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1. EINLEITUNG

Um zukünftig eine stabile Versorgung der deutschen Wirtschaft mit Rohstoffen sicherzustellen, bedarf es dringend eines Umdenkens in der Rohstoffnutzung und beim lebenszyklusweiten Stoffstrommanagement. Im Jahr 2010 wurden beispielsweise nur 14 Prozent der in Deutschland eingesetzten Rohstoffe aus Schrott gewonnen, bei Recyclingkosten von über 50 Milliarden Euro. Für Metalle wie Aluminium, Stahl oder Kupfer, die sich in vielen Konsumgütern befinden, lag der Anteil an Sekundärrohstoffen bei der Gesamtproduktion in Deutschland im Jahr 2016
gerade einmal bei 40 Prozent (Europäische Kommission, 2016). Eine wesentliche Ursache dafür ist, dass bei der Herstellung bzw. Neukreation von Produkten (Produktdesign) die Kreislauf- und Recyclingfähigkeit am Lebenszyklusende (EoL) bisher kaum mitgedacht wird. Hier setzt das Projekt „Circular by Design“ an, um an einem konkreten Haushaltsprodukt zu zeigen, welche Materialeffizienzpotenziale im Hinblick auf die Rückgewinnung der enthaltenen Rohstoffe, sowohl bezüglich des konstruktiven Produktdesigns als auch der Materialauswahl, vorhanden sind. Ausgehend von dem derzeitigen insbesondere auf Energieeffizienz ausgerichteten Referenzprodukt soll anhand der Quantifizierung der tatsächlichen Verluste gezeigt werden, an welchen Stellen die Rohstoffe verloren gehen, wie diese Verluste durch ein geeignetes Produktdesign reduziert und Rohstoffe langfristig im Kreislauf gehalten werden können.
Das Projekt CbD wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Innovative Produktkreisläufe (ReziProK)“ gefördert. „ReziProK" ist Teil des BMBF-Forschungskonzeptes „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft“ und unterstützt Projekte, die Geschäftsmodelle, Designkonzepte oder digitale Technologien für geschlossene Produktkreisläufe entwickeln.
Das Projekt startete im Juni 2019 und besteht aus fünf Arbeitspaketen. Die Herangehensweise wird im Folgenden kurz skizziert.

 

2 DESIGNKONZEPTE FÜR DIE KREISLAUFFÜHRUNG
2.1 Living-Lab-Design-Prozess

Bei der Designentwicklung werden in einem Living-Lab-Prozess neben den wirtschaftlichen Akteuren (wie Produzenten und Verwertern) auch Konsumenten und kommunale Akteure einbezogen, da eine Umsetzung in der Nutzen- und Recyclingphase regionalwirtschaftlich erfolgen muss. Die gemeinsam zu entwickelnden Designoptionen werden dann hinsichtlich ihres Ressourceneffizienzpotenzials sowie weiterer ökologischer und ökonomischer Auswirkungen analysiert und verglichen. Es wird gezeigt, welche Ressourceneffizienzpotentiale ein „Circular Design“ haben kann.


Grundlage ist dabei u.a., ein umfassendes soziotechnisches und kulturgeschichtliches Verständnis von Kühl-/Gefrierkombinationen und deren Herstellungs-, Vertriebs-, Nutzungs- und Entsorgungskontextes zu erlangen, um mittels Akteursintegration Gestaltungspotenziale für neue kreislaufwirtschaftliche Konzepte/Produktsysteme für das Kühlen im Haushalt zu ermitteln (Abb. 2-1). Unter anderem wird die Geschichte von Frost und Kälte im Schrank untersucht, soziale Praktiken bei der Lagerung von Lebensmitteln in Haushalten beobachtet, rechtliche Grundlagen des Elektrorecyclings und der Recyclingprozess von Kühlschränken analysiert.
Nach einer breiten Recherche- und Konzeptionsphase entwickeln die Projektpartner eigene zirkuläre Kühlsysteme. Dabei betrachten sie unterschiedliche Aspekte des Kühlens und nehmen Themen, wie das Kühlen mit Hilfe von Low-Tech-Technologien, Modularität für eine Verlängerung des Produktzyklus, Veränderung von Einkaufspraktiken oder auch das Kühlen als Service in den Fokus.

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Abb. 2-1: Ein betrachtetes Szenario wird neben einer verbesserten Kreislaufführung beispielsweise durch veränderte Einkaufspraktiken auch zu deutlich kleiner werdenden Kühlgeräten führen.

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2.2 BEWERTUNGS- UND ENTSCHEIDUNGSTOOL

Der Recyclingprozess eines Kühlgerätes wird virtuell mithilfe einer Prozess- Simulation auf Mikroebene abgebildet. Abb. 2-2 zeigt das konzipierte Grundschema des Datenaustauschs auf Mikroebene. Es gibt ein virtuelles Produkt „Kühlgerät“, das in einem virtuellen Recyclingprozess aufbereitet wird.

Der Recyclingprozess beinhaltet sowohl die physikalische Erstbehandlung für Kühlgeräte (Zerkleinerung und Vorsortierung) als auch die weitere Aufbereitung der Stoffströme (z.B. metallurgische Aufbereitung) und wird durch Prozess-Simulation abgebildet. Die Prozess-Simulation benötigt als Eingabe detaillierte Produkt- und Materialinformationen des Kühlgerätes und liefert als Ergebnis Aussagen über die Recyclingfähigkeit des Kühlgerätes, quantifiziert durch Indikatoren für Material-Rückgewinnung, Umweltauswirkungen und Ressourcenverbrauch. Auf Basis dieses Schemas kann die Recyclingfähigkeit verschiedener Kühlgeräte-Designs auf Mikroebene verglichen und das nachhaltigste „Design for Recycling“ identifiziert werden.

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Abb. 2-3: Zusammensetzung eines Kühlgerätes auf Baugruppen und -teilebene. Die  grau hinterlegten Bauteile werden mit ihrer Materialzusammensetzung an die Prozess Simulation für das Recycling übergeben.

Jedes Bauteil besteht aus einem oder mehreren Materialien, z.B. setzt sich das Bauteil Hebelgriff in etwa aus den Materialien 36% Aluminium-Legierung 6061, 32% Zink-Legierung, 17% POM, 10% ABS und 5% verzinktem Stahl zusammen. Jedes Material hat wiederum eine spezifische chemische Elementzusammensetzung. Beispielsweise hat die Aluminium-Legierung 6061 die Elementzusammensetzung von 97,4% Al, 0,8% Mg, 0,6% Si, 0,5% Fe und 0,2% Cu. Die Detailebene der Elementzusammensetzung ist dabei die Basis für die Ermittlung der Element-Rückgewinnungsraten.

Der virtuelle Recyclingprozess setzt sich aus zwei Stufen zusammen: Physikalische Erstbehandlung (Zerkleinerung und Vorsortierung) und weitere Aufbereitung (z.B. Pyrometallurgische Behandlung). Die kombinierte Betrachtung beider Stufen ist von hoher Bedeutung, da der Trennerfolg der physikalischen Erstbehandlung (als Ergebnis aus Aufschlussverhältnissen nach der Zerkleinerung und Sortiereffizienz) über die Qualität (Sortenreinheit) der intermediären Recycling-Stoffströme entscheidet, was wiederum die Materialrückgewinnung in der weiteren (metallurgischen) Aufbereitung wesentlich beeinflusst. Der Recyclingprozess wird deshalb mithilfe von Prozess-Simulationen virtuell durch Flowsheets abgebildet, in denen alle notwendigen Prozessschritte integriert sind und bei denen jeweils an jedem Schritt die detaillierte Informationen über die Materialzusammensetzung und -qualität (Verbindungen und Verunreinigungen) existieren.

Die Prozess-Simulation erfordert in jedem Prozessschritt die Verteilung der Stoffe (auf
Detailebene der Materialien und/oder Bauteile) auf die jeweiligen Output-Stoffströme. Dadurch ist eine geschlossene Massenbilanz im Simulationsmodell stets sichergestellt. Als Software wird hierzu u.a. HSC Chemsitry (Outotec) verwendet.

Ebenso wie die Recyclingphase müssen die Material- und Energieströme sowie die damit verbundenen ökologischen Wirkungen in der Herstellungs- und Nutzungsphase
ermittelt werden. Diese Auswertung erfolgt anhand klassischer Methoden der Lebenszyklusanalyse mittels der Software OpenLCA in Kombination mit der ecoinvent
Datenbank.

 

2.3 TRANSITIONSPFADE

Im Hinblick auf gesellschaftliche Transitionspfade wurde in einem ersten Schritt der Fokus auf die rechtlichen Rahmenbedingungen, insbesondere die Normierung im Hinblick auf zirkuläre Wertschöpfung, gelegt. Dabei sollen unter anderem Zielkonflikte aufgezeigt werden, die sich aus den unterschiedlichen Anforderungen im Bereich Brandschutz, Lebensmittelsicherheit oder Recyclingfähigkeit ergeben. Zudem sollen Erfolgs- bzw. Hemmnisfaktoren für einzelne Akteure entlang der gesamte Wertschöpfungskette im Hinblick auf zirkuläres Design und von Produkt-Dienstleistungssystemen identifiziert werden. Die Praxispartner leisten gerade auch an dieser Stelle sehr wertvolle Unterstützungsarbeit.
Die Zusammenstellung relevanter Normen und Rahmenbedingungen für Kühl-/Gefriergeräte wurde angestoßen, die im Kontext zirkulärer Wertschöpfung relevant sind. Dabei wurden sowohl Normen und Rahmenbedingungen berücksichtigt, die zirkuläre Wertschöpfung fördern als auch solche, die diesem Ansatz entgegenstehen. Beispielweise stehen aktuelle Flammschutzvorgaben dem Kunststoffrecycling entgegen. Die Anforderungen haben sich insbesondere nach dem Gebäudebrand im Grenfell-Tower verschärft, welcher durch den Brand eines Kühlschrankes ausgelöst wurde.
Beispielhaft sind im Folgenden (nicht abschließend) einige relevante Normen /
Rahmenbedingungen aufgelistet:

  • Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG
  • Ökodesign-Richtlinie, ecodesign requirements 2019EN 2008/98/EG
  • Abfallrahmenrichtlinie (EU)
  • WEEE-Richtlinie 2012/19/EU
  • KrWG
  • BImSchG
  • ElektroG
  • TA Luft
  • VDI 2243
  • Normungsreihe DIN EN 4555x
  • DIN CENELEC 60625
  • IEC/TR 62635:2012Liste

 

3 SCHLUSSFOLGERUNG BZW. ZUSAMMENFASSUNG

Im Ergebnis des hier kurz vorgestellten Projektes wird ein übertragbares Designkonzept zur Kreislaufführung der verwendeten Materialien von Konsumgütern am Beispiel eines Kühl-/Gefriergerät-Prototyps erwartet. Betrachtet man beispielsweise den Anteil von Stahl, Kupfer und Aluminium, machen diese zusammen fast 35 Prozent des Gewichtsanteils in zu recycelnden Kühl-/Gefriergeräten aus, dazu kommen Kunststoffe mit einen Gewichtsanteil von etwa 30 Prozent. Das entspricht einem durchschnittlichen Materialwert an Sekundärrohstoffen von rund 25 Millionen Euro pro Jahr, allein für die produzierte Gerätetonnage nur eines Kühlgeräteherstellers. Diese Zahl weist auf das enorme Einsparpotenzial hin, das durch eine Reduzierung des Materialeinsatzes, die Substitution nicht nachhaltiger Materialien, die Verbesserung der Erfassung der metallischen Abfälle sowie eine Erhöhung des Anteils sekundärer Rohstoffe bei Konsumgütern erreicht werden kann.

Bildquellen: ©CircularByDesign-Konsortium