Lektion 1.3

Lebenszyklus, Sicherheit und Entsorgung technischer Systeme

17 min Lesezeit

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.

Definition

Lebenszyklus eines technischen Systems

Der Lebenszyklus eines technischen Systems umfasst alle Phasen von der ersten Idee bis zur Entsorgung.

PhaseInhaltBeispiel Smartphone
PlanungBedarf klären, Anforderungen festlegenMarktanalyse, Pflichtenheft
EntwicklungKonstruktion, Berechnung, ErprobungPrototyp, Falltest
FertigungHerstellen, Montieren, PrüfenBestücken der Platinen, Endmontage
DistributionVerpacken, Lagern, Transportieren, VerkaufenContainer, Versandlager, Handel
Betrieb und NutzungInbetriebnahme, Nutzung, Wartung, ReparaturLaden, Updates, Akkutausch
Entsorgung und RecyclingRücknahme, Zerlegen, VerwertenSammelstelle, 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.

Definition

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.

Beispiel

Lebenszykluskosten zweier Waschmaschinen

Zwei Waschmaschinen werden verglichen, die Nutzungsdauer beträgt jeweils 10 Jahre. Alle Zahlen sind angenommen.

ModellKaufpreisBetriebskosten (Strom, Wasser) je Jahr
A400 Euro120 Euro
B650 Euro80 Euro

Die Lebenszykluskosten K sind der Kaufpreis plus die Betriebskosten über die Nutzungsdauer von n Jahren. Die Entsorgungskosten setzen wir hier gleich null:

K=KKauf+n⋅KBetrieb je JahrK = K_{\text{Kauf}} + n \cdot K_{\text{Betrieb je Jahr}}

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.

Definition

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.

Definition

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.
Beispiel

Sicherheitsmaßnahmen am Wasserkocher einordnen

Ordne drei Maßnahmen an einem elektrischen Wasserkocher einer Sicherheitsart zu.

MaßnahmeSicherheitsart
Gehäuse und Griff aus isolierendem KunststoffGebrauchssicherheit
Zusätzliche Thermosicherung für den Fall, dass die normale Abschaltung ausfälltVersagenssicherheit
Trockengehschutz, wenn jemand ihn ohne Wasser einschaltetMissbrauchssicherheit (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.

Definition

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.

Definition

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.

Häufige Fehler

Recycling löst das Abfallproblem

„Was recycelt wird, bleibt ewig im Kreislauf. Dann ist die Entsorgung kein Problem mehr.“

Richtig ist

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.

Häufige Fehler

Aktiv und passiv wörtlich genommen

„Der Sicherheitsgurt ist aktive Sicherheit, denn er schützt aktiv.“

Richtig ist

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

Aufgabe 1Multiple Choice

Welche Maßnahme gehört zur passiven Sicherheit eines Autos?

Aufgabe 2Numerisch

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?

Aufgabe 3Multiple Choice

Welche Maßnahme ist ein Beispiel für Versagenssicherheit?

Aufgabe 4Multiple Choice

Welche Reihenfolge entspricht der Rangfolge der Abfallhierarchie (zuerst die bevorzugte Maßnahme, nur die vier genannten Schritte)?

Aufgabe 5Freitext

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.