Lebenszykluskostenanalyse zur Entscheidungsunterstützung in der chemischen Prozessentwicklung

Übersichtsbeitrag

Lebenszykluskostenanalyse zur Entscheidungs-unterstützung in der chemischen Prozess-entwicklungIna Sell, Denise Ott und Dana Kralisch*

DOI: 10.1002/cite.201200246

Die Notwendigkeit umweltfreundlicher Prozesse als entscheidendes Merkmal der Wettbewerbsfähigkeit steht zunehmend

im Fokus der chemischen Industrie. Grundlage für Entscheidungsprozesse bei der Entwicklung derartiger Prozesse kön-

nen Ökobilanzanalysen bieten. Neue Technologien werden sich jedoch nur dann etablieren können, wenn sie auch zu

kosteneffizienten Produktionsprozessen führen. Lebenszykluskostenanalysen bieten eine geeignete methodische Grundla-

ge, die kostenseitige Bewertung alternativer Optionen der Prozessentwicklung mit ökologischen Entscheidungskriterien

zu koppeln, wobei die Ergebnisse beider Methoden in einem Öko-Portfolio verknüpft werden können. Die Entwicklung

sowohl ökologisch als auch ökonomisch effizienter Prozesse kann somit bereits in der frühen Designphase der chemi-

schen Prozessentwicklung gezielt unterstützt und gesteuert werden.

Schlagwörter: Lebenszykluskosten, Ökobilanz, Öko-Portfolio, Prozessentwicklung

Eingegangen: 14. Dezember 2012; revidiert: 27. Januar 2013; akzeptiert: 30. Januar 2013

Life Cycle Cost Analysis for Decision Support in Chemical Process Development

The need for environmentally benign processes as a crucial basis of future competitiveness is in the focus of today’s chemi-

cal industry. Decision support in the development of such processes can be provided by life cycle assessment. New technol-

ogies, however, can be established only if they lead to cost-efficient production processes as well. Life cycle cost analyses

provide an appropriate methodological basis of linking the cost-side evaluation of alternative options during the process

development with environmental decision criteria. The results of both methods can be combined in an eco portfolio. In

summary, development of both, ecologically and economically efficient processes, can thus be supported already in the

early design phase of chemical processes.

Keywords: Eco portfolio, Life cycle assessment, Life cycle costs, Process development

1 Einleitung

Der bereits seit Jahren bestehende Wettbewerbsdruck, derWandel vom Verkäufer- zum Käufermarkt, immer kürzerwerdende Produktlebenszyklen und der daraus resultieren-de Innovationsdruck sowie zunehmende ökologische Anfor-derungen an Produkte und Prozesse zwingen auch die che-mische Industrie rascher und kosteneffizienter auf diese

Marktentwicklungen einzugehen. Neben Kosteneinsparun-gen bieten vor allem die Prozessintensivierung, -optimie-rung und Neugestaltung von chemischen Prozessabläufendie Möglichkeit, wettbewerbsfähig zu bleiben. Als Teilbe-reich der Prozessentwicklung verfolgt die Prozessintensivie-rung die Steigerung der technologischen, vor allem aberökonomischen und ökologischen Effizienz durch kosten-effizientere, umweltfreundlichere und sichere Prozesse [1].

Die technische Auslegung neuer bzw. verbesserter Ver-fahren ist jedoch mit signifikanten Kosten verbunden. AlsEntscheidungsgrundlage für die Einführung von Neuent-wicklungen in die industrielle Praxis ist es deshalb notwen-dig, die damit einhergehenden Lebenszykluskosten in frü-hen Phasen der Prozessentwicklung zu ermitteln und mit

ChemieIngenieurTechnik

Chemie Ingenieur Technik 2013, 85, No. 4, 447–454 © 2013 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.cit-journal.com

–Ina Sell, Dr. Denise Ott, Dr. Dana Kralisch ([email protected]), Friedrich-Schiller-Universität Jena, Institut für Pharmazie,Lehrstuhl für Pharmazeutische Technologie, Otto-Schott-Straße 41,07745 Jena, Deutschland.

Ökobilanz 447

Alternativen zu vergleichen, um flexibel auf zukünftigeMarktbedürfnisse reagieren zu können. Dies ist insbesonde-re vor dem Hintergrund relevant, dass bis zu 70 % der anfal-lenden Lebenszykluskosten üblicherweise bereits in derPhase der Prozessentwicklung festgelegt werden [2].

Die Betrachtung von Lebenszykluskosten (engl.: life cyclecosts) hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutunggewonnen. Ausgehend von Bereichen des Militärs, der Bahn-technik und von großen mittelständischen Unternehmenhält sie auch Einzug in der chemischen Industrie [3]. EinVorreiter auf diesem Gebiet war das Unternehmen BASF,das bereits vor einigen Jahren die Ökoeffizienz-Analyse undspäter die Methode der SEEbalance [4] als Entscheidungs-grundlage bei der Einführung neuer Verfahren und Pro-zesse eingeführt hat.

Eine viel diskutierte und erprobte Möglichkeit zur Pro-zessintensivierung oder -optimierung chemischer Prozessestellt die Mikroverfahrenstechnik dar [5 – 7]. Kostenanaly-sen, die mikroverfahrenstechnische und Batch-Prozessegegenüberstellen, haben früh auch das ökonomische Poten-zial dieser Technologie aufgezeigt [8, 9]. Sie können zudemwesentlich zur Entwicklung umweltfreundlicher und siche-rer Prozesse beitragen [10, 11].

Hübschmann et al. haben in ihrer Gegenüberstellung ver-schiedener Verfahrensalternativen (diskontinuierlich/konti-nuierlich, verschiedene Mischstrukturen, ohne/mit Phasen-transferkatalyse) sowohl ökologische als auch ökonomischeKriterien einbezogen [12]. Es zeigte sich im Vergleich dis-kontinuierlicher und kontinuierlich betriebener Synthese-verfahren, dass unter Produktionsbedingungen diejenigenSynthesen die günstigeren Lebenszykluskosten aufzeigten,die die größte Ausbeute besaßen. Dies konnte in dem vonihnen beschriebenen Fallbeispiel durch eine Kombinationvon kontinuierlicher Prozessführung in Mikrostrukturreak-toren und ionischen Flüssigkeiten als Phasentransferkataly-satoren erreicht werden.

Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich derzeit das inter-disziplinäre EU-Projekt CoPIRIDE (Combining Process In-tensification-driven Manufacture ofMicrostructured Reactors and Pro-cess Design regarding to IndustrialDimensions and Environment) mitder Entwicklung neuartiger, inten-sivierter und zugleich kosteneffizien-ter und grüner Prozesse. CoPIRIDEverfolgt das Ziel der Prozessinten-sivierung mittels kontinuierlicherProzessführung in Mikroreaktoren,Synthesen unter „Novel ProcessWindows“-Bedingungen [7] und wei-terer verbesserter Technologien sowieverfeinerter Fertigungskonzepte fürdas Konzept der Fabrik der Zukunft[13]. Die Forschungs- und Entwick-lungsaktivitäten werden dabei vonAnfang an durch entwicklungsbeglei-

tende Analysen mittels Life Cycle Assessment (LCA) [14]und Life Cycle Costing (LCC) [15] unterstützt, um Schwach-stellen zu identifizieren und Optimierungspotenziale undHandlungsempfehlungen für die weitere Entwicklung auf-zuzeigen [16, 17].

Im Folgenden soll das LCC-Konzept und die Ermittlungvon Lebenszykluskosten in frühen Phasen der chemischenProzessentwicklung an einem Beispiel vorgestellt werden.Die LCC-Analyse basiert auf einem integrierten Techno-logie- und Produktlebenszyklus. Zudem werden die Er-gebnisse aus der Kostenanalyse mit Daten der Ökobilanzverknüpft und in einem Öko-Portfolio dargestellt, um ganz-heitlich orientierte Handlungsempfehlungen treffen zukönnen.

2 Lebenszykluskosten

2.1 Konzept und Phasen

Klassische Lebenszykluskonzepte stellen Absatz- und Um-satzentwicklungen ausgehend von der Markteinführung biszum Marktrückgang dar (vgl. Abb. 1, Marktphase). Diesenfehlt für eine ganzheitliche Betrachtung (Cradle-to-grave-Prinzip) die Phase der Entstehung bzw. Beschaffung undder Entsorgung. Integrierte Lebenszykluskonzepte sindphasen- und zyklusorientiert und berücksichtigen diese ineiner vor- und nachgelagerten Phase (vgl. Abb. 1, Entste-hungs- und Entsorgungsphase), wobei Maßnahmen, die zuBeginn des Lebenszyklus eingeleitet werden, sich auf nach-gelagerte Phasen auswirken. Als vorgelagerte Phase bein-haltet die Entstehungs- bzw. Beschaffungsphase die Suche,Bewertung und Auswahl von Alternativen, da für die Her-stellung eines Produktes verschiedene Technologien undProzessparameter infrage kommen können. Ziel der Entste-hungsphase ist die Generierung einer Technologie odereines Produktes und die Durchführung aller notwendigenProduktions- und Absatzvorbereitungen. Die nachgelagerte

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Abbildung 1. Integrierter Produkt- und Technologielebenszyklus (in Anlehnung an Pfeifferet al. [18]).

448 D. Kralisch et al.

Entsorgungsphase berücksichtigt Garantien, Wartung, Re-paraturen sowie das Recycling [18, 19].

Die Lebenszykluskosten sind definiert als die Summe derKosten, die während der Entstehung, Nutzung und Entsor-gung, d. h. während des gesamten Lebenszyklus entstehen.Das Konzept der Lebenszykluskosten ist dabei eng verbun-den mit den Bereichen der Kosten- und Investitionsrech-nung des internen Rechnungswesens. Als Teilbereich dieserhat es zum Ziel, Kosten und Erlöse betrachteter Objekte ver-ursachungsgerecht und periodenübergreifend zuzuordnen.Anstelle der traditionellen Kosten- und Erlösrechnung ange-wandt, können mittels Lebenszykluskosten Aussagen überzukünftig zu erwartende Kosten getroffen werden. Insbe-sondere eingesetzt bei der Produkt- und Prozessentwick-lung, d. h. in der Entstehungsphase des Lebenszyklus, kannbereits ein Großteil der Gesamtkosten identifiziert werden.Für das Ziel der Kostensenkung eignen sich Lebenszyklus-kosten daher zur effizienten Entscheidungsunterstützung.

In Hinsicht auf Investitionsentscheidungen sind Le-benszykluskosten von besonderem Interesse, da bei derEntscheidung über ein Investitionsobjekt neben den An-schaffungskosten auch die zu erwartenden Betriebs-, In-standhaltungs- und Entsorgungskosten berücksichtigt wer-den. Gerade letztere können mittels Lebenszykluskosten inInvestitionsentscheidungen einbezogen werden. Diese Ver-knüpfung stellt die Grundidee des Lebenszykluskonzeptesdar, mit dem Ziel, das jeweilige Investitionsobjekt zu ermit-teln, das über einen definierten Zeitraum (z. B. Nutzungs-dauer) die geringsten Kosten verursacht [3].

Lebenszykluskonzepte existieren für Produkte, Prozesse,Systeme sowie Technologien. Letztere sind eng an Produkt-lebenszyklen angelehnt und spielen im Innovationsprozesseine entscheidende Rolle.

2.2 Ermittlung der Lebenszykluskosten

Die Ermittlung von Lebenszykluskosten ist bereits in derEntstehungsphase wichtig. Wie bereits erwähnt, können biszu 70 % der zukünftigen Kosten in dieser Phase fixiert wer-den [2]. Sie sind somit in späteren Phasen nur noch schwerbeeinflussbar. Die Ermittlung von Lebenszykluskosten kannmit erheblichem Aufwand verbunden sein, dennoch trägtsie wesentlich zur Entscheidungsunterstützung bei.

Technologie- bzw. Prozess- und Produktent-wicklung sind in frühen Phasen aufgrund unzu-reichender bzw. fehlender Informationen überzukünftig anfallende Kosten und Erlöse schwerzu ermitteln. Aus diesen Gründen wird in derLiteratur kein einheitliches Modell zur prak-tischen Ermittlung der Lebenszykluskosten emp-fohlen. Zur Ermittlung von LCC wurden Stan-dards und Normen wie die DIN EN 60300-3-3, dieVDI-Richtlinie 2284 und das VDMA Einheits-blatt 34160 erarbeitet [20]. Generell lässt sichsagen, dass die Vorgehensweise bei der Ermitt-

lung von Lebenszykluskosten von den Unternehmensstrate-gien und den chemisch-technologischen Anforderungen in-nerhalb der Entwicklungs- und Entstehungsphase abhängigist [21, 22].

Eine Vereinfachung bietet die Erfassung relevanter Kos-tenelemente. Unter relevanten Kosten werden jene Teile derGesamtkosten verstanden, die zukünftig anfallen. Sie unter-scheiden sich je nach Investitionsalternative und werdenwesentlich durch Entscheidungen in der Prozessentwick-lung (z. B. technologischen Entwicklung) beeinflusst. Da-durch wird die Zahl der zu ermittelnden Kostenartenbegrenzt und überschaubar [23, 24].

Beim integrierten Technologie- und Produktlebenszyklussetzen sich die Lebenszykluskosten aus den einzelnen Kos-ten während Entstehungs-, Nutzungs- und Entsorgungs-phase zusammen (vgl. Abb. 2). In der Entstehungsphase,die hier der Entwicklung und Implementierung einer neu-en Technologie bzw. Anlage dient, fallen vor allem Kostenfür Forschung und Entwicklung, Investitions- und Anschaf-fungskosten für Anlagen, Kosten für die Inbetriebnahmeund Montage von Anlagen und damit verbundene Material-und Personalkosten an. Die Kosten der Entstehungsphasesind somit meist einmalige Kosten innerhalb des Lebens-zyklus. Kosten, die in Abhängigkeit des Anlagenbetriebsund gleichfalls mit der Fertigung eines Produktes zusam-menhängen, entstehen während der Nutzungsphase. Zuden anlageabhängigen Kosten zählen Energiekosten, kalku-latorische Kosten für Abschreibungen und Zinsen, Instand-haltungskosten sowie Personal- und Raumkosten. Für dieFertigung des Produktes ergeben sich Material- und Perso-nalkosten, Energiekosten und letztlich Entsorgungskosten.Die gleichzeitige Analyse mag irritieren, ermöglicht aberzugleich unterstützend auf Investitionsentscheidungen ein-zuwirken. Zu der Entsorgungsphase werden all jene Kostengerechnet, die mit dem Recycling und der Entsorgung, derInspektion und Wartung, der Demontage und dem Rück-bau verbunden sind. Die Entstehungs-, Nutzungs- undEntsorgungskosten ergeben die Lebenszykluskosten der un-tersuchten Alternative. Im Rahmen von Investitionsent-scheidungen können mehrere Alternativen so auf Basisihrer Lebenszykluskosten ganzheitlich verglichen werden.

Um Aussagen über die Lebenszykluskosten treffen zukönnen, werden zuerst die Kostenarten festgelegt, die fürdie Betrachtung der Lebenszykluskosten relevant sind.



Abbildung 2. Zusammensetzung der Lebenszykluskosten.

Ökobilanz 449

Betrachtet werden Investitionskosten, anlagenabhängigeKosten (kalkulatorische Kosten, Instandhaltungs-, Energie-kosten, vgl. Tab. 1) und produktfertigungsabhängige Kosten(Material-, Personal-, Energie- und Entsorgungskosten, vgl.Tab. 2). Das Hauptaugenmerk liegt in der Betrachtung derKosten der Nutzungsphase, da diese von der Wahl der Anla-gentechnologie abhängen und festgesetzt werden.

2.3 Öko-Portfolio: Kopplung von LCC und LCA

Die Ergebnisse der Lebenszykluskosten können mit dennicht-monetären, ökologischen Größen einer Ökobilanz ineinem Öko-Portfolio verknüpft werden (Abb. 3). Das Öko-Portfolio bietet die Möglichkeit, die ökonomisch-ökologi-sche Effizienz einzelner Szenarien anschaulich darzustellenund Handlungsempfehlungen abzuleiten. So können jenach Quadrant folgende ökologie- und ökonomieorientierteStrategien gewonnen werden, die auf die weitere Prozess-entwicklung Einfluss nehmen (vgl. Abb. 3):(i) Eliminierung: Die betrachtete Alternative ist ökolo-

gisch und ökonomisch ineffizient und sollte verworfenbzw. grundlegend überdacht werden.

(ii) Kostenminimierung/Imageverbesserung: Die betrach-tete Alternative führt im Wesentlichen zu ökologischen,jedoch nicht zu ökonomischen Effizienzsteigerungen.Das Ziel der Kostenminimierung sollte fokussiert wer-den.

(iii) Konzentration/Innovation: Aus der betrachteten Alter-native lassen sich sowohl ökologische als auch ökono-mische Vorteile ziehen.

(iv) Gewinnverbesserung/Steigerung der ökologischen Effi-zienz: Die betrachtete Alternative führt im Wesentlichenzu ökonomischen (gewinnverbessernden), jedoch nichtzu ökologischen Effizienzsteigerungen. Die Verbesse-rung der ökologischen Effizienz sollte fokussiert wer-den.

Die im Rahmen des Projektes CoPIRIDE angewandteMethodik zur Prognose von Lebenszykluskosten sowie dieVerknüpfung von LCC und LCA sollen nachfolgend anhandeines anonymisierten und vereinfachten Fallbeispiels veran-schaulicht werden. Es basiert auf einem realen Prozessver-gleich.

2.4 Fallbeispiel

Um das Ziel der Prozessintensivierung und -optimierungzu erreichen, soll ein bestehender diskontinuierlicher Pro-duktionsprozess (Batchanlage) durch die Entwicklung eineskontinuierlich betriebenen Produktionsprozesses im Mikro-reaktor substituiert und die jeweiligen zu erwartendenKosten des Produktionsprozesses miteinander verglichenwerden. Eine erste Prognose der zugehörigen Lebenszyklus-kosten kann dabei, wie oben beschrieben, bereits währendder Prozessentwicklung durchgeführt werden, um gezieltkostenintensive Rohstoffe, Prozessabläufe etc. ersetzen oderoptimieren zu können. Infolgedessen müssen Lebens-zykluskosten für diverse Alternativszenarien aufgrund derVielzahl sich im Entwicklungszeitraum ergebender prozess-und verfahrenstechnischer Lösungen erstellt und mit demStatus quo gegenüberstellt werden.

2.4.1 Datenbasis

Neben der Festlegung der relevanten Kostenarten werdenProjekt- und Anlagendaten wie die Investitionskosten (An-schaffungspreise), Nutzungsdauern, jährlichen Betriebs-stunden und jährliche Produktionsmenge ermittelt. Dane-ben sind u. a. Angaben zum künftigen Personalbedarf, dermit dem Betrieb der Anlage (z. B. Anzahl und Art der Mit-arbeiter, Schichtbetrieb) verbunden ist und die Kapazitäts-auslastung von großer Bedeutung. Für zukünftige War-tungs- und Instandhaltungskosten werden auf der Basisbisheriger Erfahrungen zunächst Annahmen über die Artund Häufigkeit sowie über den für Wartungs- und Instand-haltungsarbeiten benötigten Personal- und Materialauf-wand getroffen, die bei der Realisierung des Prozesses veri-


Tabelle 1. Anlagenabhängige Kosten.

Kostenart Formel

Instandhaltungskosten KIH = AW · IHS

Energiekosten KE = ME PE

kalkulatorische Abschreibungen KKA � WBWND

kalkulatorische Zinsen KKZ � AW�1�i�100�ND

Tabelle 2. Produktfertigungsabhängige Kosten.

Kostenart Formel

Materialkosten KM = (RMi Pi) + MGK (RMi Pi)

Energiekosten KE = ME PE

Personalkosten KP = MP TP

Entsorgungskosten KEnt = MAbfall PEnt

Abbildung 3. Öko-Portfolio und daraus abgeleitete Handlungs-empfehlungen für die Prozessentwicklung.


fiziert werden sollten. Diesen Vorüberlegungenmüssen daher prozess- und verfahrenstechni-sche Entwicklungen bzgl. des Produk-tionsprozesses, der Anlagentechnologie und desStandortes vorausgehen, die eine ausreichendeDatenbasis für die Bewertung schaffen.

2.4.2 Auswirkungen auf LCC und LCA

In dem diskutierten Fallbeispiel soll eine diskon-tinuierlich betriebene Anlage durch eine kon-tinuierlich laufende mikroreaktionstechnischeAnlage ersetzt werden. Jede dieser beiden Anla-gen hat eine geschätzte Nutzungsdauer von 15Jahren, wobei vergleichbare Mengen produziertwerden.

Die Entwicklung optimierter und intensivier-ter Prozesse ist hierbei während der Entwick-lung aufgrund ständig variierender Parameterökologischen, technologischen und damit auchökonomischen Änderungen unterworfen. Da-raus ergibt sich eine Vielzahl von möglichenAlternativszenarien, die in Form einer Szena-rienanalyse berücksichtigt werden können. InAbb. 4 wird der Vergleich der Lebenszyklus-kosten anhand eines ausgewählten Szenarios zueinem bestimmten Zeitpunkt t innerhalb derNutzungsdauer dargestellt.

Während im Falle des mikroverfahrenstechni-schen Prozesses die anlagenabhängigen Kostendominieren können, fallen die produktfer-tigungsabhängigen Kosten im Vergleich zumBatchbetrieb häufig aufgrund höherer erzielba-rer Ausbeuten und Selektivitäten geringer aus.Es wird deutlich, dass eine alleinige Betrachtungder Investitionskosten zu falschen Entscheidungen führenkönnte. Nur die simultane Betrachtung der Investitions-und Nutzungskosten ist entscheidungsunterstützend in derchemischen Prozessentwicklung.

Ferner trägt die Integration und Bewertung der ökolo-gischen Effizienz maßgeblich zur ganzheitlichen Ver-besserung der Prozessnachhaltigkeit bei. Anhand einerÖkobilanz können die Umweltwirkungen beider Produk-tionsprozesse verglichen werden. Abb. 5 zeigt das mög-liche Ergebnis am Beispiel des Treibhauspotenzials,einer ausgewählten Wirkungskategorie einer Ökobilanz.Die Verringerung von klimarelevanten Gasen währenddes betrachteten Lebenszyklus eines Prozesses kann hier-bei vor allem dann erwartet werden, wenn sich bei-spielsweise durch verkürzte Reaktionszeiten eine Verrin-gerung des Energiebedarfes ergibt und/oder sich durcherhöhte Ausbeuten und Selektivitäten ein geringerer Be-darf an Edukten und Lösungsmitteln sowie ein verrin-gerter Aufarbeitungs-, Recycling- und Entsorgungsauf-wand ergibt.

2.4.3 Anwendungsbeispiele aus der Praxis

Die Prozessentwicklungsaktivitäten im Rahmen von CoPI-RIDE wurden von Beginn an durch LCC- und LCA-Betrach-tungen unterstützt. Gemäß dem jeweiligen Erkenntnis-stand während des Prozessdesigns wurden diese Methodenso angepasst, dass sie sowohl ein breites Screening von al-ternativen Ansätzen (ex-ante) mithilfe vereinfachter Bewer-tungsansätze, als auch im weiteren Verlauf detailliertereAnalysen ausgewählter Szenarien ermöglichten [16]. Sokonnte mithilfe derartiger Analysen bereits in frühen Pha-sen der Prozessentwicklung festgestellt werden, ob eineProzessintensivierung oder -optimierung signifikant zueiner ökologisch und ökonomisch nachhaltigeren Prozess-gestaltung beitragen kann. In allen Fällen war eine ganz-heitliche, lebenswegbasierte Betrachtungsweise vorteilhaft.

Ein Beispiel stellt die Übertragung der Epoxidierung vonSojaöl vom Fed-Batch-Prozess zu einer kontinuierlichenProzessführung bei erhöhten Temperaturen dar. Die bishe-rigen LCC- und LCA-Ergebnisse zeigen, dass eine mikrore-aktionstechnische Anlage zwar potenziell dem etablierten,



Abbildung 4. Vergleich der Lebenszykluskosten eines chemischen Produktions-verfahrens im Batch- oder mikroverfahrenstechnischen Betrieb während der Nut-zungsphase.

Abbildung 5. Vergleich der Umweltwirkungen anhand des Klimawandelpoten-zials zwischen Batch und Mikroreaktor.

Ökobilanz 451

industriellen Prozess überlegen sein kann, hierzu jedochnoch weitere experimentelle Arbeiten zur Prozessintensivie-rung und Reduktion des Eduktbedarfs erforderlich sind[16].

Ein ähnliches Konzept wird derzeit zur Intensivierungder Biodieselproduktion verfolgt. Hier konnte frühzeitig inder Prozessentwicklung gezeigt werden, dass die Umeste-rung in einem intensivierten, kontinuierlichen Prozessunter Einsatz des Rohstoffes Altspeiseöl und superkri-tischen Reaktionsbedingungen in ökologischen, aber auchsicherheitstechnischen Vorteilen im Vergleich zu einer kon-ventionellen Prozessführung bei moderaten Temperaturenund Drücken sowie üblicherweise langen Verweilzeiten imReaktor resultieren kann [17]. In Hinblick auf die ökonomi-sche Effizienz des neuentwickelten Konzeptes wurde beieinem Vergleich mit Ergebnissen von West et al. [25] gefun-den, dass zum derzeitigen Entwicklungsstand ein konven-tioneller, heterogen katalysierter Prozess noch ökonomischeVorteile aufweisen kann. Weitere Verbesserungen im Laufeder Entwicklungen sind jedoch zu erwarten.

Von Interesse war im Kontext dieser Neuentwicklungenintensivierter Prozesse auch die Entwicklung von Katalysa-torbeschichtungen für Mikrokanäle. Daher wurde auch die-ser Fragestellung mithilfe einer Kostenanalyse nachgegan-gen. Die wichtigste Frage war hierbei, ob ein Recycling desKatalysators und/oder der Trägerplatten zu einer erhöhtenKosteneffizienz beitragen kann. Insgesamt ergaben sichKosteneinsparungspotenziale von bis zu 51 % bei der Be-rücksichtigung geeigneter Wiederaufbereitungsmethodender mikrostrukturierten Edelstahlplatten gegenüber derEntsorgung gebrauchter Platten [26].

Darüber hinaus hat sich die Gruppe um Hessel mit Fra-gen des künftigen Potenzials von Milli- und Mikroprozess-techniken für die Verkürzung von Prozessentwicklungszei-ten sowie ihres Einsatzes in modularen, kompaktenProduktionseinheiten beschäftigt [27, 28]. Sie betonen alszusätzlichen Faktor für Kostenvorteile die Chance, durchintensivierte Konti-Prozessierung und Mikroprozesstechnik

die Prozessentwicklung zu vereinfachen und zu verkürzen.In Kombination mit modularen Produktionseinheiten kannso flexibler und schneller auf neue Markttrends reagiertwerden.

3 Zusammenfassung

Das Konzept der Lebenszykluskostenbewertung gekoppeltmit ökobilanziellen Bewertungsansätzen bietet im Rahmeneiner chemischen Prozessentwicklung ein großes Potenzialzur Entscheidungsunterstützung und Richtungsfindung.Nicht allein die Investitionskosten, sondern die Berücksich-tigung von Nutzungs- und Entsorgungskosten und die Ver-knüpfung mit ökologischen Aspekten der Ökobilanz sindim Entscheidungsprozess bei der Entwicklung kosteneffizi-enter, umweltfreundlicher und damit nachhaltiger Pro-zesse ausschlaggebend. Die Ergebnisse bisheriger verglei-chender Kostenanalysen zwischen diskontinuierlichbetriebenen chemischen Verfahren und deren mikroverfah-renstechnischem Pendant haben gezeigt, dass letzterenicht pauschal als kosteneffizientere Alternative gesehenwerden können. Es bedarf, wie auch bei Batch-Prozessen,einer umfassenden Prozessoptimierung und Effizienzma-ximierung. Dann können mikroverfahrenstechnische Pro-zesse jedoch trotz teilweise höherer Investitionskosten auf-grund geringerer laufender Kosten und einem schnellerenZugang zum Markt die ökonomisch günstigere Alternativedarstellen.

Die Autoren bedanken sich für die Finanzierung derbeschriebenen Arbeiten durch das “EU Seventh Frame-work Programme for Research and Technological Deve-lopment“ (CP-IP 228853-2, CoPIRIDE).


Abbildung 6. Beispiel Kos-tenanalyse von alternativenMöglichkeiten des Recy-clings von Katalysatorträ-gerplatten nach [26].


Formelzeichen

AW [u] Anschaffungswerti [% a–1] InflationsrateIHS [% a–1] InstandhaltungskostensatzKE [u a–1] EnergiekostenKEnt [u a–1] EntsorgungskostenKIH [u a–1] InstandhaltungskostenKKA [u a–1] kalkulatorische AbschreibungenKKZ [u a–1] kalkulatorische ZinsenKM [u a–1] MaterialkostenKP [u a–1] PersonalkostenMAbfall [kg kg–1] angefallene Menge AbfallME [kWh a–1] EnergiebedarfMi [kg a–1] MaterialbedarfsmengeMP [h a–1] PersonalbedarfMGK [%] MaterialgemeinkostensatzND [a] technische NutzungsdauerPE [u kWh–1] EnergiepreisPEnt [u kg–1] EntsorgungspreisPi [u kg–1] MaterialpreisTP [uha–1] Lohn-/GehaltssatzWBW [u] Wiederbeschaffungswert der Anlage

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Ina Sell studierte Betriebs-wirtschaft an der Universi-tät Magdeburg. 2010 tratsie der Arbeitsgruppe umDr. Dana Kralisch an derFriedrich-Schiller-Univer-sität Jena bei. Im Rahmendes ForschungsprojektsCoPIRIDE beschäftigt siesich u. a. mit der Lebenszy-kluskostenanalyse chemi-scher Verfahren in frühenPhasen der Prozessent-wicklung.

Denise Ott promovierte imJahre 2009 an der Fried-rich-Schiller-UniversitätJena im Rahmen einesPromotionsstipendiumsder Deutschen Bundes-stiftung Umwelt. DieseArbeit beschäftigte sichmit der Bewertung derSubstanzklasse der ioni-schen Flüssigkeiten undderen Klassifizierung imSinne grüner Lösungsmit-

tel. Im Rahmen ihrer Post-Doc-Tätigkeit innerhalb derArbeitsgruppe um Dr. Dana Kralisch beschäftigt sichDr. Ott mit der Ökobilanzierung und ökologischenOptimierung von Produkten und Verfahren in For-schung und Entwicklung.

Dana Kralisch ist Leiterinder Arbeitsgruppe „Nach-haltige Prozessentwick-lung und Bewertung“ amLehrstuhl für Pharmazeu-tische Technologie derFriedrich-Schiller-Univer-sität Jena. Die Chemikerinmit fachlichem Schwer-punkt auf den GebietenUmweltchemie und Tech-nische Chemie beschäftigt

sich intensiv mit der Kopplung von chemischer Pro-zessentwicklung und lebenswegbasierter Nachhaltig-keitsbewertung zur Entscheidungsunterstützung wäh-rend der Designphase. Sie ist Autorin von zahlreichenPublikationen und mehreren Buchbeiträgen auf die-sem Gebiet.

Ökobilanz 453

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Lebenszykluskostenanalyse zur Entscheidungsunterstützung in der chemischen Prozessentwicklung

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