Züst Engineering AG sieht grosse Potentiale in einer Modellierung und Simulation. Zu diesem Zweck wurden in diversen Projekten und Mandaten entsprechende Modell erstellt, Zusammenhänge modelliert und verschiedene Szenarien simuliert. Dies mit dem Ziel, grösste mögliche Transparenz zu schaffen, Mechanismen in und um ein System aufzuzeigen, gemeinsam zu lernen und Lösungsansätze abzubilden, um deren Nutzen besser sichtbarzumachen. Dazu zwei konkrete Anwendungen:
Moderne Produktionssysteme sind komplexe mechatronische Systeme. Ein zentrales Thema in solchen Systemen ist das Wärmemanagement: Bestimmte Bauteile müssen innerhalb eines Temperaturbandes gehalten werden, um Schäden zu vermeiden oder thermische Längenänderungen struktureller Bauteile zu beherrschen. Bereits in der frühen Phase die richtigen Entscheidungen zu treffen, ist hier der Schlüssel zum Erfolg: Die einzelnen Teilsysteme müssen so miteinander interagieren, dass die thermischen Anforderungen effektiv und wirtschaftlich erfüllt werden.
Die Züst Engineering AG stellt dazu eine Simulationsmethodik bereit, welche den Entwicklungsprozess integral begleitet. Dies ermöglicht eine frühzeitige Bewertung erster Konzepte in Bezug auf thermisches Verhalten des Gesamtsystems und unterstützt die Optimierung der thermischen Eigenschaften einzelner Maschinenkomponenten:
Entwicklung und Bewertung erster Konzepte: Hier beginnt der Einsatz unseres «LCE-Tools». Das «LCE-Tool» baut auf einer an der ETH Zürich entwickelte Simulationsplattform auf, welche von der Züst Engineering AG weiterentwickelt wurde. Das Tool erlaubt die zeiteffiziente Bewertung der Interaktion verschiedener Maschinenkomponenten durch vorgefertigte Komponentenmodelle, welche graphisch verknüpft werden (Modellbildung analog zu Matlab Simulink, Stella, Dymola, …). Das so erstellte Model lieferte erste Aussagen über den erwarteten Ressourcenbedarf, die ökologischen Auswirkungen, sowie die Wärmequellen und Temperaturen im System. Das so erstellte Model des Systems wächst während der Entwicklung mit: Neue Informationen können kontinuierlich hinzugefügt werden und erhöhen die Aussagekraft.
Optimierung einzelner Teilkomponenten: Ziel dieser Phase ist die systematische Reduktion der Wärmequellen, bzw. deren Auswirkungen durch (a) Erhöhung der Effektivität und Effizienz der Komponenten (=weniger Abwärme) und (b) Steigerung der Kühlwirkung (=weniger Temperaturerhöhung). Der zweite Punkt wird mittels des Tools «DuctDesigner» realisiert. Dieses an der ETH Zürich entwickelte Tool erlaub die zeiteffiziente Bewertung verschiedener Kühlstrategien; d.h. Geometrie der Kühlkanäle, Art des Kühlmediums und Förderpumpe. Damit kann ohne aufwendige CFD Simulationen und die damit verbundene Erstellung von 3D-Geometrien bereits die richtige Entscheidung getroffen werden.
Digitaler Prototyp: Die frühzeitige Verifikation des Systems ohne die Notwendigkeit eines physischen Prototyps spart Zeit und Kosten, und erhöht gleichzeitig die Planungssicherheit. Basierend auf den Resultaten des «LCE-Tools» und des «DuctDesigner» können bereits frühzeitig präzise Informationen über die thermischen Randbedingungen der einzelnen Maschinenkomponenten zur Verfügung gestellt werden. Anhand dieser können mittels einer CFD/FEM Simulation die thermischen Anforderungen an das System virtuell verifiziert und etwaige Verbesserungsmassnahmen daraus abgeleitet werden.
(Anmerkung: Die Züst Engineering AG verwendet für diesesn Schritt die Produkte von Ansys)
Physischer Prototyp: Es besteht bei Bedarf die Möglichkeit, anhand des digitalen Prototypen die richtigen Messpunkte zu identifizieren. Damit wird die Aussagekraft der Verifikationsmessungen erhöht. Informationsgewinn aus Messungen am physischen Prototyp können in die Modellbibliothek des «LCE-Tools» übertragen werden. Damit ist der Erkenntnisgewinn für nachfolgende Projekte gesichert.
Das aktuelle Wirtschaftssystem in der Schweiz ist material- und energieintensiv. Heute fallen in der Schweiz rund 80-90 Mio. Tonnen Abfall an. Davon sind 57 Mio. Tonnen Aushub- und Ausbruchmaterial, 17 Mio. Rückbaumaterial, 6 Tonnen Siedlungsabfälle, 5 Tonnen biogene Abfälle und 2 Tonnen Sonderabfälle. Rund 60 Tonnen davon werden verwertet, 8 Mio. Tonnen verbrannt und 19 Mio. Tonnen deponiert. (Quelle: BAFU Abteilung Abfall und Rohstoffe, Zahlen 2017 gerundet). Die zuvor beschriebenen Massen müssen gesammelt, sortiert, aufbereitet, verarbeitet und vor allem transportiert werden. Dazu sind grosse Logistikanstrengungen notwendig.
Beispiel für die Identifikation der wirtschaftlichsten Materialflüsse
Züst Engineering AG verfügt über die Fähigkeit und die notwendige Rechnerinfrastruktur, anspruchsvolle Optimierungen für Kunden durchzuführen.
Im Bereich effizienter Recyclingprozesse hat Züst Engineering AG diverse Studien bearbeitet, einige davon im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt BAFU und mit Mitwirkung der Industrie; dazu ein Beispiel:
Eine explorative Studie mit Einzug relevanter Akteure in der Schweiz:
In der Schweiz fallen jährlich ca. 1.5 Mio. Tonnen Schrott an; dies sind etwas weniger als 200 kg pro Einwohner; das «Stahllager Schweiz» beträgt ca. 8'000 kg Stahl pro Einwohner. Die beiden grossen Stahlwerke Swiss Steel und Stahl Gerlafingen verarbeiten pro Jahr je ca. 650'000 Tonnen Schrott, zusammen ca. 1.3 Mio. Tonnen pro Jahr. Es stellt sich deshalb die Frage, welche ökologischen Potentiale in der Sammelkette bestehen und wie dieses Potential einfach erschlossen werden kann. Basis für die Berechnungen waren u.a. mehrere «Lean Six Sigma»-Studien entlang der Sammelkette.
Beispiel von einer Wertstromanalyse
Die Studie, bearbeitet von der Züst Engineering AG zeigt, dass bis zu 100'000 Tonnen CO2 in den nächsten Jahren ohne grosse Investitionen durch «kollektives Problemlösen» entlang der Schrottrecyclingkette eingespart werden. Davon profitieren gleichermassen die beteiligten Firmen entlang der Wertschöpfungskette «Schrottrecycling» wie auch die Gesellschaft und die Umwelt. 100'000 Tonnen CO2 entsprechen ca. 0.2% des aktuelle CO2-Footprints der Schweiz. Mit einer Einsparung von 100'000 Tonnen CO2 könnte zum Beispiel die ETH Zürich (20'000 Studierende, 11’000 Angestellte), d.h. Betrieb der Infrastruktur plus Mobilität der Mitarbeitenden, rund 4x kompensiert werden.
Im Weiteren wurden effiziente Planungstools entwickelt, welche insbesondere im Hinblick auf die Gestaltung schlanker Sammelprozesse eingesetzt werden können; dazu ein weiteres Beispiel:
Ein Tool für die ökonomische und ökologische Bewertung des Materialeinsatzes in Firmen:
In einem metallverarbeitenden Industriebetrieb fallen nebst dem Eisenschrott auch viele andere «Abfälle» an, welche behandelt und entsorgt werden müssen. Interessant sind deshalb Auswertungen, welche nebst den direkten Erlösen und Kosten aus dem Materialverkauf auch die weiteren notwendigen Aufwendungen – sprich indirekte Kosten – im eigenen Betrieb sichtbar machen.
Anwendung vom SMF-Tool – Zusammenstellung der Prozesskosten
Im Beispiel in der obigen Abbildung wurden für 8 verschiedene Materialsorten – z.B. für Stahlschrott, Kupfer, Kehricht, … – die zusätzlichen inner- und ausserbetrieblichen Prozesse analysiert und ökonomisch bewertet; diese sind «blau» dargestellt. Nebst dem personellen Aufwand sind beispielsweise auch die Kosten für Mieten der Sammelgebinde und für die Logistik ausgewiesen. Diese Zusatzkosten sind in vielen Firmen in den Gemeinkosten respektive in den Gemeinkostenzuschlägen enthalten und so nicht sichtbar. Bei den indirekten Kosten geht es vor allem um die Frage, ob und wie die Abläufe (Prozesse) vereinfacht und optimiert werden können. Die zentrale Frage lautet hier: Mit welchen Massnahmen kann der Aufwand reduziert werden, ohne die Ertragslage (Verkauf von Wertstoffen) respektive die Entsorgungskosten von Abfällen nachteilig zu beeinflussen. Oder anders gesagt: Aus welcher Organisation und Arbeitsteilung zwischen eigener Firma und den Wertstoffabnehmern resultiert der grösste ökonomische Gesamtnutzen?
Züst Engineering AG kennt die Herausforderungen der Abfallsammellogistik und kann deshalb Firmen, Gemeinden und Kantone bei Optimierungen gezielt unterstützen.