«3D -Drucken» mehr oder weniger Ressourcenverbrauch? Prof. Maurice Jutz

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1 «3D -Drucken» mehr oder weniger Ressourcenverbrauch? Prof. Maurice Jutz Effizienzagentur Schweiz AG Swiss Centre for Efficiency St. Jakobsstr. 84 CH-4132 Muttenz Tel. dir: +41 (0) M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG

2 3D-Drucken und Ressourcenverbrauch was für ein Zusammenhang? Der Masterplan Cleantech ist Teil eines der vier Umsetzungsschwerpunkte im Aktionsplan Grüne Wirtschaft, der im März 2013 vom Bundesrat verabschiedet wurde. Verschiedene Massnahmen zielen direkt auf eine höhere Leistungsfähigkeit bei der Herstellung von Gütern und Dienstleistungen ab Ziel: Reduktion des Ressourcenverbrauchs Definition Ressourcen: Materialien und Energie (Kohle, Erdgas, Öl, etc.) Rohstoffe (Metalle, Kunststoffe, Holz, Kies, etc.), Wasser, Luft, Boden etc. 2

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4 Bundesrat Adolf Ogi kocht Eier: 19..?? Der Bund, April 2011 Der totale Materialaufwand hat in der Schweiz seit 1990 um 14 % zugenommen. BAFU 2011 M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG

5 Cleantech Masterplan Schweiz Vision: Die Schweiz reduziert den Ressourcenverbrauch auf: Fussabdruck 1, und die Schweiz wird zu einem weltweiten Impulsgeber für Ressourceneffizienz und Ressourcenökonomie. BR: Leuthard und Schneider-Ammann,

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7 ? Wirtschaftliche Entwicklung Lebensqualität Ressourcenverbrauch und Emissionen Entkopplung von Wirtschaftswachstum und Ressourcenverbrauch Source: WBCSD: eco-eficiency learning module 7

8 Risiken des zunehmenden Ressourcenverbrauchs Preis Verfügbarkeit Umweltbelastung Tendenz steigend Tendenz abnehmend Tendenz zunehmend 8

9 Ökologischer Fussabdruck Unter dem ökologischen Fußabdruck versteht man die theoretische Fläche der Erde (und die zur Verfügung stehenden Ressourcen), welche notwendig ist, um den aktuellen Lebensstil und Lebensstandard der Menschheit nachhaltig zu ermöglichen. Heute nutzt die Menschheit Ressourcen von 1,4 Planeten. Das bedeutet, dass die Erde über ein Jahr und vier Monate braucht, um den Verbrauch der Menschheit eines Jahres zu decken. Quelle: Global Footprint Network 9

10 Ökologischer Fussabdruck Mein Fussabdruck ist: %: essen 30%: reisen 19%: wohnen 35%: Rest Quelle: COOP Check your personal footprint on: 10

11 Quelle DEMEA (D) 11

12 .8 Jahre später in der Schweiz: Quelle: Umwelt 3/2013, BAFU M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 12

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14 Geschätzte Energieeffizienzpotentiale und prognostizierte Zunahme des Energiebedarfs Quelle: swisscleantech 14

15 Quelle DEMEA (D) 15

16 Entwicklung Verbrauch Elektrizität California: M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 16

17 Entwicklung Stromverbrauch nach Kategorien Schweiz: M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 17

18 The economy of California represents 13% of GDP of the USA Erwerbstätige: Zunahme Schweiz: 146% California: 177% M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG Quelle: BFS und Ca.gov (Employment Development Departement 18

19 Aussagen zu möglichen Beiträgen von additiven Verfahren zu mehr Ressourceneffizienz Weniger Materialverbrauch und Abfall bei der Herstellung im Vergleich zu subtraktiven Verfahren Ein und dieselbe Maschine kann verschiedenste Formen herstellen- Reduktion des Werkzeugbedarfs Dezentrale Produktion kürzere Transportwege Rapid prototyping Lean production: on site - on demand Umsetzung von fraktalen Strukturen aus der Bionik für den Leichtbau, Material- und Energieeinsparungen Vereinfachte Supplychain => mehr Transparenz: M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG Quellen: print.de;

20 Some companies have already recognized the potential for resource efficiency. With Rolls Royce now leading a European Union project called MERLIN that hopes to save materials by using 3D printing in the manufacture of civil aircraft engines. At present, using subtractive manufacturing methods, the production of a 1 ton aircraft engine can consume over 6 ton of metal. In contrast, using additive manufacturing techniques, it is hoped to produce engines with close to a 100 per cent materials utilization. Image of a Rolls-Royce Blisk, or bladed disk (Courtesy Rolls-Royce Plc.) M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 20

21 Local production and distribution M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG source: strategic foresight initiative,

22 A global product

23 Figures A global product To be manufactured, this product needs: 12 locations in 5 time zones 38 main components Approx. 4'500 employees 27'880 km of components travelling by ship, plane, truck and train

24 The product is an electronic toothbrush of 161 grams

25 Aussagen zu möglichen Beiträgen von additiven Verfahren zu vermehrtem Ressourcenverbrauch LCA: Laser direct metal deposition: höherer Energieverbrauch als mit giessen oder zerspannen pro hergestellte Einheit Zusammensetzung der Druck-Materialien ist z.t. nicht vollständig bekannt Herkunft der Materialen: PLA aus Maisstärke Konkurrenz zur Produktion von Lebensmitteln Entsorgung und Recycling der Materialien ist aus dezentralen Produktionsstätten aufwändiger Massenproduktion: Grossserien sind in der Regel in zentralisierten Produktionsstätten günstiger herzustellen (ökologisch uns ökonomisch) Quellen: MIT s Environmentally Benign Manufacturing; M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG

26 Beispiel Ökobilanz: Umweltbelastung für 1l karbonisiertes Mineralwasser aus unterschiedlicher Herkunft/Verpackung (Quelle Carbotech AG, 2013) M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 26

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28 M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 28

29 Life Cycle Assessment (LCA / Ökobilanz) Verfahrensvergleich Umweltbelastungspunkte Pulver plus Bindemittel CNC fräsen Quelle: UC Berkeley mechanical engineering department, Jeremi Faludi, 2012, Schmelzschichtung Spritzguss Zur Analyse gehören sämtliche Umweltwirkungen während der Produktion, der Nutzungsphase und der Entsorgung des Produktes, sowie die damit verbundenen vorund nachgeschalteten Prozesse (z. B. Herstellung der Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe). M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG

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31 Konkretes Beispiel Quelle Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW), Berlin Herstellung und Verteilung eines Flugzeugersatzteils Logistikbetrachtungen: Ziel: => kurze Standzeit des Flugzeug im Reparaturfall Leichtbau: Ziel => Senkung des Energieverbrauchs in der Nutzungsphase Szenario 1: zentralisierte Produktionsform des Flugzeugersatzteils in Serien ans Lager (make-to-stock) Szenario 2: dezentrale Form der Produktion des Flugzeugersatzteils, im Bedarfsfall (make-to-order) produziert M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 31

32 M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG Quelle Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW), Berlin 32

33 Anhand der Ersatzteilbeschaffung werden in der ökobilanziellen Bewertung die Umweltwirkungen unterschiedlicher Herstellungstechnologien verglichen: 1. herkömmliche Produktionstechnologie (subtraktiv, Szenario 1) versus 2. generative Metal-LaserSintering-Technologie (MLS, Szenario 2) Der Bilanzierungsraum umfasst die Herstellung eines Flugzeugbauteils aus Aluminium mit einem Gewicht von 1kg (funktionelle Einheit, konventionell), inklusive der Vorketten sowie der notwendigen Transportaufwendungen. Zusatzszenario: Möglichkeiten der MLS-Technologie zur Realisierung von Leichtbaustrukturen. Da die Leichtbauweise insbesondere beim Flugzeug auch zu einem zusätzlichen Nutzen in der Gebrauchsphase führt, wurde dieser Sachverhalt in einem zusätzlichen Szenario untersucht M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG Quelle Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW), Berlin 33

34 Treibhauspotenziale der verschiedenen Szenarien für die Flugzeugersatzteilproduktion Quelle Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW), Berlin M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 34

35 Einberechnung des Nutzens in der Gebrauchsphase auf die Treibhauspotenziale der verschiedenen Szenarien für die Flugzeugersatzteilproduktion Quelle Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW), Berlin M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 35

36 Fazit: entscheidende Faktoren für mehr Ressourceneffizienz Neue Konstruktionsmöglichkeiten, Eco-design Betrachtung der ganzen Produktelebensphase: von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling/Entsorgung Materialwahl, Materialdeklaration Lange Lebensdauer der Produkte => neue Wartungs- und Ersatzteilsysteme M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG

37 In eigener Sache Ökobilanz Vergleichende Untersuchung der Umweltauswirkungen von Produkten und Produktionsprozessen subtraktiv versus additiv produzierende Unternehmen als Projektpartner gesucht Nehmen Sie mit uns Kontakt auf: M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG

38 Die Steinzeit wurde nicht abgelöst durch die Bronzezeit weil es einen Mangel an Steinen gab, sondern weil die Anwender effizientere Lösungen entwickelten. Colin Campell, author of «World oil supply » M. Jutz-Effizienzagentur Schweiz AG 38