Handbuch Nachhaltige Produktion (eBook)

Prof. Dr.-Ing. Michael F. Zäh ist seit 2002 Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik und Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München. Von 1996 bis 2002 war er bei einem Werkzeugmaschinenhersteller in mehreren Funktionen tätig, zuletzt als Mitglied der erweiterten Geschäftsleitung.

Inhalt 7
Vorwort 17
Über den Herausgeber 19
Autorenverzeichnis 21
1 Motivation und Annahmen zur nachhaltigen Produktion 25
1.1 Begriff, Historie und Dimensionen der Nachhaltigkeit 25
1.1.1 Begriff und Historie 25
1.1.2 Dimensionen der Nachhaltigkeit 27
1.1.3 Weitere allgemeine Überlegungen zur Nachhaltigkeit 28
1.2 Leistungshemmung: Warum nicht nachhaltig gehandelt wird 30
1.2.1 Individuelle, gesellschaftliche und wirtschaftliche Hemmungen 30
1.2.2 Priorisierung der nachhaltigen Entwicklung 33
1.3 Leistungssteigerung: Wie Nachhaltigkeit Werte schafft 37
1.3.1 Unternehmerische Nachhaltigkeit 38
1.3.2 Die Rolle der Produktion 40
1.3.2.1 Die Produktion und ihre Rolle in der nachhaltigen Entwicklung 40
1.3.2.2 Strategien zur Umsetzung nachhaltiger Entwicklung in der Produktion 41
1.3.3 Die Rolle der Produktionswissenschaft 43
TEIL A Gestaltung der nachhaltigen Produktion 49
2 Nachhaltigkeitsbewertung von Produkten und in Unternehmen 51
2.1 Einführung in die Nachhaltigkeitsbewertung 51
2.1.1 Absolutes Nachhaltigkeitsverständnis 51
2.1.2 Lebenszyklus-Perspektive 53
2.2 Nachhaltigkeitsbewertung von Produkten 54
2.2.1 Ökobilanzierung (LCA) 54
2.2.1.1 Ziel und Untersuchungsrahmen 54
2.2.1.2 Sachbilanz 56
2.2.1.3 Wirkungsabschätzung 57
2.2.1.4 Auswertung 59
2.2.1.5 Zusammenfassung 59
2.2.2 Produktkategorieregeln 60
2.2.3 Vereinfachte Methoden: ökologische Fußabdrücke 60
2.2.3.1 Carbon Footprint 60
2.2.3.2 Wasser-Fußabdruck 60
2.2.4 Methodische Rahmen zur Ökobilanzierung 61
2.2.4.1 Umweltdeklarationen 61
2.2.4.2 Product Environmental Footprint 61
2.2.5 Absolute Environmental Sustainability Assessment (AESA) 62
2.2.6 Soziale Lebenszyklusbewertung (S-LCA) 63
2.2.7 Ökonomische Nachhaltigkeitsbewertung, Lebenszykluskostenrechnung (LCC) 63
2.2.8 Integrierte Nachhaltigkeitsbewertung 65
2.3 Software und Datenbanken für die Nachhaltigkeitsbewertung 66
2.3.1 LCA-Software 66
2.3.1.1 Typen von LCA-Software 66
2.3.1.2 Beispiele vollumfänglicher LCA-Software 66
2.3.1.3 Beispiele spezialisierter LCA-Software 67
2.3.1.4 Aktuelle Weiterentwicklungen aus der Forschung 67
2.3.2 Sachbilanzdatenbanken für LCA 68
2.4 Nachhaltigkeitsmanagement in Unternehmen 69
2.4.1 Nachhaltigkeitsmanagement 69
2.4.2 Umweltmanagement nach ISO 14001 71
2.4.3 Ökobilanz als Instrument zum Umwelt- und Nachhaltigkeitsmanagement 72
2.4.4 Normung und Standardisierung 73
3 Nachhaltige Gestaltung von Produkten 77
3.1 Gesetzliche Rahmenbedingungen 78
3.1.1 EU-Ökodesign-Richtlinie (2009/125/EG) 78
3.1.2 Energieverbrauchsrelevante-Produkte-Gesetz (EVPG) 79
3.1.3 Weitere relevante Gesetzgebungen 80
3.2 Nachhaltigkeitsperspektiven in der Produktgestaltung 80
3.2.1 Lebenszyklusperspektive 81
3.2.2 Materialperspektive 82
3.2.2.1 Sekundärmaterialien 83
3.2.2.2 Nachwachsende und bio-basierte Materialien 84
3.2.2.3 Biologisch abbaubare Materialien 85
3.2.2.4 Unschädliche Materialien 86
3.2.3 Verwertungsperspektive 86
3.2.3.1 Mechanisches Recycling 86
3.2.3.2 Chemisches Recycling 87
3.2.3.3 Biologisches Recycling 88
3.2.3.4 Thermische Verwertung 88
3.3 Nachhaltige Design-Strategien 89
3.3.1 Design for Dematerialization 90
3.3.2 Modular Design 91
3.3.3 Design for Disassembly 92
3.3.4 Design for Reuse 92
3.3.5 Design for Maintenance and Repair 93
3.3.6 Design for Remanufacturing 93
3.3.7 Design for and from Recycling 94
3.3.8 Design for Disposal für biologisch abbaubare Materialien 95
3.3.9 Cradle-to-Cradle®-Design 96
3.4 Nachhaltige Geschäftsmodelle 96
3.4.1 Nachhaltige Geschäftsmodelltypen 97
3.4.2 Abgrenzung zu zirkulären Geschäftsmodellen 100
3.5 Nachhaltige Produktzertifizierung 100
3.5.1 Energieverbrauchskennzeichnung (Verordnung (EU) 2017/1369) 101
3.5.2 Europäisches Umweltzeichen (Verordnung 66/2010/EG) 101
3.5.3 Blauer Engel 102
3.5.4 Cradle-to-Cradle®-Zertifizierung 103
3.5.5 Zertifizierung nach DIN-Normen 104
4 Nachhaltigkeit im Produktionsnetzwerk 111
4.1 Grundlagen zu Produktionsnetzwerken 112
4.1.1 Definition und Begriffsabgrenzung 112
4.1.2 Netzwerkstrategie und -planung 113
4.1.3 Entscheidungsvariablen der taktischen Netzwerkplanung 115
4.2 Nachhaltigkeitsbewertung aus der Netzwerkperspektive 118
4.2.1 Nachhaltigkeitsbewertung von unternehmensinternen Produktionsnetzwerken 119
4.2.2 Nachhaltigkeitsbewertung von unternehmensübergreifenden Produktionsnetzwerken 120
4.2.3 Nachhaltigkeitsbewertung von Transportnetzwerken 121
4.2.4 Nachhaltigkeitsbewertung von Beständen, Intralogistik und Linien 121
4.2.5 Herausforderungen in der Nachhaltigkeitsbewertung von Produktionsnetzwerken 123
4.3 Vorgehensweise zur Entwicklung eines Indikatorensets zur Gestaltung nachhaltiger Produktionsnetzwerke 123
4.3.1 Zusammenfassung des Lösungskonzepts 124
4.3.2 Manuelle Untersuchung der Indikatoren 124
4.3.3 Eingrenzen der Indikatoren nach Einfluss durch die Netzwerkplanung und nach unternehmensspezifischen Einflüssen 125
4.3.4 Diskussion des Vorgehens und des Indikatorensets 128
4.4 Zusammenfassung 129
5 Nachhaltigkeit am Produktionsstandort 135
5.1 Nachhaltigkeit auf Werksstrukturebene 136
5.1.1 Nachhaltigkeitssteigerung von Fabrikgebäuden 138
5.1.2 Energiemanagement auf Werksebene 140
5.2 Nachhaltigkeit auf Produktionssystemebene 143
5.2.1 Nachhaltigkeitssteigerung in linearen Wertschöpfungssystemen 143
5.2.2 Produktionssysteme für die Kreislaufwirtschaft 150
5.3 Nachhaltigkeit auf Produktionsstations-ebene 158
5.3.1 Effiziente Produktionsstationsgestaltung 159
5.3.2 Soziale Nachhaltigkeit an der Produktionsstation 164
5.4 Zusammenfassung 165
6 Nachhaltigkeit in der Gestaltung und Herstellung von Komponenten 169
6.1 Auswahl möglicher Herstellungsszenarien 169
6.2 Bewertung von Herstellungsszenarien 171
6.3 Prozessauslegung mit Fokus auf Nachhaltigkeit 177
6.4 Anwendungsbeispiele 179
6.4.1 Energieeffizientes Werkzeug zur Herstellung von Hubschrauberrotorblättern 179
6.4.2 Herstellung der Federbeinstütze im Automobilbau 184
6.4.3 Nutzung von Eigenspannungen in der Zahnradfertigung 187
7 Nachhaltigkeitsrisikomanagement in der Produktion 191
7.1 Motivation und Einordnung 191
7.1.1 Der Begriff des Nachhaltigkeitsrisikos 191
7.1.2 Relevanz für die Produktion am Standort Deutschland 193
7.1.3 Betrachtungsrahmen und Eingrenzung 194
7.1.3.1 Nachhaltigkeitsmodellierung und -bewertung in der Produktion 197
7.1.3.2 Datenverfügbarkeit in Produktionssystemen für die Nachhaltigkeitsbewertung und -modellierung 199
7.1.3.3 Identifizierung und Bewertung von Nachhaltigkeitsrisiken für Produktionssysteme 199
7.2 Forschung: Möglichkeiten zur Identifizierung und Bewertung von Nachhaltigkeitsrisiken in der Produktion 200
7.2.1 Die Rolle der Risikomodellierung 200
7.2.2 Anforderungen an das Management von Nachhaltigkeitsrisiken in der Produktion 201
7.2.3 Ansatz zur Identifizierung und Bewertung von Nachhaltigkeitsrisiken in der Produktion 203
7.2.3.1 Anpassung der FMEA zur Integration von LCA-Methoden für die Identifizierung und Bewertung von Nachhaltigkeitsrisiken in Produktionssystemen 203
7.2.3.2 Daten 206
7.2.3.2.1 Lebenszykluswirkungsdaten fürdie Bewertung von Produktionsauswirkungen 206
7.2.3.2.2 Benchmarking-Daten für dieRisikobewertung 206
7.2.4 Use-Case 1: Risikobewertung von Remanufacturing-Prozessen 207
7.2.5 Use-Case 2: Nachhaltigkeitsrisikoorientierte Fremdkapitalfinanzierung der Produktion 209
7.2.5.1 Relevanz produktionswirtschaftlicher Nachhaltigkeitsrisiken für die Finanzindustrie 210
7.2.5.2 Empirische Forschungsergebnisse zur Beziehung zwischen transitorischen Nachhaltigkeitsrisiken und Kreditrisiko 211
7.2.5.3 Grenzen bestehender Stresstests für transitorische Nachhaltigkeitsrisiken 211
7.3 Holistisches Risikomanagement für produzierende Unternehmen: das moderne Trilemma der Produktion 212
7.3.1 Das neue Trilemma der Produktion 212
7.3.2 Die Wechselwirkungen im Trilemma 213
7.3.3 Prinzipien und Umsetzbarkeit eines holistischen Risikomanagements in der unternehmerischen Praxis 215
7.4 Ausblick 215
8 Change Management in der nachhaltigen Produktion 221
8.1 Grundlagen des Change Managements 221
8.1.1 Definition des Begriffs Change Management 221
8.1.2 Auslöser von Veränderungen 222
8.1.3 Ansatzpunkte und Strategien 222
8.1.4 Change-Management-Modelle 224
8.1.5 Herausforderungen und Erfolgsfaktoren im Change Management 227
8.2 Relevante Faktoren des Change Managements für die nachhaltige Produktion 229
8.2.1 Grundlagen nachhaltiger Produktion 229
8.2.2 Auslöser von Veränderungen im Kontext der nachhaltigen Produktion 230
8.2.3 Umsetzung von Veränderungen in der nachhaltigen Produktion 232
8.2.4 Nachhaltige Veränderung in der Produktion: Treiber Kreislaufwirtschaft 232
8.2.5 Die Rolle des Change Managements in der nachhaltigen Transformation 233
8.3 Bedeutung des Änderungsmanagements in der nachhaltigen Produktion 235
8.3.1 Technisches Änderungsmanagement im Kontext des Change Managements 235
8.3.2 Ansätze des Änderungsmanagements in Produktion und Produktentwicklung 237
8.3.2.1 Prozesse des Änderungsmanagements 237
8.3.2.2 Methoden und Analysen im Änderungsmanagement 238
8.3.3 Änderungsmanagement im Kontext der nachhaltigen Produktion 239
8.4 Nachhaltigkeit und Digitalisierung: Erkenntnisse aus der digitalen Transformation für die nachhaltige Transformation 241
8.4.1 Digitalisierung in der Produktion und ihre Rolle als Treiber von Veränderungen 241
8.4.2 Die Rolle von Change Management im digitalen Wandel 243
8.4.3 Erkenntnisse aus dem digitalen Wandel 243
8.4.4 Faktoren für einen erfolgreichen nachhaltigen Wandel in der Produktion 245
TEIL B Handlungsfelder in der nachhaltigen Produktion 251
9 Kreislaufwirtschaft in der Produktion 253
9.1 Grundlagen der Kreislaufwirtschaft 253
9.1.1 Motivation 253
9.1.2 Definitionen von Kreislaufwirtschaft 254
9.1.3 Entwicklung des Konzepts der Kreislaufwirtschaft – von 1960 bis heute mit Blick in die Zukunft 255
9.1.4 Ziele der Kreislaufwirtschaft und Zusammenhang mit Nachhaltigkeit 258
9.1.5 Prinzipien und Strategien der Kreislaufwirtschaft 259
9.1.5.1 Prinzipien der Kreislaufwirtschaft 259
9.1.5.2 Strategien der Kreislaufwirtschaft 259
9.2 Kreislaufwirtschaft und Produktion 268
9.2.1 Herausforderungen der Kreislaufwirtschaft für produzierende Unternehmen 269
9.2.2 Befähiger der Kreislaufwirtschaft in produzierenden Unternehmen 273
9.3 Zusammenfassung 278
10 Circular Economy in der Produktion: Re-Assembly und Recycling 283
10.1 Einleitung 283
10.2 Voraussetzung für die Umsetzung der Kreislaufwirtschaft in der Produktion 284
10.2.1 Digitale Produktakte 284
10.2.2 Digitaler Schatten 287
10.2.3 Zirkuläre Geschäftsmodelle 289
10.3 Nachhaltige Primärproduktfertigung 291
10.3.1 Ecodesign 291
10.3.2 Neue Produktmodularität 293
10.4 Re-Assembly in der Kreislaufwirtschaft 296
10.4.1 Re-Assembly für eine funktions- und wertsteigernde Kreislaufwirtschaft 296
10.4.2 Umsetzung des Re-Assemblys in der Produktion 298
10.4.3 Beispiele für die erfolgreiche Umsetzung von Re-Assembly-Prozessen in der Industrie 301
10.4.3.1 Re-Assembly am Beispiel eines Vierzylindermotors 301
10.4.3.2 Re-Assembly zur Prozesskostenoptimierung am Beispiel eines Wasserzählers 302
10.5 Wiederverwertung und Recycling 303
10.5.1 Arten des Recyclings 303
10.5.2 Recycling von Kunststoffen 304
10.5.3 Recyclingquoten 305
10.6 Zusammenfassung 306
11 Soziale Nachhaltigkeit in der Produktion 311
11.1 Wechselwirkungen zwischen Unternehmen und Gesellschaft 311
11.2 Produktionsbezogene soziale Nachhaltigkeit 314
11.3 Soziale Nachhaltigkeit im Produktionsnetzwerk 318
11.4 Produktionsmitarbeitende im Fokus 320
11.4.1 Lernen in der Produktion 321
11.4.2 Lernen mit einem tabletbasierten Assistenzsystem 324
11.5 Zusammenfassung: Chancen und Herausforderungen der sozialen Nachhaltigkeit 326
12 Energieeinsatz im Kontext einer klimaneutralen Produktion 331
12.1 Energiewirtschaftliche Grundlagen 331
12.1.1 Energietechnische Grundbegriffe 331
12.1.1.1 Energie und Leistung 331
12.1.1.2 Energieformen 331
12.1.1.3 Energiewandlung und Energieträger 332
12.1.2 Energieversorgung in Deutschland 333
12.1.3 Klimaneutralität 336
12.2 Energiebedarf und -verwendung in der Produktion 338
12.2.1 Energiebedarfe und -abwärme 338
12.2.1.1 Endenergiebedarfe der Produktion in Deutschland 339
12.2.1.2 Nutzenergiebedarfe für Energiedienstleistungen 339
12.2.1.3 Industrielle Abwärme 340
12.2.2 Energiesysteme in der Produktion 341
12.2.2.1 Querschnittstechnologien der Versorgungstechnik 342
12.2.2.2 Kaskadierte thermische Netze 344
12.2.2.3 Energieverbundsysteme in der Produktion 344
12.3 Erfassung und Bewertung des Energiebedarfs in der Produktion 346
12.3.1 Energie- und Umweltmanagementsysteme 346
12.3.1.1 Motivation für Energie- und Umweltmanagementsysteme 346
12.3.1.2 Begriffsdefinition und Aufbau von Managementsystemen 346
12.3.1.3 Energiemanagement nach DIN EN ISO 50001 ff. 347
12.3.1.4 Umweltmanagement nach DIN EN ISO 14001 348
12.3.1.5 Ökobilanz und Carbon Footprint nach DIN EN ISO 14040 ff. 349
12.3.1.6 Weitere Normen 350
12.3.2 Energiedatenerfassung und -monitoring 350
12.3.2.1 Arten der Energiedatenerfassung 350
12.3.2.2 Vorgehen bei der energetischen Transparenzschaffung 351
12.3.3 Bewertung des Energie- und Ressourcenbedarfs 353
12.3.3.1 Bewertungsmethoden 353
12.3.3.2 Ressourcenverschwendungsarten 353
12.3.3.3 Maßnahmenkataloge 355
12.3.3.4 Automatisiertes Vorschlagswesen 356
12.4 Transformation zur klimaneutralen Produktion 357
12.4.1 Standards für Transformationsziele 357
12.4.2 Ansatzpunkte für die Transformation zur klimaneutralen Produktion 358
12.4.2.1 Reduktion von Emissionen 359
12.4.2.2 Substitution von emissionsverursachenden Prozessen 359
12.4.2.3 Kompensation von Emissionen 360
12.4.3 Strategieprozess für die Transformation zur klimaneutralen Produktion 361
12.4.3.1 Vorbereitung 362
12.4.3.2 Strategieentwicklung 362
12.4.3.3 Operative Umsetzung 363
13 Regenerative Energieversorgung von Produktionssystemen 369
13.1 Regenerative Bereitstellung von elektrischer Energie 369
13.1.1 Strom durch Netzbezug 369
13.1.2 Eigenerzeugung von Strom 371
13.1.2.1 Dezentrale, regenerative Stromerzeugungsanlagen in der Industrie 373
13.1.2.2 Anforderungen durch elektrische Lasten 376
13.1.2.3 Einbindung in das industrielle Mikronetz 377
13.2 Regenerative Bereitstellung von Prozesswärme 377
13.2.1 Status quo 378
13.2.2 Direkte Elektrifizierungsoptionen 381
13.2.2.1 Widerstandserhitzer 381
13.2.2.2 Wärmepumpen 382
13.2.3 Indirekte Elektrifizierungsoptionen 383
13.2.3.1 Alkalische Elektrolyse 384
13.2.3.2 Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse 385
13.2.3.3 Festoxid-Elektrolyse 386
13.3 Herausforderungen und Lösungsansätze bei der regenerativen Energiebereitstellung 387
13.3.1 Volatile Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien 387
13.3.2 Variierende CO2-Äquivalente bei Strombezug aus dem öffentlichen Netz 387
13.4 Anwendungsbeispiel 389
14 Energieeffizienz und Energieflexibilität in der Fertigung 393
14.1 Energieeffizienz in der Fertigung 393
14.1.1 Grundlagen 393
14.1.2 Energieeffiziente Fertigungsmaschinen 393
14.1.2.1 Werkzeugmaschinen 394
14.1.2.2 Reinigungsmaschinen 397
14.1.2.3 Industrieöfen 400
14.1.2.4 Spritzgießmaschinen 401
14.1.3 Energieeffiziente Versorgungstechnik 403
14.1.3.1 Prozesswärme 403
14.1.3.2 Raumlufttechnik 404
14.1.3.3 Druckluft 405
14.1.4 Sektorübergreifende Abwärmenutzung 408
14.1.5 Energieeffiziente Gebäude 410
14.2 Energieflexibilität in der Fertigung 410
14.2.1 Grundlagen 411
14.2.2 Ganzheitliche Fabrikoptimierung 411
14.2.3 Energieflexible Produktionsplanung und -steuerung 412
14.2.4 Energieflexible Versorgungstechnik 413
14.2.4.1 Prozesskälte 413
14.2.4.2 Prozesswärme 414
14.2.4.3 Raumlufttechnik 415
15 Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff in der industriellen Produktion 421
15.1 Grundlagen der Nutzung von Wasserstoff 422
15.1.1 Historische Entwicklung 422
15.1.2 Aktuelle Entwicklung 423
15.2 Herstellungsverfahren 426
15.2.1 Konventionelle Verfahren 427
15.2.2 Wasserelektrolyse 428
15.2.3 Bewertung der Herstellungsmethoden 431
15.3 Speicherung und Transport 434
15.3.1 Speichertechnologien und Derivate 435
15.3.2 Transport von Wasserstoff 436
15.4 Anwendungsmöglichkeiten von Wasserstoff in der industriellen Produktion 438
15.4.1 Anwendungsmöglichkeiten im Detail 439
15.4.2 Bewertung, Einordnung und Diskussion 446
15.5 Zusammenfassung 447
16 Nachhaltige Produktion in der Zukunft 453
16.1 Relevanz der nachhaltigen Produktion in der Zukunft 454
16.2 Nachhaltige Produktion der Zukunft 454
16.3 Produktionswissenschaft für die Produktion von morgen 456
16.3.1 Digitale, automatisierte Transparenzschaffung 456
16.3.2 Integration von Remanufacturing in bestehende Produktionsinfrastruktur 457
16.3.3 Kreislaufwirtschaft für Produktionsanlagen 459
16.3.4 Energieflexibilisierung 461
16.4 Zusammenfassung 463
Stichwortverzeichnis 465