Schweizerisches Institut für Systems Engineering Umweltmanagement Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems Engineering E-Mail: rainer.zuest@swissinstitute.ch Homepage: www.swissinstitute.ch Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering 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 Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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 Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Arbeitsbereich „Ecodesign“ ECODESIGN (umwelt- gerechte 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) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Arbeitsbereich „Produktentwicklung“ Produktentwicklung- und Innovationsprozesse, Prozessmanagement, Integration von Ecodesign Diverse Mandate in der Wirtschaft, Beratung von Unternehmen (Springer 2004) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Einstieg: Wachstumsfalle Bevölkerungswachstum Steigender Ressourcenverbrauch Zunahme an sozialen und gesellschaftlichen Konflikten Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Bevölkerungswachstum weltweit Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Getreideproduktion weltweit Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Verfügbares Trinkwasser pro Person weltweit Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Energieverbrauch weltweit [Source: EIA, International Energy Outlook 1999] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering 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] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

„Die Falle der zu engen Systemgrenzen“ [Quelle: Luttropp & Züst 1998] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering 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 Lösungssynthese Kostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcen-management Motivation Mitarbeitende: Wahrnehmen von Verantwortung, effizientere Prozesse Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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 Lösungssynthese Kostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcen-management Motivation Mitarbeitende: Wahrnehmen von Verantwortung, effizientere Prozesse Innovation: andere und breitere Sichtweise (Querdenken), umfassendere Analyse, neue Ideen / umfassendere Lösungssynthese Kostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcenmanagement Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Sozialverträgliche und umweltschonende Produkte Verbesserungsmassnahmen, 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. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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 Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Ecodesign - Beispiele - Stellmotoren (Sonnenstoren, Klimaanlagen) Waschmaschine Spülkasten Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Beispiel Belimo [Quelle: Belimo] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Hebelwirkung Ecodesign [Quelle: Belimo] Einsparung durch (Eco-)Design Wärmebedarf am Standort Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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 Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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 Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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: Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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 Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Beispiel V ZUG: Waschmaschinen [Quelle: V ZUG] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Life-Cycle-Costing: Beispiel Spülkasten Ein Spülkasten kostet 400.- Sfr. und ermöglicht Spülvorgänge. Für einen Spülvorgang braucht es 8 Liter Wasser. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Frühe Planungsphase entscheidend Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Erkenntnis daraus 1. Bedeutung der Produktentwicklung 2. Frühe Planungsphase entscheidend 3. Fokus auf Produkte / Product- Sercice-Systems (und nicht nur auf Standort) Produkte / Dienstleistungen Produktion / Standort Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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 W Materialien: Kunststoff (PP, ABS), Cu and PVC (Kabel), Stahl und Eisen (Motor) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Annahmen 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 Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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

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 Pflanzen 14.1 MJ Transport der Orangen 0.002 MJ Energieverbrauch Presse: 0.01 MJ Abwaschen Gerät 0.3 MJ Geräteentsorgung Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Ecodesign-Massnahme: Optimierung Pressvorgang Trennen von Frucht und Saft Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Kettle – Wie verbessern? Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Ecodesign: Das Vorgehen Life-Cycle-Thinking; Produktmodell (basierend auf Umweltparametern) / Systemabgrenzung Umwelt-orientierte Bewertung: ökologische Stärken und Schwächen Suche und Auswahl von Verbesserungsstrategien / Verbesserungsmassnahmen Umsetzen der Massnahmen in der Produkt-entwicklung Kommunikation der Resultate (nach Innen und Aussen) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

1. Schritt: Life-Cycle-Thinking Schweizerisches Institut für Systems Engineering

2. Schritt: Umweltorientierte Bewertung Umwelt-orientierte Schwachstellen: ökologie-orientierte Betrachtung (z.B. mittels LCA und LCA-ähnlichen Tools/Methoden) Stakeholder-orientierte Betrachtung (z.B. umwelt-orientiertem QFD) Benchmarking (z.B. mittels gezielten Quer-vergleichen) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Umweltbewertung Global warming (GW) Ozone layer depletion (OD) Acidification (AD) Eutrophication (EU) Photochemical oxidant creation (POC) Abiotic resource depletion (ARD) [Wimmer, Züst, Lee (2004)] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Kumulierte Energieanalyse (KEA) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Environmental Benchmarking [Wimmer, Züst, Lee (2004)] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Environmental Quality Function Deployment [Wimmer, Züst, Lee (2004)] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Vorgehen Life-Cycle-Thinking Ökologische Schwachstellen aus umwelt-orientierter Analyse, Stakeholder-Analyse sowie Benchmarking ( ökologischer Handlungsbedarf) Suche und Auswahl von Verbesserungsstrategien und Verbesserungsmassnahmen Umsetzen der Massnahmen in der Produkt-entwicklung Kommunikation der Resultate (nach Innen und Aussen) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering ECODESIGN PILOT CD-ROM [www.ecodesign.at/pilot] [Wimmer, Züst (2002)] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Ecodesign-Assistent [www.ecodesign.at/assistent] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (l) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (ll) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (lll) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Vorgehen Life-Cycle-Thinking Ökologische Schwachstellen aus umwelt-orientierter Analyse, Stakeholder-Analyse sowie Benchmarking ( ökologischer Handlungsbedarf) Suche und Auswahl von Verbesserungs-strategien und Verbesserungsmassnahmen Umsetzen der Massnahmen in der Produkt-entwicklung Kommunikation der Resultate (nach Innen und Aussen) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Erfahrungen aus der Praxis Klare Systematik Neue Erkenntnisse und Ideen durch das Life- Cycle-Thinking Dreiteilige Umweltanalyse Moderierte Workshops Massnahmen in der Sprache der Entwickler Einfache Integration in Entwicklungsprozesse Keine Widerspruch zwischen ökonomischen und ökologischen Zielsetzungen Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Life-Cycle-Thinking [Wimmer, Züst 2001] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Ökologische Schwachstellen Input-Output-Analyse. U.a. mit zwei Umwelt-beziehungen (Ressourcen-entnahme und Emissionen) [Wimmer, Züst 2001] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Beispiele (l) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Beispiele (ll) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Abschätzen von Umweltbelastungen (l) z.B. mit Methode MET: - Material (Menge, …) - Energie (kumulierter Energieaufwand, Grauenergie) - Toxische Stoffe Beispiel mit KEA (kumulierter Energieaufwand) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Abschätzen von Umweltbelastungen (ll) Energieaufwand für einen „Elementarprozess“: z.B. für „Herstellung von 1 kg Kunststoff“ Oder „Verarbeiten von 1 kg Kunststoff (Spritzgiessen) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Energy Values Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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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 Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schädigungs- und Berechnungsmodell [source: Pre Consultants B.V.] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Indikatoren (Eco-Indicator) [source: Pre Consultants B.V.] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering LCA - Probleme Die Resultate einer vollständigen LCA ist schwierig zu interpretieren (Treibhauseffekt, Smog, ...) Im Allgemeinen ist die Datensammlung für eine LCA sehr umfangreich, komplex und zeitintensiv. Deshalb sind LCA nur bedingt möglich in einem Design-Prozess. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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! Schweizerisches Institut für Systems Engineering

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Schweizerisches Institut für Systems Engineering 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) Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Face Lifting (l) Verbesserungen am (bestehenden) Produkt Einzelne Teile und Baugruppen werden verändert. Typischerweise werden toxische Stoffe ersetzt, Umwelt belastende Materialien reduziert und Herstellungsprozesse optimiert. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Beispiel „Face Lifting“ Beispiel Aluminiumstuhl, bei dem durch die Verwendung von gerippten Blechen weniger Material verwendet wird. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering „Re-Design“ Neugestaltung des Produktes Der ganze Lebenszyklus wird nun betrachtet und optimiert. Der Fokus liegt immer noch auf dem bestehenden Produkt respektive auf den gewählten Funktionsprinzipien. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering 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] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering „Re-Think“ Realisierung neuer Funktionsprinzipien Es werden auch die Funktionsprinzipien respektive die Funktionen an sich in Frage gestellt und allenfalls durch neue ersetzt. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Schweizerisches Institut für Systems Engineering Beispiel „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] Schweizerisches Institut für Systems Engineering

„Business Innovation“ Verbesserung des ganzen Produktsystems Der 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. Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Beispiel „Business Innovation“ Leistung verkaufen anstatt physische Produkte , z.B. „Product Sercice Systems“, „Performance Contracting“, … Beispiel: Mobility CarSharing Diversified Easy and convenient Ecologically sound Equipped for the future Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Framework for Ecodesign Umweltgerechte Produkte Realität oder Utopie? Umweltgerechte Lösungen: Was ist zu berücksichtigen? Effektivität der Organisation Effizienz der Technologie Kulturelle Bereitschaft Schweizerisches Institut für Systems Engineering

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Schweizerisches Institut für Systems Engineering