Was ist Ökodesign?

Ökodesign ist ein Ansatz, bei dem Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit eines Produkts in jeder Phase seines Lebenszyklus berücksichtigt werden – vom Produktdesign über den Herstellungsprozess bis hin zur Wiederverwendbarkeit – und direkt in das Design einfließen. Beim Ökodesign werden die Lebensdauer eines neuen Produkts und die Auswirkungen seiner Lebensdauer auf künftige Lebenszyklen berücksichtigt. Produkte, die unter ökologischen Gesichtspunkten entwickelt werden, unterliegen oft zusätzlichen Designanforderungen um das ideale Gleichgewicht zwischen Leistung, technischer Funktionalität und Nachhaltigkeit zu erreichen.

Bei der Entwicklung nachhaltigerer und umweltfreundlicherer Produkte werden viele Faktoren berücksichtigt, darunter folgende:

• Was ist die Lebensdauer des Produkts? Was passiert am Ende der Lebensdauer? Kann das Produkt so designt werden, dass es demontiert werden kann, um Verschleißteile zu ersetzen (d. h. Verlängerung der Lebensdauer)? Gibt es ein System zur Rückgewinnung von Produkten am Ende der Lebensdauer?
• Wie wirken sich die Werkstoffe und Prozesse, die in den verschiedenen Herstellungsphasen eines Produkts verwendet werden, auf die Umwelt aus (Energiebedarf, CO₂-Bilanz, Wasserverbrauch usw.)? Lassen sich stattdessen neue Werkstoffe und Verfahren einsetzen, die nicht zu den bevorzugten Werkstoffen und Lieferanten des Unternehmens gehören?
• Fördern Hersteller Energieeffizienz durch erneuerbare Energien oder werden fossile Brennstoffe zur Herstellung des Produkts verwendet?
• Wie sieht der CO2-Fußabdruck des Produkts aus?
• Was sind die Hauptverursacher (z. B. Bauteile, Transport, Produktverwendung usw.) und was lässt sich ändern, um eine maximale Reduzierung zu erreichen?
• Sind die beabsichtigten Rohstoffe nachhaltig oder gibt es umweltfreundlichere Optionen (z. B. höhere Recyclinganteile, Nutzung grüner Energie oder Einsatz neuer umweltfreundlicher Prozesse)?

Diese Fragen können während der Design- und Produktentwicklungsphase gestellt werden, um sicherzustellen, dass ein Produkt nach nachhaltigen Prinzipien entwickelt wird. Diese Fragen sollten am besten zu einem frühen Zeitpunkt im Designzyklus geklärt werden. Änderungen werden oft erst in Betracht gezogen, wenn es zu spät ist. Daher ist beim Design nachhaltiger Produkte ein präventiver Ansatz die effizienteste Methode.

Mit Inkrafttreten neuer Vorschriften werden in der Wertschöpfungskette neue Kennzahlen eingeführt, die sich auf die Lieferkette auswirken. Jede Ebene ist gezwungen, die Kennzahlen für die Nachhaltigkeit ihrer Produkte offenzulegen und zu verbessern, so wie es bereits mit den Verordnungen zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe (REACH) der Fall ist. In Zukunft dürfte dies noch wichtiger werden, sodass das Thema eher früher als später angegangen werden muss.

Die Verordnung zur Schaffung eines Rahmens für die Festlegung von Ökodesign-Anforderungen für nachhaltige Produkte (Ecodesign for Sustainable Products Regulation, ESPR), bisher als EU-Ökodesign-Richtlinie bekannt, ist ein Regelwerk, das zusammen mit den Berichterstattungsanforderungen der Corporate Sustainability Reporting Directive (CSRD) zur Förderung der Nachhaltigkeit von Produkten in der Europäischen Union (EU) eingesetzt wird.

Die ESPR deckt mehrere Aspekte des Ökodesigns ab, darunter:

• Verbesserung der Haltbarkeit, Wiederverwendbarkeit, Upgradefähigkeit und Reparierbarkeit von Produkten, um die Lebensdauer eines Produkts zu verlängern
• Energie- und ressourcenschonendere Produktion durch geringeren Energieverbrauch
• Vermeidung von Werkstoffen, die Substanzen enthalten, die die Kreislauffähigkeit hemmen
• Wiederverwendung von Werkstoffen in zukünftigen Produkten zur Förderung einer Kreislaufwirtschaft und der Nutzung weniger natürlicher Ressourcen
• Erhöhung des Recyclinganteils von Werkstoffen, die in einem Produkt verwendet werden
• Einfachere Aufbereitung und Wiederverwertung von Produkten
• Reduzierung der Umwelt- und CO2-Bilanz eines Produkts
• Verbesserung der Verfügbarkeit von Informationen über die Nachhaltigkeit von Produkten, um die Transparenz in der Lieferkette zu erhöhen.

Die ESPR trat im Juli 2024 in Kraft. Sie ist ein relativ neues Regelwerk, das sich noch ändern und weiterentwickeln kann. Zwar werden konkrete Ziele definiert, aber sie bietet den Unternehmen eine Möglichkeit zu prüfen, wie sie die Lebensdauer ihrer Produkte verlängern und ihre Umweltauswirkungen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg verbessern können. In Zukunft werden konkrete Vorschriften für jedes einzelne Produkt oder für Gruppen von Produkten mit ähnlichen Merkmalen erlassen.

Das Hauptprinzip des Ökodesigns besteht darin, die Umweltaspekte bei der Produktentwicklung zu berücksichtigen und die Umweltauswirkungen eines Produkts zu verringern, während seine technische Funktion erhalten bleibt. Es gibt viele Kennzahlen, die das Ökodesign bestimmen:

• CO2-Bilanz der Werkstoffe und Prozesse
• Wasserverbrauch
• Energieeffizienz
• Menge des Materialschwunds während der Produktion
• Wiederverwendung oder Recyclingfähigkeit
• Anzahl der verwendeten Ressourcen
• Einhaltung gesetzlicher Vorschriften
• Verursachung von Verschmutzung

All diese Faktoren tragen dazu bei, ein Produkt mit niedrigerem Kohlendioxidäquivalent (CO₂-äq) und weniger Energie zu schaffen, wodurch die Umweltauswirkungen verringert werden.

Balance zwischen Leistung, Kosten und Nachhaltigkeit bei der Öko-Konstruktion

Eine der größten Herausforderungen bei Ökodesign ist der Kompromiss zwischen Produktleistung, Kosten und Nachhaltigkeit. Faktoren, die sich auf die Endleistung und die Eigenschaften des Produkts auswirken, sind:

• Werkstoffauswahl
• Werkstoffform
• Verschiedene Fertigungsprozesse

Eine Änderung dieser Faktoren kann zu Leistungsänderungen führen, die berücksichtigt werden müssen, wenn das Produkt nachhaltiger werden soll. Die Änderung des Werkstoffs, aus dem es entwickelt wird, verändert möglicherweise auch die Lieferkette, was sich wiederum auf die Gesamtkosten auswirkt.

Dieser Kompromiss stellt einen Mittelweg dar, bei dem die Produktleistung die festgelegten Anforderungen erfüllt und ein gewisses Maß an Nachhaltigkeit erreicht wird. Da sich die Lebenszyklen unterschiedlicher Produkte voneinander unterscheiden, ist das Einrichten eines Ökodesign-Rahmens bei jedem Produkt anders.

Oft sind Unternehmen durch die verfügbaren Prozesse und Produktionsanlagen eingeschränkt – ein Faktor, der bestimmt, wie nachhaltig das Produkt sein wird. Die Art der Ausrüstung kann die zur Herstellung des Produkts verwendeten Werkstoffe und die herstellbaren Werkstoffgeometrien einschränken.

Kompromisse beim werkstofforientierten Ökodesign

Werkstofforientiertes Ökodesign ist ein wichtiger Aspekt im Designprozess. Die Werkstoffauswahl ist eine einfache Möglichkeit, Leistung oder Nachhaltigkeit zu steigern. Viele Werkstoffe sind umweltfreundlich, andere hochleistungsfähig, und wieder andere bieten beide Eigenschaften – mit Einschränkungen.

Zum Beispiel sind Werkstoffe wie Zellulose, Lignin, Chitin und andere natürliche Polymere umweltfreundlicher als synthetische Polymere, wenn es um die Entwicklung elektronischer Geräte wie flexible Elektronik und Wearables geht. Synthetische Werkstoffe bieten jedoch in der Regel für viele Produkte bessere mechanische und thermische Eigenschaften. Die Lösung besteht aus Hybridwerkstoffen mit natürlichen und synthetischen Anteilen: Durch Kombination natürlicher und synthetischer Bauteile erreicht die Verbundstruktur eine ausgewogene Leistung und bietet eine bessere Nachhaltigkeit als die alleinige Verwendung synthetischer Werkstoffe.

Auch die Werkstoffform ist beim Ökodesign sehr wichtig, weil sie die Leistung nachhaltiger Werkstoffe je nach Anwendung verbessern kann. Durch die Optimierung der Werkstoffform durch Simulation und Modellierung vor der Fertigung lassen sich Spitzenspannungen im Werkstoff identifizieren. So kann die Geometrie optimiert werden, um die Leistung des Werkstoffs zu verbessern und den Produktlebenszyklus zu verlängern.

Ökodesign – Vorteile und Überlegungen

Bei einem Ökodesign-Ansatz müssen unterschiedliche Designüberlegungen angestellt werden. Während der Design- und Optimierungsphase müssen viele Kompromisse in Betracht gezogen werden; die Nachhaltigkeit wird jedoch häufig erst spät im Prozess berücksichtigt, da die meisten Unternehmen nicht für eine nachhaltige Fertigung ausgestattet sind.

Die wichtigsten Vorteile des Ökodesigns sind:

• Positive Umweltauswirkungen
• Beitrag zur Verringerung der Auswirkungen des Klimawandels
• Verringerung der Abfallmenge in der Gesellschaft
• Wettbewerbsvorteil durch nachhaltigere Produkte

Das größte Hindernis für Ökodesign: Mangel an Daten und Auswertungsmöglichkeiten

Viele Unternehmen sind sich der Notwendigkeit, nachhaltige Prozesse in ihre Konstruktionen zu integrieren, bewusst. Es fehlen ihnen jedoch häufig die Daten, das Fachwissen und die Tools, um die Umweltauswirkungen verschiedener Werkstoffe und Prozesse zu bewerten. Viele Lieferanten stellen keine Daten zu den Umweltauswirkungen zur Verfügung. Unternehmen haben möglicherweise keine konkreten Nachhaltigkeitsziele oder stoßen auf Widerstand seitens der Unternehmensleitung, sodass Bemühungen rund um das Ökodesign auf der Strecke bleiben.

Viele Unternehmen erkennen die Notwendigkeit von Veränderungen erst am Ende des Fertigungszyklus, häufig aufgrund von Umwelt-, Sozial- und Governance-Vorgaben (Environmental, Social and Governance, ESG), CSRD-Anforderungen – oder einfach, weil ihnen zu Beginn des Prozesses Informationen fehlen. An diesem Fertigungspunkt ist der Austausch eines Werkstoffs durch einen anderen jedoch oft zu kostspielig, zumal dies eine Überarbeitung und Neuoptimierung des Produkts erfordern würde, um sicherzustellen, dass die gewünschten technischen Daten erhalten bleiben.

Ökodesign ist für viele Unternehmen eine Priorität, und Simulation kann helfen, ihre Designs im Hinblick auf Umweltfreundlichkeit zu optimieren. Für Unternehmen, die keine Primärdaten von ihren Produktionsstätten oder Lieferanten erhalten, stehen Referenzdatenbanken zur Verfügung, die die Durchführung einer Ökobilanzierung erleichtern.

Ein Beispiel hierfür ist der Datensatz „Ansys Materials Universe“, der Leistungs-, Kosten- und Umweltdaten für mehr als 4.000 generische Klassen von technischen Werkstoffen enthält. Mit dieser Ressource können Unternehmen, Leistung, Kosten und Umweltauswirkungen bereits in der Designphase bewerten, bevor eine Entscheidung über den zu verwendenden Werkstoff getroffen wird.

Wie digitale Pässe der Informationsknappheit entgegentreten könnten

In naher Zukunft können Unternehmen mithilfe digitaler Produktpässe wesentlich schneller und einfacher Informationen über die Umweltfreundlichkeit ihrer Lieferkette einholen. Digitale Pässe sind digitale Aufzeichnungen der in einem Produkt verwendeten Werkstoffe und enthalten Informationen über die Herkunft, die Eigenschaften, die Entsorgungsmöglichkeiten am Ende der Lebensdauer und die Umweltauswirkungen eines Werkstoffs.

Die Einführung digitaler Pässe beginnt mit Batterien, denn diese enthalten seltene Erden, die die Umwelt erheblich beeinträchtigen können, wenn sie nicht ordnungsgemäß entsorgt werden. Digitale Pässe werden die Kreislaufverfolgung unterstützen und Transparenz über den ökologischen Fußabdruck der in einem Produkt verwendeten Rohstoffe bieten. Zwar sind digitale Pässe derzeit noch nicht vorgeschrieben, aber Unternehmen in allen Bereichen der Lieferkette sollten auf deren Einführung vorbereitet sein.

Ökodesign unterstützt die Kreislaufwirtschaft

Ökodesign ist eine Ergänzung zur Kreislaufwirtschaft, da es aktiv die Herstellung von Einwegprodukten vermeidet, für die es am Ende ihrer Lebensdauer keine anderen Optionen als die Entsorgung gibt. Während in einer linearen Wirtschaft der Wert eines Produkts am Ende seiner Lebensdauer verfällt, bleibt sein Wert in einer Kreislaufwirtschaft, die Recycling und Wiederverwendung Vorrang vor der Wiederaufarbeitung einräumt, erhalten. Dieser Bericht der Unternehmensstrategie- und Finanzexperten bei McKinsey zeigt auf, dass Unternehmen, die in ihren Wachstumsstrategien einen Schwerpunkt auf ESG-Kriterien legen, häufig eine bessere Performance erzielen als ihre Mitbewerber.

Der ökologische Fußabdruck eines Produkts wird weitgehend während der Designphase bestimmt. Sobald ein Design fertiggestellt ist, kann es nicht mehr problemlos geändert werden. In den frühen Phasen lassen sich Werkstoffe, Design- und Fertigungsprozesse an die Grundsätze der Kreislaufwirtschaft anpassen. Die Wahl recycelbarer Werkstoffe und ein auf die Demontage ausgelegtes Design bestimmen die nachgelagerten Schritte, die darüber entscheiden, ob das Produkt umweltfreundlich und wiederverwendbar ist. Für Hersteller ist wichtig, dass sie ihr Produktdesign auf Anhieb richtig gestalten, um unnötige Kosten und Verzögerungen zu vermeiden.

Da 80 % des Produktdesigns bereits in den frühen Entwicklungsphasen festgelegt werden, ist es wichtig zu prüfen, welche potenziellen Kompromisse zugunsten der Nachhaltigkeit getroffen werden müssen.

Hier kommt die Simulation in Spiel. Es ist weitaus einfacher, ein Produktmodell virtuell zu prüfen und Werkstofftyp und -form zu ändern, als physische Prototypen in einem Trial-and-Error-Ansatz zu modifizieren. Simulationen können die Vorteile verschiedener Werkstoff- oder Formkonfigurationen sowie den prozentualen Anteil recycelter Inhaltsstoffe in einem Produkt aufzeigen. Sie können Fertigungstoleranzen und -einschränkungen besser nachvollziehen. So entsteht das optimale Produkt anhand der gewünschten mechanischen, thermischen oder elektronischen Leistungsmerkmale und Nachhaltigkeitsfaktoren.

Dank Simulationen können Unternehmen im Entwicklungszyklus Zeit und Kosten einsparen und mögliche Designänderungen vor der Herstellung eines physischen Prototyps umsetzen. Ansys bietet eine Reihe von Simulationstools wie die Softwares Ansys Discovery, Ansys Mechanical und Ansys LS-DYNA, mit denen sich komplexe Produkte designen und simulieren lassen. Sie werden durch Datenmanagement-Tools wie die Produktsuite Ansys Granta für Werkstoffdaten und die Software Ansys Minerva für Simulationsprozess- und Datenmanagement (SPDM) unterstützt.

Ansys bietet auch Optimierungstools wie die Software Ansys optiSLang, mit denen Sie mögliche Kompromisse zwischen technischer Leistung, Nachhaltigkeit und Kostenaspekten für das Ökodesign ermitteln können. Diese Daten können während des gesamten Produktentwicklungsprozesses und Lebenszyklus verwendet werden, um die Anforderungen an das Design und die Nachhaltigkeit zu erfüllen. Die Simulation kann auch den Fertigungsprozess nachbilden und optimieren, einzelne Wartungspläne mit der Software Ansys Twin Builder verfolgen und den Energieverbrauch des Fertigungsprozesses berechnen.

Finden Sie mehr darüber heraus, wie Ansys Sie bei der Entwicklung umweltfreundlicher Produkte ohne mehrere physische Prototyping-Durchläufe unterstützen kann. Setzen Sie sich noch heute mit unserem technischen Team in Verbindung.

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