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Es geht um die Kust, ökologisch noch bessere Produkte zu entwickeln. Zudem wird betrachtet, welches Potential für Maschinen und Geräte besteht.

Rainer Züst, Züst Engineering AG

 

Seit 1990 beschäftigt sich der Autor mit der Frage, wie industrielle Produkte und vor allem Maschinen & Geräte ökologisch verbessert werden können. Da Produkte bei Kunden vielfach ganz unterschiedlich genutzt werden, muss die Nutzung selbst als variabel angenommen werden. Ecodesign erfordert daher ein verstärktes Systemwissen und ein auf das System und das Systemverhalten ausgerichtetes Engineering. Hier geht es um weit mehr als «Filter & Recycling» – gefordert sind noch bessere Produkte. Betrachtet man zudem Maschinen, respektive Produktionssysteme, erhöht sich die Komplexität der Produkte massiv. Die Herausforderung für den Produktentwickler besteht darin, das Produkt als Ganzes zu sehen, als System, welches über alle Lebensphasen hinweg in Beziehung mit der Umwelt steht und unterschiedliche Umweltwirkungen verursacht. Ecodesign beschäftigt sich somit mit der Frage, wie mit weniger Ressourceneinsatz in einem spezifischen Kontext mehr erreicht werden kann.

DIE RICHTIGEN ECODESIGN-STRATEGIEN

ecodesign_zieleAls Ecodesign-Einstieg könnte das folgende Portfolio hilfreich sein (Abb. 1). Dieses hat die beiden Achsen «aktive oder passive Produkte» und «bewegte und nicht bewegte Produkte». «Bewegte Produkte» sind beispielsweise Autos, Flugzeuge, Eisenbahnen wie auch Gegenstände und Produkte, welche in diesen Objekten regelmässig transportiert werden, z.B. Tisch und Stuhl in der Eisenbahn, die Klimaanlage im Auto oder dann die Bildschirme in Flugzeugen. «Stationäre Produkte» sind Produkte, welche weitgehend am selben Ort bleiben, z.B. Tisch und Stuhl in einer Küche, der Bildschirm im Büro und der Gefrierschrank im Keller. Mit der Nutzungsart wird festgehalten, inwiefern dieses Produkt zusätzliche Ressourcen in der Nutzung braucht. Ein Kühlschrank benötigt laufend Strom und ist somit aktiv. Ein Tisch kann ohne weitere Ressourcen genutzt werden und ist somit passiv. Ein hochisoliertes Haus mit moderner Wärmeerzeugung braucht wenig bis gar keine zusätzliche Energie und ist somit semi-passiv respektive passiv. Eine Heimwerkerbohrmaschine, welche nur selten genutzt wird (1-2h ist die technische Lebensdauer im Durchschnitt), ist passiv, obschon diese Bohrmaschine einen elektrischen Anschluss hat. Und ein Wasserventil benötigt direkt keine Energie, verursacht hingegen durch die Verengungen einen Strömungsverlust, welcher seinerseits wieder eine höhere Pumpenleistungen bewirkt; dieses Ventil ist somit ein aktives Produkt. Bei Ecodesign muss deshalb zwingend die spezifische Art der Nutzung berücksichtigt werden.

Regelmässig bewegte Produkte sollten leichter konstruiert werden; damit lässt sich in der Nutzung viel Energie sparen. Hingegen müssten «stationäre, passive Produkte» u.a. nach dem Ecodesign-Ziel «langlebiges, reparaturfreundliches und zeitbeständiges Design» optimiert werden (vgl. Abb. 1). Mit diesem einfachen Portfolio kann rasch aufgezeigt werden, weshalb die spezifische Nutzungssituation eines Produkts und das Ableiten spezifischer Design-Strategien fundamental wichtig ist, um ein effektives Ecodesign umzusetzen.

MEM-INDUSTRIE ALS ECODESIGN-BRANCHE?

Die Maschinen-, Elektro- und Elektronik-Industrie in der Schweiz ist mit 48% der industriellen Wertschöpfung der grösste industrielle Sektor der Schweiz. Der Anteil am Schweizer BIP ist 9,3% (2009). Die durchschnittliche Exportquote beträgt 75% (2009) und erreicht somit einen Anteil am Schweizer Gesamtexport von rund 35% (2009). Die MEM-Industrie hat ca. 330'000 Arbeitsplätze; 95% sind KMU mit weniger als 250 Mitarbeitenden. Schweizer Maschinen und insbesondere Werkzeugmaschinen werden weltweit genutzt. Direkt mit der Nutzung verbunden ist auch ein entsprechender Energie- und Materialverbrauch beim Kunden, wobei dieser Ressourcenverbrauch je nach Ausgestaltung, technologischem Standard und Einsatzbereich dieser Produkte höher oder niedriger ausfällt. Beispiele aus dem Bereich Maschinen / Werkzeugmaschinen zeigen, dass in der Nutzungsphase nicht zuletzt wegen hoher Betriebsdauer (30'000 h und mehr), z.T. hohen Verbrauchswerten (vielfach 20 kW und mehr) und z.T. grosser Stückzahlen (in der Schweiz werden jährlich bis zu 50'000 Produktionsmaschinen unterschiedlicher Grösse hergestellt), durch optimierte Maschinen weit mehr Energie und Material eingespart werden kann als am Produktionsstandort selbst. Dazu eine kurze Abschätzung:

ANNAHMEN: durchschnittliche Verbrauchsleistung von 10 kWh bei den oben erwähnten Maschinen, sowie Einsparungen durch Ecodesign von 25%.

SCHÄTZUNG: dies ergibt bei einer 1-Jahres-Produktion über die Lebensdauer dieser Maschinen eine Reduktion bereits von ca. 4 Mrd. kWh. Im EU-Raum entspricht dies einer Reduktion von rund 2 Mio. to CO2 (bei 500g CO2 pro kWh Strom EU-Mix), respektive einer Kosteneinsparung von ca. 0.5 Mrd. € (bei 0.12 € pro kWh Strom).

OPTIMIERTE MASCHINEN UND GERÄTE – WELCHES POTENTIAL BESTEHT KONKRET?

Das Ecodesign-Potential erscheint beachtlich; deshalb sollte dieses Potential näher in einer explorativen Studie mit 22 Firmen in der Schweiz anhand von 26 repräsentativen Produkten über die gesamte MEM-Branche und nicht nur für Produktionsmaschinen näher untersucht werden. Zu diesem Zweck wurden für repräsentative Produkte quantifizierte Energie-Profile über alle Produktlebensphasen (Anbieter- und Anwenderseite) erstellt, gemeinsam mit den Firmenvertretern das Ecodesign-Potenzial (mögliche Verbesserungen am Produkt / Maschine in den nächsten 10 Jahren) abgeschätzt, sowie für die betreffenden Industriebereiche das gesamte Einsparpotenzial (Energie, CO 2 und Kosten) hochgerechnet. Für die beteiligten Firmen wurde mindestens ein Energie-Profil für ein repräsentatives Produkt erstellt.

Diese erste Auswertung zeigt, in welchen Bereichen und für welche Produktleistungen wirklich relevante Energieverbräuche auftreten. Für einige der beteiligten Firmen war das Ergebnis neu. Insbesondere wurden dabei auch Bereiche identifiziert, welche bis anhin noch nicht im Ecodesign-Fokus standen. Interessant für alle Beteiligten war nach dem Vorliegen von Energie-Profilen die Frage, wo man durch geringe Eingriffe den Verbrauch reduzieren kann und wie gross insgesamt dieses Potential ist. In einem weiteren Schritt wurde deshalb das Verbesserungspotenzial unterschiedlicher Lösungsansätze bestimmt und quantitativ abgeschätzt. Für jedes untersuchte Produkt wurden deshalb auch Verbesserungsmassnahmen diskutiert und das entsprechende Verbesserungspotenzial innerhalb der nächsten 10 Jahre abgeschätzt. Die explorative Studie zeigt für den Maschinenbau ein Verbesserungspotenzial von 25% in 10 Jahren. Für den Sektor Haushaltgeräte ist das Verbesserungspotenzial noch massiv höher; für den Bereich Elektro- und Elektronikapparate etwas geringer. Die Verbesserungen können mehrheitlich auf Seite der Nutzer im Sinne einer optimierten Nutzung realisiert werden. Das Verbesserungspotenzial am Standort ist hingegen relativ gering. Anzumerken ist hier noch, dass innerhalb der Maschinenbaubranche der Energieverbrauch bereits in den letzten 10 Jahren um 25% gesenkt wurde.

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Rainer Züst studierte Maschinenbau an der ETH Zürich und promovierte am Institut für Werkzeugmaschinen und Produktion IWF an der ETH Zürich; von 1993 - 1999 war er Professor an der ETH Zürich, danach einige Jahre Gastprofessor an der TU Wien. Seit 7 Jahren ist er selbstständig und leitet die Züst Engineering AG. Er ist Autor von verschiedenen Büchern; zudem unterrichtet er weiterhin an der ETH (MAVT) sowie an der TU Karlsruhe im Bereich «Systems Engineering» und «Ecodesign».Rainer Züst studierte Maschinenbau an der ETH Zürich und promovierte am Institut für Werkzeugmaschinen und Produktion IWF an der ETH Zürich; von 1993 - 1999 war er Professor an der ETH Zürich, danach einige Jahre Gastprofessor an der TU Wien. Seit 7 Jahren ist er selbstständig und leitet die Züst Engineering AG. Er ist Autor von verschiedenen Büchern; zudem unterrichtet er weiterhin an der ETH (MAVT) sowie an der TU Karlsruhe im Bereich «Systems Engi- neering» und «Ecodesign».

 

25% VERBESSERUNGSPOTENTIAL IN 10 JAHREN

Dass innerhalb der produzierenden Industrie mittels Produkt-Ecodesign viel Energie eingespart und somit auch der CO 2 -Ausstoss reduziert werden kann, zeigen zwei weitere unabhängige Studien. Die Studien von Roland Berger Strategy Consultants (Der Beitrag des Maschinen- und Anlagebaus zur Energieeffizienz; bearbeitet von Roland Berger Strategy Consultants im Auftrag des VDMA, 2009) sowie die Studie von Prognos AG (Energieeffizienz in der Industrie – eine makroskopische Analyse der Effizienzentwicklung unter besonderer Berücksichtigung der Rolle des Maschinen- und Anlagebaus; bearbeitet von Prognos AG im Auftrag des VDMA, 2009), beide im Auftrag des VDMA (Branchenverband deutscher Maschinenindustrieller) zeigen für das produzierende Gewerbe in Deutschland ein Einsparpotenzial von ca. 80-90 Mio. Tonnen CO2 in 10 Jahren sowohl beim Hersteller wie bei den Kunden. Die explorative Studie von Rainer Züst zeigt für die Sektoren Maschinenbau, Haushaltgeräte und elektrische und elektronische Apparate – sie entsprechen ca. 50% der Maschinen- Elektro- und Elektronik-Industrie in der Schweiz – ein jährliches Einsparpotenzial von rund 10 Mio. Tonnen CO2 bis 2020. 10 Mio. Tonnen CO2 entsprechen etwas mehr als 20% des aktuellen CO2-Footprints der Schweiz. Dieses Ecodesign-Potenzial ist in der Tat beachtlich. Der Maschinen-Industrie und insbesondere deren Produkten kommt somit eine bedeutende Rolle für Klima- und Ressourcenschutz zu.

LUST AUF ECODESIGN

Ecodesign, oder Sustainable Engineering, ist neu. Deshalb muss neues Wissen dazu sukzessive aufgebaut, der Industrie zur Verfügung gestellt und im Hochschulunterricht integriert werden. Die ETH Zürich bietet Vorlesungen zu Ecodesign an, z.B. im Frühlingssemester die Vorlesung «Ecodesign – umweltgerechte Produktentwicklung» (151-0318-00L). Zudem besteht die Möglichkeit, im schweizweiten Forschungsnetzwerk «Sustainable Engineering Network Switzerland» (www.sustainableengineering.ch) studentische Arbeiten mit verschiedenen Hochschulinstitutionen und der CH-Industrie durchzuführen.

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