Traceability-gestützte CO₂-Bilanzierung in der diskreten Fertigung

Vor dem Hintergrund zunehmender regulatorischer und marktseitiger Anforderungen an produzierende Unternehmen gewinnt die transparente Ermittlung des Carbon Footprints von Produkten (CFP) zunehmend an Bedeutung. Bestehende Standards und Methoden weisen jedoch erhebliche Limitationen auf. Hierzu zählen insbesondere die statische und einmalige Erhebungsweise, ein hoher Aktualisierungsaufwand, methodische Subjektivität sowie unzureichende Datenqualität und -integration. Diese Einschränkungen führen zu einer hohen Unsicherheit bzgl. der Ergebnisse von CFP-Studien und verringern deren Anwendbarkeit und Akzeptanz in der Praxis. Zur Überwindung dieser Limitationen gehen aus der Literatur zwei zentrale Weiterentwicklungsansätze hervor. Zum einen werden statische Methodenbausteine in dynamische, kontinuierlich anwendbare Verfahren überführt. Zum anderen wird die Integration digitaler Technologien zur Verbesserung der Datenverfügbarkeit, -integration und -qualität untersucht. Ein zentraler Ansatzpunkt besteht in der verursachungsgerechten Erfassung ressourcenbezogener Prozessdaten auf Ebene einzelner Bauteile, Chargen oder Fertigungsaufträge. Traceability-Systeme dienen dabei als vielversprechende Lösung zur präzisen Zuordnung von Aktivitäts- und Verbrauchsdaten entlang des Produktionsprozesses. Die vorliegende Forschungsarbeit verfolgt die übergeordnete Zielsetzung, die Ermittlung des CFP in Gate-to-Gate-Prozessen durch den Einsatz von Traceability-Technologien zielgerichtet zu unterstützen, um bestehende Vorgehensweisen zu einem datenbasierten Ansatz weiterzuentwickeln: Hierzu werden drei Teilziele verfolgt: die Systematisierung der Nutzenpotenziale, die Entwicklung eines Gestaltungsmodells sowie dessen Überführung in ein methodisches Vorgehen. Für den korrespondierenden Forschungsprozess wird die Strategie der angewandten Forschung herangezogen. Zunächst werden mittels explorativer leitfadengestützter Expert:inneninterviews Nutzenpotenziale einer traceability-gestützten CO₂-Bilanzierung identifiziert und in sechs übergeordnete Anwendungsfälle zusammengeführt, die je nach Art der Datenauswertung unterschiedlichen zeitlichen Dimensionen – kontinuierlich, zyklisch, strategisch – zuzuordnen sind. Auf Basis dieser Anwendungsfälle werden inhaltliche Anforderungen an das Gestaltungsmodell abgeleitet, die durch eine Expert:innenbefragung mithilfe eines standardisierten Fragebogens auf Praxisrelevanz überprüft werden. Anhand dieser Anforderungen wird eine Modellstruktur abgeleitet, die aus acht Gestaltungselementen besteht. Für jedes Gestaltungselement wird eine Systematik formuliert, die den Lösungsraum in Form von Gestaltungsaufgaben und -merkmalen strukturiert, denen jeweils mehrere mögliche Ausprägungen zugeordnet werden. Um eine nutzenorientierte Systementwicklung zu gewährleisten, werden Verträglichkeitsmatrizen formuliert, welche die Kompatibilität aller Merkmalsausprägungen mit den zuvor definierten Anwendungsfällen überprüfen. Da für die Mehrzahl der Gestaltungsaufgaben auf dieser Basis keine endgültige Gestaltungsentscheidung getroffen werden kann, werden zusätzliche unterstützende Werkzeuge entwickelt, die eine bedarfsgerechte Systemgestaltung ermöglichen. Zur Operationalisierung des Gestaltungsmodells wird eine Methode entwickelt, die das Modell in einen sequenziellen Ablauf überführt. Die Dokumentation der Methode in BPMN-Notation ermöglicht eine domänenübergreifende, verständliche und praxisorientierte Anwendung. Die Evaluation des entwickelten Gestaltungsmodells und der Methode erfolgt anhand zweier industrieller Fallstudien. In beiden Anwendungsfällen werden Systeme zur strukturierten Datenerfassung, -verarbeitung und -visualisierung implementiert und in der laufenden Produktion eingesetzt. Auf Basis der erhobenen Daten werden in beiden Praxisbeispielen gezielte Maßnahmen zur Reduzierung des CFP abgeleitet und in einem Praxisbeispiel auch deren Wirksamkeit nachgewiesen werden. Darüber hinaus wird die Erfüllung der inhaltlichen und formalen Anforderungen durch eine strukturierte Expert:innenbefragung evaluiert, die die Anwendbarkeit des Gestaltungsmodells und der Methode in der industriellen Praxis bestätigt. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zur datenbasierten CO₂-Bilanzierung in der Industrie. Sie reduziert bestehende Unsicherheiten, erhöht die praktische Anwendbarkeit und stärkt die Akzeptanz des CFP als Kennzahl in der unternehmerischen Praxis.

With increasing legal and market requirements for manufacturing companies, the transparent analysis of the product carbon footprint (PCF) is becoming increasingly important. However, existing standards and methods have considerable limitations. These include, for example, a static and non-recurring method of data collection, the high effort involved in updating, methodological subjectivity as well as inadequate data quality and integration. These limitations lead to highly uncertain results of PCF studies, which reduces their applicability and acceptance. To overcome these limitations, the literature identifies two main approaches for further development. On the one hand, the aim is to transform static methods into dynamically applicable approaches. Secondly, the integration of digital technologies to improve data availability, integration and quality is considered promising. One of the main approaches is to record resource-related process data at the level of individual components or production orders. Traceability systems are considered a promising solution for the precise allocation of activity and consumption data along the production process. The aim of this thesis is to support the assessment of PCF in gate-to-gate processes in a target-oriented manner through the use of traceability technologies in order to further develop existing procedures into a data-based approaches. The three sub-goals are derived from this: the systematization of potential benefits, the development of a design model and its transfer into a methodical approach. The research process follows the strategy of applied research, in which practical problems are addressed through theoretical modeling and testing in the application context. In the first step, semi-structured expert interviews are used to identify potential benefits of traceability- supported assessment of carbon footprint in industrial practice, which are compared with a systematic literature analysis and transferred into six overarching use cases. Depending on the type of data evaluation, these are assigned to different time dimensions (continuous, cyclical, strategic). The content requirements for the design model are defined on the basis of these use cases. A standardized survey examines their relevance in order to focus the model development on essential aspects. Based on these requirements, a model structure with eight design elements is developed. A systematic framework is formulated for each design element, which structures the solution space in the form of design tasks and features, to each of which several possible attribute characteristics are assigned. To ensure a targeted system design, compatibility matrices are developed which evaluate the compatibility of all attribute characteristics with the previously identified use cases. As no final design decision can be made on this basis for the majority of design tasks, additional supplementary tools are developed to enable demand-driven system design. To operationalize the model, a method is developed that transforms the design model into a sequential process and considers dependencies between the design tasks. The documentation of the method in BPMN notation enables a cross-domain, understandable and practical application. The evaluation is based on two practical industrial examples. In each case, systems for structured data collection, processing and visualization are implemented and used during live production. In both cases, targeted measures to reduce PCF can be derived based on the data collected, and their effectiveness can also be demonstrated in one case. In addition, the fulfillment of content and formal requirements is evaluated through a structured expert survey, which confirms the applicability of the design model and the method in industrial practice. The work thus fulfills the goal of improving PCF assessment through traceability technologies and contributes to reducing uncertainties, increasing acceptance and establishing PCF as an operational target value.