Top IT trends for a circular economy

By Aleksandra Kekkonen

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Today both fields of IT development and circular economy are in the highest interest. A circular economy promises a balanced and sustainable future in a clean and flourish way with well-designed and energy-efficient assets for all stakeholders. IT field in its turn drives economic development, brings science fiction projections in life, and saves (to some extent) the world from Covid consequences making distant work and business processes reality. For sure, all the popular tech trends like AI (Artificial Intelligence), ML (Machine Learning), IoT (Internet of Things), Big Data, edge computing, robotic process automation, and others come to ease our lives. But how those two fields overlap and what influence IT has for circular economy implementation? 

First of all, IT field definition should be considered to be more specific in formulations: Information Technology (IT) is the use of computers to store, retrieve, transmit, and manipulate data or information. Necessary types of IT services include hardware & software, network Infrastructure (a company’s network infrastructure would typically include its internet connectivity and internal networking between computers and other devices (such as printers), mobile device management, cloud computing, and cybersecurity».

Digital technologies play an important role in establishing real-time information exchanges among users, machines, and management systems. These technologies are intrinsically customer-focused and provide the information and connections needed to maintain a relationship far beyond the point of sale. Remote visibility and control of assets are especially critical for the Product as a Service, Sharing Platforms, and Product Life Extension business models. By altering the way businesses and consumers interact with physical and digital assets and enabling dematerialization, digital technologies can transform value chains, so they are decoupled from the need for additional resources for growth.

Hybrid technology is partly digital and partly engineering. It can establish a unique type of control over assets and material flows. It allows a company to digitally identify the history, location, status, and application of materials and goods while, at the same time, support ways to physically collect, treat and reprocess them. For example, 3D printing allows for the local manufacturing of downloadable digital designs into physical objects.

Second, the life cycle of products and services in a circular economy should schematically be divided into steps, to find where IT services are crucially needed: product design, manufacturing (including supply chains for procurement), logistics, sales and marketing, product use, R-cycles (reuse, redesign, refurbish, remanufacture, and logistics for all steps), end of life disposal, regeneration of resources, lastly a new cycle. 

Let us consider some proposed circular economy steps and check what technological decisions have the most application of all.

Product design

Product design is one of the main and the most important steps in the circular economy concept. It helps to build better decisions and gives a good opportunity to estimate all production and service steps ahead. For instance, artificial intelligence could be the key to complex data analysis and management aimed at sustainable decision making in such areas as climate change, air, and water security, biodiversity conservation, disaster resilience: at the stage of planning and idea development it needs to consider and measure different variants in terms of money, time, and resource efficiency. Besides designing itself using special software saves time, allows to estimate different material use based on mathematical modeling.

If we speak about service-driven decisions, data integration – and more broadly, data architecture and its capabilities is an indispensable part of business applications. This bridges the individual information sources to the business goals of the involved stakeholders and the application of those decisions in day-to-day business. This first stage is a resource-intensive step, as data preparation and integration is usually between  60% and 75% of the project time. Given the importance of the underlying data architecture and data integration infrastructure in connecting the collected information to the goals of the circular economy consider how digital technologies can use adequate IT and data management technologies to support material tracking and other specific technologies, as recycling.

Manufacturing, logistics, and R-cycles

The application of IT in the field of manufacturing and R-cycles could be in the manufacturing process itself, infrastructural decisions, supply chains for procurement, reuse, redesign, refurbishment, remanufacture, adding logistics for all stages.  There are already some good examples of the application of Big Data, for example in the automotive industry. Big Data is not discussed in isolation, but rather concerning other digital technologies for data handling and analysis such as RDBMS and Distributed File Systems (DFS). There are numerous built-in IoT sensors and shelf-scanning robots that prove to be sustainable in terms of energy savings and customer experience as well as LED lighting, new systems of heating, ventilation, and air conditioning controlled by a smart grid. 

Patagonia has an AI central workstation that automatically controls all operational systems from an indoor environment to outdoor irrigation. Bathrooms and toilets are equipped with water control sensors. Even the landscape and plants around the buildings are chosen and designed to diminish water usage. Workers are encouraged to use electric cars and get financial compensation for coming to work by bike or public transport.

Manufacturing comes together with gaining resources for production from supply chains, which in turn could be controlled by large-scaled blockchain technologies. The combination of digital technology and circular thinking can indeed be powerful in reshaping value chains. The use of blockchain could guarantee trustworthy suppliers with proven sustainable and safe resources. The data and information exchange in blockchain technology features is important for all stakeholders to operate effectively and efficiently. Having the information of the product’s life cycle is important for the circular economy and also for byproduct management planning (if applicable for the industry or business). Sharing platforms as an element of circular economy product use loops require three architecture perspectives (data collection, data analysis, and data integration) together with IoT. 

Cloud computing has already empowered energy efficiency and material waste reduction. The increased accessibility of serverless and open-source software minimizes cooling processes, ventilation, and air conditioning in fewer data centers. For instance, adding a power management function to Microsoft products enabled smart energy consumption on end devices, like monitors and hard drives. 

End of life disposal and regeneration of resources

            Those stages require hybrid technology use. Here, there are some examples: 

ZenRobotics is a robotic waste sorting system that combines modern sensors, industrial robots, and Artificial Intelligence to identify and sort mixed waste into valuable recyclables. Unlike traditional sensor-based technologies, ZenRobotics’ robots rely on object recognition that enables more versatile sorting. The robots can be trained to recognize new fractions that allow more flexible waste sorting when the composition of waste changes.

Tianjin Citymine company strives to build a complete supply chain from the waste producer to the resource user, to achieve a reverse logistics system of urban waste. Tianjin Citymine has formed an online-offline integrated business. The offline business features both a movable recycle station and an intelligent management system. The online management system can provide data support for the comprehensive management of waste in urban areas.

Rubicon’s is a big-data platform cloud-based, which connects waste producers with a network of independent waste haulers across 50 states in the US and Canada, as well as 18 additional countries. This enables higher diversion rates from landfills, creative reuse of waste material, optimized-truck routes, and the detailed analysis of waste data.

IT plays an important role in the transition towards a Circular Economy by optimizing forward material flows and enabling reverse material flows, dealing with different types of data, and building well-designed IT architecture. Top IT trends for circular economy enabling are cloud-based, big-data platforms, artificial intelligence, and blockchain technologies. Another direction is hybrid technologies associated with a mix of modern sensors (IoT), industrial robots supported by Artificial Intelligence, and Machine Learning. 

Versione Italiana

Le principali tendenze IT per l’economia circolare

Oggi i settori dello sviluppo IT e dell’economia circolare sono di grande interesse. Un’economia circolare promette un futuro equilibrato e sostenibile in modo pulito e fiorente, con risorse ben progettate ed efficienti dal punto di vista energetico per tutte le parti interessate. Il settore IT, a sua volta, guida lo sviluppo economico, porta in vita proiezioni di fantascienza e salva (in una certa misura) il mondo dalle conseguenze del Covid-19, rendendo realtà il lavoro a distanza e i processi aziendali. Tutte le tendenze tecnologiche popolari come AI (Intelligenza Artificiale), ML (Machine Learning), IoT (Internet of Things), Big Data, edge computing, automazione dei processi robotici e altri aiutano a facilitare le nostre vite. Ma come si sovrappongono questi due campi e quale influenza ha l’IT per l’implementazione dell’economia circolare? 

Prima di tutto, la definizione del campo IT dovrebbe essere più specifica: la Tecnologia dell’Informazione (IT) è l’uso di computer per archiviare, recuperare, trasmettere e manipolare dati o informazioni. I tipi di servizi IT necessari includono hardware e software, infrastruttura di rete (l’infrastruttura di rete di un’azienda normalmente include la connettività Internet e la rete interna tra computer e altri dispositivi – come le stampanti), la gestione dei dispositivi mobili, il cloud computing e la sicurezza informatica. 

Le tecnologie digitali svolgono un ruolo importante nello stabilire scambi di informazioni in tempo reale tra utenti, macchine e sistemi di gestione. Queste tecnologie sono intrinsecamente incentrate sul cliente e forniscono le informazioni e le connessioni necessarie per mantenere una relazione ben oltre il punto vendita. La visibilità e il controllo remoto delle risorse sono particolarmente critici per i modelli di business Product as a Service, Sharing Platform e Product Life Extension. Modificando il modo in cui le imprese e i consumatori interagiscono con le risorse fisiche e digitali e, consentendo la dematerializzazione, le tecnologie digitali possono trasformare le catene del valore, quindi sono disaccoppiate dalla necessità di risorse aggiuntive per la crescita.

La tecnologia ibrida è in parte digitale e in parte ingegneristica. Può stabilire un tipo unico di controllo sulle risorse e sui flussi di materiali. Consente a un’azienda di identificare digitalmente la storia, l’ubicazione, lo stato e l’applicazione di materiali e merci mentre, allo stesso tempo, supporta i modi per raccoglierli, trattarli e rielaborarli fisicamente. Ad esempio, la stampa 3D consente la produzione locale di progetti digitali scaricabili in oggetti fisici.

In secondo luogo, il ciclo di vita di prodotti e servizi in un’economia circolare dovrebbe essere schematicamente suddiviso in fasi, per trovare dove i servizi IT sono fondamentali: progettazione del prodotto, produzione (comprese le catene di approvvigionamento per l’approvvigionamento), logistica, vendite e marketing, uso del prodotto, R-cicli (riutilizzo, riprogettazione, ristrutturazione, rigenerazione, e logistica per tutte le fasi), smaltimento a fine vita, rigenerazione delle risorse, infine l’inizio di un nuovo ciclo. 

Consideriamo alcuni passaggi proposti per l’economia circolare per capire quali decisioni tecnologiche hanno più campi di applicazione.

Design del prodotto 

Il design del prodotto è uno dei passaggi principali e più importanti nel concetto di economia circolare. Aiuta a prendere decisioni migliori e offre una buona opportunità per stimare tutte le fasi di produzione e servizio future. Ad esempio, l’intelligenza artificiale potrebbe essere la chiave per una complessa analisi e gestione dei dati finalizzata al processo decisionale sostenibile in settori quali il cambiamento climatico, la sicurezza della qualità dell’aria e dell’acqua, la conservazione della biodiversità, la resilienza ai disastri: nella fase di pianificazione e sviluppo dell’idea, si devono prendere in considerazione e misurare diverse varianti, quali costi in termini economici e di tempo. Oltre a progettare il prodotto stesso utilizzando un software speciale, consente di risparmiare tempo e di stimare l’uso di materiali diversi sulla base di modelli matematici.

Se parliamo di decisioni basate sui servizi, integrazione dei dati e, più in generale, l’architettura dei dati e le sue capacità sono una parte indispensabile delle applicazioni aziendali. Ciò collega le singole fonti di informazione agli obiettivi di business degli stakeholder coinvolti e all’applicazione di tali decisioni nelle attività quotidiane. Questa prima fase richiede molte risorse, poiché la preparazione e l’integrazione dei dati è solitamente compresa tra il  60% e il 75% del tempo del progetto. Data l’importanza dell’architettura dei dati sottostante e dell’infrastruttura di integrazione dei dati nel collegare le informazioni raccolte agli obiettivi dell’economia circolare, è utile considerare come le tecnologie digitali possono utilizzare tecnologie IT e gestione dei dati adeguate per supportare il tracciamento dei materiali e altre tecnologie specifiche, ad esempio il riciclaggio.

Produzione, logistica e ricicli

L’applicazione dell’IT nel campo della produzione e del riciclo potrebbe essere nel processo di produzione stesso, nelle decisioni infrastrutturali, nelle catene di approvvigionamento, nel riutilizzo, nella riprogettazione, nella ristrutturazione e nella rigenerazione, aggiungendo la logistica per tutte le fasi. Esistono già alcuni buoni esempi dell’applicazione dei Big Data nell’industria automobilistica, ad esempio. I Big Data non vengono discussi isolatamente, ma riguardano altre tecnologie digitali per la gestione e l’analisi dei dati come RDBMS e Distributed File System (DFS). Esistono numerosi sensori IoT integrati e robot per la scansione degli scaffali che si dimostrano sostenibili in termini di risparmio energetico ed esperienza del cliente, nonché illuminazione a LED, nuovi sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento d’aria controllati da una smart grid. 

Patagonia dispone di una stazione AI di lavoro centrale che controlla automaticamente tutti i sistemi operativi da un ambiente interno all’irrigazione esterna. I bagni e i servizi igienici sono dotati di sensori di controllo dell’acqua. Anche il paesaggio e le piante intorno agli edifici sono scelti e progettati per diminuire il consumo di acqua. I lavoratori sono incoraggiati a utilizzare le auto elettriche e ottenere un bonus economico per andare al lavoro in bicicletta o con i mezzi pubblici.

La produzione si unisce all’acquisizione di risorse per la produzione dalle catene di approvvigionamento, che a loro volta potrebbero essere controllate su larga scala da tecnologie blockchain. La combinazione tra tecnologia digitale e pensiero circolare può davvero essere centrale nel rimodellare le catene del valore. L’uso della blockchain potrebbe garantire fornitori affidabili con risorse sostenibili e sicure. Lo scambio di dati e informazioni nelle funzionalità della tecnologia blockchain è importante per tutte le parti interessate per operare in modo efficace ed efficiente. Avere le informazioni sul ciclo di vita del prodotto è importante per l’economia circolare e per la pianificazione della gestione dei sottoprodotti (se applicabile per il settore o l’azienda).  Le piattaforme di condivisione dei cicli di utilizzo dei prodotti dell’economia circolare richiedono tre prospettive di architettura (raccolta dei dati, analisi dei dati e integrazione dei dati) oltre che all’IoT. 

Il cloud computing ha già potenziato l’efficienza energetica e la riduzione degli sprechi di materiali. La maggiore accessibilità del software serverless e open source riduce al minimo i processi di raffreddamento, ventilazione e condizionamento dell’aria in un numero inferiore di data center. L’aggiunta della funzione di gestione dell’alimentazione, ad esempio, ai prodotti Microsoft ha consentito il consumo energetico intelligente sui dispositivi finali, come monitor e dischi rigidi. 

Smaltimento a fine vita e rigenerazione delle risorse

            Queste fasi richiedono l’uso della tecnologia ibrida. Di seguito alcuni esempi:

ZenRobotics è un sistema robotico di smistamento dei rifiuti che combina sensori moderni, robot industriali e intelligenza artificiale per identificare e smistare i rifiuti misti in preziosi riciclabili. A differenza delle tradizionali tecnologie basate su sensori, i robot ZenRobotics si affidano al riconoscimento degli oggetti che consente uno smistamento più versatile. I robot possono essere addestrati a riconoscere nuove frazioni consentendo una raccolta differenziata più flessibile quando la composizione dei rifiuti cambia.

Tianjin Citymine è un’azienda che si impegna a costruire una catena di fornitura completa dal produttore di rifiuti all’utente delle risorse, per ottenere un sistema di logistica inversa dei rifiuti urbani. Tianjin Citymine ha costituito un’attività integrata online-offline. L’attività offline dispone sia di una stazione di riciclaggio mobile che di un sistema di gestione intelligente. Il sistema di gestione online può fornire il supporto dei dati per la gestione completa delle aree per i rifiuti urbani.

Rubicon’s è una piattaforma per i big data basata sul Cloud, che collega i produttori di rifiuti con una rete di trasportatori di rifiuti indipendenti in 50 Stati negli USA e in 18 paesi del Canada. Ciò consente tassi di deviazione più elevati dalle discariche, riutilizzo creativo dei materiali di scarto, percorsi ottimizzati dei camion e analisi dettagliata dei dati sui rifiuti.

L’IT svolge un ruolo importante nella transizione verso un’economia circolare ottimizzando i flussi di materiali, gestendo diversi tipi di dati e costruendo un’architettura IT ben progettata. Le principali tendenze IT per l’economia circolare sono le piattaforme per big data basate su cloud, intelligenza artificiale e tecnologie blockchain, senza dimenticare le tecnologie ibride associate a un mix di sensori moderni (IoT) e robot industriali supportati da tecnologie basate sull’intelligenza artificiale e sul Machine Learning. 

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