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Ziel und FunktionDurch eine Kaskadennutzung von Hilfs- und Betriebsstoffen wird die Nutzungsdauer verlängert. Denn aufgrund der Weiternutzung von Hilfs- und Betriebsstoffe in einem Anwendungsbereich mit geringeren technischen und qualitativen Anforderungen im Vergleich zur Erstnutzung kommen diese über einen größeren Zeitraum im Produktionsumfeld zum Einsatz.
Wenn die Nutzungsdauer von Hilfs- und Betriebsstoffen in der Produktion ansteigt, erhöht sich ebenfalls der Zeitraum, in dem eine gewünschte Funktion für einen bestimmten Anwendungsfall bereitgestellt wird, ohne erneut Material und Energie aufzuwenden. Zudem reduzieren sich das Abfallaufkommen und die damit verbundenen stofflichen und energetischen Aufwände.
Hilfs- und Betriebsstoffen kommen im gesamten Produktionsumfeld zum Einsatz. Hilfsstoffe werden im Produkt eingesetzt und übernehmen eine Hilfsfunktion (z. B. Klebstoff)*
Weber, J. (2019): Definition: Hilfsstoffe (online), 16. Februar 2019, (abgerufen am: 19. Februar 2019).
. Betriebsstoffe ermöglichen den Herstellungsprozess von Erzeugnissen und werden direkt in der Produktion eingesetzt (z. B. Kühlschmierstoffe)*
Wischermann, B.; Böcking, H.-J.; Oser, P. und Pfitzer, N. und Weber, J. (2019): Definition: Betriebsstoffe (online), 16. Februar 2019, (abgerufen am: 19. Februar 2019).
. Ressourceneinsparungen aufgrund der Verlängerung der Nutzungsdauer von Hilfs- und Betriebsstoffen durch Kaskadennutzung kann demnach im gesamten Produktherstellungsprozess erzielt werden.
Ob eine Kaskadennutzung von Hilfs- und Betriebsstoffen im jeweiligen Produktionsverfahren sinnvoll und möglich ist, wird in erster Linie durch Produktionsmitarbeiter mit ausführender und planender Funktion und der Fabrikplanung ermittelt. Beide Parteien sind auch in die Umsetzung involviert.
Nicht jeder Hilfs- oder Betriebsstoff kann einer Kaskadennutzung unterzogen werden. Dafür gibt es verschiedene Gründe. Beispielsweise ist der gebrauchte Betriebsstoff zu sehr verunreinigt und eine weitere Aufreinigung zu aufwendig, sodass es keinen geeigneten Einsatzort an anderer Stelle in der Produktion gibt. Oder aber es ist nicht wirtschaftlich einen Hilfsstoff aus einem gebrauchten Produkt zurückzugewinnen, um diesen für ein anderes Produkt mit geringeren technischen Anforderungen einzusetzen.
Möglicher Weg zur Umsetzung:
Kaskadennutzung von Prozesswasser
Entspricht das Abwasser aus einem Prozess den qualitativen Anforderungen an das Prozesswasser desselben oder eines anderen Prozesses, kann es ohne Vorbehandlung im Rahmen einer Kaskadennutzung wiederverwendet werden *
Stiefel, R. (2017): Abwasserrecycling: Technologien und Pro-zesswassermanagement – Das Konzept Prozesswasserautarkie, Springer Viewig, Wiesbaden, ISBN ISBN 978-3-658-13991-9, S. 126.
. Allerdings sind bei einer Kaskadennutzung von Prozesswasser Dominoeffekte zu berücksichtigen. Beispielsweise kann es zu einer Aufkonzentrierung von Schadstoffen kommen. Die Schadstoffe können die Funktion des Prozesswassers beeinflussen oder zu erhöhtem Aufwand in der Abwasserbehandlung am Ende der verlängerten Nutzungsphase führen. Eine Implementierung der Kaskadennutzung im Wassermanagement ist daher empfehlenswert*
Ante, A. et al. (2014): Trends und Perspektiven in der industriellen Wassertechnik - Rohwasser, Prozess, Abwasser ; Positionspapier der Pro-cessNet-Fachgruppe Produktionsintegrierte Wasser- und Abwassertechnik. ProcessNet, Hannover, (abgerufen am: 6. Mai 2019), S. 12.
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Praxis-Beispiel: Spülbäder-Kaskaden in der Oberflächenbehandlung
Normalerweise besteht eine Spülbäder-Kaskade aus drei Spülschritten. Je mehr Schritte verwendet werden, umso weniger Frischwasser muss beim letzten Spülschritt hinzugefügt werden, um die Leitfähigkeitsgrenzen einzuhalten. Der Überlauf des ersten Spülschritts fließt normalerweise zur Abwasserbehandlung. Mehrstufiges Spülen ist insbesondere bei hoher Spülrate mit einer kleinen Menge an Spülwasser geeignet.
Beim Kaskadenspülen fließt das Wasser in umgekehrter Richtung zu den Werkstücken. Das führt zu der Anforderung an eine stets gleichbleibende Spülwasserqualität (das Spülkriterium). Der Haupteinspareffekt bei der Überleitung vom ersten zum zweiten Spülschritt wird erreicht. Eine geringere Spülwassermenge kann durch Wahl des korrekten Spülsystems erzielt werden. Mit zunehmender Anzahl der Spülschritte wird das verwendete Wasservolumen verringert und die Wassereinsparung steigt.
Bei Einführung eines mehrstufigen Spülsystems, teilweise verbunden mit einem Spülwasserrecyclingsystem, kann eine Verringerung des Abwassers von bis zu 90 % erreicht werden. Damit verbunden ist eine signifikante Minderungen des Frischwasserverbrauchs und deutlich geringere Kosten für die Abwasserbehandlung*
Umweltbundesamt (2007): Beste verfügbare Techniken für die Oberflächenbehandlung unter Verwendung von organischen Lösemitteln, Dessau (abgerufen am: 30. April 2019), S. 418.
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Durch die Kombination von Produkten und Services ergeben sich unterschiedliche Potenziale, um Ressourcen entlang des Produktlebens einzusparen.
Zu „Produkt-Service-Systeme“Die Wahl der Materialien eines Produktes erfolgt in der Entwicklung primär in Abhängigkeit von der angestrebten Funktionalität. Darüber hinaus kann die Materialauswahl als wesentliche Stellschraube für die Erschließung von Ressourceneffizienzpotenzialen dienen.
Zur „Optimierten Materialauswahl“Die Motivationen für Leichtbau ergeben sich entweder durch Einsparungen von Material und Energie in der Produktion oder im Fall bewegter Produkte durch eine Verringerung des Energieaufwandes und der sich daraus resultierenden Emissionen und Umweltwirkungen in der Nutzungsphase.
Zum „Leichtbau“Eine fertigungsgerechte Produktgestaltung zielt darauf ab, Produkte so zu gestalten, dass diese bei gegebener Produktionsinfrastruktur herstellbar sind, ohne zusätzlich Ausschuss und Materialverluste oder einen übermäßig höheren Energieverbrauch zu erzeugen.
Zu „Fertigungsgerechte Produktgestaltung“Für viele Produkte stellt die Phase der Nutzung den wesentlichsten Beitrag zum Ressourcenverbrauch in ihrem Lebenszyklus dar. Verbesserungen in dieser Phase bezogen auf die Ressourceneffizienz zeigen sich daher oft als besonders wirksam.
Zur „Ressourceneffizienten Produktnutzung“Eine Verlängerung der Produktnutzungsdauer entspricht einer Annäherung an die technische Lebensdauer. Dadurch vergrößert sich der Zeitraum, in dem eine Funktion bereitgestellt wird, ohne hierfür erneut Energie und Material für die Produktion aufzuwenden. Dies erhöht die Ressourceneffizienz entlang des Lebenswegs.
Zur „Verlängerung der Produktnutzungsdauer“Durch die Verlängerung der technischen Lebensdauer müssen weniger Produkte nachproduziert werden. Dadurch sinkt der Energie- und Materialaufwand, um den Nutzen des Produktes bereitzustellen. Dies führt zu einer Erhöhung der Ressourceneffizienz entlang des Lebenswegs.
Zur „Verlängerung der technischen Produktlebensdauer“Eine kreislaufgerechte Produktgestaltung ermöglicht es, die Wiedernutzbarkeit sicherzustellen und eine Kreislaufführung von Bauteilen und Materialien, die im Produkt verwendet wurden.
Zur „Kreislaufgerechte Produktgestaltung“Im Rahmen der Planung von Produktionsprozessen erfolgt u. a. die Auswahl der einzusetzenden Fertigungsverfahren. Insbesondere durch die Einrichtung und Gestaltung des Ablaufes neuer Produktionsprozesse bieten sich viele Potenziale, die Ressourceneffizienz zu erhöhen.
Zur „Planung ressourceneffizienter Fertigungsprozesse“Prozessverbesserungen erzielen eine Verringerung an Material und Energieaufwand in Fertigungsprozessen, ohne dabei das Prozessergebnis oder die Produktqualität herunterzusetzen. Die Zahl möglicher Stellhebel ist groß.
Zur „Fertigungsprozessoptimierung“Die Verminderung von geplantem Ausschuss wirkt sich direkt auf die Materialeffizienz aus: Es können mehr Fertigteile aus einer festen Menge von Rohmaterial erzeugt werden. Die Produktivität erhöht sich durch eine verminderte Ausschussmenge.
Zu „Vermindern von geplantem Ausschuss und Nacharbeit“Eine Verminderung des geplanten Verlustes führt zu einer besseren Ausnutzung von (Roh-)Materialien. Die Produktion kann bei gleichem Materialeinsatz eine höhere Produktionsmenge erzielen oder aber bei gleicher Produktionsmenge den Materialeinsatz verringern.
Zu „Vermindern von geplantem Verlust“Durch die Verminderung des Bearbeitungsvolumens werden hauptsächlich (Roh-)Materialien eingespart und die Nutzungsdauer von Werkzeugen verlängert. Darüber hinaus kann durch ein verringertes Bearbeitungsvolumen eine Energieeinsparung erzielt werden.
Zur „Minimierung des Bearbeitungsvolumens“Verluste durch Lagerung sind vielfältig und verursachen sinnlose Energie- und Materialaufwände in der Herstellung. Die Minimierung von Lagerungsverlusten erhöht die Materialeffizienz in der Produktion und kann prinzipiell in jedem Unternehmen mit Lagerflächen durchgeführt werden.
Zu „Vermindern von Lagerungsverlusten“Die Verringerung des Energieverbrauchs bewirkt eine Reduktion von Energieträgern innerhalb der Produktion, ohne die Qualität oder den Output der Prozesse zu beeinflussen. Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz im Produktionsprozess sind vielfältig.
Zu „Vermindern des Energieverbrauchs“Mittels Wiederverwendung kann die Lebensdauer von Produkten und Bauteilen verlängert werden, indem diese einer neuen Nutzungsperiode zugeführt werden. Wiederverwendung wird gegenüber Recycling und anderen Verwertungsmechanismen in der Abfallhierarchie bevorzugt, da hierdurch zusätzliche Material- und Energieaufwände für die erneute Herstellung von Bauteilen entfallen.
Zur „Kreislaufführung von Produkten und Bauteilen“Innerbetriebliche Kreislaufführung von Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffen ermöglicht eine erneute Stoffnutzung und vermeidet Ressourcenaufwände bei der Rohstoffextraktion und beim Herstellungsverfahren des Produktionsinput.
Zur „Kreislaufführung von Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffen“Die stoffliche Substitution im Bereich von Hilfs- und Betriebsstoffen eines produzierenden Betriebes kann zu einer Verringerung des Ressourceneinsatzes im Lebensweg führen, z. B. durch die Reduktion der Verbrauchsmenge von substituierten Hilfs- und Betriebsstoffen im Produktionsprozess.
Zur „Materialsubstitution von Hilfs- und Betriebsstoffen“Durch eine Kaskadennutzung von Hilfs- und Betriebsstoffen wird die Nutzungsdauer verlängert, dadurch dass eine gewünschte Funktion für einen bestimmten Anwendungsfall bereitgestellt wird ohne erneut Material und Energie aufzuwenden.
Zu „Kaskadennutzung von Hilfs- und Betriebsstoffen“Die Gestaltung effizienter inner- und überbetrieblicher Logistikprozesse ermöglicht die anfallenden Energie- und Materialaufwände so weit zu reduzieren, ohne die Durchlaufzeit oder Qualität der Produktion zu verringern.
Zur „Effizienten Logistik“Durch eine effiziente Beschaffung werden Energie- und Materialaufwände entlang des Lebenswegs reduziert. Sie zielt auf einen energie- und materialgerechten Einkauf von Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffen, Bauteilen oder fertigen Gütern ab und dient der adäquaten Versorgung des Produktionsprozesses mit abgestimmten Material- und Energiemengen.
Zur „Effizienten Beschaffung“Durch eine effiziente Betriebsorganisation können die Ressourcenverbrauchsmengen in einem Unternehmen reduziert werden. Die Einflussfaktoren hierfür sind ebenso zahlreich wie vielfältig: von definierten Kommunikationsstrukturen und -fähigkeiten über Entscheidungsspielräume und Verantwortungsbereiche bis hin zu arbeitsorganisatorischen Aspekten.
Zur „Effizienten Betriebsorganisation“Eine effiziente Energiebereitstellung zielt darauf ab, die für den Betrieb von Maschinen und Anlagen notwendige Energie unter minimalem Einsatz von Primärenergieträger bereitzustellen.
Zur „Effizienten Energiebereitstellung“Eine effiziente Gebäudehülle kann die Energieverluste eines Gebäudes minimieren und den Energiegewinn durch die passive Nutzung erneuerbarer Energien optimieren. Im Zusammenspiel mit einer effizienten Gebäudeinfrastruktur können die benötigten Innenraumanforderungen in der Nutzungsphase effizient und mit möglichst wenig Energiebedarf erfüllt werden.
Zur „Effizienten Gebäudeinfrastruktur“Durch die Kombination von Produkten und Services ergeben sich unterschiedliche Potenziale, um Ressourcen entlang des Produktlebens einzusparen.
Zu „Produkt-Service-Systeme“Die Wahl der Materialien eines Produktes erfolgt in der Entwicklung primär in Abhängigkeit von der angestrebten Funktionalität. Darüber hinaus kann die Materialauswahl als wesentliche Stellschraube für die Erschließung von Ressourceneffizienzpotenzialen dienen.
Zur „Optimierten Materialauswahl“Die Motivationen für Leichtbau ergeben sich entweder durch Einsparungen von Material und Energie in der Produktion oder im Fall bewegter Produkte durch eine Verringerung des Energieaufwandes und der sich daraus resultierenden Emissionen und Umweltwirkungen in der Nutzungsphase.
Zum „Leichtbau“Eine fertigungsgerechte Produktgestaltung zielt darauf ab, Produkte so zu gestalten, dass diese bei gegebener Produktionsinfrastruktur herstellbar sind, ohne zusätzlich Ausschuss und Materialverluste oder einen übermäßig höheren Energieverbrauch zu erzeugen.
Zu „Fertigungsgerechte Produktgestaltung“Für viele Produkte stellt die Phase der Nutzung den wesentlichsten Beitrag zum Ressourcenverbrauch in ihrem Lebenszyklus dar. Verbesserungen in dieser Phase bezogen auf die Ressourceneffizienz zeigen sich daher oft als besonders wirksam.
Zur „Ressourceneffizienten Produktnutzung“Eine Verlängerung der Produktnutzungsdauer entspricht einer Annäherung an die technische Lebensdauer. Dadurch vergrößert sich der Zeitraum, in dem eine Funktion bereitgestellt wird, ohne hierfür erneut Energie und Material für die Produktion aufzuwenden. Dies erhöht die Ressourceneffizienz entlang des Lebenswegs.
Zur „Verlängerung der Produktnutzungsdauer“Durch die Verlängerung der technischen Lebensdauer müssen weniger Produkte nachproduziert werden. Dadurch sinkt der Energie- und Materialaufwand, um den Nutzen des Produktes bereitzustellen. Dies führt zu einer Erhöhung der Ressourceneffizienz entlang des Lebenswegs.
Zur „Verlängerung der technischen Produktlebensdauer“Eine kreislaufgerechte Produktgestaltung ermöglicht es, die Wiedernutzbarkeit sicherzustellen und eine Kreislaufführung von Bauteilen und Materialien, die im Produkt verwendet wurden.
Zur „Kreislaufgerechte Produktgestaltung“Im Rahmen der Planung von Produktionsprozessen erfolgt u. a. die Auswahl der einzusetzenden Fertigungsverfahren. Insbesondere durch die Einrichtung und Gestaltung des Ablaufes neuer Produktionsprozesse bieten sich viele Potenziale, die Ressourceneffizienz zu erhöhen.
Zur „Planung ressourceneffizienter Fertigungsprozesse“Prozessverbesserungen erzielen eine Verringerung an Material und Energieaufwand in Fertigungsprozessen, ohne dabei das Prozessergebnis oder die Produktqualität herunterzusetzen. Die Zahl möglicher Stellhebel ist groß.
Zur „Fertigungsprozessoptimierung“Die Verminderung von geplantem Ausschuss wirkt sich direkt auf die Materialeffizienz aus: Es können mehr Fertigteile aus einer festen Menge von Rohmaterial erzeugt werden. Die Produktivität erhöht sich durch eine verminderte Ausschussmenge.
Zu „Vermindern von geplantem Ausschuss und Nacharbeit“Eine Verminderung des geplanten Verlustes führt zu einer besseren Ausnutzung von (Roh-)Materialien. Die Produktion kann bei gleichem Materialeinsatz eine höhere Produktionsmenge erzielen oder aber bei gleicher Produktionsmenge den Materialeinsatz verringern.
Zu „Vermindern von geplantem Verlust“Durch die Verminderung des Bearbeitungsvolumens werden hauptsächlich (Roh-)Materialien eingespart und die Nutzungsdauer von Werkzeugen verlängert. Darüber hinaus kann durch ein verringertes Bearbeitungsvolumen eine Energieeinsparung erzielt werden.
Zur „Minimierung des Bearbeitungsvolumens“Verluste durch Lagerung sind vielfältig und verursachen sinnlose Energie- und Materialaufwände in der Herstellung. Die Minimierung von Lagerungsverlusten erhöht die Materialeffizienz in der Produktion und kann prinzipiell in jedem Unternehmen mit Lagerflächen durchgeführt werden.
Zu „Vermindern von Lagerungsverlusten“Die Verringerung des Energieverbrauchs bewirkt eine Reduktion von Energieträgern innerhalb der Produktion, ohne die Qualität oder den Output der Prozesse zu beeinflussen. Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz im Produktionsprozess sind vielfältig.
Zu „Vermindern des Energieverbrauchs“Mittels Wiederverwendung kann die Lebensdauer von Produkten und Bauteilen verlängert werden, indem diese einer neuen Nutzungsperiode zugeführt werden. Wiederverwendung wird gegenüber Recycling und anderen Verwertungsmechanismen in der Abfallhierarchie bevorzugt, da hierdurch zusätzliche Material- und Energieaufwände für die erneute Herstellung von Bauteilen entfallen.
Zur „Kreislaufführung von Produkten und Bauteilen“Innerbetriebliche Kreislaufführung von Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffen ermöglicht eine erneute Stoffnutzung und vermeidet Ressourcenaufwände bei der Rohstoffextraktion und beim Herstellungsverfahren des Produktionsinput.
Zur „Kreislaufführung von Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffen“Die stoffliche Substitution im Bereich von Hilfs- und Betriebsstoffen eines produzierenden Betriebes kann zu einer Verringerung des Ressourceneinsatzes im Lebensweg führen, z. B. durch die Reduktion der Verbrauchsmenge von substituierten Hilfs- und Betriebsstoffen im Produktionsprozess.
Zur „Materialsubstitution von Hilfs- und Betriebsstoffen“Durch eine Kaskadennutzung von Hilfs- und Betriebsstoffen wird die Nutzungsdauer verlängert, dadurch dass eine gewünschte Funktion für einen bestimmten Anwendungsfall bereitgestellt wird ohne erneut Material und Energie aufzuwenden.
Zu „Kaskadennutzung von Hilfs- und Betriebsstoffen“Die Gestaltung effizienter inner- und überbetrieblicher Logistikprozesse ermöglicht die anfallenden Energie- und Materialaufwände so weit zu reduzieren, ohne die Durchlaufzeit oder Qualität der Produktion zu verringern.
Zur „Effizienten Logistik“Durch eine effiziente Beschaffung werden Energie- und Materialaufwände entlang des Lebenswegs reduziert. Sie zielt auf einen energie- und materialgerechten Einkauf von Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffen, Bauteilen oder fertigen Gütern ab und dient der adäquaten Versorgung des Produktionsprozesses mit abgestimmten Material- und Energiemengen.
Zur „Effizienten Beschaffung“Durch eine effiziente Betriebsorganisation können die Ressourcenverbrauchsmengen in einem Unternehmen reduziert werden. Die Einflussfaktoren hierfür sind ebenso zahlreich wie vielfältig: von definierten Kommunikationsstrukturen und -fähigkeiten über Entscheidungsspielräume und Verantwortungsbereiche bis hin zu arbeitsorganisatorischen Aspekten.
Zur „Effizienten Betriebsorganisation“Eine effiziente Energiebereitstellung zielt darauf ab, die für den Betrieb von Maschinen und Anlagen notwendige Energie unter minimalem Einsatz von Primärenergieträger bereitzustellen.
Zur „Effizienten Energiebereitstellung“Eine effiziente Gebäudehülle kann die Energieverluste eines Gebäudes minimieren und den Energiegewinn durch die passive Nutzung erneuerbarer Energien optimieren. Im Zusammenspiel mit einer effizienten Gebäudeinfrastruktur können die benötigten Innenraumanforderungen in der Nutzungsphase effizient und mit möglichst wenig Energiebedarf erfüllt werden.
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