Nachhaltige Innovationsstrategien zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Produktentwicklung von Antriebskonzepten mit TRIZ

Masterarbeit , 2016 , 110 Seiten , Note: 1,8

BWL - Beschaffung, Produktion, Logistik

Die Zielsetzung der Master-Thesis ist es zu überprüfen, ob sich die Innovations-Methodik TRIZ auf Problemstellungen mit nachhaltiger Zielsetzung eignet und ob mit der Anforderung einer Steigerung der Ressourcenproduktivität am Beispiel der Antriebstechnik effiziente Innovationen gefunden werden können.

Die Motivation nachhaltiger Zielsetzungen basiert auf einem exponentiellen Anstieg von Wirtschaft, Bevölkerung und einer gesteigerten Konsumnachfrage nach Produkten, welche hauptsächlich aus endlichen Energieträgern hergestellt werden. Hierzu wird zunächst in Kapitel 2 eine Übersicht der Wachstumssituation erstellt.

In Kapitel 3 wird die momentane Situation der Primärenergieträger erfasst, deren Vorkommen, Gewinnung, Umwandlung und Verfügbarkeit. Dies dient als Überblick bezüglich des Aufwands ihrer Förderung und bildet die Basis für Einsparpotenziale von Materialintensitäten in den folgenden Kapiteln.

Kapitel 4 erläutert die Begriffe der Nachhaltigkeit und die Ressourcenproduktivität als Zielsetzung nachhaltiger Produktentwicklung.

Basierend auf der Literatur von Altschuller, dem Begründer der Methodik, wird in Kapitel 5 die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ vorgestellt. Dabei werden auf die Ebenen der Innovationen zur Einteilung von TRIZ eingegangen, wie mit TRIZ eine Problemlösung entwickelt wird und die Methoden Innovationscheckliste, Widerspruchsanalyse mit administrativem, technischen und physikalischen Widerspruch sowie die Stoff-Feld-Analyse beschrieben.

Das Kapitel 6 überprüft die Eignung der TRIZ Methodik bezüglich nachhaltiger Zielsetzungen zur Steigerung der Ressourcenproduktivität anhand der Maschinenbaudisziplin Antriebstechnik.

In Kapitel 7 werden die erarbeiteten Innovationen aus Kapitel 6 zusammengefasst und bewertet, ob sich die TRIZ Methodik für Problemstellungen mit nachhaltiger Zielsetzung zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Antriebstechnik eignet.

Werden durch die Anwendung der TRIZ Methodik Lösungsmöglichkeiten gefunden, die sowohl zu einer Verringerung des Ressourcenaufwandes bzw. zu einer Effizienzsteigerung als auch zu einem Wettbewerbsvorteil führen, würde sich die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik eignen um von Unternehmen in der Praxis angewandt werden zu können und den Übergang in eine nachhaltige Wirtschaft fördern.

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Hintergrund zur Themenstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit und Vorgehensweise

2. Berichte an den Club of Rome - Anreiz zur Innovationsfindung für gesteigerte Ressourceneffizienz

3. Quellen und Senken als Basis für gesteigerte Materialintensität
3.1 Quellen - Erfassung der Energieträger
3.1.1 Verknappung der Primärenergieträger bei steigender Nachfrage
3.1.2 Beispiel - Förderung von Kupfer
3.2 Senken - Die Schadstoffe
3.3 Der ökologische Fußabdruck
3.3.1 Der ökologische Fußabdruck Deutschlands und der Welt
3.3.2 Analyse des ökologischen Fußabdrucks Deutschlands und der Welt

4. Nachhaltigkeit und Ressourcenproduktivität
4.1 Definition der Nachhaltigkeit
4.1.1 Ausprägung der Nachhaltigkeit
4.1.2 Entwicklung der Nachhaltigkeit
4.2 Definition der Ressourcenproduktivität
4.2.1 Effizienz-, Konsistenz- und Suffizienzstrategien
4.2.2 Das deutsche Ressourceneffizienzprogramm
4.2.3 Messung der Ressourcenproduktivität
4.2.4 Potenzielle nachhaltige Methoden der Produktentwicklung
4.3 Widersprüche in der Nachhaltigkeit

5. Die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ
5.1 Das TRIZ Methodengebäude
5.2 Ebenen der Innovation und Einteilung von TRIZ
5.3 Entwicklung einer Problemlösung mit TRIZ
5.4 TRIZ Instrument: Innovationscheckliste und Problemformulierung
5.5 TRIZ Instrument Widerspruchsanalyse
5.5.1 Administrativer Widerspruch - Idealität
5.5.2 Technischer Widerspruch - Standardisierung von Lösungsansätzen
5.5.2.1 Abstraktion der Problemlösung - Die Widerspruchsmatrix
5.5.2.2 Allgemeine Lösung mit den 40 innovativen Prinzipien und spezifische Problemlösung
5.5.3 Physikalischer Widerspruch
5.6 TRIZ Instrument Stoff-Feld-Analyse

6. Prüfung der Eignung von TRIZ auf Innovationen zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Antriebstechnik
6.1 Die Antriebstechnik
6.2 Untersuchung einer Lösung mit TRIZ am Beispiel eines konventionellen Antriebssystems
6.2.1 Die Ressourcencheckliste des konventionellen Antriebssystems
6.2.1.1 Systembezeichnung
6.2.1.2 Primär nützliche Funktion des Systems
6.2.1.3 Derzeitige Systemstruktur
6.2.1.4 Die Arbeitsweise des Systems
6.2.1.5 Das Systemumfeld
6.2.1.6 Verfügbare Ressourcen
6.2.2 Angestrebte Verbesserung ressourcenproduktives System - Idealität
6.2.3 Lösung des Problems anhand der Ressourcencheckliste
6.2.3.1 Lösungsfindung in der Antriebsmaschine - Der permanenterregte Synchronmotor
6.2.3.2 Aufbau Synchronmaschine zur Optimierung des Antriebssystems
6.2.3.3 Überprüfung Synchronmotors zur Substitution konventionelles Antriebssystem
6.2.3.4 Ermittlung der Ressourcenproduktivität bei Einsatz eines Direktantriebes
6.3 Innovationen zur Effizienzsteigerung von elektrischen Maschinen mit TRIZ
6.3.1 Allgemeine Problembeschreibung
6.3.2 Konventionelle Problemlösung
6.3.3 Problembeschreibung als technischen Widerspruch mit der Widerspruchsmatrix
6.3.3.1 Identifizierung der Innovativen Prinzipien in der Widerspruchsmatrix - Lösung des technischen Widerspruches
6.3.3.2 Lösungsansätze mit Innovativem Prinzip 35 - Veränderung des Aggregatzustandes
6.3.3.3 Lösungsansätze mit Innovativem Prinzip 14 - Krümmung
6.3.4 Problembeschreibung als Physikalischer Widerspruch
6.3.4.1 Physikalischer Widerspruch: Volumen einer elektrischen Maschine
6.3.4.2 Lösung durch Separation innerhalb eines Objektes und seiner Teile - Beispiel Linearmotor
6.3.4.3 Lösung durch Separation im Raum - Erhöhung des Nutfüllfaktors der Statorwicklung
6.3.5 Definition einer idealen elektrischen Maschine mit der Stoff-Feld-Analyse als Basis für weitere Innovationen
6.3.5.1 Erstellung des Stoff-Feld Modells der elektrischen Maschine
6.3.5.2 Definition der idealen Maschine aus dem Stoff-Feld-Modell
6.3.6 Beispiel zur Innovation mit TRIZ und Bionik
6.3.6.1 Technischer Widerspruch - Erhöhung Geschwindigkeit bei gleichem Volumen
6.3.6.2 Lösung des technischen Widerspruches mit TRIZ und Bionik
6.4 Beispiele zur praktischen Anwendung der Innovationskonzepte in der Antriebstechnik
6.4.1 Vorstellung Problemlösung Mobile Windkraftanlage
6.4.2 Weiterführung Problemlösung Mobile Windkraftanlage

7. Zusammenfassung und Bewertung von TRIZ für nachhaltige Zielsetzung

ANHANG

LITERATUR UND QUELLEN

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Historische Entwicklung der Weltbevölkerung

Abbildung 2 Wege der Energie

Abbildung 3 Prognose zum weltweiten Energieverbrauch

Abbildung 4 Abnehmender Kupfergehalt der Minera Escondida Limitada

Abbildung 5 Erhöhung Abraum nach Metallgehalt des Erzes

Abbildung 6 Entwicklung ökologischer Fußabdruck zu Biokapazität seit 1961 - D

Abbildung 7 Entwicklung ökologischer Fußabdruck zu Biokapazität seit 1961 - Welt

Abbildung 8 Methodengebäude von TRIZ

Abbildung 9 Entwicklung Problemlösung

Abbildung 10 Trichter Idealitätskonzept

Abbildung 11 Auszug aus der Widerspruchsmatrix

Abbildung 12 Prinzip Stoff-Feld-Analyse

Abbildung 13 Konventionelles Antriebssystem und Lösung mit Direktantrieb

Abbildung 14 Systemstruktur konventionelles Antriebssystem

Abbildung 15 Bandbehandlungsanlage

Abbildung 16 Prinzipaufbau Ausschnitt permanenterregter Synchronmotor

Abbildung 17 Baugruppe permanenterregter Synchronmotor

Abbildung 18 Metallschaum

Abbildung 19 Fruchtsaftperlen

Abbildung 20 Prinzipbild Ausschnitt Statorwicklung mit Kühlschlangen

Abbildung 21 Wickelkopf Statorwicklung

Abbildung 22 Stator ohne und mit Wickelkopfhaube

Abbildung 23 Aufbau Linearmotor

Abbildung 24 Prinzipdarstellung marktgängige Anordnung Linearmotor

Abbildung 25 Prinzipdarstellung mögliche Anordnungen Linearmotor

Abbildung 26 Anordnung Stator zu Rotor

Abbildung 27 Prinzipdarstellung Statornut mit Kupferdrähten - Verteilte Wicklung

Abbildung 28 Prinzipdarstellung Statornut mit Kupferdrähten - orthozyklisch

Abbildung 29 Prinzipdarstellung Statornut mit Kupferdrähten - Profile

Abbildung 30 Stoff-Feld-Modelle - Permanenterregte Synchronmaschine

Abbildung 31 Schwimmfarn - Der Salvinia Effekt

Abbildung 32 Faltbare Rotorblätter Mobile Windkraftanlage

Abbildung 33 Trichtermodell auf Nachhaltigkeit übersetzt

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Primärenergieform Steinkohle und Braunkohle

Tabelle 2 Primärenergieform Erdöl

Tabelle 3 Primärenergieform Erdgas

Tabelle 4 Primärenergieform Erneuerbare Energien

Tabelle 5 Ökologischer Fußabdruck Land Deutschland

Tabelle 6 Biokapazität Land Deutschland

Tabelle 7 Innovationsprinzip 01 - Segmentierung

Tabelle 8 Beispiele gegenwärtige Antriebssysteme

Tabelle 9 Ressourcencheckliste konventionelles Antriebssystem

Tabelle 10 Ressourcencheckliste permanenterregter Synchronmotor

Tabelle 11 Unterschiede Asynchron- und Synchronmaschine und Vorteile Synchronmaschine

Tabelle 12 Vergleich Antriebssysteme auf Materialintensität und Einsparung

Tabelle 13 Zusammenfassung Problemstellung

Tabelle 14 Technischer Widerspruch

Tabelle 15 Informationen aus der Widerspruchsmatrix

Tabelle 16 Zusammenfassung Problemstellung

Tabelle 17 Definition der Widersprüche

Tabelle 18 Innovative Prinzipien laut Widerspruchsmatrix

Tabelle 19 Beispiele zu Branchen für Innovationen der Antriebstechnik

Tabelle 20 Zusammenfassung Innovationen Kapitel 6.3

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

1.1 Hintergrund zur Themenstellung

Die zwei großen Revolutionen der Menschheit waren die landwirtschaftliche und die industrielle Revolution. Die Revolutionen gründen auf einer notwendigen Veränderung aufgrund einer jeweilig steigenden Anzahl der menschlichen Bevölkerung und einer dadurch resultierenden Verknappung der Ressourcen. Jede der Revolutionen hat in der Folge zu einem noch stärkeren Anwachsen der Bevölkerung geführt. Die industrielle Revolution führte schließlich zu einer beträchtlichen Produktivität, so dass die Weltbevölkerung auf derzeit etwa 7,35 Milliarden Menschen angestiegen ist. Durch ein prognostiziertes weiteres Wachstum der Weltbevölkerung, deren Wohlstand und Wirtschaft, wird es wie in den vorausgegangenen Revolutionen auch bei der industriellen Revolution zu einer Verknappung kommen. Diese betrifft nicht einzelne Ressourcen sondern die gesamte ökologische Tragfähigkeit der Welt (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 278 ff.).

Betrachtet man global den Markt und die materielle Wirtschaft, herrscht grundsätzlich eine Abhängigkeit und somit ein Zwang zum ewigen Wachstum. Die wirtschaftlichen Entwicklungszyklen haben zunehmend eine abnehmende Periodendauer bedingt durch das Bestreben nach Wohlstand. Das Wirtschaftswachstum wird durch die Herstellung und den Verkauf von materiellen Gütern und Produkten durch die Nachfrage generiert. Die Güter werden zu einem großen Teil auf der Grundlage entnommener endlicher Ressourcen als Rohstoffentnahmen der Natur produziert. Die natürlichen Ressourcen bilden als Primärenergieträger die Grundlage für die wirtschaftlichen Aktivitäten. Aufgrund der weiter wachsenden Weltbevölkerung, deren Nachfrage nach Wohlstand und dem Wirtschaftswachstum in den Industrie- und Entwicklungsländern, steigt die Nachfrage nach endlichen Primärenergieträgern. Dabei liegt der „Verbrauch an Rohstoffen in den Industrienationen rund viermal höher als in weniger entwickelten Ländern“ (Sachsen K. 2016, Lexikon der Nachhaltigkeit). Für die Wirtschaft bedeutet dies schwankende Rohstoffpreise und Risiken bezüglich der Versorgung. Die Quellen, welche als die zu wirtschaftlichen Zwecken genutzte Entnahme von Rohstoffen aus der Natur bezeichnet werden, vor allem aber der als Senken bezeichnete Teil, welcher als Rest- und Schadstoff wieder an die Natur zurückgegeben wird, führen zu bleibender Schädigung der Umwelt (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 21 ff.). Es liegt ein Interessenskonflikt und Widerspruch vor, dass auf der einen Seite nicht unendliche Ressourcen für die Produktion von Gütern vorhanden sind, auf der anderen Seite ist durch die Wirtschaft und die Nachfrage ein immer weiter ansteigendes grenzenloses Wirtschaftswachstum gefordert.

So ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass es zu einem erneuten Wandel kommen wird und sich die nächste Revolution ankündigt. Das Handlungsprinzip der Nachhaltigkeit beschreibt eine langfristige Alternative zur zukünftigen Nutzung von Ressourcen. Diese möglichen Handlungsalternativen eines nachhaltigen Wirtschaftens betreffen nicht nur die Industriestaaten, sie müssen global umgesetzt werden. Aber sowohl für Industrieländer, vor allem aber für die Entwicklungs- und Schwellenländer, ist eine Steigerung des Wirtschaftswachstums unabdingbar, da sie zur Steigerung von Arbeit, Bildung, Wohlstand und Senkung von Armut führt; ein weiterer Interessenkonflikt in Bezug auf die Endlichkeit der Ressourcen. Konzepte zur Begrenzung, Alternativen oder die Abschaffung des Wirtschaftswachstums im Sinne einer Postwachstumsgesellschaft sind nur schwer realisierbar. Dies würde eine grundlegende Änderung des Konsum- und Lebensstils, vor allem der Menschen in den Industrienationen, bedeuten. Somit sind „angesichts der weiter ansteigenden Weltbevölkerung und der berechtigten Bedürfnisse nach einer nachholenden Entwicklung in den Entwicklungs- und Schwellenländern (...) Schritte in Richtung auf eine nachhaltige Entwicklung ohne innovative und „nachhaltigere“ Technik nicht vorstellbar. Technischer Fortschritt und Innovation einerseits und nachhaltige Entwicklung andererseits - die in fortschrittskritischen Kreisen lange als unvereinbar galten - müssen zusammengebracht werden“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 215). „Die einzige realistische Option, die wir haben, ist die einer dramatischen Steigerung der Rohstoffproduktivität “ (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 23). Der Begriff der gesteigerten Ressourcenproduktivität oder auch ressourcenleichtes Wirtschaften genannt, beschreibt eine Entkoppelung des Wirtschaftswachstums bezüglich der Einsparung und des Verbrauchs von Materialeinsatz und somit eine Einsparung von Primärenergieträgern und Innovationen, welche zu effizienzsteigernden Produkten führen. „Aus weniger mehr machen. Das bedeutet also, dass Wachstum und Wohlstand von der Verwendung natürlicher Ressourcen so weit wie möglich entkoppelt werden sollen. Somit soll die Wettbewerbsfähigkeit gestärkt und der Ressourceneinsatz gesenkt werden, um daraus entstehende Umweltbelastungen zu verringern“ (Sachsen K. 2016, Lexikon der Nachhaltigkeit). „Der sich verstärkende Widerspruch zwischen zunehmendem Wohlstand und Ressourcenverbrauch, zunehmender Umweltbelastung und Ressourcenbegrenzung verlangt ein Umdenken in Richtung einer ökologisierten Wirtschaft (...), von der Arbeitsproduktivität hin zur Ressourcenproduktivität (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 114).

Die Technischen Entwicklungen und Innovationen bezüglich einer effizienten Verwendung begrenzter Ressourcen in der Entwicklung von Produkten anzustoßen, die zu einer gesteigerten Rohstoffproduktivität führen, sollten von den Unternehmen der Wirtschaft angestoßen werden. „Neue, absolut faszinierende Technologien sind vorhanden oder können entwickelt werden, die versprechen, ungefähr fünfmal so rohstoffeffizient zu sein wie die heute vorherrschenden“ (Weizsäcker E.U. 2010, Faktor Fünf S. 29). Doch aufgrund der eher kurzfristigen Zielsetzungen der Wirtschaft, zur Gewinnerzielungsabsicht, Steigerung des Umsatzes und der Kapitalrentabilität, unternimmt diese ohne ökonomisch erkennbaren Nutzen nur wenig Entwicklungsarbeit und Innovation in Richtung einer gesteigerten Ressourcenproduktivität. Die nachhaltigen Lösungsansätze gesteigerter Produktivität der Ressourcen sind laut den Autoren der Nachhaltigkeitsliteratur essenziell und mit der Umsetzung muss jetzt begonnen werden, da ein „erfolgreicher Übergang zu einer (...) ökonomischen, ökologischen und sozialen Entwicklung (...) nicht sofort gelingen kann, sondern viele Jahrzehnte dauern wird“ (Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? S. 17). Doch von Politik und Wirtschaft wird die globale Dringlichkeit in diesem Ausmaß bisher nicht wahrgenommen.

1.2 Zielsetzung

Das Wachstum sbestreben der Wirtschaft in Verbindung mit einer ansteigenden Weltbevölkerung steht zu den zur Produktion der Güter benötigten endlichen Ressourcen im Widerspruch. Ein möglicher Übergang in eine nachhaltige Wirtschaft mit Entkoppelung des Ressourcenverbrauchs, bei dem die Wirtschaft weiter wachsen kann, sich der Verbrauch der Ressourcen aber begrenzen soll, steht ebenfalls in einem Widerspruch. Schließlich besteht auch auf der Produktebene, auf der durch Innovationen die Effizienz eines Systems optimiert und gesteigert werden soll, bei gleichzeitig reduziertem Materialeinsatz, ein Widerspruch. Auf dieser Basis wird in der Master-Arbeit analysiert und geprüft ob sich die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ eignet, um Lösungsansätze zu finden, die nach den Zielsetzungen einer nachhaltigen Wirtschaft zu gesteigerter Ressourceneffizienz führen.

Werden durch die Anwendung der TRIZ Methodik Lösungsmöglichkeiten gefunden, die sowohl zu einer Verringerung des Ressourcenaufwandes bzw. zu einer Effizienzsteigerung als auch zu einem Wettbewerbsvorteil führen, würde sich die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik eignen um von Unternehmen in der Praxis angewandt werden zu können und den Übergang in eine nachhaltige Wirtschaft fördern.

1.3 Aufbau der Arbeit und Vorgehensweise

Die Zielsetzung der Master-Thesis ist es zu überprüfen, ob sich die Innovations­Methodik TRIZ auf Problemstellungen mit nachhaltiger Zielsetzung eignet und ob mit der Anforderung einer Steigerung der Ressourcenproduktivität am Beispiel der Antriebstechnik effiziente Innovationen gefunden werden können.

Die Motivation nachhaltiger Zielsetzungen basiert auf einem exponentiellen Anstieg von Wirtschaft, Bevölkerung und einer gesteigerten Konsumnachfrage nach Produkten, welche hauptsächlich aus endlichen Energieträgern hergestellt werden. Hierzu wird zunächst in Kapitel 2 eine Übersicht der Wachstumssituation erstellt basierend auf den Berichten an den Club of Rome, einem Zusammenschluss von Experten aus mehr als 30 Ländern, die sich für eine nachhaltige Zukunft einsetzen und mögliche Grenzen analysieren.

In Kapitel 3 wird die momentane Situation der Primärenergieträger erfasst, deren Vorkommen, Gewinnung, Umwandlung und Verfügbarkeit. Dies dient als Überblick bezüglich des Aufwands ihrer Förderung und bildet die Basis für Einsparpotenziale von Materialintensitäten in den folgenden Kapiteln. Die nachhaltige Alternative für Energieformen, welche auf der Verbrennung von fossilen Brennstoffen basieren, sind erneuerbare Energien. Diese werden ebenfalls in einer Übersicht erfasst bezüglich ihrer Gewinnung, momentanen jährlichen Förderung, Potenzial und gegenwärtiger Probleme. Weiter werden in Kapitel 3 die Schadstoffe erfasst, welche unter anderem durch Verbrennung fossiler Brennstoffe entstehen. Schließlich wird das Kapitel abgeschlossen durch Erläuterung und Darstellung des ökologischen Fußabdrucks welcher die Leistungsfähigkeit der Erde analysiert. Das Ziel von Kapitel 3 ist es ein Überblick über die momentane Ist-Situation der Energieträger zu geben und herauszustellen ob ein Übergang in nachhaltige Entwicklung notwendig erscheint.

Kapitel 4 erläutert die Begriffe der Nachhaltigkeit und die Ressourcenproduktivität als Zielsetzung nachhaltiger Produktentwicklung. Es wird eine Methode zur Messung der Ressourcenproduktivität vorgestellt mit der Materialintensitäten von Primärenergieträger aus Kapitel 2 erfasst werden können. Weiter werden Widersprüche nachhaltiger Zielsetzungen erläutert die als Basis dienen, um nach Lösungsmöglichkeiten anhand der TRIZ Methodik zu suchen.

Basierend auf der Literatur von Altschuller, dem Begründer der Methodik, wird in Kapitel 5 die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ vorgestellt. Dabei werden auf die Ebenen der Innovationen zur Einteilung von TRIZ eingegangen, wie mit TRIZ eine Problemlösung entwickelt wird und die Methoden Innovationscheckliste, Widerspruchsanalyse mit administrativem, technischen und physikalischen Widerspruch sowie die Stoff-Feld-Analyse beschrieben.

Das Kapitel 6 überprüft die Eignung der TRIZ Methodik bezüglich nachhaltiger Zielsetzungen zur Steigerung der Ressourcenproduktivität anhand der Maschinenbaudisziplin Antriebstechnik. Es wird zunächst ein konventionelles Antriebssystem, welches mit einer anderen Zielsetzung schon gelöst wurde, auf eine neu definierte nachhaltige Zielausrichtung hin mit TRIZ überprüft. Die Lösung wird mit der in Kapitel 4 beschriebenen Methode zur Messung der Ressourcenproduktivität auf die nachhaltige Zielausrichtung hin überprüft. Weiter werden dann nach Innovationssteigerungen von elektrischen Maschinen gesucht zur Verbesserung des Wirkungsgrades, Verringerung des Materialanteils, Maximierung der Verlustabfuhr und Steigerung der Effizienz anhand der in Kapitel 5 und basierend auf der Literatur beschriebenen TRIZ Methodik. Zunächst werden die klassischen TRIZ Werkzeuge angewendet, ein erweitertes Beispiel zeigt dann noch Innovationen durch die Zusammenführung von TRIZ und der auf den Entwicklungsmustern der Natur basierenden Bionik. Schließlich werden Beispiele genannt in welcher die in der Antriebstechnik erarbeiteten Innovationen in Branchen praktisch angewendet werden können. Hierbei wird noch ein Beispiel erarbeitet bezüglich einer Innovation im Bereich der in Kapitel 3 genannten erneuerbaren Energien.

In Kapitel 7 werden die erarbeiteten Innovationen aus Kapitel 6 zusammengefasst und bewertet, ob sich die TRIZ Methodik für Problemstellungen mit nachhaltiger Zielsetzung zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Antriebstechnik eignet.

2. Berichte an den Club of Rome - Anreiz zur Innovationsfindung für gesteigerte Ressourceneffizienz

Im Jahr 1972 hat eine Arbeitsgruppe für Systemdynamik in einem Forschungsprojekt, welche am Massachusetts Institute of Technology (MIT) - USA „die langfristigen Ursachen und Konsequenzen des Wachstums der Weltbevölkerung und der materiellen Seite der Wirtschaft“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 11 Geleitwort) analysiert hat, sich zum ersten Mal mit den „Berichten an den CLUB OF ROME“ gewandt. Der CLUB OF ROME ist ein internationaler Zusammenschluss von Vertretern aus Wissenschaft, Kultur, Wirtschaft und Politik, „mit dem Ziel sich für eine lebenswerte und nachhaltige Zukunft der Menschheit einzusetzen“ (Huber A. 2016, Club of Rome).

Im Folgenden werden die vom Club of Rome gesammelten Ausführungen bezüglich der gegenwärtigen Wirtschaftsentwicklung beschrieben, um einleitend ein Verständnis für die Motivation nachhaltiger Innovationsstrategien zur Steigerung von Ressourcenproduktivität aufzuzeigen. Die 3. Ausgabe des Buches „Grenzen des Wachstums Das 30-Jahre-Update“ von Donella Meadows, J0rgen Randers und Dennis Meadows aus dem Jahr 2008 legt zusammenfassend drei Ursachen, die zur Überschreitung von Grenzen führen, fest:

- Das Wachstum des Wirtschaftssystems und der Bevölkerung ist exponentiell. (Der Beweis, dass es sich um ein exponentielles Wachstum handelt, befindet sich in Anhang A) Durch eine rasch wachsende Industrieproduktion und Bevölkerung steigt der Ressourcenverbrauch an und die Ressourcenbestände verringern sich.
- Dynamische Systeme haben Grenzen und können nicht gefahrlos überschritten werden. Wenn nicht rechtzeitig entgegengewirkt wird, werden die Grenzen des exponentiellen Wachstums erreicht werden zu Lebzeiten der meisten Leser des Buches in Folge der Überschreitung der Wachstumsgrenzen. Als Folge droht das Gesamtsystem zu kollabieren. (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 6 Geleitwort)
- Beim Versuch, das System in seinen Grenzen zu halten, kommt es zu Fehlern und verspäteter Reaktion. (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 1) Das exponentielle Wachstum verkürzt die Zeit für nachhaltiges Handeln.

„Dass dem Wachstum irgendwelche Grenzen gesetzt sein könnten, ist für viele Menschen schlichtweg unvorstellbar. Solche Grenzen sind politisch ein Tabuthema und dem ökonomischen Denken völlig fremd“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 211).

„Die Hauptursache für Grenzüberschreitungen ist das Wachstum und damit verbunden beschleunigte Entwicklung und rascher Wandel“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 17). Die Auswirkungen der Grenzüberschreitungen können unterschiedlich sein. Einerseits können diese zu einer Art Niedergang führen, andererseits eine bewusste Kehrtwende einleiten. Nach Meinungen der Autoren des Buches „Grenzen des Wachstums“ wird es „mit Sicherheit zu einer Art Zusammenbruch kommen, wenn nicht bald eine nachdrückliche Korrektur erfolgt - und zwar noch zu Lebzeiten vieler heute lebender Menschen“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 3). Die Daten für die Belegung dieser Behauptungen sind die Auswertungen globaler wissenschaftlicher und wirtschaftswissenschaftlicher Theorien über das System und Daten bezüglich der auf der Erde vorhandenen Ressourcen und Umwelt.

Die Autoren befürchten, „dass die gegenwärtige Politik zu einer globalen Grenzüberschreitung und zum Zusammenbruch führen wird, weil wir uns nur unzureichend bemühen, die ökologischen Grenzen vorherzusehen und in den Griff zu bekommen. Unserer Meinung nach überschreiten die Wirtschaftsaktivitäten bereits heute wichtige Grenzen und diese Grenzüberschreitung wird sich im Laufe der kommenden Jahrzehnte noch deutlich verstärken“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 23 Geleitwort). Wenn nicht rechtzeitig für eine effiziente Nutzung oder Substitution von endlichen Primärenergieträgern gesorgt wird, wie zum Beispiel von fossilen Brennstoffen, welche für Energiedienstleistungen wie Fortbewegung und Erzeugung von Wärme genutzt werden, dann kann die Grenzüberschreitung und der Kampf über die verbleibenden Ressourcen zu einem Verlust des Lebensstandards der Menschen und zu einem gesellschaftlichen Zusammenbruch führen.

Exponentielles Wachstum der Bevölkerung und der Wirtschaft und deren Verbrauch an Ressourcen sind die treibenden Kräfte für Veränderungen, welche zur Grenzüberschreitung führen. „Seit mehr als 200 Jahren ist Wachstum die dominierende Verhaltensweise des globalen sozioökonomischen Systems“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Historische Entwicklung der Weltbevölkerung (Schwandt F. 2016, Statista GmbH)

„Im Laufe der vergangenen 50 Jahre haben sich die menschliche Bevölkerung, ihr materieller Besitz sowie die von ihr verursachten Rohstoff- und Energieeinflüsse verdoppelt, vervierfacht, verzehnfacht oder sogar noch stärker vervielfacht und für die Zukunft wird sogar auf noch stärkeres Wachstum gehofft. (...) Regierungen streben nach Wachstum als Allheilmittel für fast jedes Problem. In den reichen Ländern gilt Wachstum als Voraussetzung für die Sicherung von Arbeitsplätzen, sozialem Aufstieg und technischem Fortschritt. In armen Ländern scheint Wachstum der einzige Weg aus der Armut zu sein“(Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S.7). Wachstum wird oft zusammen mit synonymen Begriffen wie: „Entwicklung,Fortschritt, Zunahme, Anstieg, Steigerung, Verbesserung, Erfolg“ (Meadows D. 2012,Grenzen des Wachstums S. 7) genannt und suggeriert dadurch stets etwasPositives.

Verglichen mit der Natur kann exponentielles Wachstum auf zwei verschiedene Arten stattfinden. Zum einen durch das Wachstum einer Größe durch Selbstproduktion, wie zum Beispiel das Wachstum von Lebewesen, zum anderen wenn das Wachstum durch eine andere exponentielle wachsende Größe vorangetrieben wird (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 24 ff). „Ein kontinuierliches Wachstum ergibt sich, wenn die physischen Grenzen noch weit entfernt sind oder die physischen Grenzen selbst exponentiell anwachsen“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 161). Doch das Wirtschaftswachstum hat Grenzen, da die Ressourcen der Erde wie Luft, Wasser und endliche Primärenergie - Rohstoffe, auf welche die Bevölkerung und die Wirtschaft angewiesen sind, endlich sind und das Wachstum, das durch produzierte Güter erzeugt wird, nicht unendlich fortgeführt werden kann. „Die physischen Grenzen des Wachstums werden bestimmt durch die eingeschränkten Fähigkeiten der Quellen unseres Planeten, Rohstoffe und Energie zu liefern und der Senken der Erde, die Schadstoffe und Abfälle aufzunehmen“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 9). Dies gibt Grund zum Anlass nach Möglichkeiten zu suchen, dem entgegenzuwirken. „Der sich verstärkende Widerspruch zwischen zunehmendem Wohlstand und Ressourcenverbrauch, zunehmender Umweltbelastung und Ressourcenbelastung verlangt ein Umdenken in Richtung einer ökologisierten Wirtschaft (...), von der Arbeitsproduktivität hin zur Ressourcenproduktivität“ (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 12). Die Alternativen zum gegenwärtigen Wachstum mit dem Verbrauch von Ressourcen sind in dem Begriff der Nachhaltigkeit zusammengefasst. In der Master Thesis werden Strategien der Nachhaltigkeitsziele erarbeitet, die eine Entkoppelung des Wirtschaftswachstums vom Energieverbrauch anstreben und zu einer Einschränkung der Nutzung der Primärenergieträger führen. „Der zukünftige Ressourcenbedarf lässt sich nur abdecken über eine Zunahme der Ressourcenproduktivität, eine Ressourcenrückführung und die Nutzung erneuerbarer Ressourcen“ (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 114). Die Basis bilden die Ressourcen welche alle stofflichen (Werkstoffe und Objekte) und energetische Ressourcen wie Energieformen umfassen. In Kapitel 3 wird ein Überblick gegeben über den aktuellen Stand der Ressourcen als Quellen und Senken der Erde, welche in den darauf folgenden Kapiteln auf ihre Einsparungspotenziale und Nutzung hin untersucht werden.

3. Quellen und Senken als Basis für gesteigerte Materialintensität

In Kapitel 6 werden nachhaltige Lösungsmöglichkeiten und Innovationen zur Steigerung von Ressourcenproduktivität gesucht. Die Basis für die Überprüfung, ob die Lösungen nach den in Kapitel 4.2 festgelegten Definitionen zu einer gesteigerten Produktivität der Ressourcen führen, wird anhand von Materialintensitätsfaktoren durchgeführt. Es werden Materialverbräuche konventioneller Lösungen über deren Produktlebenszyklus hinweg verglichen mit Lösungsmöglichkeiten durch neue Innovationen. Die daraus resultierenden Einsparungen wirken sich entsprechend auf den Bestand und die Verfügbarkeit von Primärenergieträger als auch auf die Schadstoffe der Erde aus welche als Quellen und Senken bezeichnet werden. Im Folgenden werden diese als Ausgangsbasis erfasst.

3.1 Quellen - Erfassung der Energieträger

Die Quellen der Erde sind Primärenergieträger die in der Natur vorkommen. Dazu zählen die endlichen fossilen Energieträger wie Stein- / Braunkohle, Erdgas und Erdöl. Weitere Primärenergieträger sind Kernbrennstoffe wie Uran und die erneuerbaren Energien Wind, Wasserkraft, Sonnenstrahlung, Biomasse, Erdwärme und Gezeitenenergie. Hauptsächlich können die Primärenergieträger erst genutzt werden, wenn diese in Sekundärenergieträger umgewandelt werden, zum Beispiel in Benzin, Heizöl oder Strom. Diese Energien werden zu den Verbrauchern, Haushalte, Handel, Gewerbe und Industrie transportiert, die sie als Endenergie nutzen. Der Verbraucher benötigt die Nutzenergie der Endenergie als Wärme, Licht oder mechanische Arbeit, um schließlich die Energiedienstleistung wie Fortbewegung, Beleuchtung, warme Räume oder Antrieb von Maschinen in der Industrie zu erhalten. „Bei jeder Umwandlung treten technisch und zum Teil auch physikalisch bedingte „Verluste“ auf, sodass von der eingesetzten Primärenergie in Deutschland bei den gegenwärtigen Techniken im Mittel nur rund ein Drittel der Primärenergie als Nutzenergie übrig bleibt“ (Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? S. 30).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Wege der Energie (Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? S. 30)

Kurzbeschreibung ausgewählter Primärenergieformen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 Primärenergieform Steinkohle und Braunkohle - Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? S. 38 ff. und *Schwandt F. 2016, Statista GmbH - Anhang B

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2 Primärenergieform Erdöl - Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts?

S.41 ff. und *Schwandt F. 2016, Statista GmbH - Anhang C

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 Primärenergieform Erdgas - Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts?

S.45 ff. und *Schwandt F. 2016, Statista GmbH - Anhang D

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4 Primärenergieform Erneuerbare Energien - Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21.

Jahrhunderts? S.210 ff. und *Schwandt F. 2016, Statista GmbH Anhang E

3.1.1 Verknappung der Primärenergieträger bei steigender Nachfrage

Anhand der Kurzbeschreibung der Primärenergieträger in Kapitel 3.1 ist, in Bezug auf die noch vorhandenen Reserven und dem jährlichen Verbrauch aus heutiger Sicht erkennbar, dass es innerhalb der nächsten 50 Jahre zu einer Verknappung nicht erneuerbarer Ressourcen, wie Erdöl, kommen wird. Die Vorräte endlicher Ressourcen werden immer weiter aufgebraucht. Gleichzeitig steigt der Bedarf am weltweiten Energieverbrauch aufgrund prognostiziertem weiter steigendem Bevölkerungswachstum und der Nachfrage nach Konsumgütern und Energie. Dies wird auch Auswirkungen haben auf die zukünftige Entwicklung der Rohmaterial-Preise. Das U.S. Department of Energy (EIA) in Washington D.C. erstellt jährlich den „Annual Energy Outlook 20xx with projections to 2040“- Einen Bericht mit langfristigen Jahresprognosen bezüglich der Energieversorgung, Nachfrage und Preise bis zum Jahr 2040. Im Bericht 2013 ist aufgeführt, dass der Weltenergieverbrauch von 524 Billiarden Btu im Jahr 2010 im Jahr 2020 auf 630 und 2040 um insgesamt 56 Prozent auf 820 Billiarden Btu anwächst. Ein großer Teil des Energiewachstums erfolgt dabei in Ländern außerhalb der OECD, da deren Nachfrage in einem stärker steigenden Wirtschaftswachstum begründet liegt, das sich in der Entwicklung befindet. Das Wachstum der wirtschaftlich entwickelten OECD-Länder ist geringer (Abbildung 3). Die Wirtschaft wird weiter „exponentiell anwachsen, wenn die Selbstvermehrung des Kapitals nicht eingeschränkt wird, etwa durch die Konsumnachfrage, durch die Verfügbarkeit von Arbeitskräften, durch die Knappheit von Rohstoffen und Energie, durch fehlende Investitionsmittel“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 26 ff). Da der Energieverbrauch zu einem großen Anteil mit dem Wirtschaftswachstum und dem Verbrauch in der Industrie zusammenhängt, werden alternative Prognosen auf Basis des Energieverbrauchs laut Abbildung 3 auch unter Betrachtung eines geringen und hohen Wirtschaftswachstums hin untersucht. Im Fall eines hohen Weltwirtschaftswachstums im Jahr 2040 liegt der Weltenergieverbrauch um 15,4 % höher bei prognostizierten 946 Billiarden Btu als im Referenzfall. Im Falle eines niedrigeren Wachstum liegt die Prognose im Jahr 2040 bei 733 Billionen Btu und damit 10, 6 % niedriger. Die Analyse zeigt, dass trotz eines niedrig prognostizierten Wirtschaftswachstums der Weltenergieverbrauch im Vergleich zu 2010 im Jahr 2040 um 39 % steigen wird “ (Sieminski A. 2016, EIA - IEO2013 S. 19).

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Abbildung 3 Prognose zum weltweiten Energieverbrauch bis zum Jahr 2040 (Sieminski A. 2016, EIA)

„Renewable energy and nuclear power are the world's fastest-growing energy sources, each increasing by 2.5 percent per year. However, fossil fuels continue to supply almost 80 percent of world energy use through 2040. Natural gas is the fastest-growing fossil fuel in the outlook. Global natural gas consumption increases by 1.7 percent per year. (...) The industrial sector continues to account for the largest share of delivered energy consumption; the world industrial sector still consumes over half of global delivered energy in 2040“ (Sieminski A. 2016, EIA - IEO2013 S.1). Der Aufwand zur Förderung, Verarbeitung und Umwandlung der Primär- in Sekundärenergieformen und der Transport endlicher Ressourcen, um die von der Wirtschaft benötigten Stoffflüsse zu sichern, ist aufwendig und wird mit zunehmender Verknappung noch aufwendiger. Bei weiter ansteigendem Verbrauch der Ressourcen werden die für die Wirtschaft notwendigen „physischen Voraussetzungen, die sämtlichen biologischen und industriellen Aktivitäten zugrunde liegen - fruchtbare Böden, Mineralien, Metalle, Energie sowie Ökosysteme der Erde, die Abfallsysteme aufzunehmen und das Klima bestimmen“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 52) nicht mehr ausreichend zur Verfügung stehen. Die Ressourcen in neu entdeckten Lagerstätten lagern in immer größeren Tiefen und weiter entfernt von den Verbrauchsorten. Um beispielsweise Erdöl zu fördern oder auch um für die Elektrotechnik notwendiges Kupfer abzubauen, zu verarbeiten und zu transportierten wird immer mehr Kapital und Energie erforderlich sein (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 150).

3.1.2 Beispiel - Förderung von Kupfer

Als Beispiel für die Förderung von Mineralvorräten der Erde wird der Abbau des Werkstoffs Kupfer genannt. Dieser ist wegen seiner guten elektrischen Leitfähigkeit vor allem in der alternativen Antriebstechnik und bei erneuerbaren Energien sowie in der Elektrotechnik zur Produktion von Statorwicklungen für Elektromotoren und Generatoren von großer Bedeutung. Die Miene Minera Escondida Limitada mit Firmensitz in Chile ist mit 38 % des weltweit geförderten Kupfers nach Angaben des Unternehmens das größte Kupferbergwerk der Erde (Minera Escondida Ltda. 2015). Zum Abbau des Kupfererzes werden pro Tag ungefähr 1,4 Tonnen Abraum bewegt, welche als Gesteinsschichten bezeichnet werden, die das Nutzmaterial Kupfer überdecken (BHP Billiton Ltd. 2016). Die Abbildung 3 zeigt, wie die Konzentration des Kupfererzes über die Jahre des Abbaus ständig sinkt - von 1,72 % in 2007 zu 0,97 % im Jahr 2011, was einem Rückgang von 43 % in 4 Jahren entspricht (Arseneau G. 2016, Oracle Mining Corp.).

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Abbildung 4 Abnehmender Kupfergehalt der Minera Escondida Limitada (Arseneau G. 2016, Oracle Mining Corp.)

Durch den fortschreitend sinkenden Gehalt an zu nutzbarem Kupfer steigt der Aufwand an Abraum, der durch Zerkleinerungs- und Aufbereitungsprozesse aufgewendet werden muss, um an das Metall in den Erzen zu gelangen. Abbildung 4 zeigt, dass, wenn der Metallgehalt des Erzes unter 3 % sinkt, wird der Abraum pro Tonne, welcher zur Gewinnung des Metalls aufgewendet werden muss, enorm ansteigen. „Mit sinkendem Metallgehalt der Erze muss pro Tonne nutzbarer Ressource mehr Gestein abgebaut werden, in kleinere Partikel zerkleinert und aufwendiger in die mineralischen Bestandteile aufgetrennt werden; außerdem entstehen weit größere Abraumhalden“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 151). „Dieser Anstieg der Abfallmenge verläuft weitgehend parallel zum Anstieg der für die Produktion jeder Tonne des Endmaterials erforderlichen Energiemenge. Die Erschöpfung der Metallerze beschleunigt daher die Erschöpfung der fossilen Brennstoffe und belastet die Senken der Erde zunehmend“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 107).

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Abbildung 5 Erhöhung Abraum nach Metallgehalt des Erzes (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 151)

3.2 Senken - Die Schadstoffe

Entlang des Lebensweges eines jeden Energieträgers fallen Umweltbelastungen an. Beginnend bei der Förderung der aus der Erde entnommenen Primärenergieträger, dem Transport zur Weiterverarbeitung und Umwandlung zum Beispiel in einem Kraftwerk oder einer Raffinerie, dem weiteren Transport des Sekundärenergieträgers und bei der Nutzung durch Verbraucher und Industrie als Endenergie. Auch am Ende der wirtschaftlichen Nutzung werden Materialien, die nicht recycelt und wieder verwertet werden können, zu Abfällen und Schadstoffen, die als Senken an die Natur zurückgegeben werden. „Stoff- und Energieströme fließen von den Quellen unseres Planeten durch das wirtschaftliche Subsystem zu den Senken unserer Erde, die Abfälle und Schadstoffe aufnehmen“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 52 ff). Schadstoffe „sind in der Umwelt vorkommende Stoffe, von denen bei gefährlichen Konzentrationen schädliche Wirkungen auf Lebewesen und Sachgüter ausgehen können“ (Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? S. 162).

Bei der Gewinnung und Umwandlung der fossilen Primärenergieträger Stein- und Braunkohle sind die Umweltauswirkungen partielle Absenkungen der Erdoberfläche und großflächiger Verbrauch von Flächen und Staubbelastungen durch Abraumhalden. Weitere Auswirkungen bei der Förderung und Weiterverarbeitung sind Methanemissionen, welche auch bei der Gewinnung von Erdöl und Erdgas freigesetzt werden (Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? S. 159 ff.).

Bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Nutzung als Endenergie Strom, zur Erzeugung von Wärme oder um Motoren und Maschinen anzutreiben, entstehen Luftschadstoffe, da sich diese bei der Verbrennung nicht wieder zu fossilen Brennstoffen zusammenschließen. Bei der Verbrennung von Kohle und Schwefel entsteht gasförmiges Schwefeldioxid (SO2), das laut medizinischen Untersuchungen bei hoher Konzentration in der Atemluft schädigend für die Lunge ist. Weitere unerwünschte Nebenprodukte bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe sind die Abgase Stickoxide (NOx) und Kohlenstoffdoxid (CO2).

Die als Treibhausgase bezeichneten gasförmigen Stoffe tragen zu einer ansteigenden Konzentration in der Atmosphäre bei (Wagner H. 2008, Was sind die Energien des 21. Jahrhunderts? S. 163 ff.). „Treibhausgase behindern die Abstrahlung von Wärme von der Erde in den Weltraum. Diese Eigenschaft ihrer Molekülstruktur und ihrer spektroskopischen Absorbationsfrequenzen ist schon lange bekannt“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 117). Durch die Behinderung der Abstrahlung wird die Wärme zurückgehalten. Die Temperatur auf der Oberfläche der Erde erhöht sich. Die Verteilung der Erwärmung ist inhomogen und tritt an den Polen stärker auf als am Äquator. Die Erwärmung kann so stark werden, dass die polaren Eiskappen an den Polen schmelzen können und der Meeresspiegel ansteigt. Die Kohlendioxidemissionen steigen durch die wirtschaftlichen Aktivitäten und den Konsum der Verbraucher exponentiell an. „Given current policies and regulations limiting fossil fuel use, worldwide energy- related carbon dioxide emissions rise from about 31 billion metric tons in 2010 to 36 billion metric tons in 2020 and then to 45 billion metric tons in 2040, a 46-percent increase“ (Sieminski A. 2016, EIA - IEO2013 S. 1).

3.3 Der ökologische Fußabdruck

Die menschliche Wirtschaft verbraucht viele Ressourcen der Quellen, von denen einige in diesem Jahrhundert noch die Grenze ihrer Verfügbarkeit erreicht haben und zurückgehen werden und führt sie nach deren Nutzung den Senken zu. „Die vorhandenen Grenzen (...) betreffen nicht das Ausmaß wirtschaftlicher Aktivitäten des Menschen, die sich durch das globale Bruttosozialprodukt ausdrücken lassen, sondern diese Grenzen beschränken den ökologischen Fußabdruck menschlicher Aktivitäten (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 121).

Der ökologische Fußabdruck ist von William E. Rees und Mathis Wackernagel entwickelt worden und vergleicht auf Basis der ökologischen Ressourcennutzung und der Ressourcenkapazität die Leistungsfähigkeit des Systems Erde. „Er ermöglicht es, hochkomplexe Zusammenhänge der Wechselwirkungen zwischen Produktions- bzw. Konsumaktivitäten und der Belastung der Ökosysteme in einfacher und verständlicher Form darzustellen“ (Ittershagen M. 2007, Umweltbundesamt - Untersuchung S. 7). Gemessen in Hektar umfasst der ökologische Fußabdruck jene Fläche, welche als biologische Kapazität für die Aktivitäten der Menschheit innerhalb eines bestimmten Zeitraums (meistens ein Jahr) zur Verfügung gestellt werden muss, um die benötigten Ressourcen bereitzustellen und ihre Schadstoff- und Abfallsenken aufzunehmen. Die Berechnung kann global für ganze Nationen erstellt werden, ebenso regional für eine Region, eine Stadt, ein Unternehmen, einen Haushalt oder eine Person. Sie basiert auf der Annahme einer Nachhaltigkeit in starker Ausprägung durch eingeschränkte Substitution von Naturkapital durch menschen-produziertes Kapital (Erläuterung starke Nachhaltigkeit vgl. Kapitel 4.1.1).

Zur Berechnung des ökologischen Fußabdrucks eines Landes wird die Gesamtnachfrage des Bedarfes an nationalem Konsum im jeweiligen Jahr berechnet als „Konsum = Produktion + Importe - Exporte“ und folgt „demnach dem Prinzip der Konsumentenverantwortung“ (Ittershagen M. 2007, Umweltbundesamt - Untersuchung S. 11). Die Güter, welche exportiert werden, werden dem Land zugerechnet, welche sie als Nachfrager konsumiert.

Dieser in diesem Jahr ermittelte Konsum wird dann biologisch produktiven Flächen des Landes zugeordnet, welche notwendig wären, um die Ressourcen für den Konsumbedarf zu produzieren und die Flächen bereit zu stellen, um die produzierten Abfälle und Schadstoffe aufzunehmen. Die Flächen sind Ernteflächen, Weideflächen, Fischereigründe, Waldflächen, bebautes Land und Energieflächen bzw. CO2- Absorptionsflächen. Bezüglich der Nutzung fossiler Energieträger erfolgt die Berechnung auf der Basis „der Landfläche, die benötigt wird, um das aus der Nutzung fossiler Energieträger emittierte CO2 auf Waldflächen zu binden (Ittershagen M. 2007, Umweltbundesamt - Untersuchung S. 13). Die Summe aller benötigten Flächen zur Deckung des Konsumbedarfs des Landes entsprechen dem Ergebnis des ökologischen Fußabdruckes und werden nach Multiplikation mit einem Äquivalenzfaktor, der landesspezifische unterschiedliche Produktionsniveaus ausgleicht, als globale Hektar pro Kopf ausgedrückt (Wackernagel M. 2016, Global Footprint Network).

Im nächsten Schritt werden dann die im Land verfügbaren biologisch produktiven Flächen nach der gleichen Spezifizierung wie die für den Konsum benötigten Flächen ermittelt und deren Summe als die zur Verfügung stehende Biokapazität ausgedrückt. Die für den Konsumbedarf benötigten Flächen werden dann durch die im Land lebende Bevölkerung dividiert um die Fläche pro Kopf zu erhalten und mit den in dem jeweiligen Land zur Verfügung stehenden Flächen verglichen. Liegt die Gesamtfläche, die benötigt würde um dem Konsumbedarf des Landes gerecht zu werden, ausgedrückt als ökologischer Fußabdruck, im Vergleich zu der zur Verfügung stehenden Biokapazität des Landes über der biologisch verfügbaren produktiven Fläche, so hat das Land ein Defizit zur Deckung des Konsumbedarfs. Ein ökologisches Defizit ist erreicht, wenn der ökologische Fußabdruck die Biokapazität übersteigt. „Das untersuchte Land verbraucht somit mehr natürliche Ressourcen, als es selbst bereitstellen kann“ (Ittershagen M. 2007, Umweltbundesamt - Untersuchung S. 20). Liegt das Gegenteil vor, dann hat das Land noch Reserven.

Weiter wird durch eine erweiterte Betrachtung mit dem ökologischen Fußabdruck des Landes noch ermittelt, wie viele Erden notwendig wären, wenn die ganze Welt die jährliche Höhe an Konsumverbrauch hätte wie das ermittelte Land.

3.3.1 Der ökologische Fußabdruck Deutschlands und der Welt

Die Organisation Global Footprint Network (GFN) ermittelt unter der Leitung seines Präsidenten Mathis Wackernagel, den jährlichen Ökologischen Fußabdruck und erstellt Statistiken, um auf die Endlichkeit der Ressourcen hinzuweisen. Sie setzt sich dafür ein, dass die Auswertung als Buchhaltungssystem natürlicher Ressourcen in Politik und Gesellschaft, wie das Bruttosozialprodukt, weltweit Anwendung findet (Wackernagel M. 2016, Global Footprint Network).

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Tabelle 5 Ökologischer Fußabdruck Land Deutschland - Ergebnisse 2012

NFA 2016 Public Data Package - (Wackernagel M. 2016, Global Footprint Network)

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Tabelle 6 Biokapazität Land Deutschland - Ergebnisse 2012

NFA 2016 Public Data Package - (Wackernagel M. 2016, Global Footprint Network)

Am Beispiel Deutschlands beläuft sich der errechnete ökologische Fußabdruck laut den Daten von NFA im Jahr 2012 bei einer Bevölkerung von 82,8 Millionen Menschen auf 438 Millionen globale Hektar benötigte Biokapazität, 5,3 globalen Hektar pro Kopf. Das Defizit liegt somit im Vergleich zu der zur Verfügung stehenden Biokapazität, die 2,3 gha p.c. beträgt, bei 3,0 gha p.c, was über dem weltweiten Durchschnitt liegt. Der weltweite ökologische Fußabdruck beträgt 2,8 gha p.c. bei 1,7 gha p.c. zu Verfügung stehenden Biokapazität (Wackernagel M. 2016, Global Footprint Network). Würden alle Länder der Erde soviel natürliche Ressourcen zur Denkung ihres Konsumbedarfs und Befriedigung ihrer Bedürfnisse für sich beanspruchen wie Deutschland, würde die Menschheit auf Basis der NFA Daten aus dem Jahr 2012 3,1 Erdplanten benötigen. Ein erheblicher Teil des Fußabdrucks entfällt auf den Kohlenstoff-Fußabdruck. Er berechnet sich aus dem Land das man benötigen würde, um das aus fossilen Brennstoffen erzeugte CO2 zu absorbieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Entwicklung ökologischer Fußabdruck zu Biokapazität seit 1961 - Deutschland - NFA 2016 Public Data Package (Wackernagel M. 2016, Global Footprint Network)

Vergleicht man die Daten Deutschlands mit denen der Vereinigten Staaten von Amerika, so liegt deren ökologischer Fußabdruck bei 8,2 gha p.c., d.h. es würden 4,8 Erdplaneten benötigt. Betrachtet man wirtschaftlich weniger entwickelte Länder wie zum Beispiel Afrika, so liegt deren ökologischer Fußabdruck mit 1,4 gha p.c. unter dem weltweiten Durchschnitt. Die wirtschaftliche Entwicklung hängt somit unmittelbar mit dem ökologischen Fußabdruck zusammen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 Entwicklung ökologischer Fußabdruck zu Biokapazität seit 1961 - Welt - NFA 2016

Public Data Package (Wackernagel M. 2016, Global Footprint Network)

3.3.2 Analyse des ökologischen Fußabdrucks Deutschlands und der Welt

Betrachtet man den ökologischen Fußabdruck Deutschlands (Abbildung 6) und Weltweit (Abbildung 7) so ist zu erkennen, dass durch einen Anstieg des Fußabdrucks ein vermehrt dauerhaft ökologisches Defizit entsteht, welches die biologisch leistungsfähige Kapazität der Landflächen übersteigt. Es handelt sich um einen ökologischen „Overshoot“, der sich einstellt, wenn die Nachfrage natürlicher Ressourcen die vorherrschenden Bestände und die regenerativen Möglichkeiten übersteigt. „Der ökologische Fußabdruck der Menschheit vergrößert sich, wenn Ressourcenabbau, Schadstoffemissionen und Bodenerosion zunehmen oder biologische Vielfalt vernichtet wird, ohne dass gleichzeitig andere Auswirkungen des Menschen auf die Natur vermindert werden“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 299). „Der ökologische Fußabdruck lässt sich (...) verringern (...) durch effizientere Energienutzung oder durch eine Umstellung auf eine andere Energiequelle“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 125). Um der Verknappung der Primärenergieressourcen entgegenzuwirken und den ökologischen Fußabdruck zu verkleinern, muss eine Entkoppelung des Wirtschaftswachstums vom Primärenergieverbrauch stattfinden; ein Übergang in nachhaltige Entwicklung.

4. Nachhaltigkeit und Ressourcenproduktivität

4.1 Definition der Nachhaltigkeit

Die Konzepte möglicher langfristiger Alternativen der Ressourcennutzung zum Schutz der Umwelt bezeichnet den Begriff der Nachhaltigkeit, welcher im Jahr 1987 durch die Weltkommission für Umwelt und Entwicklung (WCED=World Commission on Environment and Development) in einem Zukunftsbericht, dem sogenannten Brulandt-Bericht, mit dem Titel „Unsere gemeinsame Zukunft“ („Our Common Future“) geprägt worden ist. Die Kommission versteht unter der nachhaltigen Entwicklung eine Entwicklung, „die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen und ihren Lebensstil zu wählen“ (Sachsen K. 2016, Lexikon der Nachhaltigkeit - Weltkommission für Umwelt und Entwicklung (Brulandt Bericht). Grundsätzlich ist die Definition einer nachhaltigen Entwicklung, wenn sie „die Bedürfnisse der Gegenwart befriedigt, ohne zu riskieren, dass künftige Generation ihre eigenen Bedürfnisse nicht befriedigen können“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2006, Nachhaltigkeit S. 7). Da Nachhaltigkeit sowohl ökologische als auch ökonomische Problemstellungen betrifft, hat sie drei Dimensionen: Ökologie, Ökonomie und Soziales.

Nachhaltige Entwicklung bezeichnet einen Prozess gesellschaftlicher Veränderung, während der Begriff der Nachhaltigkeit (sustainability) das Ende, den Abschluss eines solchen Prozesses, also einen Zustand beschreibt (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 11). Nachhaltige Entwicklung beschreibt den Prozess, der notwendig ist, um die Nachhaltigkeit zu erreichen.

Nachhaltige Entwicklung hat bezüglich ihrer Zielausrichtung zwei duale Verständnisse welche jeweils die gegenwärtige und zukünftige Situation beschreiben. Beim ersten Doppelverständnis handelt es sich um die Bewahrung von nicht erneuerbaren Ressourcen der Natur in der Gegenwart als Verantwortung für zukünftige Generationen und gleichzeitigt die Entwicklung von nachhaltigen Produktlösungen zur Sicherung der Zukunft. Das erste Ziel betrifft also zum einen das Bestreben der statischen Erhaltung von natürlichen Ressourcen, zum anderen die dynamische Entwicklung von Produktlösungen. Wichtig ist dabei, dass man sich einer nachhaltigen Entwicklung nicht annähert, wenn man eine dieser Zielausrichtungen nicht dauerhaft berücksichtigt.

Die zweite Dualität der Nachhaltigkeit stellt „eine Reaktion auf bestehende Probleme dar, zu denen (...) die globale Umwelt- und Entwicklungsproblematik“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 13) zum einen gehört, „zum anderen wirft die Bewältigung dieser Probleme unausweichlich Fragen nach gesellschaftlichen Zielvorstellungen und Visionen für die Zukunft auf“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 14). Auch hier werden jeweils beide Seiten benötigt, um die Ziele zu erreichen.

4.1.1 Ausprägung der Nachhaltigkeit

Bei der Ausprägung unterscheidet man zwischen schwacher und starker Nachhaltigkeit, jeweils extrem ausgeprägt. Rein schwache Nachhaltigkeit bezeichnet die vollständige Substitution von natürlichen durch künstliche Ressourcen in Form von Human- und Sachkapital. Das Gesamtkapital an natürlich und künstlich produzierten Ressourcen kann gleichbleiben oder wachsen. Bei diesem Modell steht nicht die Aufrechterhaltung der Umwelt im Vordergrund, sondern zum Beispiel rein wirtschaftliche Interessen von Unternehmen. Dabei gefährdet der Verlust des Naturkapitals durch die Substitution in Wirtschaftskapital die natürliche Lebensgrundlage des Menschen. Das Modell der starken Nachhaltigkeit bezeichnet eine Nicht-Austauschbarkeit von natürlichen mit künstlichen Ressourcen durch kompletten Verzicht auf den Abbau und die Nutzung nicht erneuerbarer natürlicher Ressourcen. In ihrer jeweiligen Extremausprägung sind die Modelle nicht umsetzbar und orientieren sich nicht an den Bedürfnissen der Menschen. Das Ziel ist der Mittelweg zur nachhaltigen Entwicklung, bei der eine begrenzte Substitution von Naturkapital zu künstlichem Kapital auf der Grundlage erlaubt ist, dass lebensnotwendige Güter wie Luft und Wasser erhalten bleiben müssen. Für die anderen Ressourcen müssen Wege der Nutzung gefunden werden je nach deren Bedarf und Verfügbarkeit (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 68).

4.1.2 Entwicklung der Nachhaltigkeit

In der heutigen Zeit haben nachhaltige Entwicklungen in Wirtschaft, Politik und Gesellschaft an Bedeutung zugenommen. Strategische Ziele in Richtung Nachhaltigkeit werden durch Maßnahmen und Projekte gezielt auf nachhaltige Entwicklung hin ausgerichtet, erfasst und messbar gemacht. Der Fokus wird dabei auf Fachbereiche wie Energie & Klima, Ressourcenproduktivität, Bildung für Nachhaltige Entwicklung, nachhaltige Integration und nachhaltige Mobilität gelegt. Die Umsetzung der erarbeiteten Strategien erfolgt mit Stakeholdern wie Unternehmen und Kommunen (Wehle V. 2016, Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden Württemberg). Nachhaltige Entwicklung hat sich auch in der Wirtschaft etabliert. „Viele Unternehmen haben entsprechende Strategien und Geschäftsmodelle entwickelt und sich einem Unternehmensethos der Nachhaltigkeit verpflichtet“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 12). Doch „die kurzfristigen Zielsetzungen in unserer Wirtschaft wie Gewinnmaximierung und Kapitalakkumulierung sind eines der Haupthindernisse für eine nachhaltige Entwicklung“ (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 18). Das Ziel der Wirtschaft müssen Nachhaltigkeitskonzepte sein, welche mit unternehmerisch langfristigen Zielen einhergehen. Doch „der sich verstärkende Widerspruch zwischen zunehmendem Wohlstand und Ressourcenverbrauch einerseits und der zunehmenden Umweltbelastung und Ressourcenbegrenzung andererseits, verlangt ein Umdenken in Richtung einer ökologisierten Wirtschaft, einer Ausrichtung von der Arbeitsproduktivität hin zur Ressourcenproduktivität“ (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 12) „Eine Umsteuerung auf nachhaltige Entwicklung muss daher wesentlich am Wirtschaftsprozess ansetzen“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 57).

4.2 Definition der Ressourcenproduktivität

In Kapitel 3 wurde erläutert, dass der Ressourcenverbrauch der Erde angesichts der wachsenden Weltbevölkerung und wirtschaftlichen Entwicklung stetig zunimmt. Der hohe Verbrauch, die Rohstoffverknappung, die Ungleichheit des Zugangs, die Verteilung der Ressourcen und aufwendigere Rohstoffförderungen führen zu Preissteigerungen an den Märkten. Durch begrenzte Vorkommen drohen in der Zukunft Konflikte um endliche Rohstoffe. Gleichzeitig steigt auch der Anteil, der als Rest- und Schadstoffe an die Natur zurückgegebenen Rohstoffentnahmen beträchtlich an. Der ökologische Fußabdruck steigt ebenfalls an.

Der Begriff "Nachhaltigkeit", in Kapitel 4.1 ausgeführt, beschreibt einen Weg für mögliche Alternativen, welche auf der Annahme basiert, dass es „angesichts der ökologischen Grenzen (...) keinen neuen Wachstumszyklus geben“ darf „ der erneut auf zusätzlichem Verbrauch von Energie, Wasser und Mineralien basiert. Der neue Zyklus muss „grün“ sein - oder er wird nicht stattfinden“ (Weizsäcker E.U. 2010, Faktor Fünf S. 25). Ein effizienter ökonomischer Ansatz, dieser Entwicklung nachhaltig entgegenzuwirken, ist die Steigerung der Ressourcen,- und Rohstoffproduktivität und -effizienz. „Die Ressourceneffizienz ist ein Maß für den Umgang einer Volkswirtschaft mit den verfügbaren Ressourcen und beschreibt das Verhältnis zwischen Wertschöpfung (...) und dem zu ihrer Erzeugung notwendigen Ressourceneinsatz“ (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 115).

Die Zielstellung ist es, die Produktivität der erzeugten Gütermenge zu steigern und den Einsatz von Rohstoffen zu vermindern. Dies führt zu einer Entkoppelung des Wirtschaftswachstums vom Ressourcenverbrauch, die bisher zusammenhängen. Die Ressourceneffizienz wächst in höherem Maße als das Wachstum der Wirtschaft. Durch die gesteigerte Effizienz muss das zukünftige Wirtschaftswachstum nicht zwangsläufig ein "Mehr" an Verbrauch von Rohstoffen bedeuten (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 23 ff.). „Der ökologische Fußabdruck könnte verkleinert werden durch (...) die Anwendung von Technologien die eine effizientere Nutzung der Ressourcen ermöglichen“ (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 10). Die Auswertung des ökologischen Fußabdrucks am Beispiel von Deutschland (vgl. Kapitel 3.3.1) zeigt vor allem am erheblich großen Anteil des Kohlenstoff-Fußabdruckes, dass sich ein Großteil des Ressourcenverbrauchs und seine Folgen stark auf bestimmte Technologien und Konsumgüter konzentriert. Diese Konzentration bedeutet, dass durch eine vergleichsweise kleine Änderung von Konsumverhalten, Produktionsverfahren oder Endenergienutzung eine große Wirkung beim Ressourcenverbrauch erzielt werden könnte.

Die Umwandlung der Ressourcen zu Produkten erfolgt durch Unternehmen der Wirtschaft. Das Verhältnis von Unternehmen und deren technischen Produkte und die nachhaltige Entwicklung sind ambivalent: Die Technik, welche von den Unternehmen produziert werden „wird einerseits als Problem für nachhaltige Entwicklung und als Verursacher vieler Nachhaltigkeitsprobleme gesehen, andererseits aber als Lösung von Nachhaltigkeitsproblemen“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 214). Die Effizienzsteigerungen durch Produkt- und Prozessinnovationen müssen von den Unternehmen ausgehen, da diese Sachkenntnis über die jeweiligen Produkte verfügen. Deren wichtigste Frage muss lauten: Welches Produkt wird am Markt gefordert, wie kann dies mit möglichst geringem Materialeinsatz und Belastung der Umwelt hergestellt und dem Markt zur Verfügung gestellt werden? Die Wirtschaftsunternehmen bilden so mit ihren Fähigkeiten in Produktentwicklung, Produktionstechnik und ihren Produkten die Ausgangsbasis für zukünftiges Wirtschaften und den Konsum. Sie müssen in einem ökologischen Wachstumsmanagement ihre Unternehmensziele nach ressourcenproduktiven Zielsetzungen beispielsweise durch Verdoppelung des Outputs bei Halbierung des Inputs ausrichten. So entstehen durch nachhaltige Entwicklung neue Konsumgüter, die weniger Ressourceneinsatz erfordern. „Ein neuer hypoethischer wirtschaftlicher Entwicklungszyklus muss durch zunehmende Ressourcenproduktivität, Nachhaltigkeit und Suffizienz gekennzeichnet sein“ (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 13). Die Steigerung der Ressourcenproduktivität hat vier Hauptziele (Dahmen B. 2016, SMS group GmbH - Ecoplants):

- Signifikante Reduzierung von Rohmaterialeinsatzes
- Signifikantes Reduzierung des Einsatzes von Energie- und Betriebsstoffen
- Signifikante Reduzierung von Emissionen
- Signifikante Verbesserung der Recycling-Quote

Das Buch „Faktor Fünf - Die Formel für nachhaltiges Wachstum“ von E. U. von Weizsäcker geht davon aus, „dass eine Reduzierung der Umweltbelastung um den Faktor Fünf ein vernünftiges und realistisches mittelfristiges Ziel ist“ und sieht „ein Potenzial für eine fünffache Erhöhung der Ressourcenproduktivität“ (Weizsäcker E.U. 2010, Faktor Fünf S. 12 und 40). Die Steigerung der Ressourcenproduktivität bedeutet, dass für den eingesetzten Rohstoff die Produktivität der erzeugten Gütermenge gesteigert wird. „Oder anders herum: Die pro erzeugter Gütermenge eingesetzten Rohstoffmengen müssen drastisch vermindert werden, um so das Wirtschaftswachstum und den Ressourcenverbrauch zu entkoppeln“ (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 23). Das Wirtschaftswachstum wird durch neue Technologien weiter steigen, aber der Verbrauch von bestimmten endlichen Ressourcen wird gesenkt durch effizientere Nutzung. Es handelt sich um ein qualitatives Wachstum, welches durch Produkt- und Prozessinnovationen zu einer effizienteren Wirtschaftsleistung führt. Die Basis hierzu bilden Effizienz-, Konsistenz-, und Suffizienzstrategien (Suffizienz = Maßhalten).

4.2.1 Effizienz-, Konsistenz- und Suffizienzstrategien

Zur effektiveren Nutzung der Ressourcen gibt es drei Strategien. „Die Effizienz­Strategie zielt im Sinne des „wirtschaftlichen Prinzips“ auf eine Minimierung des Material- und Energieeinsatzes pro Produktionseinheit“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 92). Sie soll von Wirtschaftsunternehmen durch neue ressourcenschonendere Produktionsverfahren eingesetzt werden, um energieeffizientere Produkte mit gesteigerten Wirkungsgraden zu fertigen.

So soll durch die Effizienzstrategie eine „Dematerialisierung“ und „Minimierung des Material- und Energieeinsatzes pro Produktionseinheit“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 14) erreicht werden. „Beide Komponenten der Innovationsstrategie steigern die Ressourcenproduktivität und entkoppeln Wirtschaftswachstum und Ressourcenverbrauch“ (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 25). Es sollen Möglichkeiten gefunden werden, wie durch technischen Fortschritt, vermindertem Materialverbrauch und Energieeinsatz ein gleiches oder optimiertes Ergebnis zu erzielen ist.

Die zweite Strategie Konsistenz betrifft die Umsetzung stofflicher Substitution. Die Strategie „zielt auf die Anpassung der durch menschliches Wirtschaften erzeugten Stoffströme an die natürlichen Stoffwechselprozesse“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 93) ab. Im Energiebereich betrifft die Konsistenzstrategie die stoffliche Substitution fossiler Energieträger durch den Ersatz regenerativer Energieträger.

Die Vertreter der dritten Suffizienz-Strategie verfolgen Nachhaltigkeitsziele, die über die Effizienz- und Konsistenzstrategien hinausgehen. Sie stellen generell das Konsumverhalten und wirtschaftliches Wachstum der Industrienationen in Frage und proagieren mit den Zielen der Postwachstumsgesellschaft einen nachhaltigen Lebensstil nach „dem Prinzip der Genügsamkeit und der Selbstbegrenzung“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 93). So sollen Konsumenten von Gütern veranlasst werden, „den Konsum von ressourcenintensiven Gütern durch andere Güter zu ersetzen“ (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 25).

Im Folgenden wird hauptsächlich nach Lösungen auf Basis der Modelle Effizienz- und Konsistenzstrategie im produktiv wirtschaftlichen Umfeld gesucht, da die Lösungsfindung auf Basis der Suffizienz-Strategien vielfach mit politischen Systemen und deren Ausrichtungen im Zusammenhang stehen, welche das Thema der Master­Thesis übersteigen. Die Steigerung von Effizienz und Produktivität der Ressourcen soll erreicht werden durch den Einsatz von energie- und materialsparenden Technologien, welche bisherige ineffiziente Produktlösungen substituieren. Die Optimierung und Verbesserung von Produkten und Produktionsabläufen durch Produkt- und Prozessinnovationen erfolgt unter wirtschaftlichen Aspekten (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 23 ff.).

4.2.2 Das deutsche Ressourceneffizienzprogramm

Das Bundeskabinett Deutschland hat im Jahr 2012 das deutsche Ressourceneffizienzprogramm (ProgRess) als Teil der Nachhaltigkeitsstrategie beschlossen, mit dem Ziel, „die Entnahme und Nutzung natürlicher Ressourcen nachhaltiger zu gestalten sowie die damit verbundenen Umweltbelastungen so weit wie möglich zu reduzieren“ (Schroeren M. 2016, BMUB - ProgRess II vom 06.07.2016 S. 2). Der Fortschrittsbericht ProgRessII vom 06.07.2016 bewertet die Fortschritte bezüglich der Ressourcenproduktivität in Deutschland. Der Bundestag stellt fest, dass „angesichts der Endlichkeit der natürlichen Rohstoffe, zunehmend erschwerter Abbaubedingungen, handelsverzerrender Ressourcenpolitiken sowie absehbarer Preis- und Verteilungskonflikte bei mineralischen und energetischen Rohstoffen (...) die Verringerung des Ressourcen- und Materialverbrauchs zum Schutz der Umwelt und des Klimas unabdingbar “ sind und „die Nutzung der natürlichen Ressourcen (...) die Regenerationsfähigkeit der Erde deutlich“ übersteigt. „Die Verringerung des Rohstoff- und Materialverbrauchs ist eine der zentralen Herausforderungen unserer Zeit “ (Schroeren M. 2016, BMUB - ProgRess II vom 06.07.2016 S. 4). In dem Fortschrittsbericht begrüßt der deutsche Bundestag, dass die Bundesregierung sich für die Steigerung der Ressourceneffizienz einsetzt und den Indikator „Gesamtrohstoffproduktivität“ entwickelt hat, der sowohl Material- als auch Energieströme entlang der gesamten Wertschöpfungskette bei der Nutzung von Rohstoffen berücksichtigt und bis zum Jahr 2030 eine 30-prozentige Steigerung im Vergleich zu 2010 verfolgt. Zur Erreichung des Ziels soll die nachhaltige Produktverantwortung durch Förderung, Zusammenarbeit und Unterstützung mit Unternehmen, Ministerien und Verbänden ausgeweitet und ungenutzte Werkstoffpotenziale über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg untersucht werden. Die Nachhaltigkeitsziele sollen auch global verfolgt werden laut Gründung der „G7 Alliance on Ressource Efficiency“ im Jahr 2015 (Schroeren M. 2016, BMUB - ProgRess II vom 06.07.2016 S. 4 ff.).

4.2.3 Messung der Ressourcenproduktivität

Im Sommer 2001 sind von der Europäischen Union auf Basis der Sicherstellung von Wirtschaftswachstum , Umweltschutz und sozialer Integration, EU- Nachhaltigkeitsstrategien vereinbart worden, die sogenannte Lissabon-Strategie. Die Zielvorgaben betreffen die Reduzierung des weltweiten Ressourcenverbrauchs um durchschnittlich 50 % in den nächsten 20 Jahren mit gleichzeitiger Erhöhung der Ressourcenproduktivität der Industrieländer um den Faktor 10 (Sachsen K. 2016, Lexikon der Nachhaltigkeit - Ressourcenproduktivität, Schroeren M. 2016, BUMB).

„Maßgeblich für die nachhaltige Entwicklung durch die Effizienzstrateg ien ist „eine Gesamterfassung der Nachhaltigkeitseffekte in den Phasen der Entwicklung und Produktion, der Diffusion, der Nutzung und ihrer Entsorgung“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 216). Da technische Produkte sowohl positive als auch negative Nachhaltigkeitsanteile aufweisen, ist es für die Nachhaltigkeitsbewertung entscheidend, deren gesamten Lebenszyklus zu betrachten, „der von den primären Rohstofflagerstätten über Transporte und Verarbeitungsprozesse über die Art und Weise ihrer Nutzung bis hin zur Entsorgung reicht“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 216). Zur Messung der Ressourcenproduktivität hat Prof. Friedrich Schmidt-Bleek das Messverfahren MIPS erfunden mit dem Ziel, die Innovationspotenziale von ressourcenschonendem Wirtschaften aufzuzeigen:

Formel MIPS = Material-Input / Service-Einheit (MI/S)

Das Verfahren erfasst alle Energie- und Materialströme eines Produktes und dessen gesamten Ressourcenverbrauch während der Herstellung und misst den Einfluss auf die Umweltbelastung in jeder Lebensphase des Produktlebenszyklus. Der Material-Input entspricht den benötigten Ressourcen zur Herstellung eines Produktes wie Material und Energie und wird nach fünf Kategorien unterschieden: Abiotische (mineralische Rohstoffe, fossile Energieträger) und biotische Rohstoffe (Pflanzliche Biomasse), Bodenbewegung, Wasser und Luft. Die Stoffe und Ressourcen werden über Verrechnungsfaktoren in Gewichte umgerechnet, in MI- Faktoren (Ritthof M. 2002, Leitfaden: MIPS berechnen S. 15 ff.). Die Berechnung erfolgt ab der Entnahme der Rohstoffe aus der Natur inklusive des Abraums (vgl. Kapitel 3.1.2 Beispiel - Förderung von Kupfer) und aller Materialverbräuche während der Herstellung und Nutzung bis zur Entsorgung.

Die Service-Einheit ist die Basisgröße, die festgelegt werden muss, um verschiedenartige Produkte innerhalb eines Systems vergleichbar machen zu können und wird als Vergleichsmaßstab verwendet. Sie gibt den hauptsächlichen Nutzaspekt des zu betrachtenden Produktes an (Ritthof M. 2002, Leitfaden: MIPS berechnen S. 19 ff.).

MIPS macht besonders materialintensive Prozesse und Produktkomponenten ausfindig und bildet die Basis, auf dieser Grundlage um Optimierungsstrategien zu veranlassen. Der Kehrwert des Ergebnisses von MIPS entspricht dem Maß der Ressourcenproduktivität (S/MI) (Sachsen K. 2016, Lexikon der Nachhaltigkeit - Ressourcenproduktivität).

4.2.4 Potenzielle nachhaltige Methoden der Produktentwicklung

Der Übergang in eine nachhaltige Wirtschaft mit Steigerung der Ressourcenproduktivität durch Effizienz,- und Konsistenzstrategien obliegt technischen Innovationen, welche neue effektivere technische Produkte und Produktionsverfahren hervorbringen. Der Übergang fordert eine Optimierung des Verbrauchs, Nutzung regenerativer Ressourcen und die Verwendung nichtregenerativer Ressourcen mit dem Höchstmaß an Effizienz einzusetzen. Der Schwerpunkt liegt auf einer deutlichen Reduzierung des Verbrauchs unter Beachtung eines gesteigerten Bedarfs der Wirtschaft und Verknappung der Rohstoffe (vgl. Kapitel 3.2) durch umweltgerechte Konstruktion von Produkten. „Steigerung der Ressourcenproduktivität bedeutet, weniger natürliche Ressourcen einzusetzen, um eine minimale Umweltbelastung zu erreichen“ (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 76).

Durch die Steigerung der Ressourcenproduktivität mit Effizienz und Konsistenz wird unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ein zusätzliches Wachstum erzeugt, welches durch den Einsatz von ressourcenschonenderen Technologien nicht zwangsläufig auch ein „Mehr“ an Ressourcenverbrauch bedeutet. „Hinsichtlich der Umsetzung ruhen die Hoffnungen vor allem auf dem Einsatz von Technik bei der Produktherstellung und -nutzung“ (Grunwald A., Kopfmüller J. 2012, Nachhaltigkeit S. 93). Die Industrialisierung ist bisher fast ausschließlich auf die Nutzung fossiler Energieträger ausgerichtet. „Die zukünftige Entwicklung wird zunehmend durch eine Renaissance erneuerbarer Ressourcen gekennzeichnet sein“ (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 13).

Um vorhandene Produkte im Sinne der Ressourcenproduktivität zu optimieren, in ihrer Effizienz zu steigern oder gar neue Produkte zu erfinden, werden Methoden zur Innovationen und Produktentwicklung benötigt. Woher kommen Ideen für neue Produktentwicklungen?

Um am Markt dauerhaft erfolgreich zu sein benötigt ein Unternehmen Innovationen und Erfindungen. Die Zielsetzung ist die Gewinnung eines Mehrwerts in Form von technischer Erneuerung und Optimierung mit der Zielerreichung einer wirtschaftlich günstigeren Lösung und dadurch die Schaffung eines Wettbewerbsvorteils. Die gebräuchlichsten Innovationstechniken und Verfahren lassen sich in drei Gruppen aufteilen: Intuitive, Systematische und Widerspruchsorientierte Methoden (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 16). Die intuitive Methode ist das Brainstorming, in der Lösungen durch spontane Ideenfindung und eher zufällig entstehen. Zur Systematischen Methode gehört die Konstruktionsmethodik, welche nach VDI Richtlinie 2221 zur „Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte“ (Ungeheuer U. 2016, VDI) nach vorgegebenen systematisch geplanten Arbeitsschritten abläuft; von der Planung über den Entwurf bis zur produktionsreifen Ausarbeitung. Die dritte Methodik ist die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ. Diese basiert darauf, dass nach der präzisen Beschreibung des Problems und Festlegung der Aufgabenstellung zunächst ein Widerspruch definiert wird, um die Aufgabe dann mit Werkzeugen aus dem TRIZ Methodengebäude zu lösen. „Die Widerspruchslösung orientiert über die Anwendung umfangreicher Werkzeuge auf das „Ideal“ (Günther H.J. 2014, TRIZ und Bionik S. 16).

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• Hochschule: Hochschule Ravensburg-Weingarten (Betriebswirtschaft, Produktion und Märkte)
• Veranstaltung: Master
• Note: 1,8
• Autor: Ulrich Beller (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2016
• Seiten: 110
• Katalognummer: V1150780
• ISBN (eBook): 9783346538192
• ISBN (Buch): 9783346538208
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Nachhaltigkeit, TRIZ, Ressourcenproduktivität, Produktentwicklung, Antriebstechnik, Elektromotoren, Innovationsfindung, Widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik, Innovationscheckliste, Widerspruchsanalyse, Synchronmotor, Elektrische Maschinen, Stoff Feld Analyse, nachhaltige Zielsetzung