Insight

Intelligentes Design ermöglicht nachhaltige Lösungen

Dezember 2021

Nachhaltigkeit ist zu einem dringlichen Thema für alle Wirtschaftszweige geworden. Als führendes Ingenieur- und Beratungsunternehmen hat Helbling die Aufgabe, seine Geschäftspartner bei der Transformation zu mehr Nachhaltigkeit zu unterstützen und zukunftsfähige Lösungen anzubieten. Wie können solche Lösungen gestaltet werden? Helbling verfolgt einen holistischen Ansatz, der auf dem Lebenszyklusdenken basiert, und nutzt gut etablierte multidisziplinäre Strukturen.

In seiner Eröffnungsrede auf der Klimakonferenz COP26 in Glasgow vor ein paar Wochen sagte UN-Generalsekretär António Guterres: „Wenn die Verpflichtungen am Ende dieser COP nicht erfüllt werden, müssen die Länder ihre nationalen Klimapläne und -politiken überdenken – nicht alle fünf Jahre (sondern) jedes Jahr und jeden Moment.“ Es besteht kein Zweifel mehr daran, dass es in allen Wirtschaftssektoren zu drastischen Veränderungen kommen wird. Diejenigen, die sich am schnellsten an den Nachhaltigkeitsdruck anpassen – sei es durch neue Vorschriften, Versorgungsengpässe, Anforderungen von Investoren oder die Erwartungen der Verbraucher – werden offensichtlich einen Wettbewerbsvorteil haben.

Das Interesse und die Nachfrage der Kunden in diesem Bereich nimmt seit einigen Jahren stetig zu. In der Tat spielen Produkt- und Systementwickler wie Helbling eine wichtige Rolle. Die Wahl des Designs und des Konzepts wirkt sich auf den ökologischen Fussabdruck des Produkts während seines gesamten Lebenszyklus’ aus – von der Gewinnung der Rohstoffe und den Produktionsprozessen bis hin zur Nutzungsphase und dem Ende der Lebensdauer. 

Die Herausforderung, Produkte und Systeme des täglichen Lebens nachhaltiger zu gestalten, muss an zwei gleich wichtigen Fronten angegangen werden (siehe Abbildung 1): Wichtig sind (1) Innovationen und bahnbrechende Veränderungen bei Technologien und in der Wertschöpfungskette, die Nachhaltigkeitsziele unterstützen können; (2) die Integration von Nachhaltigkeitsaspekten in den Produktentwicklungsprozess. Ohne die Berücksichtigung dieser beiden Komponenten können keine ehrgeizigen Nachhaltigkeitsziele erreicht werden.

Abbildung 1: Auf dem Weg zur Nachhaltigkeit durch disruptive Veränderungen und EcoDesign

Entscheidend ist, Nachhaltigkeitsvorteile zu nutzen und Innnovationsrisiken zu verstehen

Es gibt eine starke Dynamik bei Innovationen für die Nachhaltigkeit: sei es bei Materialien mit geringerer Umweltbelastung, neuen Recyclingtechnologien, energieeffizienteren Technologien oder Wertschöpfungsketten, die stärker den Prinzipien der Kreislaufwirtschaft entsprechen. Es gibt auch eine Reihe von Technologien, die nicht ausdrücklich als „grün“ bezeichnet werden, die aber in diesem Zusammenhang genutzt werden können, beispielsweise künstliche Intelligenz (KI), die im Bausektor zur Optimierung der Energieeffizienz eingesetzt wird.

Dabei erwachsen Herausforderungen aus der Nutzung von Innovationen und der Durchführung disruptiver Veränderungen. Die Risiken müssen gut verstanden und angemessen angegangen werden, indem man sich auf starke wissenschaftliche und ingenieurtechnische Kompetenzen stützt. So wird der Mangel an zum Teil praktischer Erfahrung kompensiert, der mit jeder Innovation einhergeht. Etwa hat Helbling Technik in den letzten Jahren einen Wasserheizer mit Thick-Film-Technologie entwickelt, mit dem der Stromverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Wasserheizern in typischen Anwendungen um mehr als 25 Prozent gesenkt werden kann. Betrachtet man den gesamten Lebenszyklus solcher Heizer und eine typische Lebensdauer, so entspricht dies einer Reduktion des CO2-Fussabdrucks von rund 50 Kilogramm CO2-Äquivalente pro Stück.
 

Durch die Integration von Nachhaltigkeitsaspekten in den Entwicklungsprozess (EcoDesign) können die Vorteile der verfügbaren Lösungen voll ausgeschöpft werden


Es wäre naiv zu hoffen, dass ein paar technologische Durchbrüche allein alle Herausforderungen der Nachhaltigkeit lösten. Ausserdem würden dadurch viele Möglichkeiten verpasst. Werkzeuge und Datenbanken für die Lebenszyklusanalyse (LCA) können zusammen mit modernsten technischen Methoden und Werkzeugen sehr effektiv zur Optimierung der Nachhaltigkeit von Produkten eingesetzt werden (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Integration von Nachhaltigkeitsaspekten in den Entwicklungsprozess
Der Einsatz von Werkzeugen zur Berechnung mechanischer Spannungen und Verformungen wie zum Beispiel die Finite-Elemente-Analyse kann Konstrukteuren helfen, die Menge des für ein Teil verwendeten Materials zu reduzieren (Topologieoptimierung) oder einen Kunststoff mit einem geringeren ökologischen Fussabdruck zu wählen (siehe Factbox am Ende). In der langjährigen Partnerschaft mit Nestlé hat Helbling den Konzern in vielen, konkreten Fällen dabei unterstützt, Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. So wird beispielsweise geschätzt, dass mit der Topologieoptimierung das Gesamtgewicht eines kritischen Teils (Kunststoffchassis) der Nestlé Kaffeemaschine NDG Genio S um rund 35 Prozent reduziert werden konnte (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: Topologieoptimierung des Kunststoffchassis
Ein gutes Beispiel ist auch die Nespresso U Maschine, die einen sehr hohen Anteil an Post-Consumer-Recycling (PCR)-Kunststoff enthält (siehe Abbildung 4). 70 Prozent des Kunststoffs, der nicht mit dem Getränk in Berührung kommt, ist PCR-Material. Das Erreichen eines so hohen Recyclinganteils ist nicht möglich ohne Herausforderungen in der Konstruktion.
Abbildung 4: 70 % der Kunststoffe, die nicht mit dem Getränk in Berührung kommen, sind PCR-Material in Nespresso U
Im Bereich der Elektronik wurden massive Verbesserungen bei der Standby-Leistung erzielt. Sicherlich bedarf es einiger zusätzlicher Anstrengungen in der Entwicklung, um verschiedene Konzepte für das Netzteil und die Filter zu untersuchen und hinsichtlich der Energieeffizienz zu bewerten. Dieser Mehraufwand zahlt sich jedoch ohne Zweifel in Bezug auf die CO2-Einsparungen aus. Durch die Entwicklung eines speziellen diskreten Netzteils konnte der Standby-Verbrauch der Nespresso Inissia-Maschine auf 11 Milliwatt reduziert werden (siehe Abbildung 5). Im Vergleich dazu verbraucht ein auf Standardkomponenten basierendes Netzteil im Standby-Modus fast zehnmal mehr Strom.
Abbildung 5: Im Standby-Modus verbraucht die Elektronik der Nespresso Inissia-Maschine fast 10-mal weniger Strom als eine vergleichbare Maschine mit einer Stromversorgung auf Basis von Standardkomponenten

Auch ganz am Ende des Designs können Werkzeuge für das Design-for-Manufacturing-and-Assembly (DFMA) eingesetzt werden, um den Energieverbrauch pro Teil beim Spritzgiessen zu optimieren. Bei kleinen Kunststoffteilen (<10g) können die herstellungsbedingten CO2e-Emissionen sogar die rohstoffbedingten Emissionen übersteigen.

Eine häufig genannte Massnahme zur Steigerung der Produktnachhaltigkeit ist die Verlängerung der Produktlebensdauer. Zu diesem Zweck kann der Einsatz eines Modellierungs- und Vorhersagewerkzeugs für die Zuverlässigkeit sehr wirkungsvoll sein. Dabei ermittelt werden Massnahmen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, die sich wirklich auszahlen und die wirtschaftliche Tragfähigkeit nicht beeinträchtigen.

Ergänzend zur Ökobilanz gibt es weitere aufschlussreiche Analysen zur Bewertung eines Designs im Hinblick auf die Kreislaufwirtschaft, wie etwa die Bewertung der Reparierbarkeit, die Bewertung der Wiederverwertbarkeit und die Bewertung des Material-Circularity-Index.
 

Software besitzt grosse Hebelwirkung bei der Erreichung von Nachhaltigkeitszielen


Als Softwareanbieter berücksichtigt Helbling das Thema Nachhaltigkeit auch im Lebenszyklus der Softwareprodukte, die für Kunden entwickelt werden. Es versteht sich von selbst, dass bei Software die gleichen Überlegungen angestellt werden wie bei Hardware, wenn es um nachhaltige Entwicklung geht. Lebenszyklusthemen werden bereits in der Architektur- und Designphase berücksichtigt, ähnlich wie bei anderen Qualitätsmerkmalen wie zum Beispiel der Leistung. Dieser Prozess unter dem Titel „Sustainability by Design“ zielt darauf ab, energieminimierende Dienste zu nutzen.

Die meisten Unternehmensanwendungen und Software-Ökosysteme werden heutzutage in Cloud-Umgebungen erstellt. Die Cloud-Anbieter können die Ressourcenverschwendung verringern, indem sie Serverressourcen nur bei Bedarf den Programmen zuweisen. Dies bedeutet, dass sie die Serverressourcen für alle ihre Kunden gemeinsam nutzen können.

Zudem kann der ökologische Fussabdruck in einer Cloud-Umgebung quantifiziert und letztlich minimiert werden. In diesem Rahmen werden die CO2-Emissionen in Zusammenhang mit der Cloud-Nutzung analysiert und so weit wie möglich reduziert. Es ist möglich, die Emissionstransparenz etwa mithilfe eines Microsoft Sustainability Calculator zu steigern und die Umweltberichterstattung zu vereinfachen. Sobald man weiss, welche Dienste am wenigsten Energie verbrauchen, kann man auf dieser Basis mit dem Aufbau einer Architektur beginnen.

Mit Software-Lösungen unterstützt Helbling auch Unternehmen in ihrem übergeordneten Bestreben, nachhaltiger zu werden. Für die Firma BHP - Brugger und Partner AG erstellte Helbling eine Online-Plattform, um Nachhaltigkeitsanalysen von Firmen in einem Fonds-Portfolio durchzuführen bzw. zu dokumentieren sowie um die anschliessenden Investorendialoge mit den Firmen zu vereinfachen. (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: Auszug aus einem erstellten Nachhaltigkeitsbericht

Zusammenfassung: Bei der Erarbeitung nachhaltiger Lösungen geht Helbling über tiefhängende Früchte hinaus.

Um den ökologischen Fussabdruck der von Helbling entworfenen Produkte auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren, ist es in den meisten Fällen notwendig, über tiefhängende Früchte hinauszugehen. Nachhaltigkeitsverbesserungen können über zwei Ansätze erzielt werden: einerseits durch disruptive Veränderungen in der Technologie oder Wertschöpfungskette und andererseits durch einen holistischen Designansatz, der Nachhaltigkeitsaspekte so früh wie möglich einbeziehen sollte. Die Nutzung dieser beiden Säulen ist der Schlüssel dafür, mit neu entwickelten Systemen selbst ehrgeizige Nachhaltigkeitsziele zu erreichen.

factbox

Zwischen den verschiedenen Materialien, die für die Herstellung eines Teils zur Verfügung stehen, kann es erhebliche Unterschiede im ökologischen Fussabdruck geben (siehe Abbildung rechts). Es ist auch wichtig, die Auswirkungen auf den Herstellungsprozess zu berücksichtigen. Insgesamt lässt sich feststellen, dass der CO2-Fussabdruck (Klimawandel) zwischen zwei möglichen Materialien und dem Herstellungsprozess um den Faktor 3 variieren kann, wenn die gleiche Menge an Material verwendet wird.

Datenquelle: EcoInvent 3.6 und eigenes Fachwissen
Autoren: Jonathan Demierre, Esther Gelle, Berthold Andris, Rainer Maisch

 

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