Table Of ContentAutoUni – Schriftenreihe
Florian Broch
Integration von
ökologischen Lebensweg-
bewertungen in Fahrzeug-
entwicklungsprozesse
AutoUni – Schriftenreihe
Band 102
Herausgegeben von/Edited by
Volkswagen Aktiengesellschaft
AutoUni
Die Volkswagen AutoUni bietet Wissenschaftlern und Promovierenden des Volks-
wagen Konzerns die Möglichkeit, ihre Forschungsergebnisse in Form von Mono-
graphien und Dissertationen im Rahmen der „AutoUni Schriftenreihe“ kostenfrei zu
veröffentlichen. Die AutoUni ist eine international tätige wissenschaftliche Einrich-
tung des Konzerns, die durch Forschung und Lehre aktuelles mobilitätsbezogenes
Wissen auf Hochschulniveau erzeugt und vermittelt.
Die neun Institute der AutoUni decken das Fachwissen der unterschiedlichen
Geschäftsbereiche ab, welches für den Erfolg des Volkswagen Konzerns unabding-
bar ist. Im Fokus steht dabei die Schaffung und Verankerung von neuem Wissen und
die Förderung des Wissensaustausches. Zusätzlich zu der fachlichen Weiterbildung
und Vertiefung von Kompetenzen der Konzernangehörigen, fördert und unterstützt
die AutoUni als Partner die Dok torandinnen und Doktoranden von Volkswagen
auf ihrem Weg zu einer erfolgreichen Promotion durch vielfältige Angebote – die
Veröffentlichung der Disser tationen ist eines davon. Über die Veröffentlichung in der
AutoUni Schriftenreihe werden die Resultate nicht nur für alle Konzernangehörigen,
sondern auch für die Öffentlichkeit zugänglich.
The Volkswagen AutoUni offers scientists and PhD students of the Volkswagen
Group the opportunity to publish their scientific results as monographs or
doctor’s theses within the “AutoUni Schriftenreihe” free of cost. The AutoUni is an
international scientific educational institution of the Volkswagen Group Academy,
which produces and disseminates current mobility-related knowledge through its
research and tailor-made further education courses. The AutoUni’s nine institutes
cover the expertise of the different business units, which is indispensable for the
success of the Volkswagen Group. The focus lies on the creation, anchorage and
transfer of knew knowledge.
In addition to the professional expert training and the development of specialized
skills and knowledge of the Volkswagen Group members, the AutoUni supports and
accompanies the PhD students on their way to successful graduation through a
variety of offerings. The publication of the doctor’s theses is one of such offers. The
publication within the AutoUni Schriftenreihe makes the results accessible to all
Volkswagen Group members as well as to the public.
Herausgegeben von/Edited by
Volkswagen Aktiengesellschaft
AutoUni
Brieffach 1231
D-38436 Wolfsburg
http://www.autouni.de
Weitere Bände in dieser Reihe http://www.springer.com/series/15136
Florian Broch
Integration von
ökologischen Lebensweg
bewertungen in Fahrzeug
entwicklungsprozesse
Florian Broch
Wolfsburg, Deutschland
Zugl.: Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2017
Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse der im Rahmen der AutoUni – Schriftenreihe
veröffentlichten Doktorarbeiten sind allein die der Doktorandinnen und Doktoranden.
AutoUni – Schriftenreihe
ISBN 978-3-658-18217-5 ISBN 978-3-658-18218-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-18218-2
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-
bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2017
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die
nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung
des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen,
Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem
Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche
Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.
Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informa-
tionen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind.
Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder
implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt
im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten
und Institutionsadressen neutral
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier
Springer ist Teil von Springer Nature
Die eingetragene Gesellschaft ist Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Die Anschrift der Gesellschaft ist: Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden, Germany
Geleitwort
Die individuelle Nutzung von Automobilen ist für etwa 10 % des globalen Energiever-
brauchs und der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Leichtbau ist eine domi-
nierende Strategie bei konventionellen Fahrzeugen, um die Fahrzeugmasse und damit den
Energieverbrauch und die resultierenden Emissionen zu reduzieren. Parallel dazu findet
eine zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen in Verbindung mit dem Ausbau erneu-
erbarer Energien statt. Bei beiden Strategien besteht das Risiko, dass höhere Umweltwir-
kungen in der Herstellung – trotz abnehmender Umweltwirkung in der Nutzungsphase –
insgesamt zu einer höheren Umweltbelastung führen. Um die Vorteilhaftigkeit von Maß-
nahmen ermitteln zu können, ist eine Analyse und Bewertung der potenziellen Umweltwir-
kungen über den gesamten Fahrzeuglebensweg erforderlich. Die Ökobilanz (engl. Life
Cycle Assessment) stellt hierfür eine etablierte Methode dar. Sie erlaubt es, potenzielle Um-
weltwirkungen eines Fahrzeugs über den gesamten Lebensweg „von der Wiege bis zur
Bahre“, d. h. von der Rohstoffgewinnung über die Produktion und Nutzung bis hin zur Ent-
sorgung quantitativ zu bewerten. Um strategisch wirken zu können, müssen Ökobilanzen
bereits frühzeitig bei Entscheidungen in der Fahrzeugentwicklung einbezogen werden.
Doch gerade in den frühen Phasen der Produktentstehung fehlen produkt- und prozesssei-
tige Informationen und Daten, die für eine Quantifizierung potenzieller Umweltwirkungen
erforderlich sind. Informationen und Daten aus abgeschlossenen Fahrzeugentwicklungspro-
jekten können eine sehr gute Grundlage bieten, um bestehende Informations- und Datenlü-
cken zu schließen. Dafür bedarf es geeigneter Methoden, um bestehende Datenumfänge zu
analysieren und für die Bewertung neuer Fahrzeugentwicklungsprojekte zu erschließen. Zu-
dem müssen häufig mehrere Varianten eines Fahrzeugs evaluiert und die dazu aufgebauten
ökobilanziellen Fahrzeugmodelle entwicklungsbegleitend weiter detailliert werden. Ferner
müssen die Ergebnisse der Umweltbewertung für eine Entscheidungsunterstützung zumeist
für die verschiedenen Anspruchsgruppen in einem Unternehmen aufbereitet werden. Herr
Broch hat in seiner Arbeit die resultierenden Fragestellungen untersucht und einen eigenen
methodenbasierten Ansatz zur Integration der ökologischen Lebenswegbewertung in Fahr-
zeugentwicklungsprozesse entwickelt.
Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann
Danksagung
Die Arbeit ist im Rahmen einer Promotion in der Konzernforschung Umwelt Produkt der
Volkswagen AG in Wolfsburg in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkzeugma-
schinen und Fertigungstechnik, Professur für Nachhaltige Produktion & Life Cycle Engi-
neering, der Technischen Universität Braunschweig entstanden.
Ein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Christoph Herrmann für die
Übernahme meiner externen Promotion, sowie die regelmäßigen und ergiebigen Diskussi-
onen bei der Konzipierung dieser Arbeit. Ebenfalls danke ich Prof. Dr.-Ing. Thomas Vietor
für die Übernahme des Zweitgutachtens meiner Arbeit und Prof. Dr.-Ing. Prof. h. c.
Klaus Dilger für die Übernahme des Prüfungsvorsitzes.
Ich danke zudem den ehemaligen und aktuellen Mitarbeitern des Teams Nachhaltige Pro-
duktion & Life Cycle Engineering am Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstech-
nik. Hervorheben möchte ich hier Dr.-Ing. Tina Dettmer und Dr. phil. Stefan Böhme für die
Betreuung von Seiten des Instituts, sowie Alexander Kaluza und Anne-Marie Schlake für
die Unterstützung auf dem Weg zur Abgabe der Arbeit und bei der Vorbereitung der Prü-
fung.
Großer Dank gilt aber auch den Kollegen der Umweltforschung. Dr. Stephan Krinke und
Dr. Marko Gernuks danke ich für die Unterstützung meiner Ideen und das in mich gesetzte
Vertrauen. Insbesondere das große Interesse an meiner Arbeit und auch die kritische Be-
gleitung der Arbeit haben mir hier sehr weitergeholfen. Dr. Wolfgang Walk danke ich für
die inhaltliche Betreuung meiner Arbeit und die dabei sehr konstruktive Unterstützung und
die vielen Diskussionen, die diese Arbeit begleitet haben. Aber auch allen Kollegen der
Umweltanalyse und -steuerung danke ich für die Unterstützung und das wertvolle Feedback
aus der Praxis. Das Mitwirken von Albert Merten und Katharina Tienken im Rahmen von
studentischen Abschlussarbeiten haben für das Gelingen der automatisierten Prognose von
Parameterwerten beigetragen. Insbesondere die Erstellung und programmliche Umsetzung
des Prognosemodells von Katharina Tienken waren hierfür Voraussetzung. Danke euch al-
len!
Weiterhin hat das Doktorandenprogramm der Volkswagen AG meine Industrie-promotion
ermöglicht und gefördert. Dazu danke ich auch der Volkswagen AutoUni für die
Unterstützung bei der Veröffentlichung meiner Arbeit in der „AutoUni Schriftenreihe“.
Bedanken möchte ich mich auch bei allen denen, die während meiner Zeit im Volkswagen
Doktorandenkolleg aktiv waren. Der Austausch untereinander hat für viel Energie und
Motivation beim Bestreiten des gemeinsamen Wegs gesorgt.
Zu guter Letzt danke ich meiner Familie herzlich für die Unterstützung während meines
Ausbildungswegs hin zur Promotion und darüber hinaus. Mein größter Dank geht an Nina,
für dein Verständnis, deinen Zuspruch und deine Liebe.
Braunschweig Dipl.-Wirtsch.-Ing. Florian Broch
Kurzfassung
Schlagwörter: Ökobilanz, umweltorientierte Fahrzeugentwicklung, Life Cycle Enginee-
ring, Datenknappheit, Data Mining
Die Elektrifizierung von Antrieben und die Reduzierung der Fahrzeugmasse durch Leicht-
bau sind zwei relevante Pfade zur Senkung von Treibhausgasemissionen von Automobilen.
Allerdings besteht dabei das Risiko, dass eine zunehmende Umweltwirkung in der Herstel-
lung – trotz abnehmender Umweltwirkung in der Nutzungsphase – insgesamt zu einer hö-
heren Umweltbelastung führt. Dies kann mit einer ökologischen Lebenswegbewertung er-
mittelt werden. Bei der quantitativen Bewertung von Umweltbelastungen über den gesam-
ten Lebensweg wird insbesondere die Ökobilanz (Life Cycle Assessment – LCA) einge-
setzt. Um ganzheitlich die Umweltlasten eines Fahrzeugs senken zu können, muss die Öko-
bilanz bereits frühzeitig bei Entscheidungen in der Fahrzeugentwicklung einbezogen wer-
den. Je später Entscheidungen mit den Ergebnissen einer Ökobilanz unterstützt werden,
desto geringer ist die Möglichkeit, das Fahrzeug aus Umweltsicht noch zu verbessern. Um
durchgängig und umfassend die gesamte Umweltrelevanz von Entscheidungen in frühen
Phasen der Fahrzeugwicklung zu verfolgen und damit eine Entscheidungsunterstützung zu
leisten, fehlt es an einem geeigneten Konzept und Werkzeug.
In der vorliegenden Arbeit wird daher ein Konzept entwickelt, bei dem die lebenswegori-
entierte ökologische Produktbewertung im Entwicklungsprozess eines Fahrzeugs integriert
wird. Über alle Phasen der Entwicklung wird so eine effiziente und richtungssichere Be-
wertung und Verfolgung der Ökobilanz eines Fahrzeugs ermöglicht. Dies wird unter ande-
rem durch eine Parametrisierung von Sachbilanzmodellen in der Ökobilanz erreicht. Hier-
durch können schnell viele Varianten eines Produkts abgebildet werden und gleichzeitig die
Detailgenauigkeit der Modelle verbessert werden. Weiterhin werden die Ergebnisse der
Umweltbewertung zielgruppengerecht als Entscheidungsunterstützung für die Verbesse-
rung von Fahrzeugen aufbereitet.
Da in frühen Phasen der Entwicklung gleichzeitig erst wenige Informationen und Daten für
eine Ökobilanz zur Verfügung stehen, werden auch Vorgehensweisen zur Begegnung von
Datenknappheit vorgestellt. Neben der Verwendung von Standardwerten oder von Werten
aus Vorgängerfahrzeugprojekten wird die Prognose insbesondere von Parameterwerten
durchgeführt. Dies geschieht mit Methoden des Data Minings. Im Fall des als besonders
relevant identifizierten Parameters Materialnutzungsgrad wurde das RandomForest-Ver-
fahren hinsichtlich der Prognosegeschwindigkeit und -güte als geeignet identifiziert. Ab-
schließend wird die Eignung des entwickelten Konzepts im Allgemeinen und der Parame-
terprognose im Speziellen anhand einer Fallstudie demonstriert.
Abstract
Keywords: Life Cycle Assessment, Product Development, Ecodesign, Lack of Data, Data
Mining
Two important pathways for the reduction of greenhouse gas emissions during a vehicle’s
use phase are powertrain electrification and curb weight reduction. However, those path-
ways bear the risk that higher emissions during production overcompensate lower emissions
during the use phase. This shift of environmental burdens may also lead to an overall wors-
ening of a vehicle’s environmental profile. Life cycle assessment (LCA) is a frequently used
method to quantify this shift. With this method, relevant environmental impacts in a prod-
uct’s entire life cycle can be identified. In order to achieve a holistic reduction of environ-
mental impacts of a car and to be able to influence design decisions, an LCA has to be
conducted as early as possible in a car’s development. The later an LCA is done during
development, the smaller the adaptations to the car’s design can be. Until now, there is no
concept or tool that continuously and extensively tracks the overall environmental relevance
of decisions in early stages of development.
Therefore, the work at hand covers the development of a concept that integrates a life cycle
based environmental assessment into the new vehicle development process. By covering all
stages of development, an efficient and robust assessment of the vehicle’s environmental
profile is ensured. The parametrization of life cycle inventory models is one way to achieve
this. In this way, many different product types can be assessed. At the same time, the mod-
els’ level of detail can be improved. In addition, the results of the environmental assessment
are edited for different target groups in order to serve as a tailor-made decision support for
the improvement of the vehicle’s environmental profile.
Due to lack of data, conducting LCAs in early stages of development is a challenge. A
strategy to solve the lack of data was developed. Apart from the use of default values or the
use of data from predecessors, the prediction of data, especially parameter values, with data-
mining methods was used. In the case of the very relevant parameter ‘degree of material
utilization‘, a parameter value prediction was performed with a RandomForest algorithm.
This method showed a high prediction speed and high excellence of results. Finally, the
suitability in a real-life development situation of the overall concept and the parameter pre-
diction in particular was demonstrated in a case study.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ................................................................................................ XVII
Tabellenverzeichnis ...................................................................................................... XXI
Nomenklatur .............................................................................................................. XXIII
1 Einleitung ...................................................................................................................... 1
1.1 Motivation und Problemstellung.............................................................................. 1
1.2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit.......................................................................... 2
2 Grundlagen der Umweltbewertung und Produktentwicklung ................................ 7
2.1 Definitionen ............................................................................................................. 7
2.1.1 Produkte und deren Entwicklung ................................................................. 7
2.1.2 Umweltbewertung ........................................................................................ 7
2.1.3 Produktlebensweg ........................................................................................ 8
2.2 Grundlagen der lebenswegorientierten Umweltbewertung ................................... 11
2.2.1 Methodik der Ökobilanzierung .................................................................. 12
2.2.2 Der ökologische Lebensweg eines Automobils ......................................... 19
2.2.3 Werkzeuge und Datenbanken zur Ökobilanzierung .................................. 28
2.3 Grundlagen der Fahrzeugentwicklung ................................................................... 31
2.3.1 Produktentwicklungsmodelle und -prozesse .............................................. 31
2.3.2 Charakterisierung der Fahrzeugentwicklung ............................................. 33
3 Ansätze zur Integration lebenswegorientierter Umweltbewertungen
in die Fahrzeugentwicklung ..................................................................................... 39
3.1 Herausforderungen bei der Nutzung lebenswegorientierter
Umweltbewertungen in der Fahrzeugentwicklung ................................................ 41
3.1.1 Anwendbarkeit in der industriellen Praxis der
Automobilindustrie .................................................................................... 41
3.1.2 Paradoxon der Produktentwicklung – Zeitpunkt und
Datenverfügbarkeit ..................................................................................... 41
3.1.3 Komplexität und Datenbedarf der lebenswegorientierten
Umweltbewertung ...................................................................................... 43
3.1.4 Kommunikation zur Entscheidungsunterstützung in
Fahrzeugprojekten ...................................................................................... 45
