AutoUni – Schriftenreihe Florian Broch Integration von ökologischen Lebensweg- bewertungen in Fahrzeug- entwicklungsprozesse AutoUni – Schriftenreihe Band 102 Herausgegeben von/Edited by Volkswagen Aktiengesellschaft AutoUni Die Volkswagen AutoUni bietet Wissenschaftlern und Promovierenden des Volks- wagen Konzerns die Möglichkeit, ihre Forschungsergebnisse in Form von Mono- graphien und Dissertationen im Rahmen der „AutoUni Schriftenreihe“ kostenfrei zu veröffentlichen. Die AutoUni ist eine international tätige wissenschaftliche Einrich- tung des Konzerns, die durch Forschung und Lehre aktuelles mobilitätsbezogenes Wissen auf Hochschulniveau erzeugt und vermittelt. Die neun Institute der AutoUni decken das Fachwissen der unterschiedlichen Geschäftsbereiche ab, welches für den Erfolg des Volkswagen Konzerns unabding- bar ist. Im Fokus steht dabei die Schaffung und Verankerung von neuem Wissen und die Förderung des Wissensaustausches. Zusätzlich zu der fachlichen Weiterbildung und Vertiefung von Kompetenzen der Konzernangehörigen, fördert und unterstützt die AutoUni als Partner die Dok torandinnen und Doktoranden von Volkswagen auf ihrem Weg zu einer erfolgreichen Promotion durch vielfältige Angebote – die Veröffentlichung der Disser tationen ist eines davon. Über die Veröffentlichung in der AutoUni Schriftenreihe werden die Resultate nicht nur für alle Konzernangehörigen, sondern auch für die Öffentlichkeit zugänglich. The Volkswagen AutoUni offers scientists and PhD students of the Volkswagen Group the opportunity to publish their scientific results as monographs or doctor’s theses within the “AutoUni Schriftenreihe” free of cost. The AutoUni is an international scientific educational institution of the Volkswagen Group Academy, which produces and disseminates current mobility-related knowledge through its research and tailor-made further education courses. The AutoUni’s nine institutes cover the expertise of the different business units, which is indispensable for the success of the Volkswagen Group. The focus lies on the creation, anchorage and transfer of knew knowledge. In addition to the professional expert training and the development of specialized skills and knowledge of the Volkswagen Group members, the AutoUni supports and accompanies the PhD students on their way to successful graduation through a variety of offerings. The publication of the doctor’s theses is one of such offers. The publication within the AutoUni Schriftenreihe makes the results accessible to all Volkswagen Group members as well as to the public. Herausgegeben von/Edited by Volkswagen Aktiengesellschaft AutoUni Brieffach 1231 D-38436 Wolfsburg http://www.autouni.de Weitere Bände in dieser Reihe http://www.springer.com/series/15136 Florian Broch Integration von ökologischen Lebensweg­ bewertungen in Fahrzeug­ entwicklungsprozesse Florian Broch Wolfsburg, Deutschland Zugl.: Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2017 Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse der im Rahmen der AutoUni – Schriftenreihe veröffentlichten Doktorarbeiten sind allein die der Doktorandinnen und Doktoranden. AutoUni – Schriftenreihe ISBN 978-3-658-18217-5 ISBN 978-3-658-18218-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-658-18218-2 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National- bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa- tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer ist Teil von Springer Nature Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany Geleitwort Die individuelle Nutzung von Automobilen ist für etwa 10 % des globalen Energiever- brauchs und der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Leichtbau ist eine domi- nierende Strategie bei konventionellen Fahrzeugen, um die Fahrzeugmasse und damit den Energieverbrauch und die resultierenden Emissionen zu reduzieren. Parallel dazu findet eine zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen in Verbindung mit dem Ausbau erneu- erbarer Energien statt. Bei beiden Strategien besteht das Risiko, dass höhere Umweltwir- kungen in der Herstellung – trotz abnehmender Umweltwirkung in der Nutzungsphase – insgesamt zu einer höheren Umweltbelastung führen. Um die Vorteilhaftigkeit von Maß- nahmen ermitteln zu können, ist eine Analyse und Bewertung der potenziellen Umweltwir- kungen über den gesamten Fahrzeuglebensweg erforderlich. Die Ökobilanz (engl. Life Cycle Assessment) stellt hierfür eine etablierte Methode dar. Sie erlaubt es, potenzielle Um- weltwirkungen eines Fahrzeugs über den gesamten Lebensweg „von der Wiege bis zur Bahre“, d. h. von der Rohstoffgewinnung über die Produktion und Nutzung bis hin zur Ent- sorgung quantitativ zu bewerten. Um strategisch wirken zu können, müssen Ökobilanzen bereits frühzeitig bei Entscheidungen in der Fahrzeugentwicklung einbezogen werden. Doch gerade in den frühen Phasen der Produktentstehung fehlen produkt- und prozesssei- tige Informationen und Daten, die für eine Quantifizierung potenzieller Umweltwirkungen erforderlich sind. Informationen und Daten aus abgeschlossenen Fahrzeugentwicklungspro- jekten können eine sehr gute Grundlage bieten, um bestehende Informations- und Datenlü- cken zu schließen. Dafür bedarf es geeigneter Methoden, um bestehende Datenumfänge zu analysieren und für die Bewertung neuer Fahrzeugentwicklungsprojekte zu erschließen. Zu- dem müssen häufig mehrere Varianten eines Fahrzeugs evaluiert und die dazu aufgebauten ökobilanziellen Fahrzeugmodelle entwicklungsbegleitend weiter detailliert werden. Ferner müssen die Ergebnisse der Umweltbewertung für eine Entscheidungsunterstützung zumeist für die verschiedenen Anspruchsgruppen in einem Unternehmen aufbereitet werden. Herr Broch hat in seiner Arbeit die resultierenden Fragestellungen untersucht und einen eigenen methodenbasierten Ansatz zur Integration der ökologischen Lebenswegbewertung in Fahr- zeugentwicklungsprozesse entwickelt. Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann Danksagung Die Arbeit ist im Rahmen einer Promotion in der Konzernforschung Umwelt Produkt der Volkswagen AG in Wolfsburg in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkzeugma- schinen und Fertigungstechnik, Professur für Nachhaltige Produktion & Life Cycle Engi- neering, der Technischen Universität Braunschweig entstanden. Ein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann für die Übernahme meiner externen Promotion, sowie die regelmäßigen und ergiebigen Diskussi- onen bei der Konzipierung dieser Arbeit. Ebenfalls danke ich Prof. Dr.-Ing. Thomas Vietor für die Übernahme des Zweitgutachtens meiner Arbeit und Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c. Klaus Dilger für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes. Ich danke zudem den ehemaligen und aktuellen Mitarbeitern des Teams Nachhaltige Pro- duktion & Life Cycle Engineering am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstech- nik. Hervorheben möchte ich hier Dr.-Ing. Tina Dettmer und Dr. phil. Stefan Böhme für die Betreuung von Seiten des Instituts, sowie Alexander Kaluza und Anne-Marie Schlake für die Unterstützung auf dem Weg zur Abgabe der Arbeit und bei der Vorbereitung der Prü- fung. Großer Dank gilt aber auch den Kollegen der Umweltforschung. Dr. Stephan Krinke und Dr. Marko Gernuks danke ich für die Unterstützung meiner Ideen und das in mich gesetzte Vertrauen. Insbesondere das große Interesse an meiner Arbeit und auch die kritische Be- gleitung der Arbeit haben mir hier sehr weitergeholfen. Dr. Wolfgang Walk danke ich für die inhaltliche Betreuung meiner Arbeit und die dabei sehr konstruktive Unterstützung und die vielen Diskussionen, die diese Arbeit begleitet haben. Aber auch allen Kollegen der Umweltanalyse und -steuerung danke ich für die Unterstützung und das wertvolle Feedback aus der Praxis. Das Mitwirken von Albert Merten und Katharina Tienken im Rahmen von studentischen Abschlussarbeiten haben für das Gelingen der automatisierten Prognose von Parameterwerten beigetragen. Insbesondere die Erstellung und programmliche Umsetzung des Prognosemodells von Katharina Tienken waren hierfür Voraussetzung. Danke euch al- len! Weiterhin hat das Doktorandenprogramm der Volkswagen AG meine Industrie-promotion ermöglicht und gefördert. Dazu danke ich auch der Volkswagen AutoUni für die Unterstützung bei der Veröffentlichung meiner Arbeit in der „AutoUni Schriftenreihe“. Bedanken möchte ich mich auch bei allen denen, die während meiner Zeit im Volkswagen Doktorandenkolleg aktiv waren. Der Austausch untereinander hat für viel Energie und Motivation beim Bestreiten des gemeinsamen Wegs gesorgt. Zu guter Letzt danke ich meiner Familie herzlich für die Unterstützung während meines Ausbildungswegs hin zur Promotion und darüber hinaus. Mein größter Dank geht an Nina, für dein Verständnis, deinen Zuspruch und deine Liebe. Braunschweig Dipl.-Wirtsch.-Ing. Florian Broch Kurzfassung Schlagwörter: Ökobilanz, umweltorientierte Fahrzeugentwicklung, Life Cycle Enginee- ring, Datenknappheit, Data Mining Die Elektrifizierung von Antrieben und die Reduzierung der Fahrzeugmasse durch Leicht- bau sind zwei relevante Pfade zur Senkung von Treibhausgasemissionen von Automobilen. Allerdings besteht dabei das Risiko, dass eine zunehmende Umweltwirkung in der Herstel- lung – trotz abnehmender Umweltwirkung in der Nutzungsphase – insgesamt zu einer hö- heren Umweltbelastung führt. Dies kann mit einer ökologischen Lebenswegbewertung er- mittelt werden. Bei der quantitativen Bewertung von Umweltbelastungen über den gesam- ten Lebensweg wird insbesondere die Ökobilanz (Life Cycle Assessment – LCA) einge- setzt. Um ganzheitlich die Umweltlasten eines Fahrzeugs senken zu können, muss die Öko- bilanz bereits frühzeitig bei Entscheidungen in der Fahrzeugentwicklung einbezogen wer- den. Je später Entscheidungen mit den Ergebnissen einer Ökobilanz unterstützt werden, desto geringer ist die Möglichkeit, das Fahrzeug aus Umweltsicht noch zu verbessern. Um durchgängig und umfassend die gesamte Umweltrelevanz von Entscheidungen in frühen Phasen der Fahrzeugwicklung zu verfolgen und damit eine Entscheidungsunterstützung zu leisten, fehlt es an einem geeigneten Konzept und Werkzeug. In der vorliegenden Arbeit wird daher ein Konzept entwickelt, bei dem die lebenswegori- entierte ökologische Produktbewertung im Entwicklungsprozess eines Fahrzeugs integriert wird. Über alle Phasen der Entwicklung wird so eine effiziente und richtungssichere Be- wertung und Verfolgung der Ökobilanz eines Fahrzeugs ermöglicht. Dies wird unter ande- rem durch eine Parametrisierung von Sachbilanzmodellen in der Ökobilanz erreicht. Hier- durch können schnell viele Varianten eines Produkts abgebildet werden und gleichzeitig die Detailgenauigkeit der Modelle verbessert werden. Weiterhin werden die Ergebnisse der Umweltbewertung zielgruppengerecht als Entscheidungsunterstützung für die Verbesse- rung von Fahrzeugen aufbereitet. Da in frühen Phasen der Entwicklung gleichzeitig erst wenige Informationen und Daten für eine Ökobilanz zur Verfügung stehen, werden auch Vorgehensweisen zur Begegnung von Datenknappheit vorgestellt. Neben der Verwendung von Standardwerten oder von Werten aus Vorgängerfahrzeugprojekten wird die Prognose insbesondere von Parameterwerten durchgeführt. Dies geschieht mit Methoden des Data Minings. Im Fall des als besonders relevant identifizierten Parameters Materialnutzungsgrad wurde das RandomForest-Ver- fahren hinsichtlich der Prognosegeschwindigkeit und -güte als geeignet identifiziert. Ab- schließend wird die Eignung des entwickelten Konzepts im Allgemeinen und der Parame- terprognose im Speziellen anhand einer Fallstudie demonstriert. Abstract Keywords: Life Cycle Assessment, Product Development, Ecodesign, Lack of Data, Data Mining Two important pathways for the reduction of greenhouse gas emissions during a vehicle’s use phase are powertrain electrification and curb weight reduction. However, those path- ways bear the risk that higher emissions during production overcompensate lower emissions during the use phase. This shift of environmental burdens may also lead to an overall wors- ening of a vehicle’s environmental profile. Life cycle assessment (LCA) is a frequently used method to quantify this shift. With this method, relevant environmental impacts in a prod- uct’s entire life cycle can be identified. In order to achieve a holistic reduction of environ- mental impacts of a car and to be able to influence design decisions, an LCA has to be conducted as early as possible in a car’s development. The later an LCA is done during development, the smaller the adaptations to the car’s design can be. Until now, there is no concept or tool that continuously and extensively tracks the overall environmental relevance of decisions in early stages of development. Therefore, the work at hand covers the development of a concept that integrates a life cycle based environmental assessment into the new vehicle development process. By covering all stages of development, an efficient and robust assessment of the vehicle’s environmental profile is ensured. The parametrization of life cycle inventory models is one way to achieve this. In this way, many different product types can be assessed. At the same time, the mod- els’ level of detail can be improved. In addition, the results of the environmental assessment are edited for different target groups in order to serve as a tailor-made decision support for the improvement of the vehicle’s environmental profile. Due to lack of data, conducting LCAs in early stages of development is a challenge. A strategy to solve the lack of data was developed. Apart from the use of default values or the use of data from predecessors, the prediction of data, especially parameter values, with data- mining methods was used. In the case of the very relevant parameter ‘degree of material utilization‘, a parameter value prediction was performed with a RandomForest algorithm. This method showed a high prediction speed and high excellence of results. Finally, the suitability in a real-life development situation of the overall concept and the parameter pre- diction in particular was demonstrated in a case study. Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ................................................................................................ XVII Tabellenverzeichnis ...................................................................................................... XXI Nomenklatur .............................................................................................................. XXIII 1 Einleitung ...................................................................................................................... 1 1.1 Motivation und Problemstellung.............................................................................. 1 1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit.......................................................................... 2 2 Grundlagen der Umweltbewertung und Produktentwicklung ................................ 7 2.1 Definitionen ............................................................................................................. 7 2.1.1 Produkte und deren Entwicklung ................................................................. 7 2.1.2 Umweltbewertung ........................................................................................ 7 2.1.3 Produktlebensweg ........................................................................................ 8 2.2 Grundlagen der lebenswegorientierten Umweltbewertung ................................... 11 2.2.1 Methodik der Ökobilanzierung .................................................................. 12 2.2.2 Der ökologische Lebensweg eines Automobils ......................................... 19 2.2.3 Werkzeuge und Datenbanken zur Ökobilanzierung .................................. 28 2.3 Grundlagen der Fahrzeugentwicklung ................................................................... 31 2.3.1 Produktentwicklungsmodelle und -prozesse .............................................. 31 2.3.2 Charakterisierung der Fahrzeugentwicklung ............................................. 33 3 Ansätze zur Integration lebenswegorientierter Umweltbewertungen in die Fahrzeugentwicklung ..................................................................................... 39 3.1 Herausforderungen bei der Nutzung lebenswegorientierter Umweltbewertungen in der Fahrzeugentwicklung ................................................ 41 3.1.1 Anwendbarkeit in der industriellen Praxis der Automobilindustrie .................................................................................... 41 3.1.2 Paradoxon der Produktentwicklung – Zeitpunkt und Datenverfügbarkeit ..................................................................................... 41 3.1.3 Komplexität und Datenbedarf der lebenswegorientierten Umweltbewertung ...................................................................................... 43 3.1.4 Kommunikation zur Entscheidungsunterstützung in Fahrzeugprojekten ...................................................................................... 45