Lernfabrik für Ressourceneffizienz
Praxisnahe und -gerechte Bildung im Kontext der Ressourceneffizienz

Dieter Kreimeier, Dennis Bakir, Björn Krückhans und Claudia Rainfurth

Die stetig zunehmende Nachfrage nach Ressourcen und das gleichzeitige Wachstum der Weltbevölkerung führen zu einer zunehmenden Ressourcenverknappung und in direkter Konsequenz zu stetig ansteigenden Preisstrukturen. Dieser Trend belastet vornehmlich die von Ressourcen direkt abhängigen, produzierenden Unternehmen. Für die Konkurrenzfähigkeit des Wirtschaftsstandortes Deutschland ist es daher von hohem Interesse ressourceneffizient zu produzieren. Zentraler Gegenstand dieses Beitrags ist die Vorstellung der Lernfabrik für Ressourceneffizienz (LRE) des Lehrstuhls für Produktionssysteme und der daraus resultierenden Adaptionspunkte für industrielle Vertreter.

Lernfabriken spielen in der Ausbildung von Fachkräften auf der Shop-floor- und Managementebene eine immer wichtigere Rolle. Alle beteiligten Mitarbeiter können durch Lernfabriken, in einer praxisnahen Umgebung, einen Blick über den eigenen Arbeitsplatz hinaus erlangen. Der Fokus liegt dabei auf der Gesamtheit aller Unternehmensprozesse. Die Teilnehmer sollen mit den vermittelten Werkzeugen in die Lage versetzt werden, Verschwendung zu erkennen und zu eliminieren. 
Die im Folgenden vorgestellte Lernfabrik für Ressourceneffizienz an der Ruhr-Universität Bochum wurde im Rahmen des Verbundprojektes reBOP
initiiert und wird im Rahmen des Nachfolgeprojekts rebas weiterentwickelt und verstetigt. Die Effizienzfa-brik als Innovationsplattform „Ressourceneffizienz in der Produktion” ist eine gemeinsame Initiative des Verbands Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) und des BMBF. Sie unterstützt die vom BMBF-geförderten Forschungsprojekte dabei, ihre Ergebnisse zu kommunizieren und ist daher ein idealer Partner der Lernfabrik im Herzen des Ruhrgebietes. Die Forschungsergebnisse von reBOP und rebas finden somit direkten Anschluss an industrielle Interessenten. 
Besonders für das produzierende Gewerbe ist es bereits aus betriebswirtschaftlichen Gründen unabdingbar, den Blick auf Energie- und Ressourceneffizienz zur richten. [1] Denn nicht nur die politischen Rahmenbedingungen, sondern vielmehr die steigenden Ressourcenpreise und der wachsende Wettbewerb auf internationaler Ebene machen Energie- und Ressourceneffizienz zu wettbewerbsentscheidenden Faktoren. So gilt es besonders für produzierende Unternehmen den Blick in Zukunft nicht nur auf Zielgrößen wie Zeit, Kosten und Qualität zu lenken, sondern verstärkt weiteren Kriterien wie Energie- und Materialeffizienz sowie die Verringerung der CO2-Emissionen, Aufmerksamkeit zu schenken. [1]

Stand der Technik
Inzwischen gibt es eine Vielzahl von Beratungs- und Schulungsangeboten, die sich der Energie- und Ressourceneffizienz verschrieben haben. Das Angebot hinsichtlich Lernfabriken ist bisweilen allerdings gering. Die folgende Auflistung zeigt ausschnittsweise, dass der Bedarf erkannt wurde und erste Lernfabriken zum Thema Energie- bzw. Ressourceneffizienz aufgebaut wurden.

  1. Niedersächsische Lernfabrik für Ressourceneffizienz (NiFaR)
  2. Die Lernfabrik – TU Braunschweig 
  3. Die Lernfabrik für Industrial Engineering (IEL)
  4. Lernfabrik für Energieproduktivität (LEP)

Regional betrachtet gibt es im Zentrum des Bundeslandes NRW im Ballungsraum Rhein-Ruhr bislang kein vergleichbares Angebot für die Vielzahl an beheimateten Unternehmen. Somit ist von einer großen Nachfrage bei entsprechenden Schulungen auszugehen. Das im Folgenden dargestellte, entwickelte didaktische Sensibilisierungskonzept zur Gestaltung von energie- und ressourceneffizienten Produktionsprozessen ist ein essentieller Grundbaustein der Lernfabrik für Ressourceneffizienz an der Ruhr-Universität Bochum.


 


Bild 1: Schulungssichten der LRE.

Energieeffizienz bildet dabei einen bedeutenden Bestandteil des gesamtheitlichen Konzepts zur Ressourceneffizienz. [2] Durch das zunehmende Bewusstsein der Endlichkeit von fossilen Energieträgern und dem deklarierten Ziel CO2-Emissionen langfristig zu senken besteht die artikulierte Forderung weniger Energie zur Deckung des menschlichen Bedarfs zu nutzen. Diese Sichtweise fokussiert jedoch ausschließlich die Ressource Energie. Doch um die Nachhaltigkeit menschlicher und industrieller Tätigkeit sicherzustellen reicht diese singuläre Betrachtungsweise nicht aus. Unter Beachtung der Verknappung natürlicher Ressourcen muss der Fokus demnach auf den gesamten Ressourcenverbrauch ausgeweitet werden. [3]


Notwendigkeit des Faktors „Ressourceneffizienz”

Unter dem Begriff Ressourceneffizienz wird meist nur die Effizienz einzelner Ressourcen (meist Energieeffizienz) verstanden. Per Definition beschreibt der Begriff allerdings eine ganzheitliche Lösung für alle tangierten Ressourcenbereiche. Auf Grund der zunehmenden Nutzung aller Ressourcenarten ist die Betrachtung von nur wenigen ausgewählten Ressourcen nicht zielführend. So ist die Detektion, Analyse und Optimierung von Wasserverbräuchen im industriellen Fertigungsprozess ebenso wichtig, wie die Optimierung der übrigen Verbräuche. [4]. Neben stetig steigenden Preisen für die sich verknappenden Ressourcen ist das wachsende Kundenverlangen nach grüneren Produkten und Transparenz eine Hauptmotivation für Unternehmen vermehrt Ressourceneffizienz zu betreiben. Somit bestehen immense Potentiale für die deutsche Wirtschaft. Bereits im Jahr 2011 betrug das Volumen des globalen Marktes für Umwelttechnik und Ressourceneffizienz 2.044 Milliarden Euro und wird vorrausichtlich bis im Jahre 2025 auf 4.400 Milliarden Euro anwachsen. [5] Aber auch die Branche der deutschen Umwelttechnik und Ressourceneffizienz verzeichnete in den vergangenen Jahren ein jährliches Wachstum von ca. 12 % und wird voraussichtlich bis 2025 von 300 Milliarden Euro Marktvolumen auf 624 Milliarden Euro Marktvolumen anwachsen [5]. Diese Zahlen belegen, wie wichtig es ist frühzeitig auf diesen Märkten eindeutige Position zu beziehen und entsprechende Forschung und Entwicklung auf diesen Gebieten zu betreiben. Zur Förderung der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Ressourceneffizienz sowie zum Wissenstransfer hat der Lehrstuhl für Produktionssysteme, mit weiteren Partnern, die Lernfabrik für Ressourceneffizienz gegründet.

 


Bild 2: Sankey-Analyse des Stempelgehäuses.
 


Lernfabrik für Ressourceneffizienz

In der Lernfabrik für Ressourceneffizienz werden noch 2013 die ersten Trainingskurse zur Sensibilisierung der Mitarbeiter für das Thema Ressourceneffizienz angeboten werden. Hierbei dienen die aktuellen Forschungsergebnisse des rebas-Projekts als Grundlage. In der Lernfabrik wird ein kompletter Auftragsfertigungsprozess mit mehreren Bearbeitungsschritten und allen daraus resultierenden Material-, Informations- und Ressourcenflüssen abgebildet, wobei die Notwendigkeit zur methodisch fundierten und systematisch ausgeführten Verbesserung herausgestellt wird. Die Lernfabrik richtet sich an alle Ebenen eines Unternehmens von dem Management- bis zum Shopfloorlevel. Die Fertigung in mehreren Arbeitsschritten erlaubt die Abbildung einer heterogenen Arbeitsumgebung mit unterschiedlichen Maschinen unterschiedlicher Baujahre, wie sie auch im industriellen Einsatz vorzufinden ist. Dadurch wird die Adaption der vermittelten Inhalte auf das eigene Unternehmen erheblich erleichtert. Die vorhandene Pilot-/Lernfabrik wurde in den letzten Monaten erweitert und steht den Teilnehmern und Studenten nun zur Verfügung.


Betrachtete Prozesse und Ressourcen

Lernfabriken grenzen sich deutlich von regulären Seminarraum- oder Hörsaalübungen ab, indem ein reales Produkt in einer realen Fertigungsumgebung betrachtet wird. Das Produkt Stempelgehäuse eines fiktiven Kunden, dessen Kenn- und Auftragsdaten komplett aufbereitet und gegeben sind, wird in der Pilotfabrik im vorhandenen Maschinenpark (siehe oben) während des Seminars von Facharbeitern produziert. Die Teilnehmer können somit direkt Potenziale in der realen Produktionsumgebung erkennen, analysieren, optimieren und ggf. eingreifen. Zugehörige Logistik- und Administrationsprozesse können ebenfalls, je nach gewähltem Schwerpunkt, in das Schulungskonzept integriert werden.

Aufgrund der unterschiedlichen Ansätze und Aufgabengebiete, eröffnet das Themenfeld Ressourceneffizienz eine Vielzahl an Schulungsansätzen. Die Sichten Techniker und Management eröffnen vielen Adressaten die fachbezogene Vermittlung von Wissen und Werkzeugen, die im täglichen Wirkungsfeld Anwendung finden können. 

Verfolgt wird in den Schulungen der Weg des entstehenden Produktes, ausgehend vom angelieferten Rohmaterial und extern produzierter Zukaufteile. Innerhalb des angebundenen Maschinenparks werden verschiedene Dreh-, Fräs-, Bohr-, Schlichtoperationen sowie Entgraten durchgeführt. Ebenso werden Lager- und Logistikprozesse, Härten, Lackieren, Reinigen und Verpacken betrachtet. Final entsteht ein versandfertiges Produkt mit einem spezifischen Ressourcenabdruck, den es unter Zuhilfenahme der erlernten Methoden zu optimieren gilt.

Als Ressourcen werden innerhalb des Konzepts verschiedene Ebenen verstanden, die direkt in die notwendigen Prozesse unterstützend einfließen. Personal-, Strom-, Druckluft- und Wasserbedarf stellen dazu die notwendige Basis dar, die ergänzt wird um Rohmaterial, Lagerkosten, Werkzeug und Verpackungsmaterial, um den gesamten Materialfluss, der notwendig ist, um das Werkstück zu fertigen, darzustellen. Der Produktionsprozess bedingt jedoch noch weitere (ökologisch mitunter kritische) Ressourcen wie Lacke, Kühlmittel, Öle sowie Chemiezusätze, die ebenfalls direkt bewertet werden. Verschleiß, Belegungszeiten, Abwässer, Späne und sonstiger Ausschuss beschreiben den Sektor der Fehlleistungen. Besonders ist an dem Bewertungsmodell, dass Ausschüsse jeweils am Ort des Entstehens in der Prozesskette bilanziert werden. So werden alle bis dahin angefallenen Prozessschritte und benötigten Ressourcen monetär bewertet und zugerechnet. 

 


Bild 3: Übersicht der angewandten Tools.

Als betrachtete Prozesse werden alle Verfahren, die zur Fertigung des Produktes notwendig sind, herangezogen. Die Prozesse sind so gewählt, dass diese eine größtmögliche Nähe zur industriellen Fertigung aufweisen und somit erneut einen hohen Adaptionsgrad für die Teilnehmer bieten. Die betrachteten Ressourcen sind ebenfalls direkt dem industriellen Umfeld entnommen und umfassen alle während der Fertigung benötigte Ressourcen, ebenso aber Abfälle und weitere unerwünschte Outputs. Der Fokus liegt hierbei demnach auf der Steigerung der ganzheitlichen Fertigungseffizienz in Bezug auf alle eingesetzten Materialien. Die geschickte Auswahl der betrachteten Ressourcen und Prozesse erlaubt eine ganzheitliche und umfassende Schulung, die nahezu für jeden Bereich des produzierenden Gewerbes Adaptionspotentiale bietet.


Integrierte Werkzeuge und Themen

Zur umfassenden Mitarbeiterschulung ist ein zweitägiges Schulungskonzept geplant, das unterschiedliche Werkzeuge und Themen beinhaltet. Die Energiewertstromanalyse, die benutzerfreundliche Visualisierung von Ressourcenflüssen und die duale Energiesignatur sind nur drei der in der Schulung an die Kursteilnehmer vermittelten Inhalte und Werkzeuge. Die Werkzeuge und Themen werden jeweils über Praxisbeispiele erläutert und erleichtern somit das Verständnis für komplizierte Sachverhalte.

Alle Tools werden anhand eines konkreten Kundenauftrags vom Bestellungseingang bis zum versandfertigen Produkt eingesetzt und vermittelt. Im Vordergrund steht dabei jedoch nicht nur das Thema Energie- und Ressourceneffizienz, sondern ebenfalls die Wirtschaftlichkeit. Diese wird anhand des durchgängigen Beispiels berechnet und führt zu vielen überraschenden Ergebnissen. Diese unterschiedlichen Tools fokussieren differenzierte Optimierungsschwerpunkte. Das Erfassungssystem des EGX 300 erlaubt es, die Sensorwerte zwischen 500 und 700 ms zu liefern, sodass die einzelnen Komponenten der Maschine genau analysiert werden können. In Workshops werden mithilfe dieses Sys

tems genaue Ressourcenverbräuche für Wertstromanalysen ermittelt, Maschinenkomponenten unterschiedlich betrieben und teilweise abgeschaltet. 

Die Messwerte des Systems werden alle 15 Minuten in ein übergeordnetes System „SPM7” überführt. In diesem System können Dashboards erstellt werden, die das Management auswertet und beurteilt. Das System wird ebenfalls in Workshops so eingerichtet, dass Management Reports z.B. als Nachweis für die DIN EN ISO 50001 erstellt werden können. Alarmgrenzen werden definiert und Auswertungen hinsichtlich der Blindstromkompensation und Stromqualität werden ebenfalls thematisiert. 

Als Ergänzung sind alle Maschinen an das HYDRA System angeschlossen. Dort besteht bei der Auswertung, sowohl auf Bediener- als auch auf Operatorebene, eine Korrelation aus Betriebs- und Maschinendaten. Auf diese Weise kann im betrachteten Produktionsprozess des Kunden bereits in der Planung Einfluss auf den Faktor Ressourceneffizienz gelegt werden. Vergangene Aufträge fließen somit in die Neuplanung von Aufträgen mit ein. 

Die Teilnehmer lernen somit unterschiedliche Systeme kennen, die bei der Auswertung und Optimierung verschiedene Schwerpunkte setzen. 

Im Bereich der industriellen Kommunikation werden moderne Kommunikationsarchitekturen zur Vernetzung und Anbindung von neuen und alten Maschinen mit den Sensoren und Erfassungseinrichtungen vermittelt und konfiguriert.


Dieser Beitrag entstand im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprojekts „rebas – Ressourceneffiziente Entwicklung und optimierter Betrieb von Abfüllanlagen in der Lebensmittelindustrie durch den Einsatz einer neuartigen Simulationssoftware“ innerhalb des Ziel2-Calls „Ressource.NRW“, das vom Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz gefördert und von der Effizienz-Agentur NRW betreut wird.

 

 

Schlüsselwörter:

Ressourceneffizienz, Lernfabrik, Verschwendungsarme Fertigung, Flexible Produktionssysteme, Schulungskonzepte

Literatur:

[1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, BMU: Umweltwirtschaftsbericht 2011 – Daten und Fakten für Deutschland, Berlin 2011
[2] Krings, Robin: Bewertung und kontinuierliche Verbesserung der Ressourceneffizienz von automatisierten Fertigungssystemen. Aachen, 2012
[3] Friedrich, Dirk; Maier, Bastian: Ansatz zur Umsetzung einer „Ressourceneffizienten Produktionstechnik In: Eversheim, Walter; Pfeifer, Tilo; Weck, Manfred; Brecher, Christian; Schmitt, Robert Heinrich; Schuh, Günther: Ressourceneffiziente Produktionstechnik – Ein Aachener Modell. Aachen, 2010
[4] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Deutsches Ressourceneffizienzprogramm (ProgRess) – Programm zur nachhaltigen Nutzung und zum Schutz der natürlichen Ressourcen. Berlin 2012
[5] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: GreenTech made in Germany 3.0 – Umwelttechnologie-Atlas für Deutschland. Berlin 2012