Adalbert Steinbach Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit in der Chemie
Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema Cayuela Valencia, R. The Future of the Chemical Industry by 2050 2013 978-3-527-33257-1 Reniers, G. L.L., Sörensen, K., Vrancken, K. (Hrsg.) Management Principles of Sustainable Industrial Chemistry Theories, Concepts and Industrial Examples for Achieving Sustainable Chemical Pr oducts and Processes from a Non-Technological Viewpoint 2013 978-3-527-33099-7 Suntrop, C. (Hrsg.) Chemielogistik Markt, Geschäftsmodelle, Prozesse Jansen, R. A. Second Generation Biofuels and Biomass Essential Guide for Investors, Scientists and Decision Makers 2012 978-3-527-33290-8 Klöpffer, W., Grahl, B. Ökobilanz (LCA) Ein Leitfaden für Ausbildung und Beruf 2009 978-3-527-32043-1 Klöpffer, W., Grahl, B. Life Cycle Assessment (LCA) A Guide to Best Practice 2014 978-3-527-32986-1 2011 978-3-527-32531-3 Storhas, W. Bioverfahrensentwicklung Zweite, vollständig überarbeitete Auflage 2013 978-3-527-32899-4
Adalbert Steinbach Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit in der Chemie durch systematisches Process Life Cycle-Management
Autoren Dr. Dr. Adalbert Steinbach Leutershaeuser Str. 15 69198 Schriesheim Deutschland 1. Auflage 2013 n Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. 2013 Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Print ISBN: 978-3-527-33484-1 epdf ISBN: 978-3-527-67608-8 epub ISBN: 978-3-527-67607-1 mobi ISBN: 978-3-527-67606-4 obook ISBN: 978-3-527-67605-7 Satz Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld Druck und Bindung Markono Print, Media Pte Ltd, Singapore Umschlaggestaltung Adam Design, Weinheim Gedruckt auf säurefreiem Papier.
V Inhaltsverzeichnis Vorwort IX 1 Fragestellungen aus Praxis und Wissenschaft 1 1.1 Fragen aus der Praxis von Chemieunternehmen 2 1.2 Fragen aus der Wissenschaft 6 2 Grundlagen des Process Life Cycle Managements 9 2.1 Managemententscheidungen 10 2.2 Managementziele 12 2.3 Umweltmanagementsysteme nach Gesetz 14 2.4 Messen der Ziele Ressourceneffizienz / Produktivität 18 2.5 Integrierte Managementsysteme 21 2.6 Beitrag der Chemie: Nachhaltige Chemie/Green Chemistry 26 2.6.1 Grundlagen der nachhaltigen Chemie 28 2.6.2 Neue Kennzahlen 29 2.7 Entscheidungen des Process Life Cycle Managements (PLCM) 30 2.8 Process Life Cycle Management mit BTC-System 34 2.9 Zusammenfassung der Kernpunkte 35 3 Technische Teilsysteme als grundlegende Methode 39 3.1 Antworten auf das Kernproblem der Chemie 40 3.2 Materialflussanalyse (MFA)-Grunddaten: Technische Buchführung 43 3.3 MFA: Bilanzen 48 3.4 MFA: Materialeffizienzorientierte Verfahrensanalyse 57 3.5 CFA: Chemieflussanalyse und Duales Modell 65 3.6 MFA: Erweitertes Kennzahlensystem 75 3.7 MFA: Energieeffizienzorientierte Prozessanalyse 80 3.8 MFA: Nichtstoffliche Ressourcen 83 3.9 Zusammenfassung der Kernpunkte 86
VI Inhaltsverzeichnis 4 Ökonomische Teilsysteme 89 4.1 Kostenrechnung als zukunftsorientierte Entscheidungsrechnung 89 4.2 Zweckorientierte Kostenrechnungen 90 4.3 Kostenflussanalyse (KFA): Integrierte Prozesskostenrechnung 94 4.4 KFA: Umweltschutzkosten 100 4.5 KFA: Produktkostenrechnung 104 4.6 KFA: Kostenorientierte Prozessanalyse 108 4.7 KFA und Zielkosten 119 4.8 Wertflussanalyse (WFA) 120 4.9 Zusammenfassung der Kernpunkte 127 5 Ökologische Teilsysteme 129 5.1 Ökobilanz in der Praxis 129 5.2 Umweltorientierte Flussanalyse (UFA): Ökologische Buchführung 132 5.3 Umweltrelevanzfaktoren (URF) 137 5.4 UFA: Umweltorientierte Prozessanalyse 140 5.5 Zusammenfassung der Kernpunkte 145 6 Ganzheitliche Betrachtung 149 6.1 Was ist Ganzheitlichkeit? 149 6.2 Prozesskettenanalysen 153 6.3 Betriebs- und Standortanalysen 156 6.4 Prinzip Kreislaufführung (Recycling) 162 6.5 Zusammenfassung der Kernpunkte 168 7 Excellence- und KVP-Projekte in der Praxis 169 7.1 Unternehmensphilosophien als Treiber von Projekten 169 7.2 Schnellanalyse/Screening-Projekte 172 7.3 Detailanalyse mit KVP-Meeting 179 7.4 Zusammenfassung der Kernpunkte 183 8 Ergebnisse aus der Praxis 185 8.1 Meta-Auswertung von standardisierten Projektdaten 185 8.2 Stand der Materialeffizienz in der Chemie 188 8.3 Lösungsmittel- und Wasserverbrauch 193 8.4 Verwertung und Entsorgung von Reststoffen 194 8.5 Halogenchemie 197 8.6 Treibhausgase 199 8.7 Folgerungen für Unternehmen und Verbände 201 8.8 Zusammenfassung der Kernpunkte 202 9 Permanentes Process Life Cycle Management 205 9.1 Phasen des Process Life Cycle 205 9.2 Frühe Phasen der Verfahrensentwicklung (Labor) 207 9.3 Späte Phasen der Verfahrensoptimierung (Produktion) 216
Inhaltsverzeichnis VII 9.4 Kostenziele beim KVP in der Produktion 223 9.5 PLCM als Balanced Mini-Max-Aufgabe 226 9.6 Zusammenfassung der Kernpunkte 228 10 Beispiele, Fragen und Antworten 231 10.1 Stufenweise Verbesserung von Materialeffizienz und Kosten 232 10.2 Zielkostendenken in der Verfahrensentwicklung 240 10.3 Beispiele für Prozessinnovationssprünge 242 10.4 Datenkonsistenz und Wissensmanagement 246 10.5 Bilanzensystem und Kennzahlensystem 250 10.6 Aufgabe von Umweltschutzbeauftragten und Behörden 252 10.7 Materialeffizienz von Verbundstandorten 256 10.8 Entscheidungsorientierte Denkweise und Prozesskostenrechnung 257 10.9 Konsolidierte Prozesskosten von Prozessketten 261 10.10 Due Diligence-Prüfungen mit BTC-System 263 10.11 BTC-Software: Managementinstrument für PLCM 264 10.12 Beitrag der Chemie zur Ressourceneffizienz 267 10.13 Chemiebetriebslehre als eigene Disziplin 268 10.14 Zusammenfassung der Kernpunkte 270 11 Eine Fallstudie aus der Praxis 273 11.1 Einleitung zum Detailanalyse-Projekt 273 11.2 Ablauf des Detailanalyse-Projektes 274 11.3 Detailanalyse der Diester-R-Synthese WS-Betrieb der Müller AG Frankfurt 281 11.3.1 Zusammenfassung der Ergebnisse 281 11.3.2 Einführung in die Detailanalyse 288 11.3.3 Produktivitätsorientierte Verfahrensanalyse (MFA/CFA) 296 11.3.4 Kostenorientierte Verfahrensanalyse (KFA) 313 11.3.5 KVP-Meeting 326 11.3.6 Spezielle Auswertungen 330 11.3.7 Bilanzen (Auswahl) 336 11.3.8 Kalkulationen (Auswahl) 349 12 Anhang 355 12.1 Abkürzungsverzeichnis 355 12.2 Definitionen 358
IX Vorwort Im Jahre 1992 fand in Rio de Janeiro die erste Konferenz der Vereinten Nationen zu den Themen Nachhaltigkeit, Umweltschutz und Entwicklung statt. Dabei spielte die Ressourceneffizienz als ein wesentlicher Aspekt des Umweltschutzes bereits eine wichtige Rolle. Auf der letzten Folgekonferenz Rio + 20 im Juni 2012 war die Ressourceneffizienz sogar zum Schwerpunktthema geworden. Sie ist auch ein Kernanliegen der europäischen und deutschen Politik (vgl. Bundesregierung, Deutsches Ressourceneffizienzprogramm (ProgRess), Beschluss vom 29.2.2012). Bereits Ende der 1980er Jahre, also einige Jahre vor der ersten Rio-Konferenz, haben wir das Thema Produktivität (Ressourceneffizienz) in der chemischen Industrie zum Hauptthema unserer Arbeiten gemacht. Ausgelöst wurden unsere Aktivitäten durch die Feststellung, dass in der Synthesechemie die Ressourcenbzw. Materialeffizienz relativ niedrig ist: In der Regel entstehen hier trotz hoher stöchiometrischer Ausbeuten erhebliche Mengen an Reststoffen, die meist in die Kläranlage eingeleitet oder verbrannt werden. Wir haben ein System (BTC-System) entwickelt, das es vor allem ermöglicht, die Ressourceneffizienzen chemischer Verfahren und deren Einflussgrößen zu messen und die Prozesskosten, Kostensenkungspotenziale sowie die Wertschöpfung zu quantifizieren. Es macht die Stärken und Schwächen chemischer Prozesse (Verfahren) sichtbar und zeigt auf, wo der Hebel angesetzt werden muss, um bessere Ergebnisse in der Praxis zu erreichen. Ausgangspunkt unserer Überlegungen war die Tatsache, dass die chemischen Prozesse in der Industrie sowohl Umweltbelastungen als auch Kosten verursachen. Die Notwendigkeit der Minimierung von Ressourcenverbrauch, Reststoffmengen und Kosten resultiert aus den Geboten der Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes. Hierzu ist es notwendig, mit zielführenden Maßnahmen schon ganz früh in der Verfahrensentwicklung zu beginnen und während der ganzen Lebensdauer des Prozesses (Process Life Cycle) an Verbesserungen zu arbeiten (KVP = Kontinuierlicher Verbesserungsprozess). Die zielorientierte Steuerung der Entwicklung und Verbesserung chemischer Verfahren von der Wiege (Labor) bis zur Bahre (Stilllegung im Betrieb) ist die Aufgabe des Process Life Cycle Managements (PLCM). Dabei geht es um ein ganzes Bündel chemisch-technischer, ökonomischer und ökologischer Ziele. Es betrifft die Aktivitäten der primären Wertschöpfungskette (Innovation Chain) und Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit in der Chemie: durch systematisches Process Life Cycle-Management, 1. Auflage. Dr. Dr. Adalbert Steinbach 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany
X Vorwort nicht die der sekundären (Supply Chain). Obwohl das Supply Chain Management (SCM) das Top-Thema der Industrie in den vergangenen beiden Jahrzehnten bildete, haben wir uns bereits in dieser Zeit schwerpunktmäßig mit der primären Wertschöpfungskette und hier insbesondere mit dem PLCM befasst. Diese Schrift berichtet über die Erfahrungen und Ergebnisse unserer Arbeiten, die nicht zuletzt auch zu der von Wissenschaft und Praxis geforderten Integration von Ressourcen-, Umwelt- und Kostenmanagement führte. Sie zeigt dabei, wie mithilfe des interdisziplinären BTC-Systems eine Systematisierung, Beschleunigung und zielorientierte Ausrichtung aller PLCM-Aktivitäten erreicht werden kann. Dies führt zu Einsparungen an Zeit und Geld. Der Produktionsleiter eines großen Chemieunternehmens brachte es auf den Punkt: Es kommt darauf an, mit System alles ein paar hunderttausend Euro früher zu merken als bisher! Diese Schrift wendet sich an die Führungskräfte in den Unternehmen (v. a. in Verfahrensentwicklung, Produktion, Umweltschutz, Qualitätssicherung, Controlling) sowie an deren Gesprächspartner (Kunden, für Umweltschutz und Gewerbeaufsicht zuständige Behörden etc.). Sie will einen Beitrag leisten zu einigen konkreten Fragestellungen der Praxis (vgl. Kapitel 1) v. a. im Hinblick auf Ressourceneffizienz, Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz. Diese Zielgrößen müssen quantifiziert werden, um sie systematisch optimieren zu können. Hierbei spielen strukturierte Stoffbilanzen und deren Auswertung mithilfe der Produktivitätsfunktion (Materialeffizienzfunktion) und die chemiespezifische Prozesskostenrechnung eine sehr wichtige Rolle. Letztere kann im Gegensatz zur traditionellen Kostenträgerrechnung (Herstellkostenrechnung) z. B. auch die Kostensenkungspotenziale der chemischen Verfahren genau ermitteln. Darüber hinaus wendet sich diese Schrift auch an die Studierenden vor allem der Fachrichtungen Chemie, Verfahrenstechnik und Umwelttechnik sowie an bereits im Beruf stehende Naturwissenschaftler und Ingenieure. Sie zeigt nicht zuletzt auch, dass die in Dissertationen und Literatur übliche Bestimmung der Reaktionsgleichung und der stöchiometrischen Ausbeute im Labor nicht (mehr) ausreicht, um ein Verfahren zu optimieren. Wichtig ist auch ein systematisches Bilanzieren der Verfahren und das Messen der Ressourcen- bzw. Materialeffizienz. Diese Zielgröße gilt es bereits im Labor zu steigern durch Optimierung aller Parameter der Materialeffizienzfunktion. Diese Schrift wendet sich nicht zuletzt auch an die Studierenden der industriellen Betriebswirtschaftslehre (Industriebetriebslehre) und des Wirtschaftsingenieurwesens mit Schwerpunkt Chemie. Sie ist interdisziplinär, weil der beschriebene ganzheitliche Ansatz verschiedene Disziplinen integriert, so vor allem die Chemie, chemische Technik und Betriebswirtschaftslehre. Sie beinhaltet einen wesentlichen Beitrag zur neuen Chemiebetriebslehre. Die Ausführungen verlaufen nach dem Prinzip Vom Allgemeinen zum Besonderen. Zunächst wird die fachübergreifende, interdisziplinäre Methode erläutert, die chemisch-technische, ökonomische und ökologische Aspekte integriert. Anschließend wird ihr Einsatz in der Praxis anhand entsprechender Beispiele beschrieben. Hierbei spielen die Teilsysteme Materialflussanalyse (MFA) und Kostenflussanalyse (KFA) eine besonders wichtige Rolle. Dies zeigt sich u. a.
Vorwort XI auch am Beispiel der Fallstudie des letzten Kapitels, die praktisch den Inhalt eines Projekts wiedergibt, das vor wenigen Jahren in einem europäischen Unternehmen durchgeführt wurde. Schließlich werden die in der Praxis gewonnenen Erfahrungen vorgestellt. Dabei wird unter anderem auch gezeigt, wo heute die chemische Industrie hinsichtlich der Materialeffizienz steht. Die Ausführungen werden illustriert mit ca. 200 Grafiken, die zum größten Teil aus den zahlreichen Vorträgen der vergangenen Jahre stammen. Ein herzlicher Dank gilt meinen Mitarbeitern, die wesentliche Beiträge zur Entwicklung des BTC-Systems geleistet haben. Ein weiterer herzlicher Dank gilt unseren Partnern in verschiedenen Chemie- und Pharmaunternehmen, vor allem der ehemaligen Hoechst AG, die durch Diskussionen und Anregungen zum Gelingen beigetragen haben. Adalbert Steinbach Schriesheim/Bergstr. September 2013
1 1 Fragestellungen aus Praxis und Wissenschaft Das Thema Ressourceneffizienz (Produktivität) ist für die chemische und pharmazeutische Industrie von besonderer Bedeutung. Hier werden nämlich sehr große Mengen vor allem an stofflichen Ressourcen verbraucht, um neue Stoffe herzustellen. Sowohl der Verbrauch der immer knapper werdenden Ressourcen als auch die Herstellung neuer anthropogener Stoffe sind von erheblicher Relevanz für Ökonomie und Ökologie. Die chemische Industrie ist sich bewusst, dass es sich bei der Ressourceneffizienz um einen Megatrend [1] handelt, der klare Antworten und Konzepte auch vonseiten der Chemie erfordert. Sie macht sich sogar Weizsäckers Forderung zu eigen: Ressourcenproduktivität muss zum Leitmotiv unserer Zeit werden [2]. Über drei Jahrzehnte hinweg haben wir uns in Theorie und Praxis mit dem Thema Ressourceneffizienz in der Chemie beschäftigt. Die vorliegende Monografie ist eine Zusammenfassung der Erfahrungen und Ergebnisse aus dieser Zeit. Sie zeigt dabei auch die Zusammenhänge zwischen Ressourceneffizienz, Ökonomie und Ökologie. Wichtig ist dabei eine ganzheitliche, interdisziplinäre Betrachtungsweise mithilfe geeigneter Methoden und Werkzeuge. Es geht hier aber nicht nur um Modelle und Theorien mit ganzheitlichem Ansatz. Die vorliegende Monografie beinhaltet auch Antworten auf eine Reihe von Fragen aus der Praxis von Chemieunternehmen. Sie sollen dazu beitragen, dass vor allem die Entscheidungen im Zusammenhang mit der Entwicklung und Verbesserung von chemischen Verfahren schnell, systematisch und zielsicher getroffen werden können. Je besser dies gelingt, desto mehr Arbeit, Zeit und Kosten werden eingespart. Die vorliegende Monografie beinhaltet aber auch Antworten auf eine Reihe von theoretischen Fragen, die primär für die Wissenschaft (Universitäten) von Bedeutung sind. Sie resultieren vor allem aus der logischen Interdependenz von Ressourcen-, Umwelt- und Kostenmanagement. Diese Fragen und Antworten sind aber nicht nur rein akademischer Natur, sondern auch für die Praxis in der Industrie wichtig. Hier gilt nämlich die alte Erfahrung, nach der für die Praxis nichts nützlicher ist als eine gute Theorie. Im Folgenden sind einige der Fragen und Problemstellungen aufgelistet, die in dieser Monografie behandelt werden. Ressourceneffizienz und Wirtschaftlichkeit in der Chemie: durch systematisches Process Life Cycle-Management, 1. Auflage. Dr. Dr. Adalbert Steinbach 2013 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany