Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst

Rainer ZüstDr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien,

Schweizerisches Institut für Systems EngineeringE-Mail: [email protected]: www.swissinstitute.ch

Umweltmanagement


Rainer Züst

• Dr. sc. techn., Dipl. Masch. Ing. ETH

• 1993 – 1999 Assistenzprofessor für Betriebswissen-schaften an der ETH Zürich, seit 2000 Gastprofessor an der TU Wien

• 2001 – 2004 Mitglied der Geschäftsleitung der ETHags – Center for Sustainability at ETH Zurich

• Mitinhaber „Schweizerisches Institut für Systems Engineering“ (www.swissinstitute.ch)

• Autor diverser Bücher


Beispiele von aktuellen Projekten

Reorganisation der kantonalen Verwaltung

Ausbildung Gesamtprojektleiter Bereich Haustechnik

Ecodesign für eine Business-Area

Ecodesign sowie WEEE & RoHS-Umsetzung

Ecodesign-Workshops

Ecodesign-Implementierung und Schulung

Umsetzung EUP bei Agfa HealthCare

Diverse Vorlesungen und Kurse


Arbeitsbereich „Systems Engineering“

Systems Engineering ist eine systematische Denkweise und Methodik zur Lenkung von Problemlöseprozessen im Kontext anspruchsvoller sozio- technischer Fragestellungen.

Vorlesung u.a. an der ETH Zürich Kurse für Wirtschaft, Methodik- beratung in der Wirtschaft

(io Verlag 2004)

(io Verlag 2002)


Arbeitsbereich „Ecodesign“

ECODESIGN (umweltgerechte Produktentwicklung; - Buch mit CD-ROM, Um- setzungsleitfaden, eLearning; - Tools auf www.ecodesign.at

Vorlesung ETH Zürich, Kurse für die Wirtschaft, Beratung von Unternehmen

(io Verlag 2001)

(Kluwer 2002)


Arbeitsbereich „Produktentwicklung“

Produktentwicklung- und Innovationsprozesse, Prozessmanagement, Integration von Ecodesign

Diverse Mandate in der Wirtschaft, Beratung von Unternehmen

(Springer 2004)


Einstieg: Wachstumsfalle

• Bevölkerungswachstum• Steigender Ressourcenverbrauch• Zunahme an sozialen und gesellschaftlichen

Konflikten


Bevölkerungswachstum weltweit

0

2

4

6

8

10

12

14

16

2000 2010 2020 2030 2040 2050

weakmiddlehighconstantB

illio

n pe

ople


Getreideproduktion weltweit

0200400600800

100012001400160018002000

1950 1960 1970 1980 1990 1998

Prod./P. kgWorldprod. T


Verfügbares Trinkwasser pro Person weltweit

2500023500

22000

20000

1750016000

13500

11500

90008000

6500

0

5000

10000

15000

20000

25000

Available drinking water/person world average

m3/Pers.

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000


Energieverbrauch weltweit

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200

50

100

150

200

250

Oil

Natural Gas

Coal

Renewables

Nuclear

History Projections

[Source: EIA, International Energy Outlook 1999]


Weitere Zahlen

• jährlich Ausgaben, damit alle Menschen Zugang zu sauberem Wasser haben: 9‘000‘000‘000 US$

• Jährliche Ausgaben für Zigaretten/Tabak im EU-Raum: 50‘000‘000‘000 US$

• Jährliche Ausgaben für Verteidigung weltweit: 780‘000‘000‘000 US$

• Wert der täglichen Geldtransaktionen an weltweiten Kapitalmärkten: 1‘100‘000‘000‘000 US$

[Basis: UNDP Development Report 1998]


Ziel einer Nachhaltigen Entwicklung

Nachhaltige Entwicklung hat zum Ziel, mit einem intelligenten Einsatz der verfügbaren Ressourcen einen möglichst großen Nutzen für alle beteiligten Akteure (entlang der Wertschöpfungskette) und Zufriedenheit der Kunden und Konsumenten sowie der Gesellschaft bei minimaler Umweltbelastung und unter sozial fairen Bedingungen zu erzielen.


„Die Falle der zu engen Systemgrenzen“

[Quelle: Luttropp & Züst 1998]


Ziel von Ecodesign

Legalität: Einhaltung relevanter Gesetze / Ver-ordnungen (z.B. WEEE, RoHS, ISPM 15, …)Legitimität: Firmen-Image, Produkt-Image, ..Innovation: andere und breitere Sichtweise (Quer-denken), umfassendere Analyse, neue Ideen / umfassendere LösungssyntheseKostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcen-managementMotivation Mitarbeitende: Wahrnehmen von Verantwortung, effizientere Prozesse


Attraktive Handlungsfelder

Legalität: Einhaltung relevanter Gesetze / Ver-ordnungen (z.B. WEEE, RoHS, ISPM 15, …)Legitimität: Firmen-Image, Produkt-Image, ..Innovation: andere und breitere Sichtweise (Quer-denken), umfassendere Analyse, neue Ideen / umfassendere LösungssyntheseKostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcen-managementMotivation Mitarbeitende: Wahrnehmen von Verantwortung, effizientere Prozesse

Innovation: andere und breitere Sichtweise(Querdenken), umfassendere Analyse, neue Ideen / umfassendere LösungssyntheseKostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcenmanagement


Sozialverträgliche und umweltschonende ProdukteVerbesserungsmassnahmen, wie sie im Folgenden diskutiert werden, sollen primär zur Sicherung von Wettbewerbsvorteilen beitragen.

Im Zentrum stehen:

- neue (innovativere) Produktideen (d.h. auch „Product-Service-Systems),

- Rationalisierungspotenziale und

- Kostenreduktionen.


Verfügbare Tools / Methoden

• ECODESIGN PILOT: Buch, in englisch und deutsch (demnächst in japanisch), mit CD-ROM (inkl. Lern- teil) oder online: www.ecodesign.at/pilot (5 Sprachen)

• Assistent – Umweltorientierte Bewertung von Produkten; online: www.ecodesign.at/assistent

• Umsetzungsleitfaden (ECODESIGN Implemen- tation, Springer Verlag, 2004)

• eLearning-Kurs: Universitätslehrgang der TU Wien www.ecodesign.at/ulg


Ecodesign - Beispiele

- Stellmotoren (Sonnenstoren, Klimaanlagen)- Waschmaschine- Spülkasten


Beispiel Belimo

[Quelle: Belimo]


Hebelwirkung Ecodesign

Skalierung: 700'000 LM vs. KEZO-Energie(betriebliche Umweltmassnahme vs. ökologische Produktgestaltung)

0

1'000'000

2'000'000

3'000'000

4'000'000

5'000'000

Öl-Einsparung: Absenkung bei LM-Linie pro Jahr

Öl-Einsparung:Bezug von KEZO-Wärme pro Jahr

Lite

r ÖL

Einsparung durch(Eco-)Design

Wärmebedarf am Standort

[Quelle: Belimo]


Life-Cycle-Thinking und Bewertung

- Lebensphasen eines Produkts: Rohmaterialien, Herstellung, Distribution, Nutzung, Entsorgung- Umweltorientierte Bewertung, z.B. kumulierter Energieanalyse oder „screening LCA“: GAP-Analyse- Einflüsse von Beteiligten und Betroffenen, insbesondere in der Nutzung: Modellierung eines „sozio-technischen“ Systems (Nutzungsszenarien!!)- ausserordentliche Betriebszustände, Ausfälle, Störfälle, Schäden, …: Risiko-Betrachtungen


Life-Cycle-Thinking und Bewertung

- Lebensphasen eines Produkts: Rohmaterialien, Herstellung, Distribution, Nutzung, Entsorgung- Umweltorientierte Bewertung, z.B. kumulierter Energieanalyse oder „screening LCA“: GAP-Analyse- Einflüsse von Beteiligten und Betroffenen, insbesondere in der Nutzung: Modellierung eines „sozio-technischen“ Systems (Nutzungsszenarien!!)

- ausserordentliche Betriebszustände, Ausfälle, Störfälle, Schäden, …: Risiko-Betrachtungen

Kostenabschätzungen


Life-Cycle-Costing:Beispiel Waschmaschine

Ein Waschmaschine kostet 3‘000.- Sfr. und ermöglicht 10‘000 Waschzyklen (in 15 Jahren). Für einen Wasch-zyklus werden ca. 50 l Wasser, 1 kWh Strom und 50 g Waschpulver benötigt:


Life-Cycle-Costing:Beispiel Waschmaschine

Ein Waschmaschine kostet 3‘000.- Sfr. und ermöglicht 10‘000 Waschzyklen (in 15 Jahren). Für einen Wasch-zyklus werden ca. 50 l Wasser, 1 kWh Strom und 50 g Waschpulver benötigt:

500‘000 Liter Wasser, respektive ca. 2‘500.- Sfr. 10‘000 kWh Strom, respektive ca. 2‘000.- Sfr. 500 kg Waschpulver, respektive ca. 2‘000.- Sfr. plus Service / Unterhalt im Umfang von 1‘500.- Sfr.

Lösungsansatz: effizienterer Waschprozess


Beispiel V ZUG:Waschmaschinen

[Quelle: V ZUG]


Life-Cycle-Costing:Beispiel Spülkasten

Ein Spülkasten kostet 400.- Sfr. und ermöglicht Spülvorgänge. Für einen Spülvorgang braucht es 8 Liter Wasser.


Life-Cycle-Costing:Beispiel Spülkasten

Ein Spülkasten kostet 400.- Sfr. und ermöglicht 100‘000 Spülvorgänge (20 Spülvorgänge pro Tag über ca. 30 Jahre). Für einen Spülvorgang braucht es 8 Liter Wasser: 1‘600‘000 Liter Wasser, respektive ca. 8‘000.- Sfr.

Lösungsansatz: effizienterer Spülvorgang, z.B. 2-Mengen-Spülkasten

[Quelle: Geberit]


Frühe Planungsphase entscheidend


Erkenntnis daraus

1. Bedeutung der Produktentwicklung2. Frühe Planungsphase entscheidend3. Fokus auf Produkte / Product- Sercice-Systems (und nicht nur auf Standort)

Produktion / Standort

Produkte / Dienstleistungen


Ein praktisches Beispiel

Wo treten die grössten Umweltbelastungen auf? Und wie würden Sie die Zitruspresse unter ökologischen Aspekten verbessern ?

Zitruspresse: 1.3 kg, Lebensdauer 80 h, 30 WMaterialien: Kunststoff (PP, ABS), Cu and PVC (Kabel), Stahl und Eisen (Motor)


• Eine Familie produziert täglich 0.1 Liter Saft;• Für 0.1 Liter Saft werden 0.3 kg Orangen benötigt; • Lebensdauer 4 Jahre: 120 Liter Orangensaft, respektive 360 kg Orangen;• 120 mal Abwaschen: 330 Liter Wasser• 1m3 Wasser für Produktion von 1 kg Orangen, respektive 360‘000 Liter Wasser• Transport: 12'000 km per Schiff, 1'100 km mit LKW

Annahmen


Niki Bay: „The Oil Point Method – A Tool for Indicative Environmental Evaluation in Material and Process Selection“, ISBN 87-90855-09-4

Energiewert-Tabelle


Energieverbrauch für 1 Liter Orangensaft

0.8 MJ Material (Zitruspresse) 0.2 MJ Produktion (Zitruspresse) 0.003 MJ Distribution (Zitruspresse) Nutzung: 5.4 MJ Bewässerung Pflanzen14.1 MJ Transport der Orangen 0.002 MJ Energieverbrauch Presse: 0.01 MJ Abwaschen Gerät 0.3 MJ Geräteentsorgung

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20 MJ


Ecodesign-Massnahme:Optimierung Pressvorgang

Trennen von Frucht und Saft


Kettle – Wie verbessern?


1. Life-Cycle-Thinking; Produktmodell (basierend auf Umweltparametern) / Systemabgrenzung

2. Umwelt-orientierte Bewertung: ökologische Stärken und Schwächen

3. Suche und Auswahl von Verbesserungsstrategien / Verbesserungsmassnahmen

4. Umsetzen der Massnahmen in der Produkt-entwicklung

5. Kommunikation der Resultate (nach Innen und Aussen)

Ecodesign:Das Vorgehen


1. Schritt: Life-Cycle-Thinking


2. Schritt: Umweltorientierte Bewertung

Umwelt-orientierte Schwachstellen:1. ökologie-orientierte Betrachtung (z.B. mittels LCA

und LCA-ähnlichen Tools/Methoden)2. Stakeholder-orientierte Betrachtung (z.B. umwelt-

orientiertem QFD)3. Benchmarking (z.B. mittels gezielten Quer-

vergleichen)


Umweltbewertung

[Wimmer, Züst, Lee (2004)]

Raw material

Manufacture

Distribution

Product Use

End of Life

GWAD

EUPOC

ARD

-10,00%

0,00%

10,00%

20,00%

30,00%

40,00%

50,00%

60,00%

70,00%

Weighted impact over the product life cycle

GWADEUPOCARD

Global warming (GW)Ozone layer depletion (OD)Acidification (AD)Eutrophication (EU)Photochemical oxidant creation (POC)Abiotic resource depletion (ARD)


Kumulierte Energieanalyse (KEA)

-100.000.00

100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00

Ener

giea

ufw

and

für

Roh

stof

fgew

innu

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Ener

giea

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stel

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Ener

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and

für

Betri

eb

Ener

giea

ufw

and

für

Rec

yclin

g

MJ


Environmental Benchmarking



Environmental Quality Function Deployment



Vorgehen

1. Life-Cycle-Thinking2. Ökologische Schwachstellen aus umwelt-

orientierter Analyse, Stakeholder-Analyse sowie Benchmarking ( ökologischer Handlungsbedarf)

3. Suche und Auswahl von Verbesserungsstrategien und Verbesserungsmassnahmen




ECODESIGN PILOT

CD-ROM

[Wimmer, Züst (2002)] [www.ecodesign.at/pilot]

http://www.ecodesign.at/pilot/ONLINE/DEUTSCH/


Ecodesign-Assistent

[www.ecodesign.at/assistent]


Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (l)


Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (ll)


Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (lll)


Vorgehen

1. Life-Cycle-Thinking2. Ökologische Schwachstellen aus umwelt-

orientierter Analyse, Stakeholder-Analyse sowie Benchmarking ( ökologischer Handlungsbedarf)

3. Suche und Auswahl von Verbesserungs-strategien und Verbesserungsmassnahmen




Erfahrungen aus der Praxis

1. Klare Systematik2. Neue Erkenntnisse und Ideen durch das Life-

Cycle-Thinking3. Dreiteilige Umweltanalyse4. Moderierte Workshops5. Massnahmen in der Sprache der Entwickler6. Einfache Integration in Entwicklungsprozesse7. Keine Widerspruch zwischen ökonomischen und

ökologischen Zielsetzungen


Life-Cycle-Thinking

[Wimmer, Züst 2001]


Ökologische Schwachstellen

Input-Output-Analyse. U.a. mit zwei Umwelt-beziehungen(Ressourcen-entnahme und Emissionen)

[Wimmer, Züst 2001]


Beispiele (l)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Rohstoffe Herstellung Distribution Nutzung NachGebrauch

SchiffFlugzeug


Beispiele (ll)

0

2

4

6

8

10

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18

20

Rohstoffe Herstellung Distribution Nutzung NachGebrauch

SchiffFlugzeug


Abschätzen von Umweltbelastungen (l)

z.B. mit Methode MET:- Material (Menge, …)- Energie (kumulierter Energieaufwand, Grauenergie)- Toxische Stoffe

Beispiel mit KEA (kumulierter Energieaufwand)


Abschätzen von Umweltbelastungen (ll)

Energieaufwand für einen „Elementarprozess“:z.B. für „Herstellung von 1 kg Kunststoff“Oder „Verarbeiten von 1 kg Kunststoff (Spritzgiessen)


Energy Values




Umweltbewertung:Zwei Möglichkeiten

via Indikatoren:– ecological footprint [m²]– SPI [m²]– MIPS [kg]– KEA [kWh; MJ]

via Effekte:– life-cycle-analysis LCA [z.B. ISO 14001...]– Eco-Indicator 95, 99 [mpoints]– UBP [BUWAL-Schriftenreihe]; – www.ecoinvent.ch


Schädigungs- und Berechnungsmodell

[source: Pre Consultants B.V.]


Indikatoren (Eco-Indicator)

[source: Pre Consultants B.V.]


LCA - Probleme

1. Die Resultate einer vollständigen LCA ist schwierig zu interpretieren (Treibhauseffekt, Smog, ...)

2. Im Allgemeinen ist die Datensammlung für eine LCA sehr umfangreich, komplex und zeitintensiv. Deshalb sind LCA nur bedingt möglich in einem Design-Prozess.


Aufgabe: Waschmaschine

• Beschreiben Sie in einem Satz eine Waschmaschine (funktions-orientiert)!

• Notieren Sie Ideen, wie die Maschine zu verbessern wäre!

• Schätzen Sie die Massen in den einzelnen Lebens-abschnitten ab!

• Führen Sie ein Kurz-Bewertung durch (z.B. mit Kosten, oder dann mit KEA)!

• Wo sind die Schwachstellen?• Wie würden Sie die Maschine verbessern? Vergleichen

Sie dies mit Ihren Vermutungen!



Ausblick

Mögliche Schritte zu neuen, zukunftsfähige und zugleich innovativen Lösungen :• Denkweisen: Effizienz - Effektivität - Suffizienz • Schadstoff liegt vor: Filtern, reduzieren, wieder verwenden und ver- meiden • Lösung liegt vor: „face lifting“, „re-design“, „re-think“ und „business innovation“ (respektive entsprechende S-Kurven)


Verbesserungen am (bestehenden) Produkt Einzelne Teile und Baugruppen werden verändert. Typischerweise werden toxische Stoffe ersetzt, Umwelt belastende Materialien reduziert und Herstellungsprozesse optimiert.

Face Lifting (l)


Beispiel „Face Lifting“

Beispiel Aluminiumstuhl, bei dem durch die Verwendung von gerippten Blechen weniger Material verwendet wird.


Neugestaltung des ProduktesDer ganze Lebenszyklus wird nun betrachtet und optimiert. Der Fokus liegt immer noch auf dem bestehenden Produkt respektive auf den gewählten Funktionsprinzipien.

„Re-Design“


Beispiel „Re-Design“

Beispiel Waschmaschine, die nun über verbesserte Waschprogramme, optimierte Unterhalts- und Service-Möglichkeiten sowie Sensoren zur Steuerung des Waschprogramms verfügt.

[Quelle: www.vzug.com]


Realisierung neuer FunktionsprinzipienEs werden auch die Funktionsprinzipien respektive die Funktionen an sich in Frage gestellt und allenfalls durch neue ersetzt.

„Re-Think“


Beispiel Haushaltgeräte von James Dyson. Die neue Waschmaschinen-generation besitzt eine 2-Trommel-Technologie und ermöglicht somit neuartige Waschprozesse.

[Quelle: www.dyson.com]

Beispiel „Re-Think“


Verbesserung des ganzen ProduktsystemsDer ganze Bereich der Leistungserbringung entlang der Wertschöpfungsketten - inklusive der angebotenen Produkte und/oder Dienstleistungen sowie Infrastrukturen und beteiligte Institutionen und Personen - wird betrachtet und durch ein neues System ersetzt.

„Business Innovation“


Beispiel „Business Innovation“

Leistung verkaufen anstatt physische Produkte , z.B. „Product Sercice Systems“, „Performance Contracting“, …

Beispiel: Mobility CarSharingDiversified Easy and convenient Ecologically soundEquipped for the future


Framework for Ecodesign

Effizienz der Technologie

Effektivität der Organisation

Kulturelle Bereitschaft

Umweltgerechte Lösungen: Was ist zu berücksichtigen?

Umweltgerechte ProdukteRealität oder Utopie?


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !

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