Hochschulschrif ten zur Nachhaltigkeit

ÖKOSPHÄRE

TECHNOSPHÄRE

Kirsten Radermacher

Ökologisch-ökonomische Entscheidungen in Unternehmen Auswirkungen auf die Produktqualität am Beispiel der Druck- und Verpackungsindustrie

Dieses Buch wurde klimaneutral hergestellt. CO2-Emissionen vermeiden, reduzieren, kompensieren – nach diesem Grundsatz handelt der oekom verlag. Unvermeidbare Emissionen kompensiert der Verlag durch Investitionen in ein Gold-Standard-Projekt. Mehr Informationen finden Sie unter www.oekom.de

Vorgelegte Dissertation zur Erlangung des Akademischen Grades Dr.-Ing. an der Fakultät fu ̈r Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik der Bergischen Universität Wuppertal unter dem Titel Ein Modell zur qualitätsbezogenen ökologisch-ökonomischen Entscheidungsfindung in Unternehmen am Beispiel von hochglanzveredelten Produkten der Druck- und Verpackungsindustrie Kirsten Radermacher, geb. Nahrgang Wuppertal, Juli 2015 fachlich begleitet durch Prof. Dr.-Ing. Ulrich Jung Fakultät fu ̈r Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik Druck- und Medientechnologie (Digital- und Offsetdruck) Prof. (em.) Dr. rer. nat. Joachim M. Marzinkowski Fakultät fu ̈r Maschinenbau und Sicherheitstechnik Sicherheitstechnik (Umweltchemie) der Bergischen Universität Wuppertal Mu ̈ndliche Pru ̈fung am 25. November 2015

Bibliographische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie; detaillierte bibliographische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2016 oekom, München oekom verlag, Gesellschaft für ökologische Kommunikation mbH Waltherstrasse 29, 80337 München Umschlag: © Kirsten Radermacher Produktion und redaktionelle Betreuung: Volker Eidems Korrektorat: die Autorin Druck: Bosch-Druck GmbH, Ergolding Dieses Buch wurde auf 100%igem Recyclingpapier gedruckt. FSC® (Forest Stewardship Council)® ist eine nichtstaatliche, gemeinnützige Organisation, die sich für eine ökologische und sozialverantwortliche Nutzung der Wälder unserer Erde einsetzt. Alle Rechte vorbehalten ISBN 978-3-86581-793-8 E-ISBN 978-3-96006-112-0

Kirsten Radermacher

Ökologisch-ökonomische Entscheidungen in Unternehmen Auswirkungen auf die Produktqualität am Beispiel der Druck- und Verpackungsindustrie

ºWir sind verantwortlich für das, was wir tun, aber auch für das, was wir nicht tun.º (Voltaire)

Geleitworte Moderne Managementmethoden für die Produktentwicklungen stützen sich darauf an wesentlichen Entscheidungspunkten einen standardisierten Satz von Parametern, sog. Key Performance Indikatoren, zur Entscheidungsfindung zu nutzen. Ein Soll-Ist Vergleich entscheidet über die Fortführung von Entwicklungsprojekten. Zu diesen Indikatoren gehören i.a. spezifisch technische Parameter meist Teile der Spezifikation des Produktes, betriebswirtschaftliche Parameter wie z.B. Herstellkosten, Absatzzahlen, Amortisationskennzahlen und nicht zuletzt zeitliche Meilensteine des Terminplans. Aufgrund dieser Kennzahlen werden Start und Fortführung eines Projektes evaluiert. Neben dieser operativen Ebene der Managementmethoden haben viele Unternehmen allgemein formulierte Unternehmensziele wie z.B. auch die Förderung nachhaltiger Entwicklungen und Produkte. Die Übersetzung solcher überlagerter allgemein formulierter Ziele in operative Kennzahlen ist dagegen selten zu finden, da sie aufwendig und komplex ist. Dies führt dazu, dass ökologische Kennzahlen bei den operativen Entscheidungen zu Produktentwicklungen an den Entscheidungspunkten nicht vorliegen und folgerichtig kaum berücksichtigt werden. Besonders mittelständig geprägte Industriezweige wie die Druckindustrie sind deshalb gefährdet, ökologische Ziele operativ nicht umsetzen zu können. Vielmehr wird ersatzweise unter diesem Mangel versucht, das eigene Handeln durch Erwerb von Zertifikaten und Labels einen ökologischen Anstrich zu geben, um bei Kunden die geforderte oder erwünschte Wahrnehmung zu erzeugen. In der vorliegenden Arbeit war es deshalb meine persönliche Motivation ökologische Zielsetzungen auf einen konkreten Anwendungsfall hin durchzuführen und die Fragestellung als Modellversuch zu nutzen, unterschiedliche Ökobilanzierungsmethoden zu evaluieren und wenn irgend möglich auf Vereinfachungen zu prüfen. Erst wenn die ökologischen Zielsetzungen mit dem angemessenen Aufwand konkretisiert werden können, werden diese Ziele auf der operativen Entscheidungsebene wahrgenommen und im Erfolgsfall auch umgesetzt. Prof. Dr.-Ing. Ulrich Jung Wuppertal, 27. November 2015

I

Geleitworte Der Fortschritt industrieller Gesellschaften wird wesentlich davon abhängen, ob es gelingt, den derzeit noch ungehemmten Ressourcenverbrauch und Schadstoffeintrag in unsere Umwelt auf ein Maû anzupassen, das auf eine stetige Steigerung der Nachhaltigkeit ausgerichtet ist. Wie soll die Änderung erfolgen? Oft reagieren Unternehmen nur auf die Verunsicherung aufgrund der Gefahren, die von Produkten und auch von Emissionen ausgehen, welche bei Herstellprozessen frei gesetzt werden, und stellen ihre Produkte und Verfahren nur auf die gerade aktuellen Erfordernisse ein. Die inzwischen unübersehbare Vielfalt meist fragwürdiger Produktlabels ist auch kein weiterführender Beitrag. Ein grundsätzlich neues Handlungskonzept ist gefragt! Insbesondere mittelständische Unternehmen stehen dieser Herausforderung oft hilflos gegenüber, weil sie nicht über die notwendige Kompetenz bzw. über geschultes Personal verfügen, um den Blick über den Tellerrand der vorrangigen Einhaltung gesetzlich vorgeschriebener Grenzwerte hinaus zu einer in die Zukunft gerichteten, offensiven Produkt- und Verfahrensentwicklung zu starten. Gefordert ist ein überzeugendes Konzept, das gesamtheitlichen, ökologischen und ökonomischen sowie sozialen Kategorien folgt und über die übliche Systemgrenze des eigenen, überschaubaren Wirkungsbereiches hinausgeht. Wird es bald zu einer Selbstverständlichkeit der Unternehmen gehören, Lebenszyklusanalysen für alle bestehenden und insbesondere auch für die am Beginn der Entwicklung stehenden neuen Produkte durchzuführen, um gezielt und über vergleichende Analysen zum Beispiel zur Ressourceneffizienz zu einem möglichst frühen Zeitpunkt die Veränderungen am Produkt und am Verfahren vorzunehmen, die damit den zukünftigen Erfolg des Produktes sichern werden? Der Anreiz zur Einführung der ökologisch-ökonomischen Entscheidungsfindung liegt in dem gesamtheitlichen Ansatz, neben dem Produktnutzen, der Qualität und der Wirtschaftlichkeit der Produktionsverfahren auch den Rohstoffeinsatz und Verbrauch an Ressourcen, die Emissionen am Arbeitsplatz und in die Umwelt, gesundheitliche Aspekte sowie die Rückgewinnung der Rohstoffe (Recycling) einzubeziehen. Das ist ein komplexes Unterfangen; aber es gibt durchaus Lösungswege, die auch mittelständischen Unternehmen helfen, nachhaltige Produktion und Produkte mit wirtschaftlichen Verfahren zu verbinden. An dieser Suche sich zu beteiligen, war nicht nur aufschlussreich, sondern auch ermutigend und hilft mir bei meiner Arbeit zur nachhaltigen Entwicklung von Produktionsprozessen. Prof. Dr. Joachim M. Marzinkowski Düsseldorf, 10. Dezember 2015

II

Danksagung Diese Dissertation entstand im Rahmen einer finanzierten Teilzeitstelle des Landes NRW an der B ERGISCHEN U NIVERSITÄT W UPPERTAL an der Fakultät für Elektrotechnik, Informationstechnik und Medientechnik (Fachgebiet: ‘Druckund Medientechnologie’, Fachgruppe ‘Digital- und Offsetdruck’) im Zeitraum von 01/2011 bis 07/2015. In dieser Zeit wurde ich durch unterschiedliche Personen unterstützt und motiviert, bei denen ich mich an dieser Stelle bedanken möchte. Meinem Doktorvater, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Jung, danke ich besonders für die mehrjährige Unterstützung meiner wissenschaftlichen Tätigkeit und das entgegengebrachte Vertrauen. Seine fachliche Kompetenz und seine Erfahrung aus der Berufspraxis im Bereich der Druckveredelung haben dieser Arbeit einen grundlegenden Rahmen gegeben. Bei Prof. Dr. rer. nat. Joachim M. Marzinkowski, emeritierter Lehrstuhlinhaber der Sicherheitstechnik/Umweltchemie, bedanke ich mich für seinen uneingeschränkten Einsatz, mich als ‘zweiter Doktorvater’ in sämtlichen chemischbiologischen Fragen zu jeder Zeit zu unterstützen. Die gemeinsamen Besprechungen mit Herrn Jung und Herrn Marzinkowski förderten die Fokussierung der Arbeit und halfen bei klaren Entscheidungen in der Vorgehensweise. Diese Gespräche haben meiner Arbeit jedes Mal erneut einen Aufschwung gegeben. Bei Prof. Dr.-Ing. Peter Urban bedanke ich mich für die gemeinsamen Diskussionen über die Glanzthematik und Methoden der Statistik; für die Unterstützung im Lösen von bestehenden Problemstellungen, aber auch im Aufwerfen von neuen Fragen, die die Arbeit in diesem Bereich weitergebracht haben. Meinen Kolleginnen und Kollegen danke ich für das angenehme Arbeitsumfeld. Trotz der stark unterschiedlichen Forschungsschwerpunkte konnte ich mir hier bei allgemeinen bzw. thematisch übertragbaren Fragestellungen stets einen Rat holen. Zudem danke ich Christiane Freyer und Dennis Martens für die Unterstützung bei der Durchführung von Testdrucken im Drucklabor der Fachgruppe. Dominik Dieckmann und Ricarda Niedecker danke ich für die gute Zusammenarbeit in Forschungsfragen zum Thema Glanz. Des Weiteren möchte ich folgenden Experten der B ERGISCHEN U NIVERSITÄT für ihren Einsatz danken, die mich bei sehr speziellen Fragenstellungen in ihrem Fachgebiet unterstützt haben: Prof. Dr. Hanno Gottschalk (Statistik), Dr. Ralf Kurtenbach (Emissionsmessung), Waldemar Staszek, Marco Laurenz und HeinzPeter Bongard (Leistungsmessung). Neben den genannten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der B ERGISCHEN U NIVERSITÄT W UPPERTAL möchte ich mich an dieser Stelle ebenso bei Personen III

Danksagung verschiedener Wirtschaftunternehmen bedanken. Sie haben Material für Testdrucke, Druckbogen für Glanzbeurteilungen und ihre Expertise hinsichtlich Beschichtungsmaterialien und Maschinenaggregate bereitgestellt. Herzlichen Dank für Ihre Unterstützung! Ein ganz besonders lieben Dank gilt meinem Ehemann, Daniel Radermacher. Dein Zuspruch und deine Unterstützung zu jeder Zeit - aber besonders in den kritischen Phasen dieser Arbeit - haben mir Kraft gegeben. Du hast mich stets darin bestärkt, die Dissertation mit meinem Anspruch der Praxisorientierung und Anwendbarkeit fertigzustellen. Dafür danke ich dir von Herzen! Kirsten Radermacher Wuppertal, 4. Juli 2015

IV

Kurzfassung Hintergrund, Ziele, Rahmenbedingungen. Nachhaltiges Handeln wird in unserer Gesellschaft vorausgesetzt. Damit Wirtschaftsunternehmen zukunftsfähige Entscheidungen treffen können, ist eine ganzheitliche Betrachtung von Produkten und Prozessen erforderlich, welche durch die sog. ‘Lebenszyklusanalyse’ erreicht werden kann. Lebenszyklusansätze werden in der Industrie insbesondere in mittelständischen Unternehmen - aufgrund ihrer Komplexität wenig eingesetzt. Ökologische Initiativen werden stattdessen vermehrt auf Produktlabels gestützt, welche sich schnell argumentieren lassen, Unternehmen allerdings in ihrem nachhaltigen Handeln nicht ausreichend genug bestärken können. Zur Unterstützung von Wirtschaftsunternehmen wurde ein Modell zur qualitätsbezogenen ökologisch-ökonomischen Entscheidungsfindung entwickelt, welches auf einer Produkt-Ökobilanz basiert und ökonomische Interessen nicht-monetär integriert. Methoden. Die Modellentwicklung wurde auf ein Produktbeispiel der Druck- und Verpackungsindustrie gestützt: Hochglanzveredelte Faltschachtelverpackungen für die Produktsparte ‘Kosmetika’ unter Einsatz der Beschichtungsverfahren ‘UV Lackierung’ bzw. ’Folienkaschierung’. In einer vergleichenden Produkt-Ökobilanz dieser Produktalternativen wurde die Umweltperformance anhand von durchgeführten Modellproduktionen quantifiziert. Dazu wurden Sachbilanzdaten für die Herstellung der Beschichtungen erhoben bzw. anhand von bekannten Methoden der Datenerhebung abgeschätzt sowie Sekundärdaten zur Beschreibung von vor- und nachgelagerten Prozessen ergänzt. Offene Forschungsfelder in der Ökobilanz wurden analysiert und Anpassungen vorgenommen, um die Bilanzergebnisse in ihrer Aussagekraft zu stärken. Der sog. ‘Multi-Level’ Ansatz für die Datenanalyse der Bilanzergebnisse wurde darüber hinaus entwickelt, um in einer erweiterten Betrachtung Hot-spots zu lokalisieren und Umweltwirkungen produktsystemabhängig zuzuordnen. Somit lieûen sich vereinfachte Ansätze in ihrer Einsatzfähigkeit am Produktbeispiel auswählen und für die Umsetzung im Modell der ökologischökonomischen Entscheidungsfindung identifizieren. Für die ökologisch-ökonomische Betrachtung wurde die Produktökonomie der veredelten Faltschachtelverpackungen nicht-monetär auf die Glanzwirkung, als Stellvertreter der Produktqualität, bezogen. Die Glanzqualität wurde mittels Glanzmessungen auf Testdrucken aus den Modellproduktionen für unterschiedliche Glanztypen quantifiziert. Die umfangreichen Informationen über die Glanzeigenschaften der kaschierten und UV lackierten Faltschachtelverpackungen wurden anhand statistischer Analysen ausgewertet und die Mittelwertunterschiede in ihrer praktischen Signifikanz abgeschätzt. V

Kurzfassung Ergebnisse und Diskussion. Das Modell zur qualitätsbezogenen ökologischökonomischen Entscheidungsfindung besteht aus Empfehlungen, welche auf wissenschaftlichen Analysen am Beispiel von glanzveredelten Druckprodukten beruhen. Es informiert Unternehmen, wie sie die Ökobilanzmethode im Einklang mit ihren ökonomischen Interessen einsetzen und für nachhaltige Unternehmensentscheidungen nutzbar machen können. Zwei Sichtweisen wurden identifiziert, um Handlungsfelder im Sinne der nachhaltigen Entwicklung in Produkten zu identifizieren: (a) die Innensicht (lokale Ebene) mit dem Fokus auf Produktoptimierungen im Unternehmen und (b) die Auûensicht (globale Ebene) mit dem Fokus auf die Gesamtumweltwirkung im Produktlebenszyklus sowie die Beziehung zu Produktalternativen. Eine bedarfsorientierte Produktentwicklung ist essentiell für eine nachhaltige Entwicklung. Produktionsprozesse sind ggf. anzupassen, um die erforderliche Produktqualität zu erfüllen. Auf dieser Basis lassen sich in Unternehmen Potenziale zur ökologischen Verbesserung realisieren. Am Beispiel der Glanzveredelung wird im Hinblick auf die ökologische Produktoptimierung im Herstellungsprozess auf der lokalen Ebene empfohlen, den Fokus der Ökobilanz auf das globale Erwärmungspotenzial (GWP), das Ozonbildungspotenzial (POCP) und die Toxizitätsbewertung zu legen, welche unter anderem Informationen über direkte Emissionen aus dem Herstellungsprozess offenbaren und einen engen Bezug zu den Eigenschaften der Chemikalien aufweisen. Auf der globalen Ebene der Unternehmen zeigt die UV Lackierung ein sehr hohes Potenzial im Falle einer partiellen Beschichtungsweise, da gerade die Einsatzmenge des UV Lackes als ein Haupttreiber in der Produktvariante des UV lackierten Kartons erkannt wurde. Aus ökologischer Sicht stellt diese Produktionsvariante des UV lackierten Kartons im Vergleich zum kaschierten Karton ein hohes Einsparpotenzial dar, allerdings unter gewissen Qualitätseinbuûen gegenüber der Folienkaschierung. Schlussfolgerung und Ausblick. Ein Modell der qualitätsbezogenen ökologisch-ökonomischen Entscheidungsfindung kann Unternehmen unterstützen, Informationen durch den Einsatz von qualitätsbezogenen Produkt-Ökobilanzen zu generieren und Handlungsfelder zu identifizieren, dessen Umsetzung die nachhaltige Entwicklung unserer Gesellschaft fördert. Besonders effektiv wird die Produktentwicklung durch die Kombination des Entscheidungsmodells mit Strategien zur Entwicklung intelligenter Produkte und Produktionsverfahren. Die vermehrte Auseinandersetzung mit zukunftsfähigen Verfahren, die Materialien nach dem Produktlebensende für den Wiedereinsatz in neuen Produkten zurückgewinnen und dabei Umweltwirkungen aller Art geringhalten, können gezielt der Ressourcenverknappung und den Umweltbelastungen der Erde entgegenwirken.

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Abstract Background, aims, scope. Sustainable development is an essential aim in our society today. Companies must use natural resources wisely and act in a sustainable way. In order to achieve this, their decision-making should be based on a life-cycle perspective that takes into account the whole life cycle of products and processes. However, life-cycle assessment (LCA) rarely plays a role in decisionmaking by companies because of the complexity of practical application, and this is true especially of medium-sized companies. Instead, there is an emphasis on qualitative measures such as product labels that communicate ecologically sustainable behavior to consumers but do not enable companies to achieve optimal sustainability in the way that LCAs can. In order to help companies become more effective in their decision-making processes, a model for a quality-related eco-efficient approach was developed that is based on the ecological impact of a product and integrates economic aspects. Methods. As an example, a product of the printing and packaging industry was considered: high-gloss coated or laminated carton packaging for cosmetics. In a comparative LCA (‘Detailed LCA’) of these two product alternatives, their environmental impact was assessed. Primary data were inventoried, employing various methods for data gathering, and secondary data were included for upstream and downstream processes. Further research fields in the basic LCA methodology were identified and incorporated to increase the validity of the results. Furthermore, a so-called ‘Multi-level’ approach for data analysis was developed in order to locate hotspots and relate environmental impact to production processes. This made it possible to identify suitable approaches for a model of eco-efficient decision-making by companies. The economic focus of this model was defined in terms of the glossiness of the coated or laminated carton packaging. Glossiness represents one of the major aspects of product quality in the printing and packaging industry. A special instrument for gloss measurement was employed to quantify all of the various gloss types. The gloss values were statistically analyzed to generate reliable information about differences in gloss perception. Results and discussion. The quality-related eco-efficient model includes recommendations to companies to base their decision-making on the analysis of eco-efficient aspects, taking as an example high-gloss coated or laminated carton packaging. The model informs companies on how ecological impact can be harmonized with economic aspects and lead to sustainable decision-making. VII

Abstract Two perspectives were identified as crucial for the sustainable development of products: (a) the internal view with a specific focus on product optimization in companies and (b) the external view, focusing on the overall environmental impact of products and a comparison with product alternatives which fulfill the same function. A demand-oriented perspective is fundamental to achieve sustainable product development. Processes must be adapted to the level of product quality needed, and it is on the basis of this demand for product quality that potential for ecologically-motivated improvements can be identified and realized. The global-warming potential (GWP), the photochemical ozone creation potential (POCP) and toxicity assessment were found to be important impact categories for product assessment in the internal view. Substances affecting these categories are strictly product-related. Thus, impact assessment provides information about ecological hotspots due to the chemicals and materials used. The external view of the LCA results reveals that UV-coated packages are preferable if the coating process is partial. The LCA results are strongly related to the amount of UV varnish needed. This is the major factor and hence represents a great potential for reducing the environmental impact of this product alternative. However, in comparison to film-laminated carton packaging, the quality of the gloss is poorer in products that have been subjected to a UV coating process. Conclusions and outlook. The quality-related eco-efficient approach provides information about the environmental performance of products and sheds light on areas where action by companies can support sustainable development in our society. The combination of this model with strategies for intelligent product development will create further benefits. Hence, in product development there should be a focus on process technologies which are able to extract materials and reuse them in the production of new materials at the end of a product’s life, thereby minimizing all kinds of environmental effects. This strategy has a great potential to reduce resource depletion and environmental pollution of our planet.

VIII