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Nachhaltige und saubere Produktion setzen ganzheitliches Denken voraus

Nachhaltigkeit
Nachhaltige und saubere Produktion setzt ganzheitliches Denken voraus

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Der ökologische Fußabdruck spielt auch für Fertigungsbetriebe eine zunehmend wichtige Rolle. Politische Vorgaben wie der European Green Deal forcieren den Übergang zu einer sauberen, kreislauforientierten Wirtschaft. Was das für Fertigungstechniker sowie deren Zulieferer und Ausrüster heißt, beleuchten wir in einer dreiteiligen Serie über nachhaltige Produktion.

» Mona Willrett, Redakteurin Industrieanzeiger

Wir sollten hohe Umwelt- und Sozialstandards nicht als Bedrohung sehen, sondern als Chance“, meint Prof. Christoph Herrmann. „Natürlich müssen sich Produkte und Fertigungsprozesse am Ende rechnen, aber ausschließlich ökonomisch motiviertes Handeln wird künftig weder Innovationen hervorbringen noch zur Standortsicherung beitragen“, ist der Leiter des Fraunhofer-IST und des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) an der TU Braunschweig überzeugt. Das zeige auch der Erfolg vieler Unternehmen, die sich in den letzten Jahren als Innovationsführer etabliert haben – oft gerade, weil sie ihren ökologischen Fußabdruck im Blick hatten.

„Um das große Ziel der ökologischen Nachhaltigkeit zu erreichen, müssen die resultierenden Anforderungen in den Vordergrund rücken“, sagt Herrmann. „Das setzt allerdings voraus, dass wir lernen, die Wechselwirkungen zwischen technisch-wirtschaftlichen Maßnahmen und deren Auswirkungen auf die Umwelt zu verstehen.“ Das sei nicht nur angesichts politischer Vorgaben wie dem European Green Deal zwingend notwendig. Der Wissenschaftler sieht das Ziel, bis Mitte des Jahrhunderts klimaneutral zu produzieren, zwar als ambitioniert, aber durchaus realisierbar. Allerdings erfordere dieser Weg in vielen Köpfen ein Umdenken, denn die bislang übliche Strategie, derartige Herausforderungen möglichst stark zu vereinfachen, habe in der Vergangenheit selten zum bestmöglichen Ergebnis geführt.

Dass dieses Umdenken in der Industrie längst begonnen hat, zeigt eine Reihe von Beispielen. So produzieren der Werkzeugmaschinenbauer DMG Mori oder der Technologiekonzern Bosch nach eigenen Angaben bereits heute CO2-neutral. Bis 2050 sollen selbst jene Wertschöpfungsstufen, die Bosch nicht alleine verantwortet, klimaneutral sein. Vorstandschef Dr. Volkmar Denner sagt: „Es reicht nicht, auf den Klimaschutz zu hoffen. Unternehmen sollten kurzfristig die CO2-Neutralität wagen.“

Alle Produkt-Lebensphasen zählen

Auch Autobauer Daimler hat angekündigt, bis 2039 solle die Pkw-Neufahrzeugflotte CO2-neutral sein – von der Entwicklung über die Rohstoffgewinnung und die Produktion bis hin zur Nutzung und zum Recycling. Schon bei der elektrischen Luxuslimousine EQS, die noch in diesem Jahr auf den Markt kommen soll, wollen die Stuttgarter wichtige Meilensteine setzen – etwa durch den Bezug CO2-neutral hergestellter Batterien. Fast die Hälfte der rund 2000 Lieferanten von Mercedes-Benz Cars soll sich bereits verpflichtet haben, nur noch CO2-neutrale Teile zu liefern. Das zeigt: Zulieferer und Fertigungsunternehmen, die dieses neue Qualitätsmerkmal nicht ernst nehmen, werden es schwer haben.

Doch wenn Politiker und Industrie immer öfter von CO2– oder gar klimaneutraler Produktion reden, dann geht das Herrmann nicht weit genug: „Wenn wir Umweltprobleme nicht von einer Lebensphase eines Produkts in eine andere verschieben wollen, dann lässt sich die Produktion nicht vom gesamten Lebenszyklus trennen.“ Notwendig sei daher ein wissenschaftlich fundierter, objektiver Rahmen, der für neue Produkte eine quantitative Umweltbewertung ermöglicht und Alternativen vergleichbar macht – von der Entwicklung über die Rohstoffgewinnung und die Produktion bis hin zur Nutzung und dem Recycling.

Die Umweltwirkung von Produkten lässt sich laut dem Braunschweiger Forscher mit Ökobilanzen bereits heute in vielen Fällen gut abschätzen. „Von der Methodenseite her sind wir schon gut aufgestellt. Was uns allerdings noch vor echte Herausforderungen stellt, ist die Verfügbarkeit von Daten.“ Deshalb seien zuverlässige Ökobilanzen heute zwar bereits möglich, in der Regel aber – wenn die verfügbaren Informationen über Produkte, Prozesse oder Materialien lückenhaft oder zu wenig aussagekräftig sind – mit einem großen Aufwand verbunden. „Insofern sind Ökobilanzen bislang noch ein Werkzeug, das tendenziell eher größere Unternehmen nutzen“, sagt Herrmann. Zudem fehle angesichts der Vielzahl von Fertigungstechnologien noch ein Ansatz, wie sich Daten in enger Kooperation zwischen Wissenschaft und Industrie qualitätsgesichert erfassen, zusammenführen und bereitstellen lassen.

Handlungsleitfaden für Unternehmen

Das zu ändern, ist das Ziel der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik. Im Frühjahr will die WGP ein Positionspapier veröffentlichen, das jenen Unternehmen, die eine ökologisch nachhaltigere Produktion anstreben, als Handlungsleitfaden dienen soll. Zudem wollen die Initiatoren mit dem Positionspapier auf weiße Felder hinweisen, die es besonders zu beachten gilt. „Zu unseren weiteren Zielen gehört es, diese weißen Felder auf der Karte hin zu einer nachhaltigen Produktion zu schließen“, ergänzt Herrmann, der auch Mitglied der WGP-Arbeitsgruppe „Objektivierung“ und Koordinator des Positionspapiers ist. Diese aufwändige Arbeit müsse sonst von jedem Unternehmen aufs Neue erledigt werden.

„Je tiefer wir einsteigen, umso deutlicher sehen wir, wo noch Lücken bestehen“, sagt der Forscher. „Wir können bereits recht zuverlässig ermitteln, wie viel Energie nötig ist, um ein bestimmtes Material zu gewinnen oder es zu recyceln. Liegen die erforderlichen Daten vor, lässt sich mit unseren Berechnungsmodellen der Einfluss auf den Klimawandel gut abschätzen. Geht es jedoch um andere Umweltwirkungen – etwa die Human- oder die Ökotoxizität, den Wasser- oder den Landverbrauch – dann besteht noch immer Forschungsbedarf. Sowohl hinsichtlich der Modelle als auch der Datenbasis.“ Dazu komme, dass zwischen lokalen und globalen Umweltwirkungen differenziert werden muss. Der Klimawandel ist ein globales Phänomen, Wasser- und Landverbrauch oder der Schadstoffeintrag in Boden, Luft und Wasser sind regionale Effekte. „Hier brauchen wir die lokalen Daten, die nicht immer verfügbar sind“, gibt Herrmann zu bedenken. Diese Betrachtung sei aber wichtig, denn ein Konzept, das in Deutschland funktioniere, könne in einer anderen Region weniger positiv wirken. Doch selbst wenn die entsprechenden Daten vorliegen, besteht noch immer die Herausforderung, sie so aufzubereiten, dass sie ingenieurwissenschaftlich nutzbar und zielgruppengerecht zu visualisieren sind. Erst dann ist eine sinnvolle Interpretation möglich.

Als eine der größten nationalen wissenschaftlichen Gesellschaften im Bereich der Produktion, verfügt die WGP über eine sehr gute Ausstattung und Infrastruktur. Die angeschlossenen Institute arbeiten eng mit der Industrie zusammen und können insofern auf eine breite Datenbasis zugreifen. „Gleichzeitig können wir innerhalb der WGP einen Qualitätssicherungsstandard implementieren, indem die einen Kollegen die Daten erheben und andere diese Informationen anschließend einem kritischen Review unterziehen“, erläutert Herrmann. Der Forscher betont, das Positionspapier solle keine statische Vorgabe sein, sondern ein dynamischer Leitfaden, der mit wachsendem Kenntnisstand immer wieder aktualisiert wird.

Modelle liefern Vergleichsdaten

Für die aufwändigen Bilanzen müssen die Forscher eine Vielzahl von Produkt- und Produktionsparameter berücksichtigen. Ohne computerunterstützte Modellberechnungen ist das nicht möglich. Deshalb arbeiten die Wissenschaftler mit dem sogenannten Integrated Computational Life Cycle Engineering. Das IC-LCE koppelt Modelle der Produktion mit solchen, die die Nutzungsphase beschreiben oder Aussagen über das Recycling eines Produkts liefern. Damit können die Experten die Life Cycle Performance neuer Produkt- und Produktionstechnologien abschätzen und sowohl technisch-wirtschaftliche Kenngrößen – etwa die Lebenszykluskosten – als auch ökologische Effekte bewerten. „Heutige Computer und Software-Werkzeuge sind leistungsfähig genug, um selbst komplexe Gesamtmodelle integrativ zu modellieren und zu simulieren“, erklärt Herrmann, der seit Jahren in diesem Bereich forscht. „Selbst verschiedene Hintergrundsysteme, die technologische, geographische oder zeitliche Variablen berücksichtigen, lassen sich abbilden und ermöglichen so anwendungsnahe Forschung.“

Belastungen nicht nur verschieben

Um die Gefahr zu bannen, mit einer gut gemeinten Maßnahme schädliche Wirkungen von einem Bereich in einen anderen zu verschieben – etwa von der Produktion ins Recycling oder von der Nutzung in die Rohstoffgewinnung –, müssen Entwickler

  • den gesamten Lebenszyklus eines Produkts betrachten,
  • sämtliche Wirkungskategorien untersuchen sowie
  • Vorder- und Hintergrundsystem berücksichtigen.

Zum Vordergrundsystem gehören die Produkte und Leistungen, die ein Unternehmen herstellt oder anbietet und somit direkt verantwortet. Teil des Hintergrundsystems ist beispielsweise der Energiekreislauf von der Herstellung eines Produkts über dessen Nutzung bis hin zur Entsorgung.

Beide Systeme hängen eng zusammen. Das zeigt auch das Beispiel Elektromobilität. Wird ein E-Auto in einer Region betrieben, in der Strom aus Kohle erzeugt wird, ist mit Blick auf die Emissionen am Ende nichts gewonnen. „Hinzu kommt, dass etwa beim VW ID3 mehr als 43 Prozent des von der Fahrzeugherstellung verursachten CO2-Äquivalents auf die Batterie entfallen. Eine nachhaltige Batteriefertigung ist also elementar für eine gesunde Ökobilanz der Elektromobilität“, betont Herrmann.

Doch die Umweltverträglichkeit batterieelektrischer Fahrzeuge hängt nicht nur von der Art der Stromerzeugung sowie von der Produktion, dem Recyceln oder der Entsorgung des Energiespeichers ab. Durch die neue Art der Mobilität steigt der Bedarf an Lithium massiv. Dessen Gewinnung zerstört jedoch das Ökosystem in den südamerikanischen Abbaugebieten und lässt die Bevölkerung arm, ohne Grundwasser und mit verseuchten Böden zurück. Auch das muss in die Bilanzen einfließen, die den E-Antrieb mit modernen Verbrennungsmotoren vergleichen.

Herrmann betont: „Es ist zu bequem, wenn wir Ingenieure uns darauf berufen, die Herstellung unserer Produkte nachhaltig gestaltet zu haben und für die Auswirkungen durch deren Einsatz nicht verantwortlich zu sein.“ Im Fall der Elektromobilität könne eine Konsequenz lauten, E-Autos nur dort zu verkaufen, wo der Strom für deren Antrieb aus regenerativen Quellen stammt.

Um die Ökobilanz batterieelektrischer Fahrzeugantriebe zu optimieren, arbeiten Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung an alternativen Lieferquellen für Lithium. Sie wollen das reaktive Alkalimetall aus den Geothermalwässern des Oberrheingrabens gewinnen. Bei rund 8000 Betriebsstunden jährlich soll die Pilotanlage im Geothermiekraftwerk in Bruchsal künftig Lithium für etwa 20.000 Batterien liefern.

Angesichts der Vielzahl an Stellschrauben lassen sich jene, die das größte Verbesserungspotenzial versprechen, nur mithilfe Computer-unterstützter Experimente finden. Integrated Computational Life Cycle Engineering hilft Experten, sehr schnell und mit überschaubarem Aufwand viele unterschiedliche Szenarien zu simulieren und so herauszufinden, an welcher Stelle die größten Effekte zu erzielen sind. „Wir dürfen unsere Kraft und Zeit nicht für Maßnahmen verschwenden, die zwar gut klingen und einfach umzusetzen sind, deren Wirkung aber überschaubar bleibt“, mahnt Herrmann. Solche Modell-Untersuchungen seien in einigen großen Unternehmen bereits im Einsatz, berichtet der Forscher. „Wir müssen allerdings dahin kommen, dass diese Werkzeuge auch für Unternehmen beherrschbar sind, die keine eigene Abteilung fürs Life Cycle Engineering haben.“ Aber selbst dann werde den Betrieben ein gewisses Maß an Kompetenzaufbau nicht erspart bleiben.

Nachhaltig durch neue Geschäftsmodelle

Prof. Matthias Kleiner, Präsident der Leibniz-Gemeinschaft, betont: „Wir stehen vor globalen Herausforderungen, die hochkomplexe Fragen aufwerfen. Um Antworten darauf zu finden, brauchen wir exzellente innovative Forschung.“ Dabei würden einzeln agierende Disziplinen schnell an Grenzen stoßen. Deshalb seien gerade jetzt gemeinschaftliches Handeln und wechselseitige Inspiration wichtig. In interdisziplinären Gruppen würden alte Gewissheiten eher hinterfragt, und nur das führe zu jenen radikalen Entdeckungen, die wir dringend benötigen, um die Herausforderungen einer globalisierten Welt zu bewältigen. Zudem sei das die zentrale Strategie, um Deutschland zukunftsfähig zu halten.

Obwohl die Schnittstellenkompetenz in der Kommunikation zwischen verschiedenen Disziplinen im Life Cycle Engineering durchaus noch verbessert werden könne, habe sich hier in den letzten zehn Jahren schon viel bewegt, sagt Christoph Herrmann. „Life Cycle Engineering ist zwar noch eine junge Disziplin, aber wir merken, dass Absolventen zunehmend Werkzeuge wie die Ökobilanzierung in die Unternehmen tragen und so das Verständnis wächst.“

Produktionsferne Disziplinen wie die Meteorologie oder die Geologie lassen sich relativ gut in eine Ökobilanzierung einbinden, weil Fertigungsingenieure deren Modelle – die beispielsweise das Klima beschreiben – nutzen können, ohne sich in deren Details auszukennen. Dennoch ist ein Grundverständnis für die Materie wichtig, um die Ergebnisse sinnvoll interpretieren zu können.

Reparieren ist nachhaltiger als entsorgen

Im Sinne der Nachhaltigkeit sollten Produkte künftig wieder vermehrt so gestaltet werden, dass sie reparierbar sind, am Ende ihres Lebens recycelt und die Rohstoffe einem geschlossenen Kreislauf zugeführt werden können. Letzteres ist bislang nur eingeschränkt möglich, weil die Qualität recycelter Materialien nicht jener der ursprünglichen Werkstoffe entspricht. Auch hier sieht Herrmann noch Entwicklungsbedarf. Ob sich all das umsetzen lässt, hängt laut dem Forscher von künftigen Geschäftsmodellen ab. „Je besser wir es schaffen, beim Verbraucher die Funktion eines Produkts in den Fokus zu rücken, statt wie bisher den Wunsch, es zu besitzen, umso eher wird es gelingen, mit robusteren Produkten am Markt erfolgreich zu sein.“ Sharing-Konzepte seien ein Weg, Produkte besser auszulasten und damit ihren Nutzungsgrad zu erhöhen. Und clevere Finanzierungsmodelle könnten dazu beitragen, dass es auch für einkommensschwächere Gruppen erschwinglich und attraktiv wird, hochwertigere Produkte zu nutzen, statt Billigware zu kaufen, die oft bereits nach einer kurzen Nutzungsdauer entsorgt wird. „Effizienz und Innovation weiterhin ausschließlich unter dem Gesichtspunkt ständig steigenden Outputs zu sehen, wird langfristig jedenfalls nicht zum Erfolg führen“, ist der Institutsleiter überzeugt.

Angesichts der enormen Datenmengen, die mit umfassenden Ökobilanzierungen und dem IC-LCE-Ansatz verbunden sind, stellt sich die Frage nach den Negativ-Effekten der Digitalisierung, die zumindest kompensiert werden müssen, um einen Nutzen zu erzielen. Hier gibt es laut Christoph Herrmann keine pauschale Antwort. „Weil wir immer mehr Ökostrom nutzen, wird die Digitalisierung aber auch immer grüner.“ Zudem arbeiten Forscher daran, das Problem des Elektroschrotts in den Griff zu bekommen. So ist es Wissenschaftlern des KIT gelungen, bioabbaubare Displays zu produzieren. Das zeigt: Es ist möglich, aus überwiegend natürlichen Materialien nachhaltige Displays herzustellen, die sich am Ende ihres Lebens kompostieren lassen.

Erneuerbare Energie als Standortvorteil

Produktionsforscher Herrmann geht davon aus, dass künftig klimatische und geografische Kriterien bei der Auswahl von Produktionsstandorten mitentscheiden. So werde man Serverfarmen immer eher in kalten Regionen errichten. Der Wissenschaftler gibt zu bedenken: „Wenn wir in Deutschland über den Sinn und Nutzen von erneuerbaren Energieformen diskutieren, wird eines oft vergessen: Die dafür erforderliche Infrastruktur wird künftig ein erheblicher Standortvorteil sein. Soll beispielsweise die Automobilindustrie klimaneutral produzieren, dann kann sie das nur dort, wo Ökostrom in ausreichender Menge zur Verfügung steht.“

Dass die Debatten über Nachhaltigkeit oft eher emotional als rational geführt werden, liege an der fehlenden objektiven Diskussionsgrundlage. „Um das zu ändern, müssen wir bereits in den Schulen und Hochschulen das nötige Wissen vermitteln, damit ein breiter Teil der Bevölkerung wieder qualifiziert an der Diskussion teilnehmen kann“, mahnt Herrmann. Insgesamt sieht er Deutschland aber gut aufgestellt. „Wir haben ein gemäßigtes Klima und gleichzeitig bereits eine gute Basis für erneuerbare Energie. Diese Standortvorteile sollten wir nutzen und ausbauen.“

Kontakt:

Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST
Bienroder Weg 54E
38108 Braunschweig
www.ist.fraunhofer.de

Technische Universität Braunschweig

Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)

www.tu-braunschweig.de/iwf

www.sustainable-manufacturing.com

Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik e.V. – WGP
c/o Werkzeugmaschinenlabor WZL der
Campus-Boulevard 30
52074 Aachen

www.wgp.de

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Kaiserstr.12
76131 Karlsruhe
www.kit.edu

Um Umweltwirkungen eliminieren zu können, müssen zunächst ihre tatsächlichen Ursachen gefunden werden. Dabei hilft die Ökobilanz.
Bild: WZL/IPT

Im blick

Nachhaltigkeit umfasst viel mehr als das Schonen von Ressourcen und Umwelt. Soziale und Wirtschaftliche Aspekte sind ebenso wichtig.


Serie „Nachhaltige Produktion“

Verantwortung zu übernehmen für den eigenen ökologischen Fußabdruck – das wird auch für produzierende Unternehmen immer wichtiger. Schon heute verlangen einige Großkunden von ihren Lieferanten den Nachweis, dass die gelieferten Teile oder Produkte CO2-neutral hergestellt wurden. Was das für Fertigungsbetriebe bedeutet, beleuchten wir in unserer dreiteiligen Serie „Nachhaltige Produktion“. Dabei fokussieren wir uns auf folgende zentrale Fragen:

  • Teil 1, Industrieanzeiger 3-2021:
    Reicht es, die Fertigung zu optimieren, oder ist ein ganzheitlicher Ansatz wichtig?
  • Teil 2, Industrieanzeiger 5-2021:
    Wie können Fertigungsbetriebe ihr eigenes Handeln nachhaltiger gestalten?
  • Teil 3, Industrieanzeiger 8-2021:
    Wie verhelfen Fertigungsausrüster ihren Kunden zu mehr Nachhaltigkeit und zu nachhaltigeren Produkten?

Mona WillrettRedakteurin Industrieanzeiger
Bild: Tom Oettle

Nachhaltig handeln

Nachhaltiges und umweltschonendes Handeln ist in unser aller Interesse. Allerdings erfordert es ganzheitliche Ansätze, um die tatsächlichen Ursachen für Umweltwirkungen zu finden. Mitunter zeigt sich dann, dass vermeintlich umweltfreundliche Technologien und Lösungen manchmal gar nicht so sauber sind. Ideologiegetriebene Forderungen sind jedenfalls wenig hilfreich. Vielmehr brauchen wir neutrale Untersuchungen, um jene Stellschrauben zu finden, die den größten Nutzen versprechen.



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