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Schweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst
Rainer ZüstDr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien,
Schweizerisches Institut für Systems EngineeringE-Mail: [email protected]: www.swissinstitute.ch
Umweltmanagement
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Schweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst
Rainer Züst
• Dr. sc. techn., Dipl. Masch. Ing. ETH
• 1993 – 1999 Assistenzprofessor für Betriebswissen-schaften an der ETH Zürich, seit 2000 Gastprofessor an der TU Wien
• 2001 – 2004 Mitglied der Geschäftsleitung der ETHags – Center for Sustainability at ETH Zurich
• Mitinhaber „Schweizerisches Institut für Systems Engineering“ (www.swissinstitute.ch)
• Autor diverser Bücher
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Beispiele von aktuellen Projekten
Reorganisation der kantonalen Verwaltung
Ausbildung Gesamtprojektleiter Bereich Haustechnik
Ecodesign für eine Business-Area
Ecodesign sowie WEEE & RoHS-Umsetzung
Ecodesign-Workshops
Ecodesign-Implementierung und Schulung
Umsetzung EUP bei Agfa HealthCare
Diverse Vorlesungen und Kurse
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Arbeitsbereich „Systems Engineering“
Systems Engineering ist eine systematische Denkweise und Methodik zur Lenkung von Problemlöseprozessen im Kontext anspruchsvoller sozio- technischer Fragestellungen.
Vorlesung u.a. an der ETH Zürich Kurse für Wirtschaft, Methodik- beratung in der Wirtschaft
(io Verlag 2004)
(io Verlag 2002)
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Arbeitsbereich „Ecodesign“
ECODESIGN (umwelt- gerechte Produktentwicklung; - Buch mit CD-ROM, Um- setzungsleitfaden, eLearning; - Tools auf www.ecodesign.at
Vorlesung ETH Zürich, Kurse für die Wirtschaft, Beratung von Unternehmen
(io Verlag 2001)
(Kluwer 2002)
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Arbeitsbereich „Produktentwicklung“
Produktentwicklung- und Innovationsprozesse, Prozessmanagement, Integration von Ecodesign
Diverse Mandate in der Wirtschaft, Beratung von Unternehmen
(Springer 2004)
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Einstieg: Wachstumsfalle
• Bevölkerungswachstum• Steigender Ressourcenverbrauch• Zunahme an sozialen und gesellschaftlichen
Konflikten
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Bevölkerungswachstum weltweit
0
2
4
6
8
10
12
14
16
2000 2010 2020 2030 2040 2050
weakmiddlehighconstantB
illio
n pe
ople
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Getreideproduktion weltweit
0200400600800
100012001400160018002000
1950 1960 1970 1980 1990 1998
Prod./P. kgWorldprod. T
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Verfügbares Trinkwasser pro Person weltweit
2500023500
22000
20000
1750016000
13500
11500
90008000
6500
0
5000
10000
15000
20000
25000
Available drinking water/person world average
m3/Pers.
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
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Energieverbrauch weltweit
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 20200
50
100
150
200
250
Oil
Natural Gas
Coal
Renewables
Nuclear
History Projections
[Source: EIA, International Energy Outlook 1999]
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Weitere Zahlen
• jährlich Ausgaben, damit alle Menschen Zugang zu sauberem Wasser haben: 9‘000‘000‘000 US$
• Jährliche Ausgaben für Zigaretten/Tabak im EU-Raum: 50‘000‘000‘000 US$
• Jährliche Ausgaben für Verteidigung weltweit: 780‘000‘000‘000 US$
• Wert der täglichen Geldtransaktionen an weltweiten Kapitalmärkten: 1‘100‘000‘000‘000 US$
[Basis: UNDP Development Report 1998]
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Ziel einer Nachhaltigen Entwicklung
Nachhaltige Entwicklung hat zum Ziel, mit einem intelligenten Einsatz der verfügbaren Ressourcen einen möglichst großen Nutzen für alle beteiligten Akteure (entlang der Wertschöpfungskette) und Zufriedenheit der Kunden und Konsumenten sowie der Gesellschaft bei minimaler Umweltbelastung und unter sozial fairen Bedingungen zu erzielen.
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„Die Falle der zu engen Systemgrenzen“
[Quelle: Luttropp & Züst 1998]
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Ziel von Ecodesign
Legalität: Einhaltung relevanter Gesetze / Ver-ordnungen (z.B. WEEE, RoHS, ISPM 15, …)Legitimität: Firmen-Image, Produkt-Image, ..Innovation: andere und breitere Sichtweise (Quer-denken), umfassendere Analyse, neue Ideen / umfassendere LösungssyntheseKostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcen-managementMotivation Mitarbeitende: Wahrnehmen von Verantwortung, effizientere Prozesse
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Attraktive Handlungsfelder
Legalität: Einhaltung relevanter Gesetze / Ver-ordnungen (z.B. WEEE, RoHS, ISPM 15, …)Legitimität: Firmen-Image, Produkt-Image, ..Innovation: andere und breitere Sichtweise (Quer-denken), umfassendere Analyse, neue Ideen / umfassendere LösungssyntheseKostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcen-managementMotivation Mitarbeitende: Wahrnehmen von Verantwortung, effizientere Prozesse
Innovation: andere und breitere Sichtweise(Querdenken), umfassendere Analyse, neue Ideen / umfassendere LösungssyntheseKostenstruktur: Umweltmanagement als Ressourcenmanagement
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Sozialverträgliche und umweltschonende ProdukteVerbesserungsmassnahmen, wie sie im Folgenden diskutiert werden, sollen primär zur Sicherung von Wettbewerbsvorteilen beitragen.
Im Zentrum stehen:
- neue (innovativere) Produktideen (d.h. auch „Product-Service-Systems),
- Rationalisierungspotenziale und
- Kostenreduktionen.
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Verfügbare Tools / Methoden
• ECODESIGN PILOT: Buch, in englisch und deutsch (demnächst in japanisch), mit CD-ROM (inkl. Lern- teil) oder online: www.ecodesign.at/pilot (5 Sprachen)
• Assistent – Umweltorientierte Bewertung von Produkten; online: www.ecodesign.at/assistent
• Umsetzungsleitfaden (ECODESIGN Implemen- tation, Springer Verlag, 2004)
• eLearning-Kurs: Universitätslehrgang der TU Wien www.ecodesign.at/ulg
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Ecodesign - Beispiele
- Stellmotoren (Sonnenstoren, Klimaanlagen)- Waschmaschine- Spülkasten
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Beispiel Belimo
[Quelle: Belimo]
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Hebelwirkung Ecodesign
Skalierung: 700'000 LM vs. KEZO-Energie(betriebliche Umweltmassnahme vs. ökologische Produktgestaltung)
0
1'000'000
2'000'000
3'000'000
4'000'000
5'000'000
Öl-Einsparung: Absenkung bei LM-Linie pro Jahr
Öl-Einsparung:Bezug von KEZO-Wärme pro Jahr
Lite
r ÖL
Einsparung durch(Eco-)Design
Wärmebedarf am Standort
[Quelle: Belimo]
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Life-Cycle-Thinking und Bewertung
- Lebensphasen eines Produkts: Rohmaterialien, Herstellung, Distribution, Nutzung, Entsorgung- Umweltorientierte Bewertung, z.B. kumulierter Energieanalyse oder „screening LCA“: GAP-Analyse- Einflüsse von Beteiligten und Betroffenen, insbesondere in der Nutzung: Modellierung eines „sozio-technischen“ Systems (Nutzungsszenarien!!)- ausserordentliche Betriebszustände, Ausfälle, Störfälle, Schäden, …: Risiko-Betrachtungen
![Page 23: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/23.jpg)
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Life-Cycle-Thinking und Bewertung
- Lebensphasen eines Produkts: Rohmaterialien, Herstellung, Distribution, Nutzung, Entsorgung- Umweltorientierte Bewertung, z.B. kumulierter Energieanalyse oder „screening LCA“: GAP-Analyse- Einflüsse von Beteiligten und Betroffenen, insbesondere in der Nutzung: Modellierung eines „sozio-technischen“ Systems (Nutzungsszenarien!!)
- ausserordentliche Betriebszustände, Ausfälle, Störfälle, Schäden, …: Risiko-Betrachtungen
Kostenabschätzungen
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Life-Cycle-Costing:Beispiel Waschmaschine
Ein Waschmaschine kostet 3‘000.- Sfr. und ermöglicht 10‘000 Waschzyklen (in 15 Jahren). Für einen Wasch-zyklus werden ca. 50 l Wasser, 1 kWh Strom und 50 g Waschpulver benötigt:
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Life-Cycle-Costing:Beispiel Waschmaschine
Ein Waschmaschine kostet 3‘000.- Sfr. und ermöglicht 10‘000 Waschzyklen (in 15 Jahren). Für einen Wasch-zyklus werden ca. 50 l Wasser, 1 kWh Strom und 50 g Waschpulver benötigt:
500‘000 Liter Wasser, respektive ca. 2‘500.- Sfr. 10‘000 kWh Strom, respektive ca. 2‘000.- Sfr. 500 kg Waschpulver, respektive ca. 2‘000.- Sfr. plus Service / Unterhalt im Umfang von 1‘500.- Sfr.
Lösungsansatz: effizienterer Waschprozess
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Beispiel V ZUG:Waschmaschinen
[Quelle: V ZUG]
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Life-Cycle-Costing:Beispiel Spülkasten
Ein Spülkasten kostet 400.- Sfr. und ermöglicht Spülvorgänge. Für einen Spülvorgang braucht es 8 Liter Wasser.
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Life-Cycle-Costing:Beispiel Spülkasten
Ein Spülkasten kostet 400.- Sfr. und ermöglicht 100‘000 Spülvorgänge (20 Spülvorgänge pro Tag über ca. 30 Jahre). Für einen Spülvorgang braucht es 8 Liter Wasser: 1‘600‘000 Liter Wasser, respektive ca. 8‘000.- Sfr.
Lösungsansatz: effizienterer Spülvorgang, z.B. 2-Mengen-Spülkasten
[Quelle: Geberit]
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Frühe Planungsphase entscheidend
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Erkenntnis daraus
1. Bedeutung der Produktentwicklung2. Frühe Planungsphase entscheidend3. Fokus auf Produkte / Product- Sercice-Systems (und nicht nur auf Standort)
Produktion / Standort
Produkte / Dienstleistungen
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Ein praktisches Beispiel
Wo treten die grössten Umweltbelastungen auf? Und wie würden Sie die Zitruspresse unter ökologischen Aspekten verbessern ?
Zitruspresse: 1.3 kg, Lebensdauer 80 h, 30 WMaterialien: Kunststoff (PP, ABS), Cu and PVC (Kabel), Stahl und Eisen (Motor)
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• Eine Familie produziert täglich 0.1 Liter Saft;• Für 0.1 Liter Saft werden 0.3 kg Orangen benötigt; • Lebensdauer 4 Jahre: 120 Liter Orangensaft, respektive 360 kg Orangen;• 120 mal Abwaschen: 330 Liter Wasser• 1m3 Wasser für Produktion von 1 kg Orangen, respektive 360‘000 Liter Wasser• Transport: 12'000 km per Schiff, 1'100 km mit LKW
Annahmen
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Niki Bay: „The Oil Point Method – A Tool for Indicative Environmental Evaluation in Material and Process Selection“, ISBN 87-90855-09-4
Energiewert-Tabelle
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Energieverbrauch für 1 Liter Orangensaft
0.8 MJ Material (Zitruspresse) 0.2 MJ Produktion (Zitruspresse) 0.003 MJ Distribution (Zitruspresse) Nutzung: 5.4 MJ Bewässerung Pflanzen14.1 MJ Transport der Orangen 0.002 MJ Energieverbrauch Presse: 0.01 MJ Abwaschen Gerät 0.3 MJ Geräteentsorgung
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20 MJ
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Ecodesign-Massnahme:Optimierung Pressvorgang
Trennen von Frucht und Saft
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Kettle – Wie verbessern?
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1. Life-Cycle-Thinking; Produktmodell (basierend auf Umweltparametern) / Systemabgrenzung
2. Umwelt-orientierte Bewertung: ökologische Stärken und Schwächen
3. Suche und Auswahl von Verbesserungsstrategien / Verbesserungsmassnahmen
4. Umsetzen der Massnahmen in der Produkt-entwicklung
5. Kommunikation der Resultate (nach Innen und Aussen)
Ecodesign:Das Vorgehen
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1. Schritt: Life-Cycle-Thinking
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2. Schritt: Umweltorientierte Bewertung
Umwelt-orientierte Schwachstellen:1. ökologie-orientierte Betrachtung (z.B. mittels LCA
und LCA-ähnlichen Tools/Methoden)2. Stakeholder-orientierte Betrachtung (z.B. umwelt-
orientiertem QFD)3. Benchmarking (z.B. mittels gezielten Quer-
vergleichen)
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Umweltbewertung
[Wimmer, Züst, Lee (2004)]
Raw material
Manufacture
Distribution
Product Use
End of Life
GWAD
EUPOC
ARD
-10,00%
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
50,00%
60,00%
70,00%
Weighted impact over the product life cycle
GWADEUPOCARD
Global warming (GW)Ozone layer depletion (OD)Acidification (AD)Eutrophication (EU)Photochemical oxidant creation (POC)Abiotic resource depletion (ARD)
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Kumulierte Energieanalyse (KEA)
-100.000.00
100.00200.00300.00400.00500.00600.00700.00
Ener
giea
ufw
and
für
Roh
stof
fgew
innu
ng
Ener
giea
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and
für
Her
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Ener
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Ener
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MJ
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Environmental Benchmarking
[Wimmer, Züst, Lee (2004)]
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Environmental Quality Function Deployment
[Wimmer, Züst, Lee (2004)]
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Vorgehen
1. Life-Cycle-Thinking2. Ökologische Schwachstellen aus umwelt-
orientierter Analyse, Stakeholder-Analyse sowie Benchmarking ( ökologischer Handlungsbedarf)
3. Suche und Auswahl von Verbesserungsstrategien und Verbesserungsmassnahmen
4. Umsetzen der Massnahmen in der Produkt-entwicklung
5. Kommunikation der Resultate (nach Innen und Aussen)
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ECODESIGN PILOT
CD-ROM
[Wimmer, Züst (2002)] [www.ecodesign.at/pilot]
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Ecodesign-Assistent
[www.ecodesign.at/assistent]
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Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (l)
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Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (ll)
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Anwendung „Assistent“: Beispiel Alustuhl (lll)
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Vorgehen
1. Life-Cycle-Thinking2. Ökologische Schwachstellen aus umwelt-
orientierter Analyse, Stakeholder-Analyse sowie Benchmarking ( ökologischer Handlungsbedarf)
3. Suche und Auswahl von Verbesserungs-strategien und Verbesserungsmassnahmen
4. Umsetzen der Massnahmen in der Produkt-entwicklung
5. Kommunikation der Resultate (nach Innen und Aussen)
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Erfahrungen aus der Praxis
1. Klare Systematik2. Neue Erkenntnisse und Ideen durch das Life-
Cycle-Thinking3. Dreiteilige Umweltanalyse4. Moderierte Workshops5. Massnahmen in der Sprache der Entwickler6. Einfache Integration in Entwicklungsprozesse7. Keine Widerspruch zwischen ökonomischen und
ökologischen Zielsetzungen
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Life-Cycle-Thinking
[Wimmer, Züst 2001]
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Ökologische Schwachstellen
Input-Output-Analyse. U.a. mit zwei Umwelt-beziehungen(Ressourcen-entnahme und Emissionen)
[Wimmer, Züst 2001]
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Beispiele (l)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Rohstoffe Herstellung Distribution Nutzung NachGebrauch
SchiffFlugzeug
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Beispiele (ll)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Rohstoffe Herstellung Distribution Nutzung NachGebrauch
SchiffFlugzeug
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Abschätzen von Umweltbelastungen (l)
z.B. mit Methode MET:- Material (Menge, …)- Energie (kumulierter Energieaufwand, Grauenergie)- Toxische Stoffe
Beispiel mit KEA (kumulierter Energieaufwand)
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Abschätzen von Umweltbelastungen (ll)
Energieaufwand für einen „Elementarprozess“:z.B. für „Herstellung von 1 kg Kunststoff“Oder „Verarbeiten von 1 kg Kunststoff (Spritzgiessen)
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Energy Values
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![Page 61: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/61.jpg)
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Umweltbewertung:Zwei Möglichkeiten
via Indikatoren:– ecological footprint [m²]– SPI [m²]– MIPS [kg]– KEA [kWh; MJ]
via Effekte:– life-cycle-analysis LCA [z.B. ISO 14001...]– Eco-Indicator 95, 99 [mpoints]– UBP [BUWAL-Schriftenreihe]; – www.ecoinvent.ch
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Schädigungs- und Berechnungsmodell
[source: Pre Consultants B.V.]
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Indikatoren (Eco-Indicator)
[source: Pre Consultants B.V.]
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LCA - Probleme
1. Die Resultate einer vollständigen LCA ist schwierig zu interpretieren (Treibhauseffekt, Smog, ...)
2. Im Allgemeinen ist die Datensammlung für eine LCA sehr umfangreich, komplex und zeitintensiv. Deshalb sind LCA nur bedingt möglich in einem Design-Prozess.
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Aufgabe: Waschmaschine
• Beschreiben Sie in einem Satz eine Waschmaschine (funktions-orientiert)!
• Notieren Sie Ideen, wie die Maschine zu verbessern wäre!
• Schätzen Sie die Massen in den einzelnen Lebens-abschnitten ab!
• Führen Sie ein Kurz-Bewertung durch (z.B. mit Kosten, oder dann mit KEA)!
• Wo sind die Schwachstellen?• Wie würden Sie die Maschine verbessern? Vergleichen
Sie dies mit Ihren Vermutungen!
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![Page 67: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/67.jpg)
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Ausblick
Mögliche Schritte zu neuen, zukunftsfähige und zugleich innovativen Lösungen :• Denkweisen: Effizienz - Effektivität - Suffizienz • Schadstoff liegt vor: Filtern, reduzieren, wieder verwenden und ver- meiden • Lösung liegt vor: „face lifting“, „re-design“, „re-think“ und „business innovation“ (respektive entsprechende S-Kurven)
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Verbesserungen am (bestehenden) Produkt Einzelne Teile und Baugruppen werden verändert. Typischerweise werden toxische Stoffe ersetzt, Umwelt belastende Materialien reduziert und Herstellungsprozesse optimiert.
Face Lifting (l)
![Page 69: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/69.jpg)
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Beispiel „Face Lifting“
Beispiel Aluminiumstuhl, bei dem durch die Verwendung von gerippten Blechen weniger Material verwendet wird.
![Page 70: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/70.jpg)
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Neugestaltung des ProduktesDer ganze Lebenszyklus wird nun betrachtet und optimiert. Der Fokus liegt immer noch auf dem bestehenden Produkt respektive auf den gewählten Funktionsprinzipien.
„Re-Design“
![Page 71: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/71.jpg)
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Beispiel „Re-Design“
Beispiel Waschmaschine, die nun über verbesserte Waschprogramme, optimierte Unterhalts- und Service-Möglichkeiten sowie Sensoren zur Steuerung des Waschprogramms verfügt.
[Quelle: www.vzug.com]
![Page 72: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/72.jpg)
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Realisierung neuer FunktionsprinzipienEs werden auch die Funktionsprinzipien respektive die Funktionen an sich in Frage gestellt und allenfalls durch neue ersetzt.
„Re-Think“
![Page 73: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/73.jpg)
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Beispiel Haushaltgeräte von James Dyson. Die neue Waschmaschinen-generation besitzt eine 2-Trommel-Technologie und ermöglicht somit neuartige Waschprozesse.
[Quelle: www.dyson.com]
Beispiel „Re-Think“
![Page 74: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/74.jpg)
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Verbesserung des ganzen ProduktsystemsDer ganze Bereich der Leistungserbringung entlang der Wertschöpfungsketten - inklusive der angebotenen Produkte und/oder Dienstleistungen sowie Infrastrukturen und beteiligte Institutionen und Personen - wird betrachtet und durch ein neues System ersetzt.
„Business Innovation“
![Page 75: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/75.jpg)
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Beispiel „Business Innovation“
Leistung verkaufen anstatt physische Produkte , z.B. „Product Sercice Systems“, „Performance Contracting“, …
Beispiel: Mobility CarSharingDiversified Easy and convenient Ecologically soundEquipped for the future
![Page 76: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/76.jpg)
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Framework for Ecodesign
Effizienz der Technologie
Effektivität der Organisation
Kulturelle Bereitschaft
Umweltgerechte Lösungen: Was ist zu berücksichtigen?
Umweltgerechte ProdukteRealität oder Utopie?
![Page 77: Rainer ZüstSchweizerisches Institut für Systems Engineering Rainer Züst Dr. sc. techn., Gastprofessor an der TU Wien, Schweizerisches Institut für Systems](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022070507/55204d7349795902118c684b/html5/thumbnails/77.jpg)
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !