Lebenszyklus, Sicherheit und Entsorgung technischer Systeme
Ein Smartphone kostet im Laden etwa 600 Euro. Bis es dort liegt, wurde es geplant, aus Rohstoffen mehrerer Erdteile gefertigt und über weite Strecken transportiert. Nach einigen Jahren ist der Akku schwach oder es gibt keine Updates mehr, und das Gerät landet in einer Schublade.
Dieser Weg wirft Fragen auf. Was geschieht in den einzelnen Phasen, und wo entstehen die Kosten? Wer trägt Kosten, die erst Jahre später anfallen? Wie sicher muss ein Gerät sein, und wovor soll es schützen? Und was geschieht am Ende mit den Stoffen im Gerät? Diese Lektion beschreibt den ganzen Weg eines technischen Systems.
Lebenszyklus eines technischen Systems
Der Lebenszyklus eines technischen Systems umfasst alle Phasen von der ersten Idee bis zur Entsorgung.
| Phase | Inhalt | Beispiel Smartphone |
|---|---|---|
| Planung | Bedarf klären, Anforderungen festlegen | Marktanalyse, Pflichtenheft |
| Entwicklung | Konstruktion, Berechnung, Erprobung | Prototyp, Falltest |
| Fertigung | Herstellen, Montieren, Prüfen | Bestücken der Platinen, Endmontage |
| Distribution | Verpacken, Lagern, Transportieren, Verkaufen | Container, Versandlager, Handel |
| Betrieb und Nutzung | Inbetriebnahme, Nutzung, Wartung, Reparatur | Laden, Updates, Akkutausch |
| Entsorgung und Recycling | Rücknahme, Zerlegen, Verwerten | Sammelstelle, Rückgewinnung von Metallen |
Jede Phase verbraucht Energie und Rohstoffe, belastet die Umwelt und kostet Geld. Entscheidungen in Planung und Entwicklung legen einen großen Teil der späteren Eigenschaften und Kosten fest, auch wenn dort noch wenig Geld ausgegeben wird.
Produktlebenszyklus am Markt
Der Produktlebenszyklus beschreibt den Weg eines Produkts am Markt anhand des Absatzes über der Zeit. Man unterscheidet fünf Phasen: Einführung (wenig Absatz, hohe Kosten), Wachstum (der Absatz steigt), Reife (höchster Absatz), Sättigung (der Absatz stagniert, der Wettbewerb nimmt zu) und Rückgang (der Absatz sinkt, das Produkt wird ersetzt oder vom Markt genommen). Hersteller nutzen das Modell, um rechtzeitig Nachfolger zu planen. Es beschreibt das Produkt als Ganzes am Markt und nicht den Weg eines einzelnen Geräts von der Planung bis zur Entsorgung.
Lebenszykluskosten zweier Waschmaschinen
Lebenszykluskosten zweier Waschmaschinen
Zwei Waschmaschinen werden verglichen, die Nutzungsdauer beträgt jeweils 10 Jahre. Alle Zahlen sind angenommen.
| Modell | Kaufpreis | Betriebskosten (Strom, Wasser) je Jahr |
|---|---|---|
| A | 400 Euro | 120 Euro |
| B | 650 Euro | 80 Euro |
Die Lebenszykluskosten K sind der Kaufpreis plus die Betriebskosten über die Nutzungsdauer von n Jahren. Die Entsorgungskosten setzen wir hier gleich null:
Modell A: 400 + 10 · 120 = 400 + 1200 = 1600 Euro. Modell B: 650 + 10 · 80 = 650 + 800 = 1450 Euro. Modell B ist über den Lebenszyklus um 150 Euro günstiger, obwohl der Kaufpreis 250 Euro höher liegt.
B spart jedes Jahr 40 Euro. Der Mehrpreis von 250 Euro ist nach 250 : 40 = 6,25 Jahren eingespart. Hält das Gerät nur 5 Jahre, kostet A 400 + 600 = 1000 Euro und B 650 + 400 = 1050 Euro. Dann ist A günstiger. Die Nutzungsdauer entscheidet mit.
Geplanter Verschleiß
Bei geplantem Verschleiß (geplanter Obsoleszenz) wird ein Produkt so gestaltet, dass es früher ersetzt werden muss, als technisch nötig wäre. Man unterscheidet drei Formen: werkstofflich (Teile fallen früh aus, ein Akku ist fest verklebt und lässt sich nicht tauschen), funktional (Updates enden, Ersatzteile fehlen) und psychologisch (das Gerät wirkt durch Mode veraltet, obwohl es funktioniert).
Ob im Einzelfall eine Absicht dahintersteht, lässt sich schwer nachweisen. Nicht jede begrenzte Lebensdauer ist geplanter Verschleiß: Gewicht, Kosten und Platz setzen Grenzen, und gewollte Sollbruchstellen wie ein Scherbolzen oder eine Sicherung schützen teure Teile und sind sinnvoll. Der Hersteller gewinnt Absatz, die Gesellschaft trägt Ressourcenverbrauch und Abfall.
Gebrauchs-, Versagens- und Missbrauchssicherheit
Sicherheit heißt, dass von einem System keine unvertretbare Gefahr ausgeht. Man unterscheidet drei Fälle:
- Gebrauchssicherheit: Auch beim bestimmungsgemäßen Gebrauch, also so, wie der Hersteller es vorsieht, entsteht keine Gefahr.
- Versagenssicherheit: Fällt ein Teil aus, geht das System in einen sicheren Zustand über und nicht in einen gefährlichen. Dazu dient oft Redundanz, das heißt, wichtige Teile sind mehrfach vorhanden.
- Missbrauchssicherheit: Das System schützt vor vorhersehbarer Fehlbedienung und vor absichtlicher Fehlanwendung.
Sicherheitsmaßnahmen am Wasserkocher einordnen
Sicherheitsmaßnahmen am Wasserkocher einordnen
Ordne drei Maßnahmen an einem elektrischen Wasserkocher einer Sicherheitsart zu.
| Maßnahme | Sicherheitsart |
|---|---|
| Gehäuse und Griff aus isolierendem Kunststoff | Gebrauchssicherheit |
| Zusätzliche Thermosicherung für den Fall, dass die normale Abschaltung ausfällt | Versagenssicherheit |
| Trockengehschutz, wenn jemand ihn ohne Wasser einschaltet | Missbrauchssicherheit (Fehlbedienung) |
Die erste Maßnahme schützt im normalen Gebrauch. Die zweite greift erst, wenn ein Teil defekt ist. Die dritte schützt vor einer vorhersehbaren Fehlbedienung. Alle drei verhindern, dass ein Schaden entsteht.
Aktive und passive Sicherheit
Aktive Sicherheit verhindert, dass ein Unfall oder Schaden überhaupt eintritt. Passive Sicherheit mindert die Folgen, wenn er trotzdem eintritt. Der Unterschied ist der Zeitpunkt der Wirkung: vor dem Schadensereignis oder währenddessen und danach.
Beim Auto sind Bremsen, Antiblockiersystem (ABS), Notbremsassistent und gute Beleuchtung aktive Sicherheit. Sicherheitsgurt, Airbag, Knautschzone und der Fahrradhelm sind passive Sicherheit. Beim Wasserkocher sind die drei Maßnahmen oben aktiv. Ein flammhemmender Kunststoff wäre passiv, denn er wirkt erst im Brandfall.
Entsorgung und Recycling
Am Ende der Nutzung steht die Entsorgung: Rücknahme, Zerlegen, Verwerten oder Beseitigen. Die Abfallhierarchie der EU gibt eine Rangfolge vor: Vermeidung, Vorbereitung zur Wiederverwendung, Recycling, sonstige Verwertung (zum Beispiel Verbrennen zur Energiegewinnung), Beseitigung auf Deponien. Weiter vorn stehende Wege sind in der Regel besser für Umwelt und Rohstoffe.
Wiederverwendung nutzt ein ganzes Produkt weiter, etwa auf dem Gebrauchtmarkt. Recycling gewinnt aus Abfall wieder Stoffe: werkstofflich, wenn der Werkstoff selbst erhalten bleibt (Stahlschrott wird zu neuem Stahl), und rohstofflich, wenn man ihn chemisch in Grundstoffe zerlegt. Für Elektrogeräte regelt in Deutschland das Elektro- und Elektronikgerätegesetz die Rücknahme von Altgeräten.
Recycling löst das Abfallproblem
Recycling löst das Abfallproblem
„Was recycelt wird, bleibt ewig im Kreislauf. Dann ist die Entsorgung kein Problem mehr.“
Beim Recycling gehen Anteile verloren. Verbundmaterialien lassen sich schwer trennen, die Qualität mancher Kunststoffe sinkt, und Sammeln und Aufbereiten brauchen Energie. Darum stehen Vermeidung und Wiederverwendung in der Rangfolge vor dem Recycling.
Aktiv und passiv wörtlich genommen
Aktiv und passiv wörtlich genommen
„Der Sicherheitsgurt ist aktive Sicherheit, denn er schützt aktiv.“
Aktiv und passiv beschreiben den Zeitpunkt, nicht die Wirkung. Der Gurt wirkt erst im Unfall und mindert die Folgen: passive Sicherheit. Das Antiblockiersystem hilft, den Unfall zu vermeiden: aktive Sicherheit.
Zusammenfassung
Der Lebenszyklus eines technischen Systems reicht von Planung, Entwicklung und Fertigung über Distribution, Betrieb und Nutzung bis zu Entsorgung und Recycling.
Der Produktlebenszyklus beschreibt den Absatz am Markt in Einführung, Wachstum, Reife, Sättigung und Rückgang.
Lebenszykluskosten sind Kaufpreis plus Betriebskosten über die Nutzungsdauer. Ein höherer Kaufpreis kann sich lohnen.
Geplanter Verschleiß bedeutet eine früher als nötig endende Lebensdauer. Er kann werkstofflich, funktional oder psychologisch sein; Sollbruchstellen als Schutz gehören nicht dazu.
Gebrauchssicherheit gilt im normalen Gebrauch, Versagenssicherheit bei Ausfall eines Teils, Missbrauchssicherheit bei Fehlbedienung und Fehlanwendung.
Aktive Sicherheit verhindert den Schaden, passive mindert seine Folgen.
Die Abfallhierarchie ordnet: Vermeidung, Wiederverwendung, Recycling, sonstige Verwertung, Beseitigung.
Übungen
Welche Maßnahme gehört zur passiven Sicherheit eines Autos?
Gerät X kostet 90 Euro und im Betrieb 20 Euro je Jahr. Gerät Y kostet 200 Euro und im Betrieb 6 Euro je Jahr. Beide werden 10 Jahre genutzt. Um wie viel Euro ist Y insgesamt günstiger als X?
Welche Maßnahme ist ein Beispiel für Versagenssicherheit?
Welche Reihenfolge entspricht der Rangfolge der Abfallhierarchie (zuerst die bevorzugte Maßnahme, nur die vier genannten Schritte)?
Ein Hersteller verklebt den Akku eines Geräts fest im Gehäuse. Nenne je eine Folge für die Phase Betrieb und Nutzung und für die Phase Entsorgung. Beurteile, ob es sich um geplanten Verschleiß handelt.