Ackermann, R.

Buchgeister, J.

KITopen

Systemtechnische Methoden ha-ben eine große Tradition in derBearbeitung komplexer tech-nisch/technologischer Problemeim industriellen Umfeld [1, 2]. Hierwerden wesentliche Einflussfak-toren bestimmt und Optimie-rungskriterien abgeleitet. In der Produkt- oder Verfahrens-entwicklung bzw. -optimierungstehen die Unternehmen vor ei-ner Vielfalt von Analysemöglich-keiten, Prinzipien und Bewer-tungsmethoden, mit denen derEntscheidungsprozeß unterstütztwerden kann. Die rein ökonomi-sche Entscheidungsdimensionbildet die Basis, jedoch rankensich eine Vielzahl von weiterenEntscheidungsdimensionen wiezum Beispiel ökologische, sozio-logische, technische, design-oder materialbezogene Dimen-sionen um sie herum. Gleichzeitigwird die Zeit für die Entschei-dungsfindung immer kürzer, dasich die Zyklen für die Produk-tions- oder Produktentwicklungdeutlich verkürzen. Dies führt da-zu, dass eine sichere und gleich-zeitig transparente und nachvoll-ziehbare Entscheidungsfindungimmer schwieriger zu realisierenist. Damit werden aber die Ent-scheidungsprozesse behindertund das Risiko von Fehlentschei-dungen mit den entsprechendenVerlusten steigt. Im Rahmen von zwei BMBF-Vor-haben [3, 4] wurde die Einführungeiner stoffverlustminimierten Pro-zesstechnik in einer Feuerverzin-kerei und anderen galvanotechni-schen Betrieben mit systemana-lytischen Methoden begleitet.Dabei wurden die geplanten Ver-änderungen der Prozesstechnikmit dem vorher identifizierten Ist-Zustand unter ökologischen undökonomischen Gesichtspunktenverglichen. Das Ziel war es, u.a.für den bestehenden Feuerver-zinkungsprozess die ökonomischund ökologisch vorteilhaftestenVarianten zur Realisierung vorzu-schlagen und den Projekterfolgnach der Realisierung zu beurtei-len. In dieser Darstellung liegt derSchwerpunkt auf dem Vorgehenund der ökologischen und öko-nomischen Beurteilung. DiesesVorgehen ist in die Erarbeitungder VDI-Richtlinie 4090 „Sys-temtechnische Methodik zur Pla-nung und Steuerung umweltre-levanter Prozesse im betriebli-chen Bereich“ eingeflossen, wel-che momentan als Gründruckvorliegt [5]. Entsprechend der Vorgehenslo-gik der VDI-Richtlinie 4090 wirddas Vorgehen zur Planung undOptimierung umweltrelevanterProzesse in 7 Schritte unterteilt(siehe Abb. 1).Innerhalb der einzelnen Schrittedes Vorgehensmodells werdendie umweltrelevanten Prozesseschrittweise analysiert und alter-native Konzepte erarbeitet undumgesetzt. Fallbeispiel Feuerverzinken: DasFeuerverzinken ist ein weitver-breitetes Verfahren zum Korro-sionsschutz von Stahlbauteilen.In der Bundesrepublik Deutsch-land wurden 1995 in 200 Be-triebsstätten ca. 1,6 MillionenTonnen Stahl mit ca. 130.000Tonnen Zink beschichtet. Für dieeinwandfreie Feuerverzinkung isteine metallisch blanke und fett-freie Oberfläche erforderlich. Die-se Qualität wird in den Vorbe-handlungsbädern erzeugt. Dendort eingesetzten Stoffen und an-fallenden Abfällen wird aus Sichtdes Umweltschutzes eine großeBedeutung beigemessen, da de-ren Produktion sowie deren Ver-wertung und Beseitigung sehrumweltrelevante Prozesse dar-stellen (Anstoß und Situations-analyse – Bedarf einer Analyse).Der zentrale Untersuchungsge-genstand – das zu behebende„Problem“ – ist zunächst die be-stehende Prozesskette, die alsIst-Zustand („Referenzsystem“)definiert wird. Das Kernsystemselbst besteht aus einer diskretenAnzahl miteinander vernetzterProzesse. Durch die Festlegungder Systemgrenzen werden diezu analysierenden Prozesse undProzessketten im Hinblick auf dieursprüngliche Fragestellung de-terminiert. Die anschließendeModellierung gibt basierend aufFormeln und Parametern diequalitativen Aspekte einer Pro-zesskette als kausale Wirkzu-sammenhänge wieder. Fallbeispiel Feuerverzinken: Eswird die bestehende Prozessket-te des Feuerverzinkens zugrundegelegt. Diese besteht aus 5 Pro-zessschritten: Vorarbeit, Vorbe-handlung, Trocknung, Verzinkungund Nacharbeit. Die Schritte Vor-arbeit und Nacharbeit sind beider weiteren Untersuchung aus-geblendet worden, da diese hierauf der einen Seite wenig Hand-lungsspielräume haben und zumanderen die Umweltrelevanz ge-meinsam mit dem Unternehmenals gering zu den anderen Pro-zessen eingeschätzt wurde.VorgehenEinleitung225(225)Systemtechnische Methodik zur Planung undOptimierung umweltrelevanter Prozesse – Fallbeispiel FeuerverzinkenR. Ackermann, J. Buchgeister, ITCNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 36  4/2004  S. 225-229 226(226)Abb. 1: Vorgehenslogik zur Verfahrensverbesserung von einem bestehenden Zustand (Problem) zu einem verän-derten Zustand (Problemlösung) nach VDI 4090 [5].Systemplanung (Systemdefinition)Systemrealisierung (Systembau)SystemkonkretisierungZustand A (bestehender Zustand) = ProblemAnstoßSituationsanalyseProblemdefinitionProblemanalyseKonzipierenKonzeptanalyseStrukturierenEntwurfsanalyseDetaillierenVerträglichkeitsanalyseBedarfformuliertes ProblemSystemkonzepte (funktionaler Aspekt)Systementwurf (Aspekt der Strukturierung und Instrumentation)Systempläne (Aspekt der Auslegung und Dimensionierung)Realisierungsplan (Aspekte der Zeit, des Raumes, der eingesetzten Mittel)Zustand B (neuer Zustand) = ProblemlösungRealisierungsplanungProjektablaufanalyseVeranlassungDurchführungDurchführungsüberwachung1234567Ausgehend vom Ist-Zustand wer-den die optionalen Anlagenzu-stände entwickelt (Soll-Modelle).Wesentliche Grundlage des Ver-gleichs des Ist-Zustands mit denmöglichen Soll-Zuständen bildetdie Nutzengleichheit der Zustän-de des betrachteten Systems. In-nerhalb der Modellierung werdendabei die vernetzten, partiell un-terbestimmten und rückgekop-pelten Kernsystemmodelle mitHilfe sequentieller Berechnungs-routinen unter Berücksichtigungder Massenerhaltung bilanziert.Durch unterschiedliche Parame-terbelegungen der Modelle kön-nen verschiedene Szenarien er-zeugt werden. Die von den mo-dellierten Prozessketten gene-rierten Ergebnisse sind im Zugeder Modellvalidierung auf formaleund inhaltliche Plausibilität sowieRichtigkeit zu überprüfen.Fallbeispiel Feuerverzinken: AlsSoll-Zustände sind verschiedeneVarianten der Kreislaufführungvon Prozesswässern untersuchtworden. Beispielsweise wurdedie Abtrennung von verbrauchterProzesslösung aus der Entfet-tung durch thermische Spaltungder Entfettungslösung erprobt.Dieser Regenerierungsprozessder Entfettungslösung ist als Soll-Modell in die Untersuchung dergesamten Feuerverzinkung ein-bezogen worden. Er stellt einenkomplexen, optionalen Zustanddes Prozesses der Vorbehand-lung mit Aufbereitung der Entfet-tungslösung dar. Die Ergebnismengen eines Soll-und des Ist-Modells liefern dieDatengrundlage für die ökologi-sche und ökonomische Beurtei-lung der einzelnen Optimierungs-maßnahmen, die als Soll-Ist-Ver-gleich erfolgt. D.h. für die Model-lierungsergebnisse werden dieDifferenzen von „SOLL – IST“ ge-bildet. Fallbeispiel Feuerverzinken:Nach Rücksprache mit den betei-ligten Unternehmen wurden 4Konzeptvariationen in die engereWahl einbezogen, wobei beson-derer Wert auf die Wasserkreis-laufführung gelegt wurde. Dabeisind auch Aspekte wie beruflicheQualifikation und optimale Perso-nalnutzung einbezogen worden,die jedoch nicht quantifiziert wur-den. Auf Grund der Tatsache,dass vorrangig ungelernte Arbei-ter die Anlagen betreuen, stelltsich die Einführung anspruchs-voller Regelungssysteme als fastunmöglich dar. Diese „nichttech-nischen“ Einflüsse sind neben imVoraus schwer quantifizierbarenEinflüssen wie die Prozessqua-lität und -sicherheit Basis der un-ternehmerischen Entscheidung. Die ökologische Beurteilung ba-siert auf der Methodik der Öko-bilanzierung, deren methodischeElemente der Sachbilanz, Wir-kungsabschätzung und Auswer-tung für die ökologische Analysegenutzt werden [6, 7, 8, 9]. DerUntersuchungsrahmen wird so-mit über den eigentlichen Bereichder zu untersuchenden Kernsys-temprozesse ausgedehnt (sieheAbb. 2), und stellt das Kern- undMantelsystem dar. Innerhalb der Sachbilanz werdendie mit den Kernsystem- undMantelsystemmodellen verbun-denen Stoff- und Energieflüsse ermittelt. Dadurch werden dieStoff- und Energieflüsse desKernsystems lebenswegbezogenauf Emissionen in die Umwelt unddie Inanspruchnahme von Res-sourcen zurückgeführt. Eine Pro-blemverlagerung in das Mantel-system kann somit identifiziertund vermieden werden. Die an-schließende Wirkungsabschät-zung verdichtet diese Sachbi-lanzdaten und aggregiert sie zuWirkungskategorien der anthro-pogenen Umweltbeeinflussung.Zur Bewertung der Wirkungska-tegorien untereinander wurde einVerfahren entwickelt, welches aufeinem Vorschlag des Umwelt-bundesamtes beruht und eineobjektive, gegenseitige Abwä-gung der Ergebnisse für die ein-zelnen Wirkungsindikatoren er-möglicht [8]. Eine eindeutigeRangfolge der analysierten Opti-mierungsansätze bzgl. ihrer öko-logischen Vorteilhaftigkeit ist je-doch nicht für jeden Anwen-dungsfall zu erwarten.Fallbeispiel Feuerverzinken: Fürdas Mantelsystem der Feuerver-zinkung ergaben sich 9 vorket-tenbasierte und 8 nachkettenba-sierte Lebenswegabschnitte. Dieökologische Beurteilung ergabnicht für alle berücksichtigtenWirkungskategorien Entlastun-gen. Der Grund hierfür ist eine inder Optimierung verursachte Ver-schiebung von stofflich vorherr-schenden Emissionen (Abwasser,Abfall, Abgas) zu energetischemMehrbedarf [10]. Dieser energeti-sche Mehrbedarf ist zwangsläu-fig mit Umweltbelastungen ver-bunden. Ökologische Beurteilung227(227)Die ökonomische Beurteilungund Optimierung basiert auf einerprozessorientierten Kostenver-gleichs- und Amortisationsrech-nung. Das bedeutet, im Rahmender betrieblichen Stoff- und Ener-gieflussanalyse wird jedem Pro-zess des Kernsystems genau ei-ne Kostenstelle zugeordnet. DieKostenvergleichsrechnung stelltden Gesamtkosten des Ist-Zu-stands die Gesamtkosten der je-weiligen Soll-Zustände gegenü-ber. Der vorteilhafteste Zustandist gekennzeichnet durch die ge-ringsten Gesamtkosten bzw. diegeringsten spezifischen Kosten. Fallbeispiel Feuerverzinken: Imrealisierten Zustand werdendeutliche Einsparungen ausge-wiesen. Den gestiegenen Kapital-kosten und Instandhaltungskos-ten für die Installation und Betriebder Regenerierungsprozesse ste-hen deutliche Kosteneinsparun-gen beim Einkauf der Einsatzstof-fe sowie bei der Entsorgung derAbfälle gegenüber. Diese Ein-sparungen sind auf die Stoffkreis-laufschließung in der Vorbehand-lung zurückzuführen. Bei denPersonalkosten wurden keineVeränderungen zwischen reali-siertem Zustand und Ist-Zustanderzielt. Insgesamt werden durchOptimierungsmaßnahmen Kos-teneinsparungen in Höhe von ca.52.000 €/10.000 t Zink errechnet. Fallbeispiel Feuerverzinken: Diekonkrete Umsetzung der als kon-zeptionelle Möglichkeiten unter-suchten Varianten orientiert sichsowohl nach der ökologischenund ökonomischen Beurteilungals auch an der unternehmeri-schen Entscheidung. Das bedeu-tet, es werden weitere technischeAspekte wie z.B. die Reprodu-zierbarkeit berücksichtigt. Eben-falls änderte sich während deranalytischen Arbeit das Aufga-benportfolio der Feuerverzinke-rei. Daraus resultierten sich än-dernde Umsätze, die wiederumEinfluss auf die Wirtschaftlichkeithaben. Hier zeigte sich, dass dieRechenmodelle eine gute Anpas-ZusammenfassungÖkonomischeBeurteilung228(228)Abb. 2: Ebenen der ökologischen und ökonomischen Beurteilung [3, 4] (der Begriff der LCA steht für Life CycleAssessment und wird als englische Entsprechung des deutschen Wortes Ökobilanz verwendet).Stoff-undEnergieflussbilanzKostenvergleichs- undAmortisationsrechnungProzess- undAnlagenmodellierungLCAKernsystemProzesseGesamtsystem (Kern- und Mantelsystem)ctEntfetten Fe-BeizeZn-BeizeSpüleFluxenVerzinkenTrocknenMODELL – FEUERVERZINKEN SOLLEntfetten Fe-BeizeZn-BeizeSpüleFluxenVerzinkenTrocknenMODELL – FEUERVERZINKEN IST ResourcenEmissionenElektrizitäts-ProduktionHeizöl-ProduktionGas-ProduktionHCl-ProduktionZn-Produktion Feuer-verzinkenAbfall-BeseitigungAbfall-VerwertungEmissionensungsfähigkeit erfordern, damitdie neuen Bedingungen schnellund mit geringem Aufwand Be-rücksichtigung finden konnten.Schwierig wurde es in Bezug aufdie Nutzengleichheit. Eine for-melle Nutzengleichheit hätte ge-währleistet werden können, je-doch wären die Ergebnisse nichtmehr praxisrelevant. Der Grundhierfür ist, dass sich Anwen-dungsgrenzen aufzeigen, die die Aufgabenstellung „Entschei-dungshilfen mit möglichst objek-tiven Kriterien zu geben“ in derUmsetzung erschwert.Das Vorgehensmodell als Basisfür die systemtechnische Metho-dik zur Planung und Optimierungumweltrelevanter Prozesse er-weist sich als anwendbar undnützlich für die Beurteilung undOptimierung insbesondere kom-plexer Fragestellungen. Eine aus-schließliche Beschränkung aufökologische und ökonomischeKriterien für die Beurteilung undOptimierung eines Prozesses er-scheint nicht sinnvoll, da die un-ternehmerische Entscheidung imVordergrund steht.Die Ergebnisse der ökologischenund ökonomischen Beurteilungsind vor der Formulierung einerHandlungsempfehlung auf weite-re Verbesserungspotentiale zuprüfen. Im Sinne eines kontinuier-lichen und iterativen Verbesse-rungsprozesses können die be-reits vorhandenen Modelle ent-sprechend angepasst oder neueModelle daraus abgeleitet wer-den. Dafür sollte auf das vorhan-dene Wissen betrieblicher undexterner Experten zurückgegrif-fen werden.229(229)[1] G. Patzak, Systemtechnik – Planung komplexerinnovativer Systeme: Grundlagen,Methoden, Techniken; Berlin u.a.;Springer-Verlag, 1982[2] R. Haberfellner, P. Nagel, M. Becker,A. Büchel, H. von Massow, Systems Engineering – Methodik und Praxis, W.F. Daenzer, F. Huber, (Hrsg.), Verlag Industrielle OrganisationZürich (1999) [3] BMBF-VerbundvorhabenStoffkreislaufschließung beiabtragenden Verfahren inProzesslösungen Teilvorhaben 14:Ökologische und ökonomischeBeurteilung und OptimierungFörderkennzeichen 01ZH9507/2[4] BMBF-Verbundvorhaben Umstellungbestehender galvanotechnischerAnlagen auf eine stoffverlust-minimierte Prozesstechnik:Teilvorhaben 1: Ökologische undökonomische Beurteilung undOptimierung Förderkennzeichen01RK9719/3[5] VDI 4090 – SystemtechnischeMethodik zur Planung und Steuerungumweltrelevanter Prozesse in derbetrieblichen Praxis – Grundlagenund Allgemeines; 2003, Düsseldorf;Richtlinienentwurf VDI Koordi-nierungsstelle Umwelttechnik(Weißdruck in Vorbereitung) [6] DIN Deutsches Institut für Normunge.V.: ISO 14040 – Ökobilanz –Prinzipien und allgemeineAnforderungen, Deutsche Fassung,Berlin 1999[7] G. Fleischer, R. Ackermann, R. Schilling, AbfallwirtschaftsJournal 5 (1993),Nr.5 S. 379-396[8] J. Hildenbrand, Vergleichende Darstellung vonAuswertungsmethoden inÖkobilanzen, Diplomarbeit; TU Berlin, FachgebietSystemumwelttechnik; Berlin 1999[9] J. Buchgeister, A. Fritzsche, G. Horvath, A. Wittkowsky,Härterei Technische Mitteilungen(2001), Nr. 1 S. 30-35, Carl-Hanser-Verlag[10] M. Huckshold, J. Hildenbrandt,R. Ackermann, G. Fleischer, H. Külker,Metalloberfläche (2000) 6, Carl-Hanser-VerlagLiteratur

Systemtechnische Methodik zur Planung und Optimierung umweltrelevanter Prozesse. Fallbeispiel Feuerverzinken

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