatz automatisierter Systeme kann die Produktion verlässlicher, präziser und effizienter werden, Lagerstätten(-teile) können vermehrt abgebaut werden, die technisch und/oder wirtschaftlich bisher nicht gewinnbar sind.

Dies sind nur einige wenige Beispiele. In der Tat ist der Zusammenhang zwischen einem digitalisierten Bergbau und dessen Einfluss auf eine Verbesserung der Nachhaltigkeit des Gewinnungsprozesses noch nirgends systematisch untersucht worden. Das AMT hat daher im Rahmen einer Auftragsstudie der BGR erstmals begonnen, diesen Zusammenhang systematisch zu untersuchen.

Wichtig ist mir hier zu sagen, dass es jedoch mit Sicherheit kein Automatismus ist, dass moderne, vernetzte Technologien zu einer nachhaltigeren Gewinnung führen. Es kommt immer darauf an, wie diese Technologien in den Gesamtprozess integriert und auch von den Mitarbeitern akzeptiert werden. Ich bin davon überzeugt, dass der zukünftige Bergbau durch den Einsatz digitaler Technologien nicht nur wirtschaftlicher, sondern auch ökologisch verträglicher und sozial akzeptierter sein kann. Der Schlüssel bleibt jedoch der Mensch, der auch in einem nahezu „transparenten“ und automatisierten Bergwerk nach wie vor wichtige Entscheidungen wird treffen müssen, die Verantwortung übernimmt und auch derjenige bleiben wird, der die Gesamtvision und die Richtung bestimmt.

MRG: Welche Konsequenzen hat diese Transformation im Hinblick auf das Arbeitsumfeld, die Tätigkeiten und die Anforderungen an die Beschäftigten? Ist der klassische Bergbauingenieur bald ein Auslaufmodell?

Prof. Clausen: Nein, natürlich wird der Bergbauingenieur kein Auslaufmodell sein, auch wenn wir tatsächlich einige der zukünftigen Berufsfelder und Aufgabenbereiche heute noch gar nicht im Detail kennen. Der Bergbauingenieur war aufgrund seiner generalistischen Ausbildung und Ausrichtung eigentlich schon immer gefragt, flexibel und anpassungsfähig zu sein und verschiedene Kompetenzen, Fachrichtungen und Disziplinen zu integrieren. Diese Kompetenz des Bergbauingenieurs als „Integrator“ wird mit der Digitalisierung vermutlich sogar noch wichtiger werden. Um unterschiedliche Fachrichtungen zusammenbringen zu können, ist ein breites und tiefes Fachwissen heute wichtiger denn je. Und wir dürfen bei aller Digitalisierung nicht vergessen, dass es viele Kompetenzen und Fähigkeiten gibt, die Maschinen nicht übernehmen können, die aber für die Entscheidungsfindungen wichtig sind. Genau diese Kompetenzen müssen heute ins Zentrum der Ausbildung rücken, weshalb wir mit ganz unterschiedlichen Ansätzen eine moderne, kompetenzorientierte Lehre umsetzen. Deshalb ist es besonders wichtig, dass wir Ingenieure ausbilden, die in der Lage sind, auch neue, unstrukturierte und komplexe Probleme lösen zu können.

Erstens bleibt dabei die Erlangung eines tiefen, fundierten disziplinären Fachwissens von zentraler Bedeutung und darf nicht durch die Diskussion um soziale Kompetenzen, Führungsfähigkeit oder unternehmerisches Denken ins Hintertreffen geraten. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund wichtig, dass wir uns durch die zunehmende Automatisierung und Digitalisierung immer weiter von den eigentlichen Prozessen entfernen. Jedoch, und das ist mir wichtig, darf dieses Fachwissen nicht nur als theoretisches, passives Wissen existieren, sondern muss bereits während der Ausbildung angewendet und auch auf neuartige Fragestellungen übertragen werden.

Zweitens ist und wird das Thema der Datenkompetenz, also der sichere und kompetente Umgang mit Daten, zunehmend wichtiger. In diesem Sommersemester haben wir am AMT beispielsweise ein neues Fach eingerichtet, welches sich mit „Data Analytics for Heavy Duty Equipment“ befasst. Aufbauend auf den Grundlagen, die im Fach „Messen, Steuern, Regeln“ und „Einführung in Matlab“ gelegt werden, wo die Erfassung, die Verarbeitung sowie die Auswertung und Visualisierung von Daten im Mittelpunkt stehen, geht es in diesem Fach um eine sinnvolle Nutzung der Daten im Kontext der Maschinentechnik in der Rohstoffindustrie.

Als dritten Punkt möchte ich auf das Thema der Problemlösungskompetenz zurückkommen. Dazu gehört auch die Innovationsfähigkeit und die Sensibilisierung für unternehmerisches Denken, also die Fähigkeit, Lösungen für Probleme in Form von neuartigen Prozessen, Produkten oder Dienstleistungen zu entwickeln, die einen realen Nutzen für die Rohstoffgewinnung bringen und zu neuen Geschäftsmodellen führen können. Wir verfolgen daher auch den Ansatz des „innovation driven learning“ und unsere, derzeit im Aufbau begriffene weltweit erste Learning Factory Mining 4.0, ist Ausdruck dafür.

MRG: Was denken Sie, sind die größten Herausforderungen für die Weiterentwicklung des intelligenten Bergbaus?

Prof. Clausen: Einerseits sehe ich noch große Herausforderungen bei der Generierung und Bereitstellung qualitativ hochwertiger, sinnvoll nutzbarer Daten. Hierfür ist es wichtig, Sensortechnik zu entwickeln, die den rauen Umgebungsbedingungen und den Besonderheiten des Bergbaus gewachsen ist. Darüber hinaus ist es erforderlich, die Entwicklung geeigneter Algorithmen und Modelle, beispielsweise unter Anwendung von Verfahren der künstlichen Intelligenz, voranzubringen, die in der Lage sind, diese Daten in sinnvolle Informationen umzuwandeln. Diese Algorithmen und Modelle zu verifizieren und zu validieren, also zu überprüfen, ob tatsächlich auch die richtigen Daten korrekt erfasst und aus diesen Daten die richtigen Informationen abgeleitet werden, ist mit Sicherheit ebenfalls eine der großen Schwierigkeiten. Dabei müssen wir uns auch fragen, welche Daten sinnvoll und brauchbar sind und welcher Nutzen erzielt werden soll und kann. Dies bedeutet auch, dass es nicht das Ziel sein kann, die Masse an Daten kontinuierlich zu steigern mit der Erwartung bessere Informationen zu erzeugen, sondern diese auf die wesentlichen und auch im Betrieb handhabbaren Daten sinnvoll zu reduzieren. Dies ist letztlich auch erforderlich, um die Komplexität für den Entscheider zu reduzieren.

Andererseits spielt die Interoperabilität und in diesem Zusammenhang auch die Standardisierung der Maschine- zu-Maschine-Kommunikation, beispielsweise im Rahmen von OPC UA eine wichtige Rolle. Genauso ist auch die Etablierung einer IIoT-Infrastruktur mit den zugehörigen Plattformen und Datenkommunikationsstrukturen eine zentrale Herausforderung. Der Bereich der Datensicherheit – auch Cyber Security – muss gleichermaßen adressiert werden, wie auch die Frage des Dateneigentums: Wem gehören die Daten, wie freizügig sind die einzelnen in den Prozessen beteiligten Unternehmen mit den Daten und in welcher Form werden sie übermittelt, da sich letztlich nur integrierte, vernetzte Daten sinnvoll nutzen lassen.

Viele dieser Herausforderungen lassen sich nicht im Alleingang, sondern nur gemeinsam lösen. Universitäten können hierbei eine wichtige Rolle spielen, sowohl bei der Entwicklung von neuen Technologien, als auch bei der Aus- und beruflichen Weiterbildung. Darüber hinaus bieten wir mit der Smart Mining-Konferenz alle zwei Jahre eine zunehmend auch international besuchte Plattform an, die insbesondere den Austausch fördern soll. Dort werden nicht nur innovative Lösungsansätze präsentiert, die Plattform bietet auch eine gute und gern genutzte Möglichkeit zur Vernetzung von Bergbauunternehmen, OEM’s, Technologie-Dienstleistern und der Forschung und leistet damit einen direkten Beitrag zur Innovationsfähigkeit.

Die Zukunft kann smart und vernetzt sein, aber sie erfordert auch ein hohes Maß an sozialer Kompetenz und Interaktion zur Integration verschiedener Disziplinen, Akteure und Sichtweisen sowie zur erfolgreichen Umsetzung kollaborativer Innovation. All dies können Maschinen nicht leisten. Es braucht kreative, engagierte und gut ausgebildete Fach- und Führungskräfte, um diese Entwicklungen zu gestalten und wir hoffen, dass wir mit unserem Institut einen Beitrag dazu leisten, dass der Bergbau der Zukunft nicht nur technologisch möglich sein wird, sondern auch von qualifizierten und kompetenten Menschen gestaltet und nachhaltig umgesetzt werden kann.

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