Nachhaltigkeit Kreislauforientierte Produktentwicklung: Mit CycloP zu fundierten Entscheidungen

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Steigende Nachhaltigkeitsanforderungen zwingen Unternehmen, Produktentwicklung neu zu denken. Kreislauffähigkeit wird dabei zu einem zentralen Kriterium, das bereits in frühen Entwicklungsphasen systematisch berücksichtigt werden muss. Hierbei kann die Software CycloP unterstützen.

Ressourcenknappheit ist eine der größten globalen Herausforderungen mit weitreichenden ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Folgen. Eine verantwortungsvolle und effiziente Ressourcennutzung wird daher immer wichtiger. 

Fundierte Entscheidungen treffen

Die Kreislaufwirtschaft leistet hierzu einen entscheidenden Beitrag: Maßnahmen wie Reparatur, Wiederverwendung und Recycling verlängern die Nutzung von Rohstoffen und steigern die Wertschöpfung. Die Produktentwicklung muss neben der Funktionalität und Wirtschaftlichkeit verstärkt die Kreislauffähigkeit und ökologische Nachhaltigkeit berücksichtigen – und dies bereits in frühen Entwicklungsphasen. Fundierte, kreislauforientierte Entscheidungen ermöglichen dabei erhebliche Einsparungen.

Herausforderungen der Kreislauffähigkeit in frühen Entwicklungsphasen

Die Optimierung der Kreislauffähigkeit stellt alle Beteiligten vor große Herausforderungen. Wechselwirkungen zwischen Produktgestaltung und Lebenszyklus müssen berücksichtigt werden, etwa bei der Wahl nachhaltiger Materialien oder reparaturfreundlicher Strukturen. Frühe Entwicklungsphasen sind zudem von Unsicherheiten über Produktgestalt und Lebenszyklus geprägt, was die Komplexität erhöht und eine umfassende Softwareunterstützung erschwert.

Model-Based Systems Engineering als methodische Grundlage

Zur Bewältigung dieser Herausforderungen ist ein strukturierter methodischer Ansatz erforderlich. Model-Based Systems Engineering (MBSE) bietet durch die systematische Abbildung von Produkt und Lebenszyklus eine solide Basis, um die Komplexität zu reduzieren und Wechselwirkungen zu berücksichtigen. Ergänzend ermöglicht spezialisierte Software die Quantifizierung der Auswirkungen von Gestaltungsentscheidungen auf Kreislauffähigkeit und Nachhaltigkeit und dient so als Entscheidungsunterstützung in der Produktentwicklung.

CycloP: Softwaregestützte Analyse von Kreislauffähigkeit und Nachhaltigkeit

Die Software „CycloP“, entwickelt vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO zusammen mit Industrie- und Forschungspartnern, unterstützt die kreislauforientierte und nachhaltige Produktentwicklung bereits in frühen Phasen. Sie basiert auf Model-Based Systems Engineering und ermöglicht die Analyse und Optimierung von Produkten unter Berücksichtigung komplexer Wechselwirkungen. Nutzer erhalten während des Entwicklungsprozesses kontinuierlich Feedback zur Kreislauffähigkeit und ökologischen Nachhaltigkeit ihrer Entwürfe und können diese in einem iterativen Verfahren verbessern.

Probabilistische Lebenszyklusmodellierung und ökobilanzielle Bewertung

Für die Bewertung der Kreislauffähigkeit werden neben der technischen Produktgestalt insbesondere die erwarteten Lebenszyklen berücksichtigt. Da der genaue Lebenslauf des Produktes nicht vorhergesagt werden kann, muss wahrscheinlichkeitsbasiert gearbeitet werden. CycloP basiert daher auf einer zustandsbasierten Modellierung probabilistischer Lebenszyklen inklusive aller möglichen Lebenszykluspfade eines Produkts und seiner Komponenten, und wahrscheinlichkeitsbasierten Übergängen zwischen Zuständen. Hierbei werden auch unerwünschte Zustände abgebildet, in denen Kreislaufmaßnahmen einen Mehrwert schaffen können – wie zum Beispiel ein Defekt, der mittels einer Reparatur aufgelöst werden kann. So lassen sich Kreislaufmaßnahmen systematisch im Lebenszyklus abbilden und deren Auswirkung auf die ökologische Nachhaltigkeit berechnen.

Für diese Berechnung integriert die Software Methoden der Ökobilanzierung (Life Cycle Assessment; LCA), um Umweltauswirkungen wie CO2-Fußabdruck oder Wasserverbrauch auf Basis von Material- und Energieaufwänden zu berechnen. Alle für das LCA-Modul erforderlichen Informationen werden im Modell abgebildet, sodass nicht nur die Produktgestalt, sondern der gesamte Lebenszyklus inklusive Kreislaufmaßnahmen betrachtet wird. Nutzer können gezielt Kreislaufmaßnahmen wie Reparaturen einplanen und erhalten durch das LCA-Modul Feedback zu deren Auswirkungen auf die ökologische Nachhaltigkeit des Produkts.

Iteratives Verfahren verbessert Kreislauffähigkeit und Nachhaltigkeit

Die Software visualisiert auf Basis der LCA-Ergebnisse Optimierungspotenziale in Produkt und Lebenszyklus, berücksichtigt Unsicherheiten und liefert realistische erreichbare Wertebereiche – es werden aufgrund der Unsicherheiten Verteilungen errechnet und keine diskreten Werte. Auf Basis dieser Ergebnisse können Entscheidungen fundiert getroffen werden. Wo kann die initiale Materialauswahl noch optimiert werden, um die ökologische Nachhaltigkeit und Kreislauffähigkeit zu optimieren? Anpassungen an der Produktgestalt werden erneut analysiert, sodass in einem iterativen Verfahren die Kreislauffähigkeit und Nachhaltigkeit gezielt verbessert werden können.

Nachhaltigkeit

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Neben der Quantifizierung von Auswirkungen einzelner Gestaltungsentscheidungen und der systematischen Unterstützung von Entscheidungen spielt das methodische Vorgehen bei der Entwicklung eine entscheidende Rolle. Zu diesem Zweck wurde ein strukturierter Ansatz für interdisziplinäre Entwicklungsteams konzipiert, der den Design- und Engineering-Prozess kombiniert und gezielt erweitert. Ziel dieser Methodik ist die systematische Verankerung von Prinzipien der Kreislaufwirtschaft im Produktentwicklungsprozess, um Produkte zu gestalten, die sowohl ökologisch als auch ökonomisch nachhaltig sind. 

Methodischer Rahmen: Das „Wheel of Circularity“ als Integrationsmodell

Ein wesentlicher Bestandteil dieses Ansatzes ist die frühzeitige Berücksichtigung von Zielgruppeninformationen. Diese fließen in die Gestaltung ein, um sicherzustellen, dass das Endprodukt nicht nur nachhaltige und wirtschaftliche Anforderungen erfüllt, sondern auch hinsichtlich Funktionalität, Ästhetik und Nutzerakzeptanz überzeugt. Die Methode fördert somit die Entwicklung von Produkten, die ökologische Verantwortung mit Marktattraktivität und wirtschaftlichem Erfolg vereinen. Das zentrale methodische Element bildet das „Wheel of Circularity“, ein Kreisdiagramm, das die Hierarchie von Zielen, Funktionen, Geschäftsmodellen und Designstrategien abbildet. Es beginnt auf der übergeordneten Zielebene, wo Parameter wie Kosten, Zielgruppe und Fahrzeugsegment definiert werden. Darauf folgen die Nachhaltigkeitsziele, die sowohl allgemeine Umweltwirkungen wie etwa CO2-Emissionen als auch spezifische Kennzahlen wie den Wasserverbrauch adressieren. Diese Ziele werden priorisiert und dienen als Grundlage für die Spezifikationsebene, in der die funktionalen Anforderungen des Produkts beschrieben werden. Ein besonderer Fokus liegt auf der parallelen Entwicklung von Geschäftsmodellen und der Auswahl geeigneter R-Maßnahmen beziehungsweise Circular Strategies wie Wiederverwendung und Reparatur. Im Zentrum des Wheels steht das Nutzerprofil, das funktionale, emotionale, persönliche und gesellschaftsrelevante Werte umfasst. 

Diese Werte fließen direkt in die Produktgestaltung ein – von der Bauteilebene über das Interface bis hin zur Software. Das Ergebnis ist ein Produktkonzept, das die grundsätzlichen Merkmale des Produkts beschreibt. Eingefasst wird das Wheel vom „Life Cycle Assessment“, einer ökobilanziellen Bewertung, das ebenfalls Teil der Softwaretools „CycloP“ ist. Die Methode unterstützt Unternehmen dabei, ökologische Verantwortung mit Innovationskraft und wirtschaftlichem Erfolg zu verbinden – und schafft so die Grundlage für zukunftsfähige Produktentwicklung.

Marie Schwahn und Franziska Braun sind Researcher am Fraunhofer IAO.
Dr. Lukas Block ist Team Lead Mobility Transformation am Fraunhofer IAO.