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Die Modularisierung von Anlagen ist ein Trend in der Anlagentechnik, in der Anlageneinheiten in Form von kompatiblen Modulen entwickelt werden. Die Modularisierung kann eine Reihe von Vorteilen mit sich bringen. Grundsätzlich soll auf der Produkt- und Prozessebene die Komplexität reduziert, die Flexibilität erhöht, die Effizienz gesteigert und die Wiederverwendbarkeit sowie die Profitabilität gesichert werden.
Auf der Produktebene gewährleistet die standardisierte Entwicklung der Module über Schnittstellen eine reibungslose Integration in bestehende Systeme und ermöglicht gleichzeitig die unabhängige Funktion des Moduls. Dadurch wird die Flexibilität der Systeme gesteigert, wodurch eine Vielzahl an Produktvarianten entstehen können. Durch die Modularisierung von Anlagen werden zudem die Entwicklungskosten und die Hemmschwelle für Neuinvestitionen gesenkt, da nicht mehr eine gänzlich neue Anlage beschafft werden muss, sondern sich die Neuentwicklung nur auf ein bestimmtes Modul der Anlage konzentriert. Hierdurch verkürzt sich der Entwicklungsprozess signifikant* Industrie Energieforschung (2020): Modulare Produktion in der Chemiefabrik der Zukunft (online). Projektträger Jülich, 26.11.2020 (abgerufen am: 26.02.2021). * Mühlenkamp, S. und Kempf, J. (2018): Modulare Automatisierung zieht in den Alltag ein (online). PROCESS, 14.11.2018 (abgerufen am: 01.02.2021). . Des Weiteren ermöglicht die standardisierte Modularisierung die Wiederverwendung von Modulen und einen unkomplizierten Auf-, Um- und Rückbau der Module, was den Lebenszyklus verlängert und eine nachhaltige Nutzung der Ressourcen sicherstellt* Ripperger, S. und Nikolaus, K. (2020): Entwicklung und Planung verfahrenstechnischer Anlagen, Springer Vieweg, Berlin, VDI-Buch. ISBN 9783662604267, S. 31. . Weitere Vorteile der standardisierten Modularisierung sind die vereinfachte Angebotsabwicklung im Einkauf und das Vorhalten von Bauteilen.
Auf der Prozessebene ist das primäre Ziel der Modularisierung von Anlagen, die Komplexität innerhalb der Produktionsprozesse zu reduzieren und gleichzeitig die Flexibilität zu erhöhen* Schneider, C.; Bunse, K.; Gneiting, P. und Sommer-Dittrich, T. (2010): Modularisierung aus Sicht der Produktion. In: Industrie Management, 26 (1), S. 57–60. * TCW (2013): Modularisierung 4.0 - Produkte, Produktion und Dienstleistungen (online), 29.07.2013 (abgerufen am: 17.07.2024). . Die Komplexitätsreduktion wird durch die Aufteilung der Produktion in modulare Anlageneinheiten erreicht, was eine einfachere Handhabung und Optimierung der Produktionsschritte ermöglichen* Schneider, C.; Bunse, K.; Gneiting, P. und Sommer-Dittrich, T. (2010): Modularisierung aus Sicht der Produktion. In: Industrie Management, 26 (1), S. 57–60. * TCW (2013): Modularisierung 4.0 - Produkte, Produktion und Dienstleistungen (online), 29.07.2013 (abgerufen am: 17.07.2024). . Auch der die Wartung und die Instandhaltung der Anlagen wird durch die Modularität deutlich erleichtert. Wartungsmaßnahmen können gezielt am jeweiligen Modul durchgeführt werden, wobei der Rest der Anlage in Betrieb bleiben kann. Durch die zweckmäßige Zerlegung einer Anlage in Module lässt sich zudem die Planungszeit sowie der Transport- und Montageaufwand vor Ort reduzieren, was insgesamt zu Kostenersparnissen führt. Letztlich kann die Modularisierung auch zu kleineren Losgrößen führen und den Flächenbedarf reduzieren.
Somit ist die Modularisierung ein Schlüssel zur Steigerung der Effizienz und Resilienz im Engineering, da sie nicht nur zur Kostensenkung beiträgt, sondern auch die Qualität sowie die Sicherheit der Planung und damit die Dauer eines Projekts maßgeblich beeinflusst* Ripperger, S. und Nikolaus, K. (2020): Entwicklung und Planung verfahrenstechnischer Anlagen, Springer Vieweg, Berlin, VDI-Buch. ISBN 9783662604267, S. 33. .
Durch die Modularisierung von Anlagen kann eine Steigerung der Ressourceneffizienz in verscheiden Bereichen erzielt werden.
Auf Produktebene führt die Standardisierung durch die unkomplizierte Austauschbarkeit und Wiederverwendbarkeit der Module zu Ressourceneinsparungen und -schonungen in Form von Material, Energie und Zeit. Gleichzeitig wird der Lebenszyklus der Module verlängert. Die Flexibilität der Module ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Markveränderungen, was die Notwendigkeit für die Beschaffung neuer Systeme, Maschinen, Komponenten und Anlagen auf ein Minimum reduziert. Modularisierte Einheiten lassen sich zudem unkompliziert warten und instandhalten, was zu weniger Ausfallzeiten und einer effizienteren Nutzung der Anlage führt* Ripperger, S. und Nikolaus, K. (2020): Entwicklung und Planung verfahrenstechnischer Anlagen, Springer Vieweg, Berlin, VDI-Buch. ISBN 9783662604267, S. 33f. .
Auf der Prozessebene hat Flexibilität der Module Auswirkungen auf schnellere Anpassungen auf verändernde Produktionskapazitäten, was zur optimalen Nutzung der Anlage und deren Produktionsressourcen führt. Hierdurch können u.a. Produktionsabfälle reduziert werden. Auch die Optimierung der Energienutzung kann von der Modularität profitieren, da ungenutzte Module einer Anlage bei Bedarf abgeschaltet werden können. Dadurch werden weniger Flächen für die Analgen benötigt* Weyrich, M. und Klein, P. (2012): Modulbasiertes Engineering von Produktionsanlagen Wissensbasierte Konzeption mit funktionsorientierter Modularisierung. In: Conference: wt Werkstattstechnik online, (Heft 9) (S. 592–597), S. 1. .
Die Modularisierung findet Anwendung in verschiedenen Industrien der fertigungs- oder verfahrenstechnischen Herstellung; zum Beispiel im Automobil- und Maschinenbau, Elektrotechnik, Chemie und Pharmazie. Dabei ist die Umsetzung der Modularisierung von Anlangen in den Industrien unterschiedlich ausgeprägt. Akteure wie Produktionsleiter*innen, Entwicklungsingenieur*innen und Qualitätsmanager*innen spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Umsetzung modularer Strategien* TCW (2013): Modularisierung 4.0 - Produkte, Produktion und Dienstleistungen (online), 29.07.2013 (abgerufen am: 17.07.2024). * Schneider, C.; Bunse, K.; Gneiting, P. und Sommer-Dittrich, T. (2010): Modularisierung aus Sicht der Produktion. In: Industrie Management, 26 (1), S. 57–60. .
Das Prinzip der Modularisierung spielt eine entscheidende Rolle in der Optimierung und Effizienzsteigerung von Produktionsprozessen. Sie wirkt sich durch ständige Design-Updates, Standardisierung von Mehrzweckanlagen, Beschaffungsersparnisse sowie die Verkürzung von Entwicklungs- und Produktionszeiten positiv aus. Die Beurteilung der Zweckmäßigkeit für den Einsatz dieser Module erfolgt auf Basis dreier Kriterien* Hady, Ł. und Wozny, G. (2012): Multi‐Criteria Aspects of Modularization in the Process Plant Layout and Design. In: Chemie Ingenieur Technik, 84 (5) (S. 597–614), ISSN 0009-286X, S. 599. :
Trotz der vielen Vorteile der Modularisierung von Anlagen müssen auch einige Herausforderungen und Grenzen berücksichtigt werden.
Die Systemkoordination und Abstimmung der Module für die Sicherung der Produktionsprozesse erfordert ein hohes Maß an technisches Know-how.
Fehler können schnell zu Ineffizienz und Problemen bei der Anlage führen. Die Investitionskosten in modulare Systeme können im Vergleich zu konventionellen Systemen teuer und zeitaufwendig sein. Des Weiteren könnten modulare Anlagen durch ihre Standardisierung oder eingeschränkte Leistungsfähigkeit die spezifischen Anforderungen eines Unternehmens nicht vollumfänglich erfüllen. Auch eine Kompatibilität mit neuen Technologien könnte zu Herausforderungen führen. Der Organisationsaufwand in Form von Logistik und Überwachung könnte je Anwendungsfall höher ausfallen. Abschließend benötigen die Maschinenbedienenden und Mitarbeitenden spezielles Wissen und umfangreiche Schulungsbedarfe* Barth, M.: Modularisierung am Beispiel einer verfahrenstechnischen Modellanlage. In: Tagungsband AALE 2016 : Automatisierung im Fokus von Industrie 4.0 : 13. Fachkonferenz, Lübeck, S. 597. .
Mögliche Weg der Umsetzung sind:
Die Standardisierung ist ein wesentlicher Baustein der Modularisierung von Anlagen und umfasst die Vereinheitlichung von Modulen und Komponenten; beispielsweise über die Abmessungen und Schnittstellen. Dies erhöht die flexible Kombinierbarkeit nach dem Baukastenprinzip. So können die Module und Komponenten herstellerunabhängig zusammenarbeiten. Die Standardisierung aller notwendigen Systeme für die reibungslose Durchführung schließt auch die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik ein. Mit standardisierten Modulen können Systeme leicht erweitert oder reduziert werden. Des Weiteren bildet die Standardisierung die Grundlage für die vereinfachte Wartung und Austauschbarkeit von Modulen und stellt Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen sicher* Ripperger, S. und Nikolaus, K. (2020): Entwicklung und Planung ver-fahrenstechnischer Anlagen, Springer Vieweg, Berlin, VDI-Buch. ISBN 9783662604267, S. 31 f. .
Durch den Einsatz moderner Rechenleistung und fortschrittlicher Softwareentwicklung spielen Simulationen eine zunehmend wichtige Rolle in der frühen Phase der Prozess- und Anlagenentwicklung. Die Simulation ermöglicht es, Systeme oder Prozesse in einer virtuellen Umgebung zu testen und zu optimieren, bevor sie physisch gebaut werden. Hier können das Systemverhalten und die Stoff- und Materialströme erfasst werden. Dieser Ansatz erweist sich bei komplexen Verfahren, deren Verhalten schwer vorherzusagen ist, als besonders vorteilhaft. So lässt sich ein tiefgehendes Verständnis der Vorgänge erzielen. Die virtuellen Prototypen der Systeme und ihrer Prozesse ermöglichen eine bessere Entscheidungsfindung und lassen Probleme schneller erkennen und lösen. Darüber hinaus bieten die Simulationen Kosten- und Risikominderung, Zeitersparnis, Optimierung der Systemleistung, interdisziplinäre Zusammenarbeit sowie Anpassungsfähigkeit und Flexibilität an neue Anforderungen und Bedingungen* Ripperger, S. und Nikolaus, K. (2020): Entwicklung und Planung verfahrenstechnischer Anlagen, Springer Vieweg, Berlin, VDI-Buch. ISBN 9783662604267, S. 51. .
Eine bekannte Ausprägung computergestützter Simulationswerkzeuge ist der digitale Zwilling. Im Kontext des Anlagenbaus verweist der systematische Modularisierungsansatz auf die Implementierung eines digitalen Zwillings für jedes Modul. Die virtuellen Modelle der physischen Objekte, Prozesse oder Systeme werden mit historischen und realen Daten gespeist und simuliert. Dadurch können nicht nur Designoptimierungen identifiziert, sondern auch die Schnittstellen und die Interaktion der verschiedenen Module für eine reibungslose Zusammenarbeit analysiert werden. Der digitale Zwilling der Module bietet neben vielen Funktionen wie der virtuellen Inbetriebnahme, der kontinuierlichen Überwachung oder der prädiktiven Wartung die Grundlage für die Flexibilität und die Erweiterbarkeit der Module. Der digitale Zwilling erleichtert die Modifikation bestehender Module oder die Integration neuer Module, indem der digitale Zwilling mögliche Auswirkungen und notwendige Anpassungen im Voraus simuliert* Ripperger, S. und Nikolaus, K. (2020): Entwicklung und Planung verfahrenstechnischer Anlagen, Springer Vieweg, Berlin, VDI-Buch. ISBN 9783662604267, S. 32ff. . Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass der digitale Zwilling eine Schlüsselrolle bei Umsetzung der Modularisierung von Anlagen spielt, indem er Design, Integration, Betrieb, Wartung, Modifikation und Zusammenarbeit unterstützt und optimiert.
Praxis-Beispiel: Modularisierung einer Anlage zur Reduzierung von Treibhausgasen auf Stauseen
Ein Beispiel aus der verfahrenstechnischen Anlagenproduktion ist das Projekt ETWAS aus dem Jahr 2023, welches die Reduktion von Treibhausgasemissionen aus Stauseen durch ein innovatives Sedimentmanagement ermöglicht. Eine zentrale Rolle spielt dabei die Modularisierung der verwendeten Technologie. Diese Modularisierung ermöglicht es, die Komplexität der Anlage zu beherrschen und eine flexible sowie effiziente Anpassung an unterschiedliche Bedingungen der Gewässer zu gewährleisten, indem das entsprechende Modul ausgetauscht wird, ohne die Gesamtfunktionalität der Anlage zu beeinträchtigen. Die Anlage besteht aus drei Hauptmodulen: der Sediment-/Methan-Aufnahmeeinheit, der Positionierungseinheit sowie der (Analysen-) Messtechnik. Diese modulare Konzeption fördert eine parallele Entwicklung und Inbetriebnahme der Anlagenteile und steigert somit die Entwicklungsgeschwindigkeit und -flexibilität, während die Umweltbelastung durch effektivere Sediment- und Methangasmanagementpraktiken signifikant reduziert werden kann* Berenz, A.; John, J. P.; Herschel, K. und Große, N. (2023): Modularisierung einer Anlage zur Methangasemmissionsvermeidung und Sedimentverlagerung auf Stauseen. In: Mit Automatisierung gegen den Klimawandel, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig. ISBN 9783910103016. .
Praxis-Beispiel: Modularisierung von Anlagen in der Öl- und Gasindustrie
In der Öl- und Gasindustrie hingegen, wo extreme klimatische Bedingungen an Förderstätten herrschen können, bietet die Modularisierung ebenfalls erhebliche Vorteile. So ermöglicht die Modularisierung durch das leichte Aus- und Einbauen der Module, dass Arbeiten unter arktischen Bedingungen auf ein Minimum reduziert oder bei Offshore-Anlagen ein Großteil der Tätigkeiten an Land durchgeführt werden können. Dadurch wird nicht nur die Effizienz und Sicherheit der Prozesse steigert, sondern auch die Umweltauswirkungen und Kosten reduziert* Ripperger, S. und Nikolaus, K. (2020): Entwicklung und Planung verfahrenstechnischer Anlagen, Springer Vieweg, Berlin, VDI-Buch. ISBN 9783662604267, S. 33. .
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“Die Modularisierung von Anlagen ist ein Trend in der Anlagentechnik, in der Anlageneinheiten in Form von kompatiblen Modulen entwickelt werden. Die Modularisierung kann eine Reihe von Vorteilen mit sich bringen. Grundsätzlich soll auf der Produkt- und Prozessebene die Komplexität reduziert, die Flexibilität erhöht, die Effizienz gesteigert und die Wiederverwendbarkeit sowie die Profitabilität gesichert werden.
Zu „Modularisierung von Anlagen“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 Zustandsüberwachung (engl. Condition Monitoring) von Prozessen und Maschinen basiert auf einer kontinuierlichen Erfassung der technischen Zustände der Maschinen. Dies ermöglicht stetig kontrollierbare und transparente Prozesse, die eine frühzeitige Erkennung von Prozessabweichungen und potenziellen Störfällen erlaubt, um proaktiv Maßnahmen zur Sicherung der Prozesse zu ergreifen.
Zu „Zustandsüberwachung von Prozessen und Maschinen“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“Die Modularisierung von Anlagen ist ein Trend in der Anlagentechnik, in der Anlageneinheiten in Form von kompatiblen Modulen entwickelt werden. Die Modularisierung kann eine Reihe von Vorteilen mit sich bringen. Grundsätzlich soll auf der Produkt- und Prozessebene die Komplexität reduziert, die Flexibilität erhöht, die Effizienz gesteigert und die Wiederverwendbarkeit sowie die Profitabilität gesichert werden.
Zu „Modularisierung von Anlagen“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 Zustandsüberwachung (engl. Condition Monitoring) von Prozessen und Maschinen basiert auf einer kontinuierlichen Erfassung der technischen Zustände der Maschinen. Dies ermöglicht stetig kontrollierbare und transparente Prozesse, die eine frühzeitige Erkennung von Prozessabweichungen und potenziellen Störfällen erlaubt, um proaktiv Maßnahmen zur Sicherung der Prozesse zu ergreifen.
Zu „Zustandsüberwachung von Prozessen und Maschinen“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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