Konzepte Betrieblicher Umweltinformations
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WI - State of the Art Betriebliche Umwelti nformationssysteme Als Betriebliehe Umweltinformationssysterne (BUIS) werden organisatorisehteehnische Systeme zur systematisehen Erfassung, Verarbeitung und Bereitstellung umweltrelevanter Informationen in einem Betrieb bezeichnet. Sie dienen in erster Linie der Erfassung betrieblicher Umweltbelastungen und der Unterstiitzung von MaBnahmen zu deren Vermeidung und Verminderung [HiRa95, 296]. 1m Gegensatz zu den von Behorden betriebenen bzw. iiberbetrieblichen Umweltinformationssystemen liegen die Aufgaben von BUlS nicht ausschlieBlieh im okologischen Bereich, vielmehr sind sie als Bausteine komplexer betrieblicher Anwendungssysteme zu verstehen , die den Unternehmenszwecken dienen . In der Forschungslandschaft sind BUIS im Oberlappungsbereich von Wirtschaftsund Umweltinformatik angesiedelt (siehe Bild 1). Forschungsgegenstand der Wirtschaftsinformatik sind betriebliche Informationssysteme, zu denen auch BUIS gehoren. Forschungsaktivitaten der Umweltinformatik liegen unter anderem in der informationstechnischen Realisierung von Umweltinformationssystemen, die Behorden und Forschungsinstitutionen von der kommunalen bis zur Bundesebene AufschluB iiber Umweltbelastungen verschiedener Art geben. Umweltinformationssysteme dienen neben der Erfassung von Umweltdaten auch der Uoterstiitzung von MaBnahmen zur Vermeidung, Begrenzung und Beseitigung von Umweltschaden [PaHi95b, 17]. Adressaten der von einem BUIS bereitgestellten Informationen sind Management und Mitarbeiter des Betriebs , aber auch betriebsexterne Institutionen (Stakeholder) wie Behorden, Geschaftspartner und Versicherungen . Auch Konsumenten und die interessierte Offentlichkeit, haufig durch die Medien auf Problemfelder aufmerksam gemacht, meld en immer haufiger Informationsbedarf hinsichtlich der von Unternehmen verursachten oder vermiedenen Umweltbelastungen an. Neben reinen Dokumentationsaufgaben unterstiitzen BUIS zunehmend auch Aufgaben der Planung, Steuerung und Kontrolle von MaBnahmen und operativen Aufgaben eines integrierten betrieblichen Umweltschutzes . Konzepte Betrieblicher Umweltinformationssysteme fur Produktion und Recycling Lorenz M. Hilty, Claus Rautenstrauch Ausgangspunkt fur die Entwicklung von BUIS in den vergangenen Jahren waren sowohl der zunehmende interne Informationsbedarf - z.B. zur Wahrnehmung gesetzlicher pflichten im Rahmen des betrieblichen Umweltschutzes - als auch der von au Ben an die Unternehmen herangetragene Bedarf an Informationen iiber Umweltbelastungen durch Produkte und Produktionsverfahren. Aus Sicht eines Industriebetriebs dieot die (okologisehe) Umwelt auf der Inputseite als QueUe (Abgabemedium) natiirlicher Ressourcen, die als Rohstoffe in die Produktion eingehen, und auf der Outputseite als Senke (Aufnahmemedium) fur feste, fliissige und gasfOrmige Stoffe_ Ferner wird die Umwelt aueh dureh Flaehenverbrauch fur Industrieanlagen in Ansprueh genommen. Die industrieUe Produktion ist dadurch Verursacher erheblieher Umweltbelastungen. Daher werden in diesem Beitrag BUlS behandelt, die sich explizit mit der Reduzierung von Umweltbelastungen in diesem Bereich befassen . WTRTSCHAITSINFORMATIK 39 (1997) 4, S 385 - 393 2 Vom additiven zum prod uktionsi nteg rierten Umweltschutz Die natiirliehe Umwelt wird aus produktionswirtsehaftlicher Sieht als Produktionsfaktor angesehen [Stev94, 68ff; Stre80, 38fJ, fur deren Erhalt folgende Maxime einzuhalten sind [Brau92, 41]: Orientierung an der Begrenztheit der Umwelt, Stabilisierung der Okosysteme, Verringerung des Natureinsatzes und Anwendung naturnaher Produktionsverfahren . Fiir den Produktionsbereich bedeutet die Einhaltung der Maxime, daB sawohl die Entnahme von Umweltgiitern als auch die Belastung der Umwelt durch die Abgabe von Riickstanden reduziert werden mulS. Dr. Lorenz M. Hilty, FAW Ulm, Postfach 2060, 0-89010 Ulm, E-Mail: [email protected] Prof. Dr. Claus Rautenstrauch, Otto-vonGuericke-UniversWit Magdeburg, Postfach 3120, 0-39016 Magdeburg. E-Mail: [email protected] 385 WI - State of the Art Betriebliche Umweltinformationssysteme Als Betriebliche Umweltinformationssysterne (BUIS) werden organisatorischtechnische Systeme zur systematischen Erfassung, Verarbeitung und Bereitstellung umweltrelevanter Informationen in einem Betrieb bezeichnet. Sie dienen in erster Linie der Erfassung betrieblicher Umweltbelastungen und der Unterstiitzung von MaBnahmen zu deren Vermeidung und Verminderung [HiRa95, 296]. 1m Gegensatz zu den von Behorden betriebenen bzw. iiberbetrieblichen Umweltinformationssystemen liegen die Aufgaben von BurS nicht ausschlieBlich im okologischen Bereich, vielmehr sind sie als Bausteine komplexer betrieblicher Anwendungssysteme zu verstehen, die den Unternehmenszwecken dienen. In der Forschungslandschaft sind BUIS im Uberlappungsbereich von Wirtschaftsund Umweltinformatik angesiedelt (siehe Bild 1). Forschungsgegenstand der Wirtschaftsinformatik sind betriebliche Informationssysteme, zu denen auch BUIS gehoren. Forschungsaktivitaten der Umweltinformatik liegen unter anderem in der informationstechnischen Realisierung von Umweltinformationssystemen, die Behorden und Forschungsinstitutionen von der kommunalen bis zur Bundesebene AufschluB iiber Umweltbelastungen verschiedener Art geben. Umweltinformationssysteme dienen neben der Erfassung von Umweltdaten auch der Unterstiitzung von MaBnahmen zur Vermeidung, Begrenzung und Beseitigung von Umweltschaden [PaHi95b, 17]. Adressaten der von einem BUIS bereitgestellten Informationen sind Management und Mitarbeiter des Betriebs, aber auch betriebsexterne Institutionen (Stakeholder) wie Behorden, Geschaftspartner und Versicherungen. Auch Konsumenten und die interessierte Offentlichkeit, haufig durch die Medien auf Problemfelder aufmerksam gemacht, melden immer haufiger Informationsbedarf hinsichtlich der von Unternehmen verursachten oder vermiedenen Umweltbelastungen an. Neben reinen Dokumentationsaufgaben unterstiitzen BUIS zunehmend auch Aufgaben der Planung, Steuerung und Kontrolle von MaBnahmen und operativen Aufgaben eines integrierten betrieblichen Umweltschutzes. Konzepte Betrieblicher Umweltinformationssysteme fur Produktion und Recycling Lorenz M. Hilty, Claus Rautenstrauch Ausgangspunkt fur die Entwicklung von BUIS in den vergangenen Jahren waren sowohl der zunehmende interne Informationsbedarf - z.B. zur Wahrnehmung gesetzlicher Pflichten im Rahmen des betrieblichen Umweltschutzes - als auch der von auBen an die Unternehmen herangetragene Bedarf an Informationen iiber Umweltbelastungen durch Produkte und Produktionsverfahren. Aus Sicht eines Industriebetriebs dient die (okologische) Umwelt auf der Inputseite als QueUe (Abgabemedium) natiirlicher Ressourcen, die als Rohstoffe in die Produktion eingehen, und auf der Outputseite als Senke (Aufnahmemedium) fur feste, fliissige und gasfOrmige Stoffe. Ferner wird die Umwelt auch durch Flachenverbrauch fur Industrieanlagen in Anspruch genommen. Die industrielle Produktion ist dadurch Verursacher erheblicher Umweltbelastungen. Daher werden in diesem Beitrag BurS behandelt, die sich explizit mit der Reduzierung von Umweltbelastungen in diesem Bereich befassen. WIRTSCHAITSINFORMATIK 39 (1997) 4, S. 38; - 393 2 Vom additiven zum prod uktionsi nteg rierten Umweltschutz Die natiirliche Umwelt wird aus produktionswirtschaftlicher Sicht als Produktionsfaktor angesehen [Stev94, 68ff; Stre80, 38fJ, fur deren Erhalt folgende Maxime einzuhalten sind [Brau92, 41]: Orientierung an der Begrenztheit der Umwelt, Stabilisierung der Okosysteme, Verringerung des Natureinsatzes und Anwendung naturnaher Produktionsverfahren. Fiir den Produktionsbereich bedeutet die Einhaltung der Maxime, daB sowohl die Entnahme von Umweltgiitern als auch die Belastung der Umwelt durch die Abgabe von Riickstanden reduziert werden muB. Dr. Lorenz M. Hilt)', FAW Ulm, Postfach 2060, 0-89010 Ulm, E-Mail: hilt)[email protected]·ulm.de Prof. Dr. Claus Rautenstrauch, Otto-vonGuericke-UniversWit Magdeburg, Postfach 3120, 0-39016 Magdeburg. E-Mail: [email protected] 385 Lorenz M. Hilty, Claus Rautenstrouch betriebliche IS Gegenstondsbereich der Umweltinformolik Gegenstondsbereich der Wirtscholtsinformalik Bild 1 Fachliche Einordnung von BUIS [HiRa95, 295] Bei UmweltschutzmaBnahmen im Produktionsbereich ist heute ein Trend von additiven zu integrierten MaBnahmen zu beobachten [Stev92, 106; Dyck94, 293ff.; DyS093; Lang78, 180]. Additiver Umweltschutz liegt vor, wenn die MaBnahmen den Produktionsprozessen nachgelagert werden, der eigentliche ProduktionsprozeB davon jedoch unberiihrt bleibt (sogenannte "end of pipe"-Technologien). Beispiele hierfur sind die Erweiterung der Produktionsprozesse urn Reinigungsoder FiltermaBnahmen (siehe Bild 2) . AuBerdem sind auch vorgelagerte Reinigungs- und FiltermaBnahmen dem additiven Umweltschutz zuzuordnen. Man spricht dagegen von integriertem Umweitschutz, wenn die Produktionsprozesse selbst dahingehend ver'andert werden, daB die materiell-energetischen Faktoreinsatzmengen und Schadstoffemission en verringert werden [Krei92 , 1] (siehe Bild 3). Prinzipiell kbnnen drei Strategietypen zur Erfullung bkologischer Anforderungen an die Produktion unterschieden werden [Adam93 , 22] : Produkte Atmosphere Rohstoffe produktion Abwosser Energie 1 Luftreinholtung die Veranderung der Fertigungsprozesse (prozeBintegrierter Umweltschutz) , die Durchfuhrung von Recycling und die Veranderung der Erzeugnisse (produktintegrierter Umweltschutz) . ProzeBintegrierter Umweltschutz ist Bestandteil des produktionsintegrierten Umweltschutzes. Die in Bild 3 gezeigte Umstrukturierung der Stoff- und Energiestrbme erfordert in der Regel auch weitgehende fertigungs- bzw. verfahrenstechnische Neugestaltungen. Recycling kann als additive oder auch als integrierte MaBnahme ausgepragt sein (siehe Abschnitt 4). Die Neugestaltung von Produktionsprozessen ist eine Strategie zur Velmeidung von Umweltbelastungen und soUte daher als solche hbchste Priori tat vor additiven MaBnahmen haben. In den folgenden Abschnitten wird gezeigt, wie BUIS die Neugestaltung von Produktionsprozessen und das Recycling als additive oder produktionsintegrierte MaBnahme unterstiitzen kbnnen. Auf die bkologiegerechte Gestaltung von Prod ukten (produktintegrierter Umweltschutz) und entsprechende Konzepte des "Life Cycle Engineering and Design" [AILe95] kbnnen wir in diesem Beitrag nue am Rande eingehen (siehe hierzu z.B. [Feld94; Dewh93]). Deponie 3 Stoffstrommanagement- 2 Abwasserreinigung 3 Geordnete Deponie systeme fur die Gestaltung Bild 2 Additiver Umweltschutz von Produktionsprozessen Stoffstrommanagement [SHHH96] umfaBt Rohstoff-Recycl i ng Rohstoffe Energie Abwosser 3 Warmeruckgewi nnung Energie aus Ruckstanden 1 Luftreinhaltung Deponie 2 Abwasserreinigung 3 Geordnete Deponie Bild 3 Produktiansintegrierter Umweltschutz [nach BASF92, 24] 386 neben der Erfassung einzelner Stoffe und Substanzen, die in Produktionsprozessen eingesetzt werden, vor aHem die Anwendung von Planungs- und Steuerungsansatzen sowohl auf operativer als auch auf strategischer Ebene wr Verbesserung dieser Prozesse im Hinblick auf bkologische Zielsetzungen [KTHH95, 99]. Es bildet daher die Grundlage fur die bkologische Umgestaltung von Produktionsprozessen. Die Enquete-Kommission "Schutz des Menschen und der Umwelt" des Deutschen Bundestages [Enq94] hat darauf hingewiesen, daB aufgrund des unternehmens- und brancheniibergreifenden Chartakters der Stoffstrbme in der Regel mehrere Akteure am Stoffstrommanagement beteiligt sind . Produktions- und Redistributionsnetzwerke bieten grbBere Optimierungspotentiale fUr das Stoffstromma- Umweltinformationsysteme fur Produktion und Recycling nagement als einzelne Betriebe [Haas96]. Dcnnoch werden die Stoffstr(jme im ersten Schritt aus der Perspektive eines Betricbes betrachtet. Hierfiir ist zunachst der lstzustand zu untersuchen. Erster Schritt der Untersuchung ist ein Modell, welches AufschluB dariiber gibt, welchen Weg Stoffe und Encrgie durch die Produktion nehmen , welche Transformationen auf dem Weg stattfinden und welche Umweitwirkungen aus den Stoff- und Energiestrijmen resultieren. Fiir die Mudellierung vun Stoffund Energiestromen im Pruduktionsbereich sind sogenannte StoJfstromllel::ce entwickelt worden [Mim94J, die 'lllfPradikat-Transitionen-Netzen (Pr/ T-Netzen) basieren. Neuere Ansiitze verwenden auch Fuzzy-Petri-Netze , um unscharfes Steuerund Regelungswissen bzw. unscharfe Strategien adaquat abzubilden [SiTH96] . Pr/ TNetze werden vor allem aufgrund der Mijglichkeit zur Simulation des dynamisehen Systemverha ltens durch Abfolgen von Markierungen anderen Modellierungssprachen vorgezogen. In Stoffstromnetzen werden Material und Energie als Marken unterschiedlichen Typs dargestellt. Die Anzahl der Marken reprasentiert die Menge in jeweils markenindividuellen Mengeneinheiten. Stellen reprasentieren als statische Komponenten eines Pr/ T-Netzes (Zwischen-)Lager und Transitionen als aktive Komponenten Transformationsprozesse. Stellen und Transitionen werden dem realen Stoffstrom entsprechend liber gerichtete Kanten miteinander verbunden. Bild 4 zeigt ein einfaches Stoffstromnetz , das mit dem Werkzeug Umberto erstellt wurde. Durch Stoffstromnetze konnen prinzipiell beliebige Schnitte gesetzt werden, wobei ein transitionsberandetes Teilnetz , welches zwischen den Randern dieser Schnitte dargestellt ist, eim:n ProduktionsprozeB bzw. TeilprozeB darstellt. Mit Hilfe der Markierungen der Input- und Outputstellen dieses Teilprozesses lassen sieh fur diesen ProzeB auf einfache Weise Input-I Output-Bilanzen erstellen. Derartige Sachbilanzen weisen in der Regel einen hohen Detaillierungsgrad mit sehr vielen Bilanzpositionen aus. Weiterhin erschwert in der Regel die Verwendung unterschiedlieher Mengeneinheiten die Interpretation. Es ist deshalb notwendig, im nachsten Schritt die Informationen aus den Sachbilanzen zu Kennzahlen zu aggregieren, die ;tIs Kontroll·, Planungs- ~~~~-~~~---~~~ N-etw -o -rk-:PE --Folie ----------~~~~~~-II-II P5: Emissioner o P I Rch!.toffe P1: Rohste,ffe "- (). P7- 8tromretz '------~ ()// P2 Hi~sstoffe P:= : A.bf,,11 P1: Roh , bHe P2: HilfssloHe P3: Ablall Bild 4 Einfaches Stoffstromnetz [HiiMS95, 128] unci Steuerungsgrijgen des betrieblichen Umweltmanagements dienen konnen. Auf Basis einer Sehwachstellenanalyse des ProzeBmodells k6nnen danaeh MaBnahmen zur Verbesserung cler Prozesse Betriebliches Rechnungswesen Stoff-, Energie- und Guterstromrechnung formuliert werden. Mit diesen MaBnahmen wird dann das Stoffstromnetz llludifiziert und mit Hilfe simulativer und analytischer Verfahren naher untersucht. Auf Basis dieser Analysen werden wieder Input- Emissionsmessungen, Abfallerkliirungen Beschaffung, Lager, PPS-Systeme Schwachstellenanalyse fr Input-/Output-Bilanzen Formulierung geeigneter Maf3nahmen Kennzahlenberechnung Vergleich mit Vorgabe Maf3nahmenbeschluf3 Umweltprogramm Bild 5 Vorgehensmodell des Stoffstrommanagement 387 Lorenz M. Hilly, Claus Rautenstrauch Produktionsprozel3 Endprodukte Energie Entsorgungsguter Moterial Ausschul3 Reststoffe ... Altprodukte Abfall Energie Recyclingprozel3 Bild 6 Recycling als additive Umweltschutzmal3nahme lind Outputbilanzen sowie die daraus resultierenden Kennzahlen erstellt. Diese Werte konnen dann mit den vorher berechneten Kennzahlen verglichen werden und fUr den Fall, daB sich tatsachlich positive Umwdtwirkllngen ergeben , in einen MaBnahmenbeschluB zur Korrektur des Umweltprogramms umgesetzt. Bild 5 iIlustriert den Analysezyklus des Stoffstrommanagements. Die Stoff· lind Energiestromrechnung, welche die Mengenstri:ime miiglichst wertfrei in physikaJischen Einheiten darstellt, wird erganzt urn eine Giiterstromrechnung, welche die Strome in betriebswirtschaftlich bewerteter Form darstellt. Da einige Stoffe negativ zu bewerten sind , weil sie El1tsorgungskosten verursachen, andere mit Null bewertet werden, kann man in dieser Darstellung die drei Kategorien "Gut", "Obel" und "Neutrum" unterscheiden [Dyck94]. In Okobilanzen werden zur Darstdlllng von Stoff- lind Energiefliissen haufig reine Stromrechnungen verwendet. Sinnvoller ist jedoch, auch aus Grunden der KompatibiliUit mit dem betrieblichen Rechnungswesen , eine integrierte Strom· und Bestandsrechnung, wie sie im Ansatz der Stoffstromnetze vorgesehen ist [Mo1l94]. Hir die Unterstiitzung des Stoffstrommanagements ist der Einsatz verschiedener Informationssysteme erforderlich: Einerseits konnen Grunddaten fOr die Modellierung aus Produktionsplanllngs- und 388 ·steuerungssystel11en zUl11indest ZUI11 Teil entnol11l11en werden, andererseits ist flir die Berechnung von Kennzahlen, insbesondere wenn auch KostengroBen zu erfassen sind, die Obernahl11e von Daten aus Systemen der Kostenrechnung zweckmii· gig. Fur die Erstellung von Okobilanzen sind heute zahlreiche Systeme auf dem Markt, die ebenfalls im Rahmen des Stoff· strommanagements fUr die Bilanzierung eingesetzt werden konnen [Atla94] . Fur die Moddlierung von Stoffstromnetzen kann beispielsweise das hierfiir explizit entwickdte System Umberto [HaMS95] eingesetzt werden . Fur die computergestOtzte Neugestaltung von Prodllktionsprozessen existieren bereits Softwareprototypen , die anhand praktischer Aufgabenstellungen erprobt wurden [Tuma94]. 4 Konzepte des computergestutzten Recycling 4.1 Recycling als additive UmweltschutzmaBnahme Die heute giingigste Recyclingmethode ist das Materialrecycling. Hierbei werden ProduktionsrOckstande und Altprodukte soweit geshreddert, thermisch verwertet oder demontiert , bis Sekundiirstoffe entstehen , die wieder als Material in die Pro- duktiol1 eingehen ki:innen. Bild 6 zeigt den Zusammenhang von Produktiol1sund Recyclingprozessen beim Nlaterialre· cycling. Da shreddern, thermische Verwertung und iihnliche Recyclingverfahren eine verhiiltnismiiBig geringe ProzeBkomplexitat haben, ist eine rechnergestiitzte Planung derartiger Prozesse unnotig. Anders ist dies bei der Demontage. Da der Allfwand fOr das Liisen schwer Iiisbarer und schlecht zugiinglicher Verbindllngen iluBerst hoch ist, wird die Demontage zum Hauptkostenverursacher in RecyC\ingprozessen . Daher ist die Demontage cines Produkts nur dann sinnvoll, wenn die Produktkomplexitat eine stoffliche Verwer· tung in einem einzigen Verfahrensschritt verbietet. Dies gilt vor aHem fOr komplexe technische Guter wie Fahrzeuge , Maschinen, Haushaltsgeriite usw. Der Vorteil der Demontage gegenuber anderen Verfahren ist , daB die Demontage einen hiiheren Werterhalt des Altguts erlaubt [SeKr93 , 529]. Mit Hilfe von BUIS fOr die rechnergestOtzte Demontageplanung sollen Recyc· Iingkosten durch eine Automatisierung von Demontageschritten und eine syste· matische Demontageplanung gesenkt werden . Demontageplanungssysteme sind Gegenstand aktueller Forschungsaktivitil ten vor all em im ingenieurwissenschaftlichen Bereich. Ein am Institut fUr Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) in Berlin erarbeiteter Ansatz fUr die Demontageplanung im Elektronikschrottbereich basiert auf einer Kombination vorausschauender und reaktiver Pia· nung [HeSZ94; HeSZ95]. Hierbei werden fiir den DemontageprozeB zunachst Und/ Oder-Graphen konstruiert und der gunstigste Pfad durch die Berechnung eines "Recyclingwerts" ermittelt. Es kann jedoch sein, daB der so berechnete gunstigste ProzeBverlauf aufgrund technischer Randbedingllngen in der vorgegebenen Form nicht durchfuhrbar ist , so daB eine reaktive Komponente des Systems den vorgegebenen Plan unter Beriicksichti· gllng der Randbedingungen ggf. revidiert. Der hier entwickelte Systemprototyp ist speziell fur das Recycling von Bildriihren realisiert worden unci heme produktiv im Einsatz. Ein ahnlicher Ansatz wurde an ci· ner Fallstudie zu Rundfunkger:iten de· monstriert [GeZu96J. Ein damit verwand· tes Verfahren zur Ermittlung del' optimalen Recyclingstrategie (jedoch oh11e reaktive Komponente) unterstiitzt die voralls- Umweltinformationsysteme fur Produktion und Recycling schauende Bewertung der Recyclingfahigkeit von Produkten in der Designphase [ZuKS94]. Die gleichen Verfahren, die additiv eingesetzt werden, konnen also auch zum produktintegrierten Umweltschutz beitragen. Die rechnergestiitzte Demontageplanung ist ebenfalls Gegenstand eines Forschungs- und Entwicklungsprojekts am lnstitut fiir Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (WBK) der Universitiit Karlsruhe [SpTH94]. Ein im Rahmen dieses Projekts realisiertes Demontageplanungssystem unterstiitzt die manuelle und automatisierte Demontage technischer Giiter. Die Erstellung von Demontagearbeitsplanen, auf deren Basis eine Termin- und Kapazitatsplanung erfolgt, wird in diesem System multimedial unterstiitzt. Bei der Erstellung von Arbeitspliinen ist die Obernahme von Konstruktions- und Arbeitsplandaten aus dem Produktionsbereich vorgesehen. Ein RiickfluB von Daten aus der Demontageplanung in die Produktentwicklung wird unterstiitzt [Spat94]; insofern geht auch dieser Ansatz partiell iiber additive MaBnahmen hinaus. Weiterhin wurde fiir die Elektronikschrottverwertung und den Gebauderiickbau am Deutsch-Franzosischen Institut fiir Umweltforschung (DFIU) in Karlsruhe ein Prototyp entwickelt, der mit dem Ziel der Maximierung von Deckungsbeitragen die optimale Folge von Demontageaktivitaten ermittelt [SpRe94]. Hierfiir wird zunachst ein Demontagegraph konstruiert, anhand dessen Demontagestufen (in Analogie zu den Fertigungsstufen im Produktionsbereich) festgelegt werden konnen. Fiir jede Demontagestufe gilt, daB aile Demontageaktivitaten in beliebiger Reihenfolge ausgefiihrt werden kbnnen und die Demontage auf der niichsthoheren Stufe abgeschlossen sein muB, bevor auf der betrachteten Stufe begonnen werden kann. Danach werden Verwertungserlose fiir aile durch die Demontage entstehenden Teile und Beseitigungs- und Demontagekosten fiir aile Aktivitaten ermittelt, die als Parameter fiir die Berechnung der deckungsbeitragsmaximalen Reihenfolge von Demontageaktivitiiten herangezogen werden. Auch aus der Wirtschaftsinformatik stammt ein Beitrag zur rechnergestiitzten Demontageplanung. Am Betriebswirtschaftlichen Institut der Universitat Erlangen-Niirnberg wurde ein Informationssystem zur Unterstutzung von Demontageprozessen entwickelt [Sche95]. Das dort durchgefiihrte Projekt zielt auf die Unterstutzung des Massenrecycling abo Dabei werden auf Basis komplexer Algorithmen Arbeitsplane und Erzeugnisstrukturen weitgehend {lutomatisch in Stiicklistenund Arbeitsplandaten fiir das Recycling konvertiert. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung der Umsetzungsalgorithmen. Bei dem Softwareprototyp handelt es sich urn ein Stand-Alone-System; eine technische Kopplung oder Integration mit PPS-Systemen ist bislang nicht vorgesehen. Schnittstellen sind hier vor aHem zu Logistiksystemen vorhanden, da auch die logistischen Prozesse fiir die Entsorgung nicht recyclierbarer Abfalle geplant und Lagerbedarfsprognosen auf Basis der Daten aus der Demontage- und Entsorgungsplanung ermittelt werden. Zum AbschluB sei betont, daB die Rentabilitat des Recycling als additive MaBnahme entscheidend vom Produktdesign abhangt. Bei Waschmaschinen, Kuhlschranken und Fernsehern konnten die Demontagezeiten nach einem demontagegerechten Redesign urn durchschnittlich 48 % gesenkt werden [HRKB96]. Umgekehrt kann ein okologiegerechtes Produktdesign auf Informationen zUriickgreifen, die im Rahmen additiver MaBnahmen gewonnen wurden. Additive und integrierte UmweltschutzmaBnahmen stehen also in einer engen Wechselwirkung. 4.2 BUIS fur die Unterstutzung von Recycling als MaBnahme des produktionsintegrierten U mweltsch utzes Beim Recycling als MaBnahme des produktionsin tegrierten Urn weI tsch u tzes wird davon ausgegangen, daB einzelne Baugruppen und Bauteile technischer Guter eine hohere "Lebenserwartung" als das Gesamtprodukt haben konnen. In diesem Fall ist es sinn voller, diese Baugruppen bzw. Bauteile wieder als Sekundarbaugruppe der Produktion zukommen zu lassen, als Altprodukte bis zum Rohstoffstadium zu zedegen und erst dann wieder der Produktion zuzufiihren. Die Riickfiihrung von gebrauchten Produkten in ein neues Gebrauchsstadium linter Beibehaltung der Gestalt des Produkts wird Produktrecycling genannt. Fur die Realisierung des ProduktrecyCling ist die Verfiigbarkeit von lnformatio- nen zur Zusammensetzung des Altprodukts eine wesentliche Voraussetzung. Diese Informationen konnen zumindest zu einem groBen Teil aus vorhandenen Informationssystemen gewonnen werden. Mit der Auswahl der Werkstoffe und der Festlegung von Montageverfahren werden bereits im KonstruktionsprozeB und in der Arbeitsplanung nicht nur die Rahmenbedingungen fiir die HersteHung , sondern auch fiir das Recycling eines technischen Produkts festgelegt. Wahrend die produktionsrelevanten Daten aber z.B. in Form von Teilestammdaten, Erzeugnisstrukturen und Arbeitsplanen in PPSSystem en verwaltet werden, werden Daten zur Wiedereinsetzbarkeit und Demontagetauglichkeit weder in PPS-Systemen noch in sonstigen betrieblichen Informationssystemen systematisch abgelegt und aufbereitet. Diese Liicke wird durch Recyclinginformationssysteme (RIS) geschlossen. Derartige Systeme bereiten Produktionsdaten so auf, daB mit Hilfe zusatzlicher manueller Erganzungen Informationen fiir die Planung und Steuerung von Recyclingprozessen sowie nachgelagerten Produktionsprozessen, in die Sekundiirbaugruppen aus Recyclingprozessen einflieBen, geeignet sind . Beispiel fiir ein solches System ist ooRIS (objektorientiertes Recyclinginformationssystem) [KuSZ96]. Die Funktionalitat von ooRIS ist dabei auf die Gewinnung von Recyclingerzeugnisstrukturen und -arbeitsplanen aus den korrespondierenden Produktionsdatenstrukturen ausgerichtet. Das Problem ist hierbei, daB ein Produkt im GebrauchsprozeB in der Form verandert werden kann, VerschleiB die Qualitat von Sekundargutern stark beeinfluBt und daB Einzelteile wahrend des Gebrauchs an- oder abgebaut werden konnen. Daher erfolgt die Gewinnung von Recyclinginformationen mit einem ausgekliigelten halbautomatischen Verfahrell, bei dem aus Produktionsdaten sogenannte Recyclinggraphen erzeugt werden, aus denen dann Recyclingerzeugnisstrukturen und -arbeitspHine erzeugt werden [KuSE95]. Recyclinggraphen sind bipartite Graphen, dessen Knoten Teile und Montagearbeitsgange reprasentieren und dessen Kanten angeben , welche Teile mit welchen Verfahren montiert werden. Bild 7 zeigt den Zusammenhang von PPS-Daten und Recyclinginformationen. ooRIS ist sowohl als Add-on-System fiir PPS-Systeme, als auch als Stand-alone-Sy- 389 Lorenz M. Hilty, Claus Rautenstrauch Produktionsplanung und -steuerung Teilestamm Erzeugnisstrukturen RecyclingInformationssystem wird ergonzt um Entsorgungsinformationen Recyclinggraphen riert aus I Bild 7 Auswahl einer .. Verwertungsoption Arbeitsplone PPS-Daten und Reyclinginformationen stem verfUgbar. Die Add-on-Version ist als Prototyp fUr SAP PP fertiggestellt, und die Stand-alone-Version verfUgt uber umfassende Import!Export-Schnittstellen fUr Dateien. Besonders wichtige, z.B. sicherheitsrelevante Produktkomponenten, die mehrfach in Produkten eingesetzt werden, sol1- ten im Idealfall mit einer Art "elektronischem Logbuch" ausgestattet sein, das ihren gesamten Lebenszyklus hinsichtlich Belastungen, Anwendungsbedingungen usw. protokolliert. Ein solches Logbuch ware fUr das Recycling der Komponenten von hohem Nutzen [Mass95]. produktionsprozef3 Energie Endprodukte Entsorgungsguter Material Material ... Abfall Energie Recyclingprozef3 Bild 8 390 Altprodukte Integrierte Produktions- und Recyclingprozesse Eine weitergehende Integration von Recycling und Produktion ist mbglich, wenn nicht nur das Recycling von Altprodukten, sondern auch das Recycling von Produktionsabfallen in die Planung einbezogen wird, da der Zeitabstand zwischen Produktions- und Recyclingprozessen im Vergleich zum Altproduktrecycling sehr gering ist [CoRe91]. Durch die groBe zeitliche Nahe beider Prozesse gibt es sowohl technische als auch betriebswirtschaftliche Argumente fiir eine Integration von Produktion und Recycling auf ProzeBebene (siehe Bild 8): Bei der Integration von Produktionsund Recyclingprozessen kbnnen aufbereitete Reststoffe oder AusschuBteile mittel bar oder unmittelbar wieder in den ProduktionsprozeB zuriickflieBen. Unmittelbare RuckfUhrung bedeutet, daB die aus dem RecyclingprozeB gewonnenen Sekundarteile in denselben ProduktionsprozeB zuruckflieBen, aus dem sie ursprunglich hervorgegangen sind; bei mittelbarem Recycling werden die Sekundarteile zeitlich versetzt in den gleichen oder einen anderen ProduktionsprozeB eingesetzt . Beide Varianten fUhren zu einer deutlichen Verkiirzung der Recyclingzyklen, da fUr derartige Prozesse nicht mehr die vollstandige Demontage bzw. Aufbereitung von AusschuBteilen bzw. Reststoffen erforderlich ist, und durch den m6glichst friihzeitigen Verbrauch der Sekundarguter zu einer Verminderung der recyclingbedingten Lagerbestande. Voraussetzung fur mittelbares und unmittelbares AusschuB- und Reststoffrecycling ist, daB die korrespondierend en Produktionsprozesse bekannt sind und Input- und Outputmengen sowie -zeitpunkte koordiniert werden. Die recyclinggerechte Konstruktion von Produkten und die Entwicklung von leistungsfahigen Werkzeugmaschinen ermbglicht die Nutzung von Betriebsmitteln sowohl fUr Montage- als auch Demontageprozesse. Auch wenn es heute noch utopisch erscheint, daB auf einem FlieBband in beliebiger Reihenfolge z.B. Altfahrzeuge und halbfertige Neuwagen zu einem Roboter geschafft werden, der diese dann je nach Anforderung taktgenau montiert oder demontiert, ist die Mbglichkeit, daB Demontage und Montage eines Produkts von Maschinen gleichen Typs abgewickelt werden, durchaus denk- Umweltinformationsysteme fur Produktion und Recycling bar. Damit kann Recycling auch zur Verbesserung der Kapazitatsauslastung beitragen. Die Riickfuhrung von Sekundarbaugruppen in den ProduktionsprozeB fuhrt zu einer Verkiirzung von Recyclingzyklen, da auch hier auf eine vollstandige Demontage eines Altprodukts verzichtet werden kann, auch wenn der Nutzung von Sekundarbaugruppen neben technischen auch rechtliche Probleme im Weg stehen k6nnen. So ist z.B. die Frage, ob ein Endprodukt, das zu einem bestimmten Anteil aus Sekundarbaugruppen besteht, noch ein Neuprodukt ist, bisher nicht allgemein beantwortbar. Dennoch sind heute bereits eine Reihe von Beispielen fur eine Nutzung von Sekundarbaugruppen bekannt [Erte94]. Fiir die Aussch6pfung der oben genannten Vorteile sind integriel'te Produktions- und Recyclingplanungs- und -steuerungssysteme (PRPS-Systeme) als Erweiterung von Produktionsplanungs- und -steuerungssystemen (PPS-Systemen) konzipiert worden [KuRa96; Raut97], fur die einige grundlegende Eigenschaften bereits im Kontext des Umwelt-PPS-Ansatzes formuliert wurden [HaRe92; Haas94, 208ff]. PRPS-Systeme miissen folgende Anforderungen erfullen: Aile planungsrelevanten Reststoffe und AusschuBteile sind systematisch zu erfassen. Diese Daten miissen fur eine effiziente mittel bare und unmittelbare Riickfuhrung in die Produktion genutzt werden. Auf der Inputseite ist die M6glichkeit zu beriicksichtigen, daB Materialbedarfe auch durch Sekundargiiter befriedigt werden k6nnen. Zur Erfullung der Anforderungen sind funktionale Erweiterungen und Modifikationen von PPS-Systemen erforderlich. Die erste Erweiterung betrifft die Datenverwaltung. Sie muB prinzipiell alle Funktionen eines RIS umfassen und zusatzlich Demontage- und Recyclingauftrage verwalten k6nnen. In Bereich der Materialwirtschaft betreffen die Erweiterungen folgende Bereiche: Lagerverwaltung: Die Liste der Bestandsverursacher (Beschaffung, Produktionsprozesse, Retouren von Kunden usw.) muB im Falle des integrier- ten Recycling urn Recyclingprozesse und den ZufluB von Altprodukten erganzt werden. Weiterhin k6nnen als Lagerzugange spezielle Teile (z.B. Hilfsoder Betriebsstoffe) fur das Recycling Bestande verursachen. Materialdisposition: Fiir Recyclingprozesse ist eine Mengenplanung durchzufuhren, bei der die Sekundarentsorgungsbedarfe ermittelt werden. Sekundarentsorgungsbedarfe entstehen durch den Anfall von Recyclinggiitern aus Produktions- oder Recyclingprozessen. Weiterhin sind bei der Mengenplanung fur die Produktion die Wirkungen des unmittelbaren Recycling zu beriicksichtigen. Hierfur sind keine grundsatzlich neuen Verfahren erforderlich, da Reststoffe und AusschuB als Kuppelprodukte angesehen werden k6nnen. Die Berechnung von Bruttound Nettobedarfen kann daher durch Adaption von Verfahren der Mengenplanung aus der Kuppelproduktion realisiert werden. Berechnung von Entsorgungsbedarfen: Neu hinzu kommt die Berechnung von Entsorgungsbedarfen. Entsorgungsbedarfe lassen sich in Recyclingbedarfe und Beseitigungsbedarfe einteilen. Recyclingbedarfe entstehen durch den Anfall von Recyclaten in der Produktion oder beim Altproduktrecycling. Die ermittelten Recyclingbedarfe werden bei innerbetrieblichem Recycling zu Lagerbestanden an Sekundargiitern in der Folgeperiode. Bei zwischenbetrieblichem Recycling und Abfallen wird der Entsorgungsbedarf zum Beseitigungsbedarf, da die Giiter in beiden Fallen das Unternehmen verlassen. Da der Entsorgungsbedarf fur ein Entsorgungsgut sowohl bedarfs- als auch verbrauchsgesteuert ermittelt werden kann, muB ein eventuell verbrauchsgesteuert disponierter Entsorgungsbedarf in die Bedarfsberechnung aufgenommen werden. Weiterhin miissen eventuelle Zusatzbedarfe fur Ungenauigkeiten eingerechnet und eventuell vorhandene Bestande aus Vorperioden beriicksichtigt werden . Eine Lagerung von Abfallen iiber eine oder mehrere Perioden kann z.B. sinnvoll sein, wenn eine Senkung von Beseitigungskosten zu erwarten ist (wie dies 1994 z.B. fur Bildr6hren der Fall war, da neue Recyclingtechnologien verfugbar wurden), von den zu beseitigenden Abfallen keine besondere Gefahr ausgeht und hin- reichend Lagerkapazitaten vorhanden sind . Erweiterungen bestehender Terminierungsverfahren sind bei unmittelbarem Recycling notwendig, da hier zyklische Materialfliisse vorkommen und zeitliche Abhangigkeiten zwischen den Produktions- und Recyclingarbeitsgangen bestehen. Hierfur k6nnen drei verschiedene Terminierungsverfahren eingesetzt werden: Synchrone Vorwartsterminierung: Bei der synchronisierten Terminierung wird davon ausgegangen, daB der ProduktionsprozeB zunachst einmal vollstandig durchlaufen wird. AnschlieBend werden fur die ausgestoBenen Recyclinggiiter Recyclingprozesse ausgefuhrt und die gewonnenen Sekundarteile wieder an den ProduktionsprozeB zuriickgegeben, der anschlieBend erneut ablauft. Dies wird solange wiederholt, bis der ProduktionsprozeB die gewiinschte Outputmenge ausgestoBen hat oder keine Recyclate mehr verfugbar sind. Hierbei erh6ht sich die Durchlaufzeit durch die Integration des Recycling in jedem Fall, da der ProduktionsprozeB mindestens einmal fur den Zeitraum eines Recyclingprozesses unterbrochen wird. Die synchrone Terminierung hat allerdings den Vorteil, daB sie selbst bei vollstandiger Ressourcenkonkurrenz zwischen Produktionsund RecyclingprozeB eingesetzt werden kann. GepujJel'te Terminierung: Bei der gepufferten Terminierung wird der RecyclingprozeB jedesmal dann angestoBen, wenn der Output an Recyclinggiitern eine bestimmte Menge (Puffermenge) iiberschritten hat. Wird im Verlauf des Produktionsprozesses die Puffermenge eines Recyclingguts n mal erreicht bzw. iiberschritten, dann wird der RecyclingprozeB n + I-mal durchlaufen, da am SchluB des Prozesses eine Restmenge an Recyclinggiitern iibrigbleibt. Fiir die aus dem letzten Durchlauf ausgestoBenen Sekundargiiter muB der ProduktionsprozeB ein weiteres mal terminiert werden, falls die gewiinschte Outputmenge noch nicht erreicht ist. Die gepufferte Terminierung ist sinnvoll einzusetzen, wenn nur eine partielle Ressourcenkonkurrenz zwischen Produktions- und RecyclingprozeB besteht, da dann im Vergleich zur synchronen Terminierung kiirzere 391 Lorenz M. Hilty, Claus Rautenstrauch Durchlaufzeiten errdcht werden kiinnen. AsynclJrone Terminierllng: Bd der asynchroncn Terminierung werden Produktions- und Recyclingprozesse unabhangig voneinander terminiert. Voraussetzung hierfUr ist , daB der ProduktionsprozeB eine hinreichend groBe Durchlaufzeit hat und keine Ressourcenkonkurrenz zwischen Prodllktions- lind RecyclingprozcB besteht . In diesem Fall sind kdne recyclingbedingten VerHingcrungen der Durchlaufzeiten zu erwarten . nern unter der Bezeichnung ECO-Integral realisiert [WSHE96]. Hier wird ein 1nformationssystem allf Basis eines Refercnzmodells, das als offencr Standard ausgelegt wird, fiir die laufende Erfassung, AlIswertung und Dokumentation von Mengen, Kosten und umweltrelevanten Merkmaien betrieblicher Stoff- und Energiefliisse fUr aile zentralen Umweltmanagementzwecke entwickelt. Bis heutc sind keine 1mpiementierungen von vollstandigen PRPS-Systemen bekannt. Allerdings konnen Standard-PPSSysteme, die auch Konzepte der Klippelproduktion unterstiitzen, durch cin geschicktes Customizing zumindest in der Materialwirtschaft dahingehend angepaBt werden , daB Ruckfliisse aus AlisschuBund Reststoffrecycling beriicksichtigt werden . 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Daher ist eine wesentliche weitere Aufgabe fur die Entwicklung betrieblicher Umweltinformationssysteme die Allfbereitung und Aggregation der verfUgbaren Umweltdaten in Informationen , auf deren Basis das Untcrnehmensmanagement strategische Entscheidungen fUr ein nachhaltig wirkendes Umweltmanagement treffen kann. Ein erster Ansatz zur Schaffung einer lImfassenden Informationsbasis wird in einem lallfend en Projekt an der Universitat Hohenheim zusammen mit weiteren Projektpart- 392 Literatur IH:iMS95j Hiiuslein , A. ; M<lIler, A. ; Schmidt, M .: Umberto - ein Programm :wr Mod ellierung von Stoff- und En crgicfiuSs),stcm e n. In: Ha(/sis, H .-D.; HWV, L M.; Kiirzl, H. ; Ralltellstrallc/), C (lirsg.) : Betricbliche Umweltin- formationssysteme - Projekte und Pe rspektiven . Marburg 199 5 , S_ 121 -138. 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