Analytische Untersuchung zur Ressourceneffizienz im ...

VDI ZRE Publikationen: Studien

Kathode Anode

Me Cu

Cu

Cu2+

SO2 4

Analytische Untersuchung zur Ressourceneffizienz im verarbeitenden Gewerbe April 2015

Studie:

Analytische Untersuchung zur Ressourceneffizienz

im verarbeitenden Gewerbe

Erstellt von: Fraunhofer-Institut fr

Produktionstechnik und Automatisierung IPA Nobelstr. 12

70569 Stuttgart

Autoren:

Elisabeth Dckert

Lorenz Schfer

Ralph Schneider

Sylvia Wahren

Wir danken Herrn Prof. Dr.-Ing. Brggemann

(Institut fr Produktionstechnik,

Ostfalia Hochschule fr angewandte Wissenschaften)

fr die fachliche Untersttzung

bei der Entstehung dieser Studie.

Fachliche Ansprechpartner:

Dr. Christof Oberender

Manuel Weber

Redaktion:

VDI Zentrum Ressourceneffizienz GmbH (VDI ZRE) Bertolt-Brecht-Platz 3 10117 Berlin

Tel. +49 30 27 59 506 0 Fax +49 30 27 59 506 30 www.ressource-deutschland.de

Titelbild: Anna Morich

Satz und Gestaltung: Anna Morich

http:www.ressource-deutschland.de

Studie

Analytische Untersuchung zur Ressourceneffizienz im verarbeitenden Gewerbe

5

I N HALTSVERZE I CHN I S

MANAGEMENT SUMMARY 10

1 H I NTERGRUND UND MOT I VAT I O N D ER STUD I E 12

1.1 Zielsetzung 13

1.2 Natrliche Ressourcen und Ressourceneffizienz 15

2 VORGEHENSWE I S E DER UNTERSUCHUNG 18

2.1 Bercksichtigte Berichts- und Datenquellen 18

2.2 Entwicklung des Analysekonzepts 19

2.2.1 Identifizierung relevanter Projektberichte 20

2.2.2 Detailanalyse Manahmencharakterisierung 25

2.2.3 Detailanalyse Nutzendarstellung 26

2.2.4 Konzept zur Verdichtung und Auswertung der Daten 27

3 ERGEBN I SSE DER UNTERSUCHUNG 31

3.1 Auswertung der Projektdokumentation zu Fertigungsverfahren des Urformens 31

3.1.1 Ressourceneffizienz bei Fertigungsverfahren des Urformens 32

3.1.2 Ressourceneffizienz beim Aufschmelzen von Metallen und im Metallguss 34

3.1.3 Ressourceneffizienz bei der Verarbeitung von Kunststoffen und Gummi 47

3.2 Auswertung der Projektdokumentation zu Fertigungsverfahren des Umformens 58

3.3 Auswertung der Projektdokumentation zur Fertigungsverfahrenshauptgruppe des Trennens 68

3.4 Auswertung der Projektdokumentation zur Fertigungsverfahrenshauptgruppe des Fgens 78

3.5 Oberflchenbehandlung / Beschichten 86

6

3.5.1 Ansatzpunkte zur Senkung der Ressourcenbeanspruchung in der Oberflchentechnik 87

3.5.2 Manahmen im Prozess Lackieren 88

3.5.3 Manahmen im Bereich des Galvanisierens 99

3.6 Auswertung der Projektdokumentation zur Fertigungsverfahrenshauptgruppe Stoffeigenschaften ndern 116

3.7 Auswertung der Projektdokumentation zu verfahrenstechnischen Prozessen 120

3.7.1 Betrachtete verfahrenstechnische Prozesse 121

3.7.2 Ressourceneffizienzmanahmen bei verfahrenstechnischen Prozessen 123

3.8 Auswertung der Projektdokumentation zur Organisation 159

4 VORSCHLAG ZUR VERBESSERUNG DER DATENGRUNDLAGE DURCH D I E PROJ EKTDOKUMENTAT I ON EN 167

4.1 Bewertung bestehender Projektdokumentationen 167

4.2 Anforderungen an die Projektdokumentation 172

5 ZUSAMMENFASSUNG 185

6 L I T ERATUR- UND QUELLENVERZE I C HN I S 188

7 ANHANG I VORSCHLAG FR PROJ EKTBER I CHTSBLATT 195

7 Abb i ld ungsverze i chn i s

ABB I LDUNGSVERZE I CHN I S

Abbildung 1: Unterteilung der natrlichen Ressourcen nach Entwurf VDI Richtlinie 4800 16

Abbildung 2: Grobablauf der Analyse und Auswertung 20

Abbildung 3: bersicht zur Anzahl der Berichte in der tiefergehenden Analyse 23

Abbildung 4: bersicht zu den Ausschlussgrnden von Projektberichten 24

Abbildung 5: Anzahl der Projektberichte in der Detailanalyse nach Themenkategorie 24

Abbildung 6: Abstraktes Prozessbild des Urformens 33

Abbildung 7: Darstellung des Aufwands und Nutzens ausgewhlter Manahmen zur Verringerung des Ressourcenbedarfs im Metallguss 37

Abbildung 8: Darstellung des Aufwands und Nutzens ausgewhlter Manahmen zur Verringerung des Ressourcenbedar fs beim Urformen von Produkten aus Kunststofen und Gummi 50

Abbildung 9: Abstraktes Prozessbild des Umformens 58

Abbildung 10: Bewertung des Nutzens und Aufwands ausgewhlter Manahmen im Bereich des Umformens 61

Abbildung 11: Abstraktes Prozessschaubild des Trennens 70

Abbildung 12: Abstraktes Prozessschaubild zum Fgen 79

Abbildung 13: Bewertung des Nutzens und Aufwands ausgewhlter Manahmen im Bereich des Fgens 82

8 Tabe l lenverze i chn i s

TABELLENVERZE I CHN I S

Tabelle 1: Quellen der Projektberichte in der Analyse 19

Tabelle 2: Thematische Kategorisierung der Berichte gem Cleaner Production Germany 21

Tabelle 3: Manahmen im Prozess des Metallgusses und der Prozessperipherie 40

Tabelle 4: Manahmen bei der Verarbeitung von Kunststofen und Gummi 52

Tabelle 5: Manahmen bei umformtechnischen Verfahren 64

Tabelle 6: Manahmen fr die Verfahrenshauptgruppe Trennen 74

Tabelle 7: Manahmen fr die Verfahrenshauptgruppe Fgen 84

Tabelle 8: Manahmen im Prozess Lackieren und der Prozessperipherie 90

Tabelle 9: Manahmen im Prozess Galvanisieren und der Prozessperipherie 101

Tabelle 10: Manahmen bei der Wrmebehandlung 118

Tabelle 11: Betrachtete verfahrenstechnische Prozesse kategorisiert nach Branchen und Anwendungsfelder 122

Tabelle 12: Ressourcenefzienzmanahmen bei der Herstellung organischer Grundchemikalien 127

Tabelle 13: Ressourcenefzienzmanahmen bei der Herstellung von Fein- und Spezialchemikalien 131

Tabelle 14: Ressourcenefzienzmanahmen bei Rafnerien 138

9 Tabe l lenverze i chn i s

Tabelle 15: Ressourcenefzienzmanahmen in der Papierherstellung 143

Tabelle 16: Ressourcenefzienzmanahmen in der Textilherstellung/Textilverarbeitung 148

Tabelle 17: Ressourcenefzienzmanahmen in der Metallindustrie 153

Tabelle 18: Ressourcenefzienzmanahmen in der Organisation 162

Tabelle 19: Anforderungen an die Projektdokumentation Allgemeine Unternehmensdaten 175

Tabelle 20: Anforderungen an die Projektdokumentation Projektcharakterisierung 176

Tabelle 21: Anforderungen an die Projektdokumentation Beschreibung der Efzienzmanahme 178

Tabelle 22: Anforderungen an die Projektdokumentation Quantifzierung der erreichten Ressourcenefzienz 182

10 Management Summary

MANAGEMENT SUMMARY

Natrliche Ressourcen efzienter zu nutzen, schont nicht nur die Umwelt sondern bietet Unternehmen auch die Mglichkeit ihre Kosten deutlich zu senken.

Im verarbeitenden Gewerbe stellen die Materialaufwendungen, also Material und Handelsware, mit einem Anteil von durch-schnittlich ca. 57% des Gesamtumsatzes1 die grte Kosten-position dar. Eine verbesserte Ressourcenefzienz hilft daher die Wettbewerbsfhigkeit der Unternehmen zu steigern und die Kostenrisiken aufgrund der Verknappung von Rohstofen zu senken.

Obwohl viele insbesondere groe Unternehmen sich bereits der Mglichkeiten der Ressourcenefzienz annehmen, sind exis-tierende Potenziale der Ressourcenefzienz bisher bei Weitem noch nicht ausgeschpft. In vielen Fertigungsbereichen werden neue Anstze und Ideen zu Efzienzmanahmen bentigt. Seit langem untersttzen Frderprogramme und -projekte die Erforschung und praxisnahe Erprobung von technischen aber auch von organisatorischen Lsungen, um natrliche Ressourcen in der Produktion efzienter nutzen zu knnen. In Summe liegt daher eine Vielzahl von Projektberichten vor, die erfolgreiche Technologieentwicklungen und Manahmen sowie daraus resultierende Einsparungen dokumentieren.

Die vorliegende Studie hat diese Berichte zu gefrderten Ressourcenefzienzprojekten verschiedener Frderprogramme auf Bundes- und Landesebene zusammengetragen und diese auf Technologien und Manahmen sowie auf verfgbare quantitative Daten zur erzielten Ressourcenefzienz untersucht. Ziel war es, eine bersicht zu durchgefhrten Ressourcenefzienz-manahmen im verarbeitenden Gewerbe zu schafen und auf Basis der Daten, die Mglichkeit einer Ableitung von Bench-marks zu betrachten. Insgesamt wurden 3.600 Berichte einer Grobanalyse unterzogen, von denen 290 in eine Detailanalyse eingingen.

1 Destatis (2013)

11 Management Summary

Im Ergebnis liegt ein umfangreicher Katalog zu erfolgreichen Efzienzmanahmen fr verschiedene Fertigungsverfahren, insbesondere zu Prozessen und Verfahren im Urformen (bspw. Metallguss, Kunststofspritzguss), Umformen (bspw. Kalt- und Warmumformung), Trennen, Fgen, Beschichten (Galvanisieren und Lackieren) und Stofeigenschaften ndern sowie zu chemischen Verfahren vor. Weitere Manahmen werden in der Produktionsperipherie, bspw. bei der Aufbereitung von Betriebs-stofen, und im indirekten Umfeld bspw. bei Lagerung und Umgang mit Produktionsmaterial aufgezeigt. Diese Sammlung soll interessierten Unternehmen als Impuls dienen, konkrete Mglichkeiten der Ressourcenefzienz auszuloten und vergleich-bare Projekte anzustoen.

Um knftig belastbare quantitative Daten aus den Projektberich-ten zu gewinnen und Unternehmen Benchmarks zur Ressourcen-efzienz an die Hand zu geben, wurde zudem ein Vorschlag fr eine entsprechende Dokumentation fentlich gefrderter Forschungs- und Entwicklungs- sowie Beratungsprojekten mit dem Ziel der Steigerung der Ressourcenefzienz erarbeitet. Diese soll den Frdermittelgebern und den Unternehmen eine transparente Ermittlung des Nutzens aus Unternehmenssicht (erreichte Ressourceneinsparung) und der hierzu erforderlichen unternehmerischen Aufwendungen (Investitionen) ermglichen und kann ein Benchmarking positiv untersttzen.

12 H i nterg rund und Mot i vat i on der Stud i e

1 H I NTERGRUND UND MOT I VAT I ON DER STUD I E

Mit der wachsenden Weltbevlkerung steigt der weltweite Bedarf an Produkten und mit ihm der Verbrauch an natrlichen Ressourcen. Dem efzienten Umgang mit natrlichen Ressourcen kommt angesichts dieser Entwicklungen ein hoher Stellenwert zu. Natrliche Ressourcen sind wichtige Produktionsfaktoren. Rohstofe wie metallische und nichtmetallische Mineralien, l oder Kohle aber auch Wasser, Luft, Boden/Flche und biologische Vielfalt sind fr unsere Wirtschaft unverzichtbar. Sie bilden die Grundlage unseres Wohlstands aber sie sind auch endlich.

Industrien des verarbeitenden Gewerbes sind hierbei besonders ressourcenintensiv. Durchschnittlich ca. 57% des Gesamt-umsatzes entfallen fr Materialaufwendungen, also fr Material und Handelsware2. Den Verbrauch an natrlichen Ressourcen zu reduzieren, bedeutet daher nicht nur die Umwelt zu entlasten sondern bietet auch die Mglichkeit, die Kosten mageblich zu senken. Die weltweit steigende Nachfrage nach natrlichen Ressourcen macht es zudem notwendig, nach alternativen Lsungen zu suchen, um die Versorgungssicherheit in einem bezogen auf Technologierohstofe rohstofarmen Land wie Deutschland zu gewhrleisten. Die Ressourcenefzienz ist ein wichtiger Baustein, diesen Herausforderungen zu begegnen.

Sowohl auf europischer als auch auf nationaler Ebene wurden daher Initiativen ins Leben gerufen, um das Bewusstsein fr die Notwendigkeit einer efzienteren Nutzung von natrlichen Ressourcen zu strken und zu frdern. Durch die Leitinitiative

Ressourcenschonendes Europa und den Fahrplan fr ein ressourcenschonendes Europa hat die Europische Kommission sowie das europische Parlament, das Thema Ressourcenefzienz zu einem Bestandteil der europischen Umwelt- und Wirtschafts-politik gemacht.

Mit dem Deutschen Ressourcenefzienzprogramm (ProgRess) der Bundesregierung hat Deutschland 2012 ein strategisches Programm zur Steigerung der Ressourcenefzienz beschlossen. Neben dem Ausbau der Kreislaufwirtschaft, der Sicherung der

2 Destatis (2013)


Rohstofversorgung und der ressourcenefzienteren Gestaltung des Konsums liegt auch hier ein Fokus auf der Ressourcen-efzienz in der Produktion.

Auf Bundes- als auch auf Landesebene existieren hingegen schon seit lngerer Zeit Programme und Initiativen, die Projekte fr eine Verminderung der Umweltbelastung und zur efzienten Nutzung natrlicher Ressourcen untersttzen. Beispielhaft sind zu nennen: Das Umweltinnovationsprogramm des Bundes-ministeriums fr Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB), go-efzient des Bundesministeriums fr Wirtschaft und Energie (BMWi) auf Bundesebene, Frderungen der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, des Netzwerks produktionsintegrierter Umweltschutz PIUS mit Kooperationspartnern in verschiedenen Bundeslndern.

Mittlerweile liegt daher eine Vielzahl an einzelnen Berich-ten zu Ressourcenefzienzprojekten vor. Sie dokumentieren ein breites Spektrum an Manahmen und stellen damit eine umfangreiche Wissensbasis dar. Daneben weisen die Projekt-berichte quantifzierte Erfolge aber auch Schwierigkeiten und Rahmenbedingungen von Ressourcenefzienzprojekten aus. Bisher wurden diese Berichte meist nur vereinzelt oder unter starkem Branchenfokus ausgewertet. Es lag daher nahe, die Projektberichte in der Gesamtschau zu betrachten und die Ergebnisse aufzuarbeiten.

1 .1 Zielsetzung

Vor diesem Hintergrund initiierte die VDI Zentrum Ressourcen-efzienz GmbH (VDI ZRE), das Ministerium fr Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Wrttemberg und das Hessische Ministerium fr Wirtschaft, Energie, Verkehr und Landes-entwicklung die vorliegende Studie mit vier Zielen:

1.Analysekonzept Zunchst sollte ein Konzept entwickelt werden, das eine segmentierte Betrachtung von Prozessen in Produktionsablufen ermglicht. Hierzu waren sinnvolle Bereiche bzw. Teil-Prozesse in der innerbetrieblichen Wertschpfungskette abzugrenzen, fr die nachfolgend quantitative Benchmarks fr den Verbrauch


verschiedene Ressourcen abgeleitet werden knnen. Zudem musste es das Konzept ermglichen, vom Branchenbezug zu abstrahieren und zu prozess- bzw. verfahrensbezogenen Aus-sagen zu gelangen, um eine bertragbarkeit der Ergebnisse zu erlauben.

2.Strukturierte Daten Mithilfe dieses Konzepts galt es dann eine umfassende Analyse von Projektberichten aus verschiedenen Quellen durchzufhren. Auer den in den Berichten enthaltenen Sekundrdaten sollten hierbei keine weiteren Primrdaten erhoben werden. Insbesondere sollten vorhandene Verbrauchsdaten zu Roh-, Hilfs- und Betriebsstofen sowie zu Energieverbruchen notiert und die zugehrigen Fertigungsverfahren und Teilprozesse vermerkt werden. Da fr die Steigerung der Energieefzienz im verarbeitenden Gewerbe bereits viele unterschiedliche Handlungshilfen vorliegen, sollte der Schwerpunkt der Analyse Projektberichten gelten, die sich hauptschlich der Steigerung der Materialefzienz widmen. Projekte, die ausschlielich das Ziel der Steigerung der Energieefzienz bzw. der Reduktion des Energieverbrauchs zum Ziel hatten, sollten nicht betrachtet werden.

3.Manahmendarstellung Die erfassten Rohdaten aus den Projektberichten sollten schlielich so verdichtet werden, dass quantitative Benchmarks fr die zuvor defnierten Fertigungsverfahren und Teilprozesse abgeleitet werden knnen. Diese Referenzwerte sollten Unter-nehmen dabei untersttzen, ihre eigene Ressourcenefzienz einschtzen zu knnen bzw. das Potenzial insbesondere in Bezug zur Materialefzienz fr identifzierte Produktionsablufe aufzuzeigen. Im Laufe der Untersuchung kristallisierte sich allerdings heraus, dass die Daten der verfgbaren Berichte3 nicht ausreichten, um serise Benchmarks abzuleiten. Statt der Bench-marks wurden daher auf Basis der Projektberichte, Problem-/ Handlungsbereiche und typische Manahmen (bspw. auf Ebene

3 Viele potentielle Projektberichte wurden aus der Untersuchung bspw. aufgrund von irrelevantem Themenfokus, geringer Praxisrelevanz ausgeschlossen (siehe Kapitel 2.2.1 Identifizierung relevanter Projektberichte). Zudem enthielten nicht alle Projektberichte quantifizierte Daten zur Einsparung von Ressourcen, so dass die Datenbasis nicht ausreich-te, serise Benchmarks abzuleiten.


der Fertigungsverfahren, der Organisation) zusammengetragen und dargestellt.

4.Anforderungen an Projektdokumentationen Qualifzierte Benchmarks mit Bezug zum Nutzen knnen sinnvoll durch eine vereinheitlichte und vollstndige Dokumentation eingesetzter Ressourcen und erzielter Einsparungen untersttzt werden. Daher wurde hier vereinbart, dass Vorschlge fr eine Verbesserung der Datengrundlage im Sinne von Anforderungen an eine Projektdokumentation erarbeitet werden.

1 .2 Natrl iche Ressourcen und Ressourceneffizienz

Da die Begrife der natrlichen Ressourcen sowie der Ressourcenefzienz mitunter sehr vieldeutig verwendet werden, soll der Studie an dieser Stelle eine kurze Erluterung der Begrifichkeiten vorangestellt werden. Dies soll helfen den Fokus der Studie einzugrenzen und zum besseren Verstndnis der Inhalte beitragen.

Der Erklrung des Umweltbundesamts zufolge sind Natrliche Ressourcen [..] alle Bestandteile der Natur, die fr den Menschen einen Nutzen stiften, sei es direkt durch ihren Ge- oder Verbrauch oder indirekt als Einsatzstofe bei der Produktion von Sachgtern und Dienstleistungen [].4

Im engeren Sinne werden unter natrlichen Ressourcen damit zunchst biotische und abiotische Rohstofe verstanden, die fr industrielle Zwecke aufgrund ihrer stofichen oder energetischen Eigenschaften der natrlichen Umwelt entnommen werden. Biotische Rohstofe sind erneuerbare Rohstofe tierischer oder pfanzlicher Herkunft. Abiotische Rohstofe sind dagegen nicht erneuerbare Rohstofe. Zu ihnen zhlen Energietrger, Erze und sonstige mineralische Rohstofe (Baumineralien wie Sand, Kies, Steine sowie Industriemineralien wie Quarzsand, Kalisalze etc). Weiterhin zhlen zu den natrlichen Ressourcen im engeren Sinne Wasser sowie der Boden.5

4 Umweltbundesamt (UBA) (2002) 5 Wuppertal Institut fr Klima, Umwelt, Energie GmbH (2008)


Im weiteren Sinne zhlen zu den natrlichen Ressourcen aber auch alle Leistungen, die die Natur in indirekter Weise fr den Menschen erbringt. Hierzu zhlen beispielsweise der Schutz vor schdlicher Strahlung durch die Atmosphre, die Aufnahme-fhigkeit fr Emissionen (Senkefunktion) sowie globale Stof-kreislufe, die Regenerationsfhigkeit natrlicher Lebensrume und die Biodiversitt.6

Eine systematische Erarbeitung des Ressourcenbegrifs hat auch der VDI mit seinem Entwurf zur Richtlinie VDI 4800 Ressourcen-efzienz Methodische Grundlagen, Prinzipien und Strategien vorgelegt, die sich im Kern auf die obigen Defnitionen sttzt. Folgende Abbildung gibt eine bersicht, welche spezifschen Ressourcen zu den natrlichen Ressourcen gezhlt werden.

Natrliche Ressourcen

Wasser Luft Boden/ Flche

Bio-diversitt

kosystem-dienstleistungen

Rohstoffe Energie

Abbildung 1: Unterteilung der natrlichen Ressourcen nach Entwurf VDI Richtlinie 4800 (2014)

In diesem Kontext wird Ressourcenefzienz als das Verhltnis eines bestimmten Nutzens oder Ergebnisses zum dafr ntigen Ressourceneinsatz verstanden.7 Die Ressourcenefzienz lsst sich dabei ber den in der nachfolgenden Formel dargestellten Quotienten berechnen.8

Ressourcen- Nutzen (z.B.Produkt) =

efzienz Aufwand (Einsatz natrlicher Ressourcen)

Demzufolge lsst sich die Ressourcenefzienz steigern, je geringer der ntige Aufwand an natrlichen Ressourcen oder je hher der erreichte Nutzen (z.B.des Produktes) ist.

6 Wuppertal Institut fr Klima, Umwelt, Energie GmbH (2008) 7 Kosmol, J.; Kanthak, J. (2012), S. 23 8 VDI (2014), S. 7


Die vorliegende Studie wird sich weitgehend auf die Betrachtung der natrlichen Ressourcen Rohstofe (Produktionsmaterial, Energie, Hilfs- und Betriebsstofe) sowie Wasser und Luft (insbesondere im Sinne der Senkefunktion bzgl. Abluft, Abwasser) beschrnken. Dies ist zum einen in den dieser Unter-suchung zugrunde gelegten Projektberichten begrndet, zum anderen sind dies aber auch die (natrlichen) Ressourcen, die direkt und unter konomischen Gesichtspunkten auf krzere Sicht in der Produktion beeinfusst werden knnen.

18 Vorgehenswe i se der Untersu chung

2 VORGEHENSWE ISE DER UNTERSUCHUNG

Grundstzlich handelt es sich bei der vorliegenden Untersuchung methodisch um eine Sekundranalyse. Hierbei werden Daten genutzt, die in anderen Arbeiten bereits erhoben bzw. prsentiert wurden, mit dem Ziele neue Fragestellungen mithilfe der Daten zu beantworten.

2.1 Bercksichtigte Berichts- und Datenquellen

Als Datenquellen sollten in dieser Untersuchung Projekt-dokumentationen, -berichte und -verfentlichungen herangezogen werden, die in Folge von gefrderten Ressourcen-efzienzprojekten erstellt und zugnglich gemacht wurden. Insbesondere sollten die verfgbaren Projektberichte aus folgenden Quellen in der Analyse bercksichtigt werden.

19 Vorgehenswe i se der U ntersu ch un g

Tabelle 1: Quellen der Projektberichte in der Analyse

Quelle Kurzbeschreibung (Institution und Inhalte)

Cleaner Production Informationsportal des Umweltbundesamtes zum Umwelttechnologie-Germany transfer. Das Portal bietet u.a. eine umfangreiche Sammlung von

Projektberichten und Publikationen im Bereich umweltvertrglicher Verfahren / Umwelttechnik. Alle Projekte wurden durch Bundes- und Lnderministerien, Lnderagenturen oder durch Stiftungen im ffentlichen Auftrag gefrdert.

UIP (Umwelt- Das Programm des BMU (in Zusammenarbeit mit UBA und der KfW Bank) innovationsprogramm) frdert Investitionen mit Demonstrationscharakter zur Verminderung

von Umweltbelastungen in verschiedensten Bereichen. ber die Webseite und das Archiv sind zahlreiche Projektberichte erhltlich.

PIUS (Produktions- Internetportal des Kooperationsprojekts der Lnder Hessen, Nordrhein-integrierter Westfalen und Rheinland-Pfalz sowie des VDI Zentrum Ressourcen-Umweltschutz) effizienz. Projektberichte und Studien zu den Themen Management,

Technologie, Effizienz und Nachhaltigkeit.

Landesprogramme Projektberichte der Programme BEST (Betriebliches Energie- und zur Ressourcen- Stoffstrommanagement) und des UPS (Umweltpolitischer Schwerpunkt) effizienz in der Landesanstalt fr Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Baden-Wrttemberg Wrttemberg (LUBW).

VDI Zentrum Das Kompetenzzentrum Ressourceneffizienz ist ein Projekt im Rahmen Ressourceneffizienz der Nationalen Klimaschutzinitiative des Bundesumweltministeriums. Die

Webseite bietet Studien, Kurzanalysen und Fallbeispiele zu effizienterem Verbrauch von Material und Energie.

BREF-/BVT-Dokumente

Dokumente und Merkbltter der Europischen Kommission zu den Besten Verfgbaren Techniken in der Herstellung verschiedener Erzeugnisse (bspw. Eisen- und Stahlerzeugung).

Deutsche Material-effizienzagentur (demea)

Die demea ist eine Initiative des BMWi zur Frderung (Innovations-gutscheine) von KMU bei Projekten im Bereich der Rohstoff und Materialeffizienz.

In der Gesamtzahl lagen aus diesen Quellen etwa 3.600 Berichte fr die Untersuchung vor.

2.2 Entwicklung des Analysekonzepts

Die Analyse und Auswertung der Projektberichte wurde in drei Schritten durchgefhrt. Im ersten Schritt wurde zunchst eine Grobanalyse der Projektberichte durchgefhrt, mit dem Ziel jene Berichte zu identifzieren, die in den Bereich des verarbeitenden Gewerbes fallen und geeignete Daten fr die sptere qualitative sowie quantitative Auswertung beinhalten.

Im zweiten Schritt wurden die verbleibenden Projektberichte einer Detailanalyse unterzogen. Dies umfasste die Dokumen-tation von durchgefhrten Manahmen zur Ressourcenefzienz

analyse

3

Kategorisierung /Auswertung Or

gani

satio

n


als auch die Extraktion von vorhandenen Daten zur Nutzen-bewertung der Manahmen.

Im dritten Schritt wurden sowohl die qualitativen als auch die quantitativen Daten anhand der Bereiche Produktion sowie Orga-nisation zusammengefasst und fr den Bereich der Produktion diferenziert nach verschiedenen Ebenen ausgewertet. Abbildung 2 zeigt schematisch den Grobablauf der Analyse und Auswertung.

ca. 3.600 290 relevante Projektberichte Einzelberichte

analyse

Manahmen Nutzen

Produktion Produktionsplanung/ -steuerung, Arbeitsvorbereitung

Detail

1

Grob

2

Prozessperipherie

Prozesskette

Prozessschritte

Abbildung 2: Grobablauf der Analyse und Auswertung (Eigene Darstellung)

Die Inhalte der einzelnen Arbeitsschritte werden im Folgenden genauer dargestellt.

2.2.1 Identif izierung relevanter Projektberichte

Zu Beginn der Grobanalyse wurden zunchst alle Projektberichte durch Grunddaten in einer Tabelle erfasst. Diese Daten beinhalten den Projekttitel, den Projektjahrgang, Quellenangaben, die fr-dernde Institution, die frdernehmende Firma bzw. Organisation sofern verfgbar mit Name und Standort. Aufgrund der Ziel-setzung, die verfgbaren Daten auf Prozessebene zu verdichten,


wurde auf eine Einteilung der Projektberichte nach Branchen bzw. Wirtschaftszweigen verzichtet und lediglich eine Zuordnung anhand von Themenkategorien vorgenommen. Da die Datenbank der Cleaner Production Germany, die mit Abstand grte Anzahl an Projektberichten bereithielt, wurde auf deren Kategorisierung zurckgegrifen (siehe Tabelle 2).

Tabelle 2: Thematische Kategorisierung der Berichte gem Cleaner Production Germany

lfd. Nr. Themenkategorie lfd. Nr. Themenkategorie

1 Abfalltechnik 14 Lrmminderung

2 Abwassertechnik 15 Lebensmittel

3 Bauen & Gebude 16 Luftreinhaltung

4 Biotechnologie 17 Metall

5 Chemie 18 Oberflchentechnik

6 Drucktechnik 19 Papier & Zellstoff

7 Elektro & Elektronik 20 Regenerative Energien

8 Energietechnik 21 Sanierungstechnik

9 Fahrzeuge & Verkehr 22 Steine & Erden

10 Holz & Mbel 23 Textil & Bekleidung

11 Klimaanpassung 24 Trinkwasser

12 Kunststoffe 25 Wassermanagement

13 Landwirtschaft

Bei der Erfassung der Grunddaten wurde jeder Projektbericht grob analysiert und anhand folgender Kriterien entschieden, ob der jeweilige Bericht in die tiefergehende Analyse einbezogen werden sollte. Wurde eines der folgenden fnf Kriterien nicht erfllt, wurde der entsprechende Bericht von einer weiteren Untersuchung ausgeschlossen:

1. Relevanter Themenfokus: Unter diesem Kriterium wurde berprft, ob der Bericht ein Projekt im Bereich des verarbei-tenden Gewerbes dokumentiert und sich weiterhin im Kern mit der Ressourcenefzienz in der Produktion beschftigt. Projekte aus den Kategorien Wassermanagement, Trink-wasser, Sanierungstechnik Regenerative Energien, Luftrein-haltung, Lrmminderung, Landwirtschaft, Klimaanpassung, Bauen & Gebude, Biotechnologie sowie Abwassertechnik wurden schlielich von einer tieferen Untersuchung


ausgeschlossen. Entweder adressierten diese Projekte nicht das verarbeitende Gewerbe (bspw. Projekte fr fentliche Kunden wie Deponien, Klranlagen) und den Bereich der Produktion oder sie fokussierten auf Themen, die nicht primr der Ressourcenefzienz zuzuordnen waren (bspw. reine Emissionsreduktion). Projekte die ausschlielich das Ziel der Steigerung der Energieefzienz verfolgten wurden ebenfalls von einer weiteren Betrachtung ausgeschlossen.

2. Manahmen- und Nutzenbeschreibung: Weiterhin wurde geprft, ob die Berichte Manahmenbeschreibungen zur Ressourcenefzienz und /oder eine Nutzenbeschreibung (bspw. Quantifzierung von Ressourcen-Einsparungen) ent-halten. Enthielten die Berichte keine dieser Informationen wurden sie ebenfalls von einer tiefergehenden Analyse ausgenommen.

3. Qualitt der Dokumentation: Sowohl Art, Umfang als auch die inhaltliche Tiefe der Berichte aus den genannten Quellen ist sehr unterschiedlich. Sie reichen von Kurzprsentationen ber halbseitige Projektverfentlichungen bis hin zu mehreren hundert Seiten detaillierter Projektvorgehens- und Ergebnisbeschreibung. Vor allem Kurzberichte ohne Projekt-kontext, fehlenden Beschreibungen von Vorgehensweisen, Manahmen und lediglich qualitativer Nutzenbeschreibung wurden unter diesem Kriterium ausgeschlossen.

4. Aussagekraft/Praxisrelevanz: Neben der Dokumentation von Industrieprojekten lieferten die Quellen auch viele Berichte zu Forschungsvorhaben. Unter dem Kriterium

Aussagekraft/Praxisrelevanz wurde daher geprft, ob sich aufgrund einer tatschlichen technischen und/oder organi-satorischen Umsetzung, praktische Manahmen und Nutzen ableiten lassen. Insbesondere bei den Forschungsprojekten wurde daher darauf geachtet, ob es sich lediglich um theoretische Entwicklungen oder Projekte mit Demonstra-tions- und Implementierungsanteil (zumindest im Labor-mastab) handelt.

5. Aktualitt: Im Zuge der ersten berprfung der Projekt-berichte konnte festgestellt werden, dass ltere


Dokumentationen berwiegend Manahmen enthielten, die entweder aufgrund heutiger, gesetzlicher Regelungen oder aufgrund der Technologiedifusion zum Stand der Technik gehren. Folglich wurde vereinbart, dass zustzlich Projekt-berichte deren Projektabschluss vor 2004 datieren von einer tiefergehenden Analyse ausgeschlossen werden.

Letztlich wurden die Projektberichte aus den unterschiedlichen Quellen auf Dopplungen geprft. Insbesondere die Cleaner Production Germany Plattform stellt eine sehr umfangreiche Sammlung von Berichten zur Verfgung. Hierin waren bereits mehrere Berichte aus anderen Programmen/Portalen enthalten (bspw. UIP- oder PIUS-Berichte).

Nach Prfung und Bereinigung der Berichte ergab sich damit folgende Grundgesamtheit fr die weitere tiefergehende Analyse der Projektberichte (siehe Abbildung 3).

N = 3.626 290 Weiter betrachtete Berichte

3.336 Nicht weiter betrachtete Berichte

Abbildung 3: bersicht zur Anzahl der Berichte in der tiefer-gehenden Analyse (Eigene Darstellung)

Insgesamt wurden 3.336 Projektberichte von einer tiefer-gehenden Betrachtung ausgeschlossen. Ein Groteil der Berichte wurde aufgrund eines irrelevanten Themenfokus sowie auf-grund starker Forschungsausrichtung (oftmals fehlende, valide Umsetzungsdaten) nicht weiter betrachtet. Folgende Abbildung 4 zeigt die Grnde und die jeweilige Anzahl der ausgeschlossenen Projektberichte.

24

l En

er

echn

ikec

hnik e

Druc

kt

ehr

echn

ikCh

emie

Holz &

Mb

el eleid

ung

echn

ik on

ik off

den

Meta

l

off

Lebe

nsmi

tt t

erk

Stein

e &

Er

ektr ls ts el t

flch

ent

giet t

xtil &

Bekl

ahrz

euge

& Vuns l

apier

& Z

alo

& El

Abf

K

Elekt

r Ob

er e P T

F

Vorgehenswe i se der Untersu chung

271 Fehlende Aktualitt (vor 2003)

N = 3.336

491 Dokumentation nicht aussage-krftig/nicht vorhanden

474 Redundant

717 Unmittelbare Praxis-

1.383 Irrelevanter Themenfokus

relevanz nicht gegeben

Abbildung 4: bersicht zu den Ausschlussgrnden von Projektberichten (Eigene Darstellung)

Die 290 Projektberichte die schlielich in die Detailanalyse eingingen, stammten aus folgenden Themenkategorien (siehe Abbildung 5). Obwohl die Anzahl in einzelnen Bereichen mit-unter gering war (bspw. Abfalltechnik, Papier & Zellstof), lie die Auswertung trotzdem eine breite und gute bersicht zu den Manahmen auf Prozessebene zu, da die Berichte zahlreiche Einzelmanamen beinhalteten.

53

43

28 26 21 19 18 17 17 16

10 9 7 6

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

N = 290

Abbildung 5: Anzahl der Projektberichte in der Detailanalyse nach Themenkategorie (Eigene Darstellung)


2.2.2 Detailanalyse Manahmencharakteris ierung

Fr die nach der Grobanalyse verbliebenen Projektberichte wurden im zweiten Schritt alle enthaltenen Manahmen erfasst. Neben der Beschreibung der Manahmen selbst, wurde fr jede Manahme der Ressourcenbereich sowie der Technologiebereich spezifziert, in dem die Manahme angesetzt wurde.

Unter dem Ressourcenbereich wurden folgende Punkte pro Ma-nahme erfasst:

Ressourcenstrom: In den Projektberichten werden unter-schiedliche Kategorien von Ressourcenstrmen betrachtet. Handelt es sich im Projekt um Manahmen der Abfall-behandlung oder um Optimierungsmanahmen direkt in den Fertigungs- sowie Infrastrukturprozessen wurde entsprechend Abfall oder Input als Kategorie vermerkt.

Spezifzierung und Art der Ressource: Zunchst wurde die Ressource wie im Projektbericht enthalten benannt und danach einer der Ressourcenkategorien Natrliche Ressourcen wie Luft und Wasser, (Produktions-) Material oder der Kategorie Hilfs- und Betriebsstofe zugeordnet.

Spezifsche Zielsetzung und Art der Optimierung: Letztlich wurde den einzelnen Manahmen die in den Projektberichten ausgewiesene Zielsetzung zugeordnet sowie festgestellt, um welche Art der Optimierung es sich bei der Manahme handelt (bspw. Substitution/Wechsel, Wiederverwendung, Weiterverwendung, schlichte Optimierung).

Im Technologiebereich wurde hingegen ergnzt, in welchem Bereich die Manahme ansetzt. Hierbei wurden folgende Kategorien unterschieden:

Produktgestaltung: Bei Manahmen in dieser Kategorie, handelt es sich um Aktivitten, die bereits in der Produkt-entwicklung durchgefhrt werden und spter Auswirkungen auf den Ressourcenverbrauch in der Herstellung haben.

Herstellung primre Prozesse/Fertigungsverfahren: Hierunter wurden Manahmen kategorisiert, die direkt im Fertigungsverfahren beziehungsweise in der


Verfahrenstechnik ansetzen. Die Fertigungsverfahren wurden unter Rckgrif auf die DIN 8580 und die Verfahrens-technik anhand der Grundoperationen (Trennen/Vereinigen von Stofen) klassifziert. Falls mglich wurde die Manahme zudem im konkreten Prozessschritt der Verfahren verortet.

Herstellung sekundre Prozesse/Produktionsumfeld: Manahmen, die zwar in der Produktion ergrifen werden aber nicht im eigentlichen Produktionsprozess ansetzen wurden unter dieser Kategorie vermerkt. Hierbei handelt es sich um Hilfs- und Vorbereitungsprozesse, Arbeitsumfeld- und Infrastrukturmanahmen oder auch Abfall-/Recycling-strme.

Organisation: Manahmen, die organisatorischer Natur sind also Manahmen die weder die Produktgestaltung betrefen noch wesentlich in die Fertigungstechnologie eingreifen wurden unter dieser Kategorie erfasst. Sie betrefen die rumliche Anordnung von Produktionseinheiten, die Gestal-tung von Material- und Informationsfssen, Qualifkationen oder die Fertigungssteuerung und kontrolle.

Sofern die Projektberichte spezifsche Angaben zur ber-tragbarkeit bestimmter Manahmen machten, wurden auch diese unter dem Technologiebereich dokumentiert.

2.2.3 Detailanalyse N utzendarstellung

Im Zuge der Manahmenaufnahme wurde zudem der Nutzen der einzelnen Manahmen in Bezug auf die Ressourcenefzienz erfasst. Hierbei ging es darum die Auswirkungen der beschrie-benen Manahmen oder Manahmenbndel auf die einzelnen Ressourcen darzustellen.

Im ersten Schritt wurden die Auswirkungen auf die einzelnen Ressourcen zunchst qualitativ beschrieben und kategorisiert (teilweise/vollstndige Reduzierung oder auch Steigerung des Ressourceneinsatzes, Substitution der Ressource, Nutzbar-machung von bspw. Nebenprodukten/Abfllen, Steigerung der Ausbeute).


Danach wurden die in den Projektberichten verfgbaren quantitativen Daten zu den Auswirkungen zusammengetragen. Da die Quantifzierungen zu den Ressourcenwirkungen in den Projektberichten sehr unterschiedlich dargestellt sind, wurde der Nutzen wiederum in unterschiedlichen Kategorien erfasst: Prozentuale/Relative nderungen ohne zugehrige Mengen-angaben (Vorher-Nachher), Ressourcenverbruche mit konkreten Mengenangaben (Vorher-Nachher) und Ressourcenauswirkungen ausgedrckt in monetren Gren jedoch ohne Mengenangaben (Vorher-Nachher) sowie Ressourcenauswirkungen ausgedrckt in sonstigen Gren (wie beispielsweise CO2).

2.2.4 Konzept zur Verdichtung und Auswertung der Daten

Zur Verdichtung bzw. Zusammenfassung der Daten wurden vier Schritte durchlaufen.

Als erstes wurden die Daten anhand der berkategorien des Technologiebereichs (siehe Kapitel 2.2.2) zusammengefasst. Im Zuge der Manahmencharakterisierung lie sich feststellen, dass sich die Manahmen im Wesentlichen unter drei Aspekten beziehungsweise Bereichen getrennt betrachten lassen.

Organisation

Produktdesign/-entwicklung sowie

Produktion

Speziell Manahmen im Bereich der Organisation erwiesen sich als branchenunabhngig und lieen sich einzelnen Prozessen oder Prozessschritten in der Produktion nur schwer direkt zuweisen.

Im zweiten Schritt wurden die Manahmen in den jeweiligen berkategorien weiter untergliedert und nach hnlichen Ansatz-punkten zusammengefasst.

Im Bereich der Organisation stand hierbei im Vordergrund, Hinweise zu liefern, fr welche Problemstellungen und in welchen konkreten Verantwortungsbereichen (bspw.


Beschafung/Disposition, Logistik, Planung) die beschriebenen, organisatorischen Manahmen und Methoden ansetzen (siehe Kapitel 3).

Fr den Bereich der Produktion wurden die einzelnen Manahmen, sofern bearbeitende Verfahren betrofen waren, zunchst unter den Fertigungsverfahren der DIN 8580 oder im Falle von verarbeitenden Verfahren unter den Grundoperationen zusammengefasst. Zudem wurden die Manahmen den folgenden Bereichen zugeordnet:

Produktionsplanung/-steuerung, Arbeitsvorbereitung: Planende und steuernde Aktivitten im Vorfeld der Produk-tion beziehungsweise den Fertigungsschritten

Prozessperipherie: Systeme und Anlagen, die Produktions-prozesse untersttzen, indem sie zum Beispiel Druckluft, Wrme oder Klte zur Verfgung stellen

Prozesskette: Abfolge verschiedener Arbeits-/Fertigungs-schritte und Maschinen in Bezug auf die defnierten Ferti-gungsverfahren nach DIN 8580 und der Grundoperationen (Verfahrenstechnik).

Prozessschritte: Einzelne Arbeits- beziehungsweise Ferti-gungsschritte innerhalb der Prozesskette

Manahmen in den jeweiligen Kategorien wurden dann weiter als organisatorisch, technisch-organisatorisch oder tech-nisch spezifziert. Im Bereich der Produktion wurden unter

organisatorisch alle Manahmen verstanden, die beispiels-weise in der operativen Produktionsplanung bzw. -steuerung oder der Arbeitsvorbereitung angesiedelt waren. Hierunter felen vor allem die Verbesserung von Informationsfssen und angepasste Vorgaben als Input fr die Produktion. Technisch-organisatorische Manahmen fanden hingegen direkt in der Prozessperipherie oder der Fertigungs-Prozesskette statt, wobei die jeweiligen Manahmen sowohl technische als auch organisa-torische nderungen nach sich ziehen. Technische Manahmen waren ebenfalls in der Fertigungsperipherie, in der Prozesskette


bzw. einzelnen Prozessschritten verortet, sind jedoch rein tech-nischer Natur und machten keine oder kaum organisatorische Anpassungen ntig.

Manahmen in der berkategorie Produktentwicklung bezie-hungsweise Produktdesign wurden nur vereinzelt dargestellt und verteilten sich auf sehr unterschiedliche Produkte. Auch eine Verdichtung der Manahmen unter den Aspekten Manahmen am Endprodukt und den jeweiligen Bauteilen (B2C) sowie

Manahmen an Maschinen und Maschinenkomponenten (B2B) brachte keine auswertbaren Ergebnisse, so dass auf eine weitere Analyse dieser Kategorie verzichtet wurde.

Im dritten Schritt wurden den Manahmenkategorien auf Basis der Datentabelle der jeweilige Nutzen zugewiesen. Sofern die Datenlage dies zulie, wurde der Nutzen quantifziert und falls dies nicht mglich war qualitativ beschrieben. Die ausgewiesenen Werte wurden dabei durch Angaben zum Projektkontext ergnzt, um darzustellen unter welchen Gegebenheiten ein bestimmter Nutzen erzielt werden konnte.

Eine serise Ableitung von Benchmarkwerten war in diesem Kontext nicht mglich, da die Berichte und folglich die Daten-grundlage hierfr nicht ausreichten.

Im letzten Schritt wurden die Manahmen diferenziert nach den einzelnen Kategorien ausgewertet.

Das folgende Kapitel 3 stellt nun die Ergebnisse der Untersuchungen und Auswertungen vor. Zunchst werden Manahmen behandelt, die dem Bereich der Produktion zugeord-net sind. Kapitel 3.1 bis 3.6 sind den bearbeitenden (Fertigungs-) Verfahren gewidmet, whrend Kapitel 3.7 die Ergebnisse zu den verarbeitenden Verfahren darstellt. Kapitel 3.8 befasst sich schlielich mit Manahmen, die dem Bereich der Organisation zugeordnet sind.

Die Manahmen aus den Projektberichten sind fr eine ber-sichtliche Darstellung in tabellarischer Form aufgelistet. Die Tabellen sind dabei folgendermaen strukturiert:


Manahmenkategorie: Hier sind berbegrife vermerkt, unter dem sich die folgenden Manahmen zusammenfassen lassen. Sie beinhalten die grundlegende Strategie, die zur Verbesserung der Ressourcenefzienz angewendet wurde.

Manahmen: In dieser Spalte sind die einzelnen Manah-men aus den Projektberichten dokumentiert.

Zielsetzung/Nutzen: Pro Manahme sind hier die im Projekt-bericht beschriebene Zielsetzung sowie der ausgewiesene Nutzen zusammengefasst.

Prozess: Hierunter ist vermerkt, wo im jeweiligen Produktionsbereich (Peripherie/Infrastruktur, Herstellungs-prozess oder einzelner Prozessschritt) die Manahme ange-setzt wurde. Fr die organisatorischen Manahmen wurde hier auf eine Einordnung verzichtet und lediglich der Bereich (Arbeitsvorbereitung, Einkauf etc.) benannt.

Stellhebel: Unter Stellhebel sind schlielich die einzelnen Ressourcen vermerkt, die durch eine Manahme laut Projekt-bericht berhrt wurden. Hier wird zunchst die Ressourcen-kategorie angegeben und sofern im Bericht weiter spezifziert eine genaue Ressource benannt. Bei den orga-nisatorischen Manahmen wurden Stellhebel nicht vermerkt, da eine Zuordnung nicht eindeutig mglich war.

31 Ergebn i s se der Untersu chung

3 ERGEBN I SSE DER UNTERSUCHUNG

3.1 Auswertung der Projektdokumentation zu Fertigungsverfahren des Urformens

Urformen zhlt zu den bedeutendsten Fertigungsverfahren der industriellen Produktion. Das Urformen eines Fertigteils oder Halbzeuges kann der erste Schritt in einer komplexen Abfolge von verschiedenen Prozess- und Bearbeitungsschritten sein, an deren Ende das fertige Produkt steht. Das Fertigungsverfahren des Urformens ist nach DIN 85809 wie folgt defniert:

Fertigen eines festen Krpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes; hierbei treten die Stoffeigen-schaften des Werkstckes bestimmbar in Erscheinung.

Urformen ist die direkte Formgebung von Fertigteilen oder Halb-zeugen aus verschiedenen formlosen Rohstofen. Das Urformen umfasst dabei alle Verfahren, bei denen aus einem formlosen Stof ein Krper geschafen wird. Die Rohstofe knnen dabei als Formmasse vorliegen wie beispielsweise Granulate oder Pulver beim Spritzgieen (Urformen von Kunststofen) oder als fssiges Vorprodukt in Form einer Schmelze beim Gieen (Urformen aus metallischen Werkstofen). Urformtechnische Prozessketten sind, im Vergleich zu anderen Prozessketten, oftmals durch einen hohen Energie- und Rohstofeinsatz gekennzeichnet. Fr die Herstellung von Gummi- und Kunststofwaren wurde 2012 ein Endenergieverbrauch von 80.653 Terajoule aufgewendet. Fr die Herstellung von Nichteisen-Metallen und das vergieen dieser wurden in Summe 115.252 Terajoule aufgewendet10.

Die Auswertung von fentlich zugnglichen Abschluss-dokumentationen zu Frderprojekten zur Steigerung der Ressourcenefzienz bei Prozessschritten des Urformens sowie im Produktionsumfeld zeigte, dass Unternehmen folgende Ma-nahmen zur Steigerung der Ressourcenefzienz ergrifen haben:

Ein-/Aufschmelzen von Metallen fr den Metallguss,

9 DIN 8580 (2003), S. 410 vgl. AG Energiebilanzen e.V.: Bilanz 2012. Stand 12.05.2015


Urformen von Fertigteilen und Halbzeugen aus Metallen und Nichteisen Metallen (Formgebung, Metallguss) sowie

Urformen von Produkten aus Kunststofen und Gummi (Formgebung).

Zunchst soll jedoch auf bergeordneter Ebene der Prozess des Urformens beschrieben und der Beitrag zur Ressourcenefzienz dargestellt werden.

3.1 .1 Ressourceneffizienz bei Fertigungsverfahren des Urformens

Mit Hilfe der Gieereitechnik erfolgt das Urformen von metal-lischen Werkstofen. Das Fertigungsverfahren des Gieens zeichnet sich durch freie Gestaltungsmglichkeiten mit funktional optimal ausgelegten Bauteilen aus, die auch komplexe dreidimensionale Strukturen besitzen knnen und hchsten mechanischen Beanspruchungen gengen. Weiterhin zeichnet sich das Gieen durch eine groe Werkstofvielfalt aus und ist sowohl fr die Einzel- wie auch Groserienfertigung geeignet. Die zu fertigenden Produkte sind hinsichtlich Gre und Wand-dicke nahezu unbegrenzt. Durch Gieen entstehen sowohl Halbzeuge als auch Fertigteile, die in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrtindustrie, dem Maschinenbau und anderen Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen. Die durch Gieen herstellbaren Bauteile und Produkte reichen von wenigen Gramm im Kunstguss bis zu mehreren hundert Tonnen im Schwermaschinenbau.

Das Spritzgieen ist ein kunststofverarbeitendes Urform-verfahren. Typische Anwendungsbereiche des Spritzgieens sind die Herstellung technischer Teile wie Gehuse und Funktions-elemente fr Werkzeugmaschinen und Haushaltsgerte oder in der Elektro- und Elektronikindustrie. Kunststofverarbeitende Fertigungsverfahren zeichnen sich in der Regel dadurch aus, dass Energie nur kurzzeitig zum Aufschmelzen und Urformen bentigt wird und kurzzeitig wieder aus dem Werkstof abgefhrt werden muss. Ein wesentlicher Stellhebel zur Optimierung des Ressourceneinsatzes ist der Materialeinsatz.


-

Das Gieen von Metallen sowie das Spritzgieen sind Fertigungs-verfahren, die sich durch eine groe Bandbreite von Bauteilgre und -gewicht auszeichnen.

Abbildung 6 zeigt in abstrakter Darstellung die wesentlichen Pro-zessschritte des Urformens durch Metall-Gieen und Spritzguss.

Mensch und Lager und Personal Logistik

Prozess-peripherie

Weiter verarbeitung

FormgebungAufschmelzen des Rohstoffes

Urformen

Energie Energie

Rohstoff

Rckflsse

beeinflusst Produktionsprozess

Produkt

Abbildung 6: Abstraktes Prozessbild des Urformens (Eigene Darstellung)

Wie kann die Ressourcenefzienz fr Fertigungsverfahren des Urformens positiv beeinfusst werden? Um diese Frage zu beant-worten, ist zunchst zu bestimmen, welche Hebel oder auch Stellgren den Ressourcenverbrauch beeinfussen knnen und wie entsprechende Wirkketten aussehen. Ausgangspunkt der Betrachtungen sind dabei die eingesetzten Ressourcen, wie Mate-rial im Sinne von Hilfs- und Betriebsstofen sowie Produktions-material und Energie. Zunchst erfolgt die Betrachtung des Materials.

Eine Verbesserung der Ressourcennutzung auf Ebene der Produktion fr Betriebs- und Hilfsstofe kann durch Substitution,


Wiederverwertung oder optimierte Verfahren erfolgen. Die Substitution des Produktionsmaterials erfolgt auf Ebene der Produktentwicklung. Eine Verbesserung der Ressourcennutzung des Produktionsmaterials erfolgt auf Ebene der Produktion durch die Wiederverwertung sowie durch optimierte Verfahren. Die genannten Strategien verfolgen das Ziel einer Reduktion des eingesetzten Primrmaterials. Diese Strategien knnen auch fr sekundre Prozesse im Produktionsumfeld angewendet werden.

Mit Blick auf die Ressource Energie kann diese in urform-technischen Prozessketten folgende Ausprgungen haben: elektrische Energie und/ oder Brennstofe, Wrme, Klte oder Druckluft. Zur Reduktion des Energieeinsatzes knnen Strategien wie Kaskadennutzung, Substitution und optimierte Verfahren zur Anwendung kommen.

Darber hinaus knnen Manahmen ergrifen werden, die einen technologisch-organisatorischen Charakter haben, wie zum Beispiel Manahmen die zur Sicherung und Steuerung der Prozessqualitt beitragen. Diese Manahmen bewirken indirekt eine Reduktion des Material- und Energieeinsatzes. Entspre-chende Manahmen sind der Strategie optimierter Verfahren zuzurechnen.

3.1 .2 Ressourceneffizienz beim Aufschmelzen von Metallen und im Metallguss

Der Metallguss wird eingesetzt, um Bauteile mit geometrisch bestimmter Form zu fertigen. Beim Gieen wird die Geometrie des Werkstcks aus der zunchst fssigen Schmelze geschafen. Erst durch die Erstarrung whrend der Abkhlung entsteht der feste Krper, also das eigentliche Gussteil. Bei der Herstellung von Gussteilen verlaufen drei Vorgnge parallel: die Herstellung des Kerns, die Herstellung der Form und das Schmelzen selbst.

Nach der Vorlage des gewnschten Gussteils wird ein Modell gefertigt. Dieses Modell dient als Grundlage fr die Gussform. Es existieren Dauermodelle (Holz, Metall, ) und verlorene Modelle (Wachs, Polystyrol, ). Ebenso werden auch die Gussformen in Dauerformen und verlorene Formen eingeteilt. Dauerformen sind aus metallischem Material und werden fr eine hohe


Anzahl an Gievorgngen eingesetzt. Verlorene Formen dagegen werden aus verdichtetem, gebundenem Sand oder aus Keramik hergestellt und knnen nur fr einen Abguss genutzt werden. Sandformen werden in der Regel in einen Formkasten einge-bracht. Die Gestalt des Gussteils ist der Hohlraum in den Formen. In die Form eingebrachte Kerne werden zur Realisierung von Hohlrumen im Inneren des Gussteils benutzt. Die Kerne werden ebenfalls in Dauerkerne und verlorene Kerne eingeteilt. Nach der Herstellung der Form und dem zusammenfhren mit den Kernen zur giebereiten Form, kann das fssige Metall (die Schmelze) in die Form gegossen werden. Das fssige Metall erstarrt in der Form und bildet das Gussteil.

Die Auswertung der verfgbaren Projektberichte verschiedener Frderprogramme zeigten Manahmen in verschiedenen Berei-chen und Prozessschritten auf, wodurch direkt aber auch indirekt der Einsatz von Rohstofen (Produktionsmaterial, Betriebs- und Hilfsstofe) sowie der Energieeinsatz reduziert werden konnte.

Verbesserung der Prozessfhrung und -berwachung durch den Einsatz von Messsystemen insbesondere im Prozess-schritt des Schmelzens (siehe Tabelle 3, Manahmenkatego-rie Prozesssteuerung).

Einsatz von Simulationswerkzeugen zur Verbesserung der Prozessqualitt beispielsweise zur Auslegung von Kernen, die beim Gieen zum Einsatz kommen (siehe Tabelle 3, Ma-nahmenkategorie Simulationswerkzeuge).

Einsatz von Rekuperatoren zur Weiternutzung der in der Abwrme enthaltenen Energie (Wrme). Rekupe-ratoren knnen im Abgas- und Abluftsystem von fen bspw. Kupolfen Anwendung fnden aber auch bei ande-ren Wrmeanwendungen in Gieereien beispielsweise bei Pfannenaufheizstationen fr die Schmelze (siehe Tabelle 3, Manahmenkategorie Nutzung der Abwrme).

Umrstung auf ein alternatives Brennersystem in Verbindung mit einer Teilsubstitution des zum Einsatz kommenden Energietrgers beim Aufschmelzen der Metalle


sowie der Beheizung von Transportpfannen (siehe Tabelle 3, Manahmenkategorie optimiertes Verfahren).

Ermglichung der Injektion von Metallstuben in Ofensys-temen durch Prozess- und Technologieinnovationen zur Wiederverwertung dieser (siehe Tabelle 3, Manahmen-kategorie Wiedereinsatz von Reststofen/ Abfall).

Verbesserung der Wiederaufbereitung von Formsand (siehe Tabelle 3, Manahmenkategorie optimiertes Verfahren).

Substitution des Energietrgers beim Aufschmelzen von Metallen (siehe Tabelle 3, Manahmenkategorie nderung der Energiebereitstellung).

Verbesserung der Metallausbeute beim Einschmelzen von Reststofen (siehe Tabelle 3, Manahmenkategorie optimier-tes Verfahren).

Durch die Umsetzung der Manahmen konnten Efekte wie die Verringerung von negativen Umwelteinwirkungen, die Verkrzung von Prozesszeiten, die Reduktion von Kosten (wettbe-werblicher Vorteil) sowie eine Verbesserung der Prozessleistung erreicht werden. In Tabelle 3 sind die einzelnen Ressourcen-efzienzmanahmen im Bereich des Metallguss aufgezeigt, den jeweiligen Prozessschritten zugeordnet sowie dem Stellhebel und der genutzten Strategie.

Die in der Tabelle 3 dargestellten Manahmen sind mit unter-schiedlichen Mengen an Material- und Energieeinsparungen sowie Aufwand zur Umsetzung verbunden. In Folge der nicht durchgngigen Datengrundlage (quantitative und monetre Hhe der Einsparungen, Investitionsaufwand) erfolgt nur eine Darstellung der Manahmen zu denen eine aussagekrftige Datengrundlage zu Kosten und Nutzen vorliegen (siehe Abbildung 7).

Das Erschmelzen von Gusseisen in einem Heiwindkupolofen erfolgt oftmals durch die Verwendung von Koks zur Erzeu-gung der notwendigen Energie. Im Rahmen eines Forschungs-projektes wurde der Einsatz von Erdgas/Sauerstof-Brennern untersucht (Abbildung 7, Manahme 1). In dem spezifschen Fall


ermglichte der Einsatz der Brenner eine teilweise Substitution des Koks (Reduktion des Kokseinsatz um 6%) (Abbildung 7, Manahme 2). Zugleich ermglichen die Brenner die Injektion grerer Staubmengen in die Blasformebene des Kupolofens ohne ein Kaltblasen. Im Zuge dessen konnte der Einsatz von Zuschlagstofen um 20% reduziert werden11.

Auf

wan

d

6

5

8

7 4

1

2

3

Hhe der Einsparungen

1. Einsatz Erdgas/Sauerstoff-Brenner in Kupolofen 2. Optimierung der Einblasanlage zur Injektion eines breiten Spektrums

an Materialien 3. Einsatz einer Siebkaskade bei der Formstoffaufbereitungsanlage 4. Einsatz eines optischen Systems zur Erkennung von Verunreinigungen

und Aussortierung dieser bei der Formstoffaufbereitungsanlage 5. Einsatz von Simulationswerkzeugen bei der Kernherstellung 6. Einbau neues Rekuperatorsystem im Abgas-/ Abluftsystem eines Kupolofens 7. Einbau eines Rekuperators in Abgassystem in einer Pfannenbeheizungsstation 8. Einsatz Porenbrenner bei der Pfannenbeheizung

Abbildung 7: Darstellung des Aufwands und Nutzens ausge-whlter Manahmen zur Verringerung des Ressourcenbe-darfs im Metallguss (Eigene Darstellung)

Die Verbesserung der Anlagentechnik einer Sandaufbereitungs-anlage in einer Aluminiumgieerei fhrte zu einer Einsparung von Neusand in Hhe von mehr als 12.000t pro Jahr. Die Anlage ermglicht durch eine innovative Siebkaskade und ein optisches Messsystem zur Erkennung kleinster Verunreinigungen und

11 Bundesministerium fr Bildung und Forschung (2005)


deren Ausschleusen sowie weitere Manahmen eine vollstndige Trennung regenerierbaren Formsands von dem zu entsorgenden Kernsand (Abbildung 7, Manahme 3,4)12.

In Eisen- und Stahl-Gieereien ist die Herstellung von chemisch gebundenen Kernen Stand der Technik. Durch die Reduktion des Einsatzes von Bindern und Hrtern knnen die bei der Kern-herstellung anfallenden Abfallstofe minimiert werden. In dem realisierten Vorhaben wurde ein Simulationswerkzeug entwi-ckelt, was die bei der Kernherstellung ablaufenden chemischen und physikalischen Vorgnge quantitativ berechnet, simuliert und den optimalen Arbeitsbereich modelliert. Durch den Ein-satz der Software kann der Verbrauch chemisch gebundener Formstofe fr die Kernherstellung mittelfristig um 15% gesenkt werden (Abbildung 7, Manahme 5)13.

Der Austausch eines alten Rekuperators und Ersatz durch ein neues Rekuperatorkonzept im Abgas- und Abluftsystem (bis zu 1.200C) eines Kupolofens, ermglichte die wirtschaftliche Nutzung von zustzlichen 10 bis 14 MW Abwrme (Abbildung 7, Manahme 6). Die ganzjhrig zur Verfgung stehende Abwrme wird durch ein ca. 400m langes Rohrleitungssystem mit heiem Thermol (Vorlauftemperatur von 260280C) an ein benachbartes Unternehmen geliefert. Dort wird die Abwrme zur Erzeugung von Sattdampf genutzt, wodurch sich eine Ein-sparung in Hhe von 2/3 des Erdgasverbrauchs ergibt. Die erfor-derlichen Investitionen betrugen ca. 5 Millionen 14.

Oftmals erfolgt die Auf- und Beheizung von Pfannen zum Trans-port fssiger Schmelze in Gieereien durch gasbefeuerte Flam-menbrenner. Ziel war es eine Pfannenaufheizstation mit fnf Pfannenpltzen und drei Brennern energieefzienter zu gestalten und die Standzeit der Pfannen zu erhhen. Hierbei zeigte sich die Verwendung von Porenbrennern in Kombination mit baulichen nderungen an der Pfannenaufheizstation als eine geeignete Technologie (Abbildung 7, Manahme 8). Hierbei wird die Wrme des Porenbrenners ber Infrarotstrahlung und Konvektion auf an die Pfannen angepasste Strahlrohre bertragen, wodurch die

12 Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (2008) 13 Bundesministerium fr Bildung und Forschung (2008) 14 Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2009a)


Aufheizung der Pfannen direkt und gleichmig gesteuert wer-den kann. Die entstehenden heien Abgase werden erfasst und durch den Einbau eines Rekuperators im Abgas- und Abluftsys-tem erfolgt die Rckgewinnung von Wrme, die zur Beheizung von Gebuden eingesetzt wird (Abbildung 7, Manahme 7). Die Umsetzungen dieser Manahmen fhrten zu einer Einsparung des jhrlichen Erdgasverbrauchs von mehr als 60.000m/a (Einsparung von 2/3 des Erdgasverbrauchs fr Brenner). Gleich-zeitig wirkt sich der Porenbrenner positiv auf die Standzeit der Pfannen aus, durch eine geringere Beanspruchung der Feuerfest-materialien (Erhhung der Standzeit um Faktor 2). Die mit den Manahmen verbundenen Anschafungskosten beliefen sich auf ca. 200.000. Fr den spezifschen Fall ergab sich eine Amorti-sationsdauer von weniger als 6 Jahren15.

15 Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (2011)


Tabe

lle 3

: Ma

nahm

en im

Pro

zess

des

Met

allg

usse

s un

d de

r Pr

ozes

sper

iphe

rie

Ma

nahm

enka

tego

rie

Ma

nahm

en

Ziel

setz

ung/

Nutz

en

Proz

ess

(-sc

hritt

) St

ellh

ebel

Proz

esss

teue

rung

(O

ptim

iert

es V

erfa

hren

) En

twick

lung

ein

es h

andl

anze

nbas

iert

en o

ptisc

hen

Tempe

ratu

rmes

ssys

tems

zur

Tempe

ratu

rfh

rung

bei

de

r Be

hand

lung

hei

er

Met

all-

und

Gla

ssch

mel

zen

[1]

En

twick

lung

und

Erp

robu

ng e

ines

neu

artig

en M

ess-

un

d Re

gelu

ngsv

erfa

hren

s zu

r Ve

rbes

seru

ng d

er

Tempe

ratu

rfh

rung

bei

der

Beh

andl

ung

von

hei

en

Schm

elze

n

Eins

paru

ng e

lekt

risch

er E

nerg

ie b

ei d

er E

rzeu

gung

vo

n Sc

hmel

zen,

Ve

rkr

zung

der

Sch

mel

zbeh

andl

ungs

zeite

n,

Eins

paru

ng v

on A

rgon

als

Sp

lgas

zum

Kal

tsp

len

(Ein

-) S

chmel

zen

von

Met

alle

n (P

roze

sske

tte)

En

ergi

e (W

rme)

Entw

icklu

ng e

iner

dyn

amisc

hen

Proz

esss

teue

rung

[2]

Op

timie

rung

der

Sau

erst

offz

ufuh

r um

den

Abb

rand

vo

n Ch

rom u

nd a

nder

en M

etal

len

bei d

er E

ntko

hlun

g vo

n ho

ch-c

hrom

haltig

en S

thl

en z

u min

imie

ren

Pr

zise

Tem

pera

turf

hru

ng (P

roze

ssf

hrun

g),

Re

dukt

ion

des

Eins

atze

s vo

n Hi

lfss

toff

en

Seku

ndr

met

allu

rgisc

he

Beha

ndlu

ng v

on S

tahl

(P

roze

ss)

Saue

rsto

ffzu

fuhr

Prog

nose

- un

d Si

mul

atio

nswer

kzeu

ges

(Opt

imie

rtes

Ver

fahr

en

(Red

uzie

rung

))

Eins

atz

eine

s Pr

ogno

se-

und

Simul

atio

nswer

kzeu

ges

fr

die

Hers

tellu

ng v

on G

iee

reiker

nen

[3]

Re

dukt

ion

von

Ress

ourc

enve

rbra

uch

und

Emiss

ione

n

Proz

ess

berw

achu

ng,

Re

dukt

ion

der

Prod

uktio

nsko

sten

dur

ch

Proz

essb

ewer

tung

Hers

tellu

ng v

on

Kern

en f

r G

ief

ormen

(P

roze

sspe

riphe

rie)

Mat

eria

l (M

ater

ial f

r

Kern

hers

tellu

ng)

Nutz

ung

von

Abw

rme

(Kas

kade

nnut

zung

) Ei

nbau

ein

es n

euen

Rek

uper

ator

syst

ems

im A

bgas

-/

Abl

ufts

yste

m [4

]

Erh

hung

des

Ant

eils

der

Abw

rme

(Ene

rgie

), di

e wei

terv

erwen

det

wird

Nutz

ung

der

Abw

rme

fr

die

Erze

ugun

g vo

n He

iwin

d, H

eiw

asse

rerz

eugu

ng u

nd E

rzeu

gung

von

Sa

ttda

mpf

in e

inem

and

eren

Unt

erne

hmen

Schm

elze

n vo

n Met

alle

n in

ein

em K

upol

ofen

(P

roze

sssc

hritt

)

Ener

gie

(Wr

me)

Einb

au e

ines

Rek

uper

ator

s in

s Abg

assy

stem

in e

iner

Pf

anne

nbeh

eizu

ngss

tatio

n [5

] [6]

Erh

hung

des

Ant

eils

der

Abw

rme

(Ene

rgie

), di

e wei

terv

erwen

det

wird

Nu

tzun

g de

r Abw

rme

fr

Seku

ndan

wen

dung

en u

nd

Behe

izun

g de

r Ha

lle

Erwr

men

von

Tr

ansp

ortp

fann

en z

um

Tran

spor

t vo

n Sc

hmel

ze

(Pro

zess

perip

herie

)

Ener

gie

(Wr

me)


Tabe

lle 3

: Ma

nahm

en im

Pro

zess

des

Met

allg

usse

s un

d de

r Pr

ozes

sper

iphe

rie

(For

tset

zung

)

Ma

nahm

enka

tego

rie

Ma

nahm

en

Ziel

setz

ung/

Nutz

en

Proz

ess

(-sc

hritt

) St

ellh

ebel

Alter

nativ

e Te

chno

logi

e (O

ptim

iert

es V

erfa

hren

(S

teig

erun

g))

Eins

atz

eine

s Po

renb

renn

ers

in e

iner

Pfa

nnen

-be

heiz

ungs

stat

ion

[5]

Ve

rbes

seru

ng d

es E

nerg

ieei

nsat

zes

durc

h Re

dukt

ion

von

ber

trag

ungs

verl

uste

n

Redu

ktio

n de

s W

rmee

intr

ags

in U

mge

bung

,

Verb

esse

rung

der

Sta

ndze

iten

der

Pfan

nen

Erwr

men

von

Tr

ansp

ortp

fann

en z

um

Tran

spor

t vo

n Sc

hmel

ze

(Pro

zess

perip

herie

)

Ener

gie

(Gas

)

Auf

bau

eine

r Sc

hmel

zzen

trifu

ge (g

erh

rtes

Sal

zbad

in

Verb

indu

ng m

it ei

ner

semikon

tinui

erlic

hen

Entf

ernu

ng

der

oxid

ische

n Be

stan

dtei

le a

us d

er S

alzs

chla

cke)

im

tech

nisc

hen

Prod

uktio

nsma

stab

[7]

Er

mg

liche

n ei

nes

aus

kol

ogisc

her

und

kon

omisc

her

Sich

t re

ntab

len

Verf

ahre

ns z

um E

insc

hmel

zen

von

fein

teilige

n Alu

min

iumre

stst

offe

n

Erh

hung

der

Alu

min

iumau

sbeu

te g

egen

ber

ko

nven

tione

llen

Prod

uktio

nsan

lage

n,

Redu

ktio

n de

s Sc

hlac

kena

nfal

ls

Erze

ugun

g vo

n Met

all

(Pro

zess

) Mat

eria

l

Eins

atz

von

Erdg

as/S

auer

stof

f-Br

enne

rn in

Kup

olof

en

[8]

Ve

rbes

seru

ng d

es B

etrie

bs d

es K

upol

ofen

s:

Stei

geru

ng d

er S

chmel

zlei

stun

g be

i gle

ichze

itige

r Re

duzi

erun

g de

s Ko

ksei

nsat

zes,

Ne

ue B

renn

erte

chno

logi

e er

mg

licht

dire

kte

Verw

ertu

ng v

on g

iee

reie

igen

en S

tub

en,

Re

duzi

erun

g vo

n En

tsor

gung

skos

ten

Erze

ugun

g vo

n Met

all

(Pro

zess

) Mat

eria

l (G

iee

reist

ube

)En

ergi

e (G

as)

Verw

endu

ng v

on S

iebk

aska

den

zur

Vorr

eini

gung

in

eine

r Fo

rmst

offa

ufbe

reitu

ngsa

nlag

e [9

]

Volls

tnd

ige

Tren

nung

von

Ker

nsan

d un

d Altsa

nd

Verm

eidu

ng v

on F

remds

toff

en im

For

msa

nd,

Re

dukt

ion

des

Neus

ande

insa

tzes

Auf

bere

itung

des

For

m-

sand

s (P

roze

sspe

riphe

rie)

Mat

eria

l (F

ormsa

nd)

Optis

che

Form

stof

ftre

nnun

g zu

m A

usso

rtie

ren

von

klei

nste

n Ve

runr

eini

gung

en in

ein

er F

ormst

off-

aufb

erei

tung

sanl

age

[9]

Vo

llst

ndig

e Tr

ennu

ng v

on K

erns

and

und

Altsa

nd

Verm

eidu

ng v

on F

remds

toff

en im

For

msa

nd,

Re

dukt

ion

des

Neus

ande

insa

tzes

Auf

bere

itung

des

For

m-

sand

s (P

roze

sspe

riphe

rie)

Mat

eria

l (F

ormsa

nd)


Tabe

lle 3

: Ma

nahm

en im

Pro

zess

des

Met

allg

usse

s un

d de

r Pr

ozes

sper

iphe

rie

(For

tset

zung

)

Ma

nahm

enka

tego

rie

Ma

nahm

en

Ziel

setz

ung/

Nutz

en

Proz

ess

(-sc

hritt

) St

ellh

ebel

Alter

nativ

e Te

chno

logi

e (O

ptim

iert

es V

erfa

hren

(S

teig

erun

g))

Verw

endu

ng v

on S

iebk

aska

den

zur

Vorr

eini

gung

in

eine

r Fo

rmst

offa

ufbe

reitu

ngsa

nlag

e [9

]

Volls

tnd

ige

Tren

nung

von

Ker

nsan

d un

d Altsa

nd

Verm

eidu

ng v

on F

remds

toff

en im

For

msa

nd,

Re

dukt

ion

des

Neus

ande

insa

tzes

Auf

bere

itung

des

For

m-

sand

(Pro

zess

perip

herie

) Mat

eria

l (F

ormsa

nd)

Optis

che

Form

stof

ftre

nnun

g zu

m A

usso

rtie

ren

von

klei

nste

n Ve

runr

eini

gung

en in

ein

er

Form

stof

fauf

bere

itung

sanl

age

[9]

Vo

llst

ndig

e Tr

ennu

ng v

on K

erns

and

und

Altsa

nd

Verm

eidu

ng v

on F

remds

toff

en im

For

msa

nd,

Re

dukt

ion

des

Neus

ande

insa

tzes

Auf

bere

itung

des

For

m-

sand

(Pro

zess

perip

herie

) Mat

eria

l (F

ormsa

nd)

Alter

nativ

es F

ertig

ungs

-ve

rfah

ren

(Opt

imie

rtes

Ve

rfah

ren

(Red

uzie

rung

))

Entw

icklu

ng n

euar

tigen

Sch

wer

kraf

tgus

sofe

n f

r Ti

tan-

Fein

guss

[10]

Fert

igun

g vo

n Gr

oba

utei

len

als

Halb

zeug

dur

ch

Fein

guss

ans

tatt

Fr

sen

des

Fert

igte

ils a

us d

em

Volle

n

Redu

ktio

n de

s Mat

eria

lbed

arfs

(Tita

n)

Gie

en v

on H

albz

euge

n au

s Ti

tan-

Fein

guss

(P

roze

sske

tte)

Mat

eria

l (T

itan)

nd

erun

g de

r En

ergi

e-be

reits

tellu

ng

(Sub

stitu

tion/

Wec

hsel

)

Entw

icklu

ng e

ines

Her

stel

lver

fahr

ens

fr

Briket

t-pr

oduk

te a

us B

raun

kohl

ekok

s, d

ie d

en M

inde

st-

anfo

rder

unge

n f

r de

n Sc

hach

tofe

nbet

rieb

ents

prec

hen

[11]

En

twick

lung

von

Brik

ettp

rodu

kten

aus

Bra

unko

hle

die

fr

Klei

nsch

acht

fen

opt

imal

gee

igne

ten

sind

Te

ilwei

se S

ubst

itutio

n vo

n St

eink

ohle

koks

zur

Be

feue

rung

von

Kle

insc

hach

tfe

n

Erze

ugun

g vo

n Met

all

(Pro

zess

kett

e)

Mat

eria

l (B

raun

kohl

ekok

s)

Wie

dere

insa

tz v

on

Rest

stof

fen/

Abf

all

(Ver

wer

tung

(sto

fflich

))

Entw

icklu

ng e

iner

gee

igne

ten

Einb

lasa

nlag

e zu

r In

jekt

ion

eine

s br

eite

n Sp

ektr

ums

einb

lasf

hig

er

Mat

eria

lien

[12]

Op

timie

rung

ein

es V

erfa

hren

s zu

m w

erks

inte

rnen

Re

cycl

ing

von

Fe-, Z

n-, P

b- u

nd a

lkal

ireich

en

fein

krn

igen

Res

tsto

ffen

aus

Gas

rein

igun

g un

d W

asse

rauf

bere

itung

sanl

agen

von

Hoc

hfe

n, S

tahl

- un

d W

armba

ndwer

ken

Re

dukt

ion

des

Prim

rmat

eria

lein

satz

es

Met

alle

rzeu

gung

(Pro

zess

kett

e)

Mat

eria

l (M

etal

lst

ube)


Tabe

lle 3

: Ma

nahm

en im

Pro

zess

des

Met

allg

usse

s un

d de

r Pr

ozes

sper

iphe

rie

(For

tset

zung

)

Ma

nahm

enka

tego

rie

Ma

nahm

en

Ziel

setz

ung/

Nutz

en

Proz

ess

(-sc

hritt

) St

ellh

ebel

Wie

dere

insa

tz v

on

Rest

stof

fen/

Abf

all

Dire

ktei

nsat

z vo

n Sc

hlei

fsta

ub a

us a

lumin

iumha

ltig

en

Kupf

erle

gier

unge

n in

Gie

ere

ien

[8]

Er

hhu

ng d

es D

irekt

eins

atze

s vo

n Sc

hrot

t in

Gi

eer

eien

Redu

ktio

n de

s Ei

nsat

z vo

n Pr

imr

mat

eria

l

Auf

- /

Eins

chmel

zen

von

Met

alle

n (P

roze

sssc

hritt

) Mat

eria

l (a

lumin

ium-

haltig

er

Schl

eifs

taub

)

Ermitt

lung

der

Gre

nzen

von

Ver

unre

inig

unge

n be

i Sc

hrot

ten

bis

zu d

enen

ein

Dire

ktei

nsat

z er

folg

en

kann

[13]

Er

hhu

ng d

es D

irekt

eins

atze

s vo

n Sc

hrot

t in

Gi

eer

eien

Redu

ktio

n de

s Ei

nsat

z vo

n Pr

imr

mat

eria

l

Auf

- /

Eins

chmel

zen

von

Met

alle

n (P

roze

sssc

hritt

) Mat

eria

l (S

chro

tt)


QUELLEN TABELLE 3

[1] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): Neuartige Mess- und Regelungsverfahren fr eine Ressourcen schonenden Temperaturfhrung bei der Behandlung heier Schmelzen (Abschlussbericht). 2008. Verfgbar unter: http://www.cleaner-production.de/ fleadmin/assets/01RI05239_-_Abschlussbericht.pdf

[2] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): Senkung des Verbrauchs von Rohstofen und des Anfalls von Reststofen bei der Erzeugung von hoch-chromhaltigen Edelsthlen im AOD-Konverter (Abschlussbericht). 2005. Verfgbar unter: http:// www.cleaner-production.de/fleadmin/assets/30772_-_ Abschlussbericht.pdf

[3] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): Einsatz von virtuellen Entwicklungswerkzeugen fr die nachhaltige Verarbeitung von Mehrphasen-werkstofen am Beispiel der Herstellung von Gieerei-kernen (Abschlussbericht). 2008. Verfgbar unter: http:// www.cleaner-production.de/fleadmin/assets/bilder/ BMBF-Projekte/01RI05008_-_Abschlussbericht.pdf

[4] Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Abwrmenutzung bei einem Kupolofen (Abschlussbericht). 2009. Verfgbar unter: http://www.cleaner-production.de/fleadmin/assets/pdfs/ Abschlussberichte/Abschlussbericht_Demo_-_001569_ Georg_Fischer_Automobilguss.pdf

[5] Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Einsatz einer energieefzienten Pfannenaufheizstation bei der Herstellung von Edelstahl (Abschlussbericht). 2011. Verfgbar unter: http://www. cleaner-production.de/fleadmin/assets/pdfs/Abschluss-berichte/Abschlussbericht_20182_Edelstahlwerke_ Schmees_01.pdf

http://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/01RI05239_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/01RI05239_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/30772_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/30772_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/30772_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RI05008_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RI05008_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RI05008_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_Demo_-_001569_Georg_Fischer_Automobilguss.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_Demo_-_001569_Georg_Fischer_Automobilguss.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_Demo_-_001569_Georg_Fischer_Automobilguss.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_20182_Edelstahlwerke_Schmees_01.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_20182_Edelstahlwerke_Schmees_01.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_20182_Edelstahlwerke_Schmees_01.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_20182_Edelstahlwerke_Schmees_01.pdf


[6] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): Energieefziente und emissionsarme Herstellung von keramischen Stahlgussformen. 2008. Verfgbar unter: http://bit.ly/1jmvVZO

[7] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): Verfahren zum Schmelzen von feinteiligen Aluminiumvorstofen sowie berprfung der bertrag-barkeit auf Magnesiumvorstofe (Abschlussbericht). 2007. Verfgbar unter: http://www.cleaner-production.de/ fleadmin/assets/30794_-_Abschlussbericht.pdf

[8] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): kologische und konomische Optimierung des Kupolofen-Schmelz-Prozesses durch den Einsatz von Erdgas/Sauerstoff-Brennern bei gleichzeitig mglicher Feststoffinjektion (Abschlussbericht). 2005. Verfgbar unter: http://www.cleaner-production.de/fleadmin/ assets/29359_-_Abschlussbericht.pdf

[9] Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Sandaufbereitung in einer Aluminium-Sandgieerei (Abschlussbericht). 2008. Verfgbar unter: http://www.cleaner-production.de/ fleadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschluss-bericht_20126_Ohm-Haener.pdf

[10] Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Innovative, materialefziente Produktion von Titangrobauteilen mittels Titanfeinguss (Abschlussbericht). 2010. Verfgbar unter: https://www. umweltbundesamt.de/sites/default/fles/medien/publi-kation/long/4132.pdf

[11] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): Neues Koksprodukt zur Verbesserung der Nachhaltigkeit beim Betrieb von Kleinschachtfen (Abschlussbericht). 2012. Verfgbar unter: http://www. cleaner-production.de/fleadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RI0719A.pdf

http://bit.ly/1jmvVZOhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/30794_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/30794_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/29359_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/29359_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_20126_Ohm-Haener.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_20126_Ohm-Haener.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/pdfs/Abschlussberichte/Abschlussbericht_20126_Ohm-Haener.pdfhttps://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/4132.pdfhttps://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/4132.pdfhttps://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/publikation/long/4132.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RI0719A.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RI0719A.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RI0719A.pdf


[12] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): Optimierung Schachtofen fr die Reststof-Verwertung (Abschlussbericht). 2007. Verfgbar unter: http://www.cleaner-production.de/fleadmin/assets/ bilder/BMBF-Projekte/01RW0123_-_Abschlussbericht.pdf

[13] Bundesministerium fr Bildung und Forschung (BMBF): Innovatives Schrottcleaning fr Kupfer-legierungen zur Erweiterung des Einsatzspektrums von Schrotten (Abschlussbericht). 2004. Verfgbar unter: http://www.cleaner-production.de/fleadmin/ assets/30232_-_Abschlussbericht.pdf

http://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RW0123_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/bilder/BMBF-Projekte/01RW0123_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/30232_-_Abschlussbericht.pdfhttp://www.cleaner-production.de/fileadmin/assets/30232_-_Abschlussbericht.pdf


3.1 .3 Ressourceneffizienz bei der Verarbeitung von Kunststoffen und Gummi

Die Verarbeitung von Kunststofen erfolgt grtenteils durch das Spritzgieen und Extrusion. Kunststofe sind leicht und wirt-schaftlich zu verarbeiten, so dass sie zunehmend auch klassische Werkstofe wie Metalle substituieren.16

Beim Spritzgieen wird der Rohstof in einem Prozessschritt direkt zum Fertigteil geformt. Der Spritzguss zeichnet sich durch eine hohe Flexibilitt hinsichtlich der eingesetzten Werkstofe, der Bauteilgeometrie und -gre aus. Der diskontinuierliche Prozess ist sehr przise, automatisierbar und besitzt eine hohe Reproduzierbarkeit. Die durch Spritzguss gefertigten Teile sind sowohl im Blick auf die Formteilgeometrie als auch auf Gre und Gewicht fexibel. So knnen Mikrobauteile von wenigen Gramm bis hin zu Groteilen mit einem Gewicht von ber 100kg gefertigt werden.17

Das Spritzgieen erfolgt mit Spritzgiemaschinen. ber den Ein-flltrichter gelangt das Kunststofgranulat in die Plastifziereinheit der Spritzgiemaschine. Hier wird das Granulat geschmolzen und durch eine rotierende Schnecke zur Spritzeinheit gefrdert. Die thermische Energie zum Schmelzen des Kunststofes wird durch Reibung und elektrische Heizbnder eingebracht. Im Anschluss an den Plastifziervorgang wirkt die Schnecke wie ein Kolben, der eine dosierte Menge durch eine Vorschubbewegung unter hohem Druck in den Hohlraum (Kavitt) des Spritzguss-werkzeuges presst und somit das Produkt formt. Das Werkzeug besteht aus mindestens zwei Hlften, die ber Aufspannplatten mit der Schlieeinheit verbunden sind. Der Schliemechanismus muss den Druck der Schmelze beim Einspritzen aufnehmen und ein Entformen des Werkstcks ermglichen. In der Regel wird der Mechanismus direkt hydraulisch oder ber einen Kniehebel elektrisch oder hydraulisch betrieben. Ein weiteres Fertigungsverfahren zum Urformen von Kunststofen ist die Extrusion. Hierzu zhlen auch die Verfahren Extrusionsblas-formen und Thermoformen. Die Extrusion von Kunststofen ist ein kontinuierlicher Prozess zur Herstellung von Folien, Rohren

16 Bhrig-Polaczek, A.; Michaeli, W. ; Spur, G. (2014) 17 Neugebauer, R.; Westkmper, E.; Klocke, F.; u.a. (2008)

http:werden.17http:substituieren.16


und Proflen. Der Kunststof wird zur Verarbeitung geschmolzen, in der Dse geformt und anschlieend abgekhlt. ber eine angetriebene Schnecke wird das Granulat des Flltrichters in den Zylinder gefrdert. Durch Reibung und die thermische Ener-gie der Heizung wird das Granulat geschmolzen. Die Geometrie der Schnecke verdichtet die Schmelze zustzlich und frdert sie zum Werkzeug. Im Extrusionswerkzeug wird die Schmelze in der Dse in die gewnschte Geometrie geformt. Das Profl wird anschlieend durch eine nachgeschaltete Khleinheit gekhlt.18

Die Analyse von mehr als 50 Manahmen zur Reduktion des Ressourceneinsatzes bei der Produktion von Produkten aus Kunststof und Gummi durch verschiedene Fertigungsverfahren zeigten eine Vielzahl von Mglichkeiten auf, die an dieser Stelle zusammenfassend dargestellt sind.

Einsatz von Messsystemen zur berwachung und Steuerung der Prozessqualitt: Die verfgbaren Projektdokumenta-tionen zeigten, dass im Wesentlichen bildverarbeitende Systeme zum Einsatz kommen mit deren Hilfe Produkt-parameter (Form, Abmessungen, Gewicht) erfasst werden und auf Basis dessen eine Rckkopplung mit Prozess-parametern erfolgt (siehe Tabelle 4, Manahmenkategorie Qualittssicherung).

Durchfhrung von regelmigen Maschinenwartungen zur Erhhung der Maschinenverfgbarkeit (siehe Tabelle 4, Ma

Analytische Untersuchung zur Ressourceneffizienz im ...

Documents

Transcript of Analytische Untersuchung zur Ressourceneffizienz im ...