Ressourceneffizienz

Konzeptionelle Idee und ihre Grenzen

Wenn der Ressourceneinsatz bei gleichbleibendem Nutzen sinkt, oder wenn der Nutzen bei gleichem Ressourceneinsatz steigt, dann wird von Ressourcenffizienz gesprochen.

Wie beim Energieverbrauch gilt auch beim Einsatz von Materialien aus Umweltperspektive zunächst die einfache Näherung „Weniger ist besser!“. Denn naturgemäß sind die mit dem Abbau von Rohstoffen, der Herstellung, dem Transport und der Verarbeitung von Materialien verbundenen Umweltlasten proportional zur benötigten Menge.

Lässt sich der gleiche Produktnutzen mit „Weniger vom Gleichen“ erreichen, so ist dies aus Umweltsicht vorteilhaft. Allerdings ist der Zusatz „vom Gleichen“ hier entscheidend. Denn werden Leichtbau oder Miniaturisierung durch den Einsatz komplexer Materialverbunde oder hochveredelter Materialien erreicht, so kann der skizzierte Umweltvorteil durch den ggf. deutlicheren höheren, spezifischen Umweltaufwand solcher Materiallösungen schnell wieder aufgebraucht sein.

Auch zu den Prinzipien der Langlebigkeit und / oder der Reparierbarkeit können sich Zielwidersprüche ergeben. So gibt es zum Beispiel für Leichtbauteile aus faserver­stärkten Kunstoffen, welche heute zunehmend für Fahrzeugkarosserien oder auch Flugzeugrümpfe eingesetzt werden, (bislang) keine Möglichkeiten mecha­nische Beschädigungen wie einfache „Beulen“ zu reparieren. Trennbare und damit reparaturfreundliche Verbindungen von Produktkomponenten erfordern ebenfalls meist mehr Materialeinsatz als das nichttrennbare Fügen.

Hinter dem Designprinzip Ressourceneffizienz steht das Ziel, (natürliche) Ressourcen zu schonen. Dabei ist aber selbst Gleiches vielfach gar nicht Gleiches. Die notwendige Flächeninanspruchnahme für die Förderung einer Referenzmenge an Rohstoffen kann sich bei unterschied­lichen Förderstandorten deutlich unterscheiden. Das gilt auch für die Auswirkun­gen auf die Artenvielfalt (Biodiversität) oder die Wasserqualität. Somit wird es also auch wichtig zu wissen, woher die Rohstoffe stammen. Eine zusätzliche Herausforderung, die im Designprozess selbst allerdings auch nur begrenzt beeinflusst werden kann.

Dies gilt allerdings nicht für den Einsatz von Recyclingmaterialien. Die Nutzung dieser Rohstoffquelle trägt regelmäßig dazu bei, die natürlichen Ressourcen zu schonen. Es ist jedoch hier wichtig, dass das Recyclingmaterial vergleich­bare konstruktive Eigenschaften aufweist - ein wichtiges Kriterium bei der Umsetzung des Ökodesign-Prinzips Kreislauffähigkeit. Geeignete konstruktive Lösungen können aber helfen, auch Sekundärmaterialien mit etwas schlechteren technischen Eigenschaften wieder zu nutzen.

Wie so oft, gilt auch hier: Es kommt darauf an!

Was sind natürliche Ressourcen?

In der wissenschaftlichen Debatte findet sich meist ein breites Verständnis des Begriffes „natürliche Ressource“. Im „Glossar zum Ressourcenschutz“ des Umweltbundsamtes von 2012 findet sich beispielsweise folgende Definition:

Natürliche Ressource = „Ressource, die Bestandteil der Natur ist. Hierzu zählen erneuerbare und nicht erneuerbare Primärrohstoffe, physischer Raum (Fläche), Umweltmedien (Wasser, Boden, Luft), strömende Ressourcen (z. B. Erdwärme, Wind-, Gezeiten- und Sonnenenergie) sowie die Biodiversität. Es ist hierbei unwesentlich, ob die Ressourcen als Quellen für die Herstellung von Produkten oder als Senken zur Aufnahme von Emissionen (Wasser, Boden, Luft) dienen.

Dieses breite Verständnis zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass auch die sogenannte Senkenfunktion, also die begrenzte Aufnahmefähigkeit der Ökosphäre für Schadstoffemissionen sowie die Biodiversität, mit adressiert werden.

Im deutlichen Gegensatz zu diesem breiten Verständnis der natürlichen Ressourcen in der Biosphäre stehen Debatten, die heute insbesondere in Wirtschaftskreisen geführt werden. Hierbei geht es darum, die Versorgung der Industrie mit strategischen Metallen und Mineralien zu sichern.

Die folgende Abbildung zeigt diesen Unterschied in schematischer Form. Wird aus dem umfassenden Ressourcen-Verständnis von oben nur der Bereich der „Quellen“ betrachtet so lassen sich die natürlichen Ressourcen auch wie folgt strukturieren.

Die aus wirtschaftsstrategischer Perspektive diskutierten Technologie-Rohstoffe machen dabei nur einen sehr kleinen Teil aus.

Umweltwirkungen der Rohstoffnutzung

Aus einer (gesamt-)wirtschaftlichen Perspektive ist eine auftretende Knappheit natürlicher Ressourcen von hoher Bedeutung. Aus Umweltperspektive deutlich gravierender sind allerdings die bei Erschließung, Abbau und Verarbeitung der Rohstoffe in Anspruch genommenen Ressourcen wie der Naturraum mit seiner Biodiversität, seinem Trinkwasser etc. sowie die dabei freiwerdenden Emissionen. Die Emissionen beanspruchen wiederum die Senkenfunktion der Ökosphäre als weitere natürliche Ressource.  

Die nachfolgende Tabelle zeigt für einige Technologie-Rohstoffe, die Werte entsprechender Indikatoren für die Ressourceninanspruchnahme.

Die Zahlen zeigen deutlich, dass mit der Verwendung dieser Rohstoffe die natürlichen Ressourcen in gravierender Weise in Anspruch genommen werden. Auch werden deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Rohstoffen sichtbar. So werden bei der Aluminumherstellung ca. 10-mal mehr Treibhausgase freigesetzt als bei Stahl. Bei Platin liegt der Faktor sogar 10.000. Dabei treten diese Ressourcenwirkungen, je nach Herkunft der Rohstoffe, in den unterschiedlichsten Weltregionen auf.

Eine gravierendere methodische Herausforderung bei der Diskussion der Ressourcenauswirkungen von Produkten ist die Mehrdimensionalität der natürlichen Ressourcen. Das heißt relevante Umweltwirkungen treten in verschiedenen Kategorien auf.

Werden die Masseneinsätze verschiedener Rohmaterialien in Europa jeweils in Bezug auf verschiedene Umweltwirkungsindikatoren (Treibhauspotenzial, Naturraumbeanspruchung und Humantoxizität) bewertet, ergeben sich ganz verschiedene Bilder. Auf die Fragen: „Welche Materialverbräuche in Europa sind aus Umwelt­perspektive am relevantesten?“ oder: „Welche Materialien sollten beim Produktdesign besonders sorgsam verwendet werden?“ lässt sich somit nur die Antwort geben: Es kommt darauf an, welche Umweltwirkungen betrachtet werden. Mit einem zusammenfassenden Umweltwirkungsindikator („Environmentally weighted Material Consumption“) wurde versucht, die verschiedenen „Wahrheiten“ in den einzelnen Umweltwirkungsbereichen in eine „Gesamtwahrheit“ zu überführen. Eine solche Vereinfachung der komplexen Wirklichkeit ist zwar verlockend, aber keineswegs unproblematisch. Die Verdichtung basiert auf Gewichtungsfaktoren für die Relevanz der verschiedenen Umweltwirkungen. Derartige Gewichtungsfaktoren stellen daher immer eine Wertentscheidung dar.

Solche Wertentscheidungen sollten aber, wenn sie z. B. als Grundlage regulativer Eingriffe dienen, auf einer politischen Entscheidungsfindung basieren, oder aber, wenn sie z. B. im Rahmen einer konkreten Produktentwicklung getroffen werden, explizit transparent gemacht werden.

Vom Rohstoff zum Material

In technischen Produkten werden darüber hinaus keine Rohstoffe, sondern technische Materialien eingesetzt. Dabei handelt es sich selten um einfache Monomaterialien. Meist werden Materialien verwendet, die als komplexe Vielstoffgemische ihre spezifischen technischen Eigenschaften aus einer gezielten Additivierung oder Legierung bzw. anderen Stoffkombination erhalten.

Alle in diesen technischen Materialien enthaltenen Einzelstoffe werden mit Hilfe mehr oder minder aufwändiger Umwandlungs- und Syntheseprozesse aus den Rohstoffen gewonnen, die ihrerseits wiederum Energie- und andere (Umwelt)Ressourcen in Anspruch nehmen.

Der ressourcen- oder umweltbezogene Wert eines technischen Materials, teilweise auch als ökologischer Fußabdruck bezeichnet, besteht somit aus der aggregierten Ressourceninanspruchnahme der Schritte

• Rohstoffabbau,
• Stoffumwandlung und
• Materialformulierung.

Das Verständnis dieser Aggregation ist auch deshalb wichtig, da im größten Teil der heute etablierten Verwertungsprozesse aus den (komplexen) technischer Materialien lediglich ein begrenzter Teil der enthaltenen Stoffe gezielt zurückgewonnen wird.

Die übrigen werden zu Abfall oder verbleiben als Verunreinigungen im Sekundärmaterial. Zwei Beispiele hierfür: (1) Viele der recht aufwändig gewonnen Legierungselemente von hochfesten Stählen zu Schlacke werden beim (Wieder-)Einschmelzen im Sekundärstahlprozess zu Schlacke. (2) UV-Stabilisatoren oder Flammschutzmittel-Additive in Kunststoffen werden unspezifisch in die Sekundärkunststoffe verschleppt und limitieren dort als teilweise toxische Verunreinigungen die Verwendbarkeit der Rezyklate.

Damit tritt jeweils ein relevanter Verlust an den in die Materialien eingeflossenen Ressourceninanspruchnahmen auf. Darüber hinaus erfordern auch die Recyclingprozesse einen relevanten Ressourceneinsatz z. B. in Form der entsprechenden Prozessenergien und Hilfsstoffeinsätze.

Ressourcenschutz, Ressourceneffizienz und Rebound-Effekte

Aus einer übergreifenden Perspektive des Umweltschutzes macht es weiterhin einen relevanten Unterschied, ob über Ressourcenschutz oder Ressourceneffizienz gesprochen wird:

• Ressourcenschutz bezieht sich auf eine Reduktion der absoluten Inanspruchnahme der natürlichen Ressourcen
• Bei Ressourceneffizienz geht es um die Verminderung des Ressourceneinsatzes pro Produkt oder funktioneller Einheit. Dies ist der klassisch ökonomische Blick, der immer auch die Gefahr in sich birgt, dass die Effizienzgewinne zu insgesamt stagnierenden oder sogar weiterhin ansteigenden Ressourceninanspruchnahmen führen. Derartige Rebound-Effekte können immer wieder in den unterschiedlichsten Produktbereichen beobachtet werden. So sank der spezifische Energieverbrauch pro cm² Bildschirmfläche von Fernsehgeräten in den vergangenen Jahren zwar deutlich, doch die immer höhere Zahl an Geräten pro Haushalt sowie der ungebremste Trend zu größeren Bildschirmen haben diese Effizienzgewinne vollständig kompensiert.

Hier stößt Produktdesign an eine Grenze und es wäre die Frage zu diskutieren, wie die Konsumnachfrage in einem bestimmten Bedürfnisfeld ggf. auch durch andere, nichtmaterielle Angebote befriedigt werden kann – das weite Feld möglicher Service- oder Dienstleistungsinnovation.

Übergreifende politische Zielsetzungen zur absoluten Begrenzung oder Reduktion der Materialinanspruchnahme sind nötig.

Wie kann Ressourceneffizienz umgesetzt werden?

In den vorhergehenden Abschnitten wurde der Materialeinsatz in Produkten in den größeren Kontext der Diskussionen um den Schutz der natürlichen Ressourcen gestellt. Zur Beziehung zwischen „Produkteigenschaft – Materialzusammensetzung“ und „Prozesseigenschaft – Ressourcen­wirkungen in den Herstellungsketten der Materialien“ gibt das Kapitel Produkte & Prozesseigenschaften weiteren Einblick.

Nachfolgend werden nun einige konkrete Möglichkeiten angeführt, auf welch unterschiedliche Art und Weise Materialeffizienz beim Produktdesign berücksichtigt werden kann.

Direkte Anforderungen an die Materialeffizienz

Soll die Effizienz der Nutzung von Materialien in einem Produkt erhöht werden, so gibt es dafür prinzipiell die drei folgenden Ansätze, um im Rahmen einer Durchführungsmaßnahme direkte Anforderungen an die Materialeffizienz zu formulieren:

• Reduzierung des spezifischen Materialeinsatzes,
• Steigerung der Intensität der Nutzung des eingesetzten Materials,
• Steigerung der Kreislauffähigkeit des Materials.

Diese grundlegenden Ansätze können jeweils auf verschiedenen Wegen umgesetzt werden. Eine Liste definierter Materialien, die besonders beachtet bzw. besonders sorgsam bewirtschaftet werden sollen, ist hierbei sehr hilfreich. Solche Listen existieren für die Versorgung wichtige kritischen Technologierohstoffe (critical raw materials), die aber nur einen Ausschnitt der Gesamtthematik abbilden. So gibt es eine immer wieder aktualisierte Liste hierzu seitens der EU, die aber bislang Umweltaspekte nicht ausreichend berücksichtigt. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens des Umweltbundesamtes wurden kritischen Technologierohstoffe nach ökologischen Kriterien bewertet. Rohstoffe gelten demnach als ökologisch kritisch, wenn sie nutzungsseitig von hoher Bedeutung sind, z.B.  für die Transformation des Energiesystems, und gleichzeitig ein hohes aggregiertes Umweltgefährdungspotential aufweisen. Mehr als 50 mineralische Rohstoffe wurden hinsichtlich der Umweltgefährdungspotentiale ihrer bergbaulichen Gewinnung bewertet (siehe Tabelle 2 in dieser Publikation).

Da (ökologisch relevante) Priorisierungen in der übergreifenden umweltpolitischen nur für einige Rohstoffe / Materialien vorliegen, ist es bislang notwendig, im Rahmen der Festlegung der Designanforderungen entsprechende Prioritäten zu definieren. Einen entsprechenden Entscheidungsrahmen können hierfür:

• ökobilan­zierende Fakten zu den verschiedenen in Frage stehenden Materialalternativen bieten (siehe auch Text zu Ökobilanz-Datenbanken)
• sowie Wert- und Marketing­entscheidungen des Auftraggebers.

Die getroffenen Priorisierungen sollten transparent nach außen dargestellt werden.

Reduzierung des spezifischen Einsatzes (priorisierter) Materialien

In Hinblick auf eine Reduzierung des spezifischen Materialeinsatzes in einem Produkt sind die folgenden Ansätze möglich:

• Es werden keine der (ökologisch relevanten) priorisierten Materialien eingesetzt.
  Der Ausschluss von priorisierten Materialien erfordert eine produktgruppenspezifische Prüfung, dass eine gleichwertige Funktionalität erzielt werden kann, ohne dass eine erhöhte Ressourceninanspruchnahme durch den Einsatz anderer Materialien bezogen auf den gesamten Produktlebenszyklus auftreten.
• Der spezifische Gehalt von priorisierten Materialien wird begrenzt.
  Der Einsatz von priorisierten Materialien wird in Relation zur Funktion des Produktes (dem Produktnutzen) begrenzt. Dies erfordert operationalisierte Parameter zur Messung des Produkt­nutzens sowie die produktgruppenspezifische Prüfung, dass ein gleichwertiger Produktnutzen mit geringerem Einsatz der (gleichen) Materialien erreicht werden kann. Faktisch handelt es sich hier um einen Schritt der Dematerialisierung bei der Erzeugung des Produktnutzens. Dies kann u. a. schlicht durch eine Massenbegrenzung für bestimmte Produkte erfolgen.
• Materialien mit einem erhöhten Rezyklatanteil werden eingesetzt.
  Bei vielen Materialien ist die Ressourceninanspruchnahme durch die Prozesse des Materialrecyclings geringer als durch die Vorkettenprozesse der primären Materialien. Bei einigen Materialien bestehen auch starke ökonomische Anreize, Sekundärmaterial einzusetzen. Vor Einsatz von Rezyklaten sollte überprüft werden, dass eine zuverlässige Versorgung mit Recyclingmaterial einer definierten Qualität erfolgen kann.

Steigerung der Intensität der Nutzung des eingesetzten (priorisierten) Materials

• Die technische Lebensdauer des Produktes wird gesteigert.
  Wenn vermieden werden kann, dass einzelne Komponenten ausfallen und das Produkt daher (vorzeitig) aus der Nutzung ausscheidet, so kann das eingesetzte (prioritäre) Material länger bzw. intensiver genutzt werden. Die Umweltwirkungen werden – gemessen pro Nutzungsdauer-Zeiteinheit – geringer.
  Dies erfordert eine produktgruppenspezifische Prüfung, ob die zusätzliche Ressourceninanspruchnahme durch das Ersatzprodukt mit längerer Lebensdauer nicht ggf. durch eine höhere Ressourceneffizienz des ursprünglichen Produkts in der Nutzungsphase kompensiert wird (wie bei energiebetriebenen Geräten teilweise festgestellt, siehe Kapitel Langlebigkeit).
• Die Intensität der Nutzung der Produkte wird erhöht.
  Das Produkt wird so gestaltet, dass es von mehreren Verwender:innen genutzt werden kann.
  Dies erfordert die Verknüpfung des Produktdesignprozesses mit Marketingüberlegungen die entsprechende „Nutzen-statt-besitzen“ Konzepte realisieren.

Steigerung der Kreislaufführbarkeit des Materials

• Die Verwendung schlecht kreislaufführbarer Materialien wird begrenzt.
  Gerade im Bereich der Kunststoffe, aber auch bei Metalllegierungen, gibt es Materialien, die aus technologischer Perspektive nicht bzw. nur unter hohem Aufwand rezykliert werden können. Wenn diese Materialien durch funktional gleichwertige Materialien mit besserer Kreislauffähigkeit ersetzt werden, ergeben sich im Gesamtlebenszyklus Entlastungen der (natürlichen) Ressourcen.
  Dies erfordert Überprüfung, dass der Einsatz der besser rezyklierbaren Materialien im Gesamtlebenszyklus zu einer Senkung der Ressourceninanspruchnahme führt und dass unter den zu erwartenden realen Entsorgungsbedingungen ein quantitatives Recycling des Materials erfolgen kann und wird.
• Der Einsatz der priorisierten Materialien wird auf bestimmte Komponenten begrenzt.
  Durch die Konzentration der priorisierten Materialien in einzelnen Komponenten wird es möglich, diese einer gesonderten Behandlung und Verwertung zuzuführen.
  Dies erfordert Kenntnisse, ab welchen Konzentrationen der priorisierten Materialien eine quantitative selektive Rückführung sinnvoll machbar ist sowie die Möglichkeit auf die Gestaltung der realen Verwertungsprozesse Einfluss zu nehmen. Genau hieran scheitern viele derartige Überlegungen, denn faktisch fallen die nach ökologischen Aspekten gestalteten Produkte später gemeinsam mit einer Vielzahl anderer Produkte gemeinsam als Abfallgemisch an.
• Die Komponenten mit erhöhtem Gehalt an priorisierten Materialien können abgetrennt werden.
  Die einfache Abtrennbarkeit der jeweiligen Produktkom­ponenten unter den Rahmenbedingungen üblicher Vorbehandlungs­prozesse macht eine getrennte Behandlung und Verwertung machbar.
  Dies erfordert produktgruppenspezifische Detailkenntnisse über die Möglichkeiten der Modularisierung sowie die Kenntnis üblicher Vorbehandlungsprozesse.
• Störstoffe, die die Kreislaufführbarkeit des Materials beeinträchtigen, werden ausgeschlossen.
  Es gibt eine Reihe von Stoffpaarungen, die in den zur Verfügung stehenden Verwertungsprozessen nicht (ab-)getrennt werden können, die aber die Qualität des Sekundärmaterials und damit sein Potenzial zur Entlastung (primärer) natürlicher Ressourcen deutlich einschränken. Beispiele sind v. a. Kupferverunreinigungen im Stahl oder Anteile halogenierter Additive wie Flammschutzmittel in Kunststofffraktionen.
  Dies erfordert Material- und komponentenspezifische Kenntnisse über die Vermischungs- und Trennwirkungen der Behandlungs- und Verwertungsprozesse.