Pictures of the Future   Herbst 2007

Energie-Detektive

Mit der Methode "Kumulierter Energieaufwand (KEA)" untersucht Siemens, wie sich der Energiebedarf medizintechnischer Geräte weiter senken lässt. Dabei wird der gesamte Lebenszyklus von der Stoffbereitstellung über Herstellung und Nutzung bis zum Recycling betrachtet.

Umweltfreundliche Medizintechnik – das ist ein wichtiges Verkaufsargument. Vor allem Krankenhäuser mit Umweltmanagementsystemen sind brennend an Produktumweltdeklarationen interessiert. Denn sie wollen genau wissen, wie umweltschonend Siemens die Geräte hergestellt hat und wie umweltfreundlich diese arbeiten. Die gewünschten Fakten liefern Dr. Franz Bömmel, Bereichsreferent für Umweltschutz bei Medical Solutions (Med), und die Produktentwickler. Dabei setzen sie auf eine Methode, die maßgeblich von der Forschungsstelle für Energiewirtschaft in München vor etwa zehn Jahren entwickelt und in der VDI-Richtlinie 4600 festgehalten wurde: der "kumulierte Energieaufwand", kurz KEA. "Der kumulierte Energieaufwand ist die Gesamtmenge der Primärenergie, die aufgewendet werden muss, um ein Gerät zu produzieren, zu nutzen und zu entsorgen – einschließlich aller Transporte", sagt Bömmel. Der gesamte Lebenszyklus eines Gerätes wird so energetisch analysiert und es wird sichtbar, wo die meiste Energie verbraucht wird. Dabei fühlt sich Bömmel manchmal wie ein Detektiv auf der Spur von Energielöchern.

Als das Team den Energieverbrauch des Magnetresonanz-Tomographen (MRT) Magnetom Avanto analysierte, stellte es verblüfft fest: Der Transport des Geräts zum Kunden verschlingt fast genauso viel Energie wie die Produktion der Komponenten, nämlich etwa ein Drittel der Gesamtenergie für die Herstellung. Der Grund: Vor allem in die USA erfolgte der Transport bislang per Flugzeug. Schließlich darf der mit flüssigem Helium gekühlte supraleitende Magnet nicht warm werden. "Ohne Stromzufuhr verdampft das gesamte Helium in 28 Tagen. Und den Magneten wieder kalt zu bekommen, erfordert einen hohen Aufwand", sagt Bömmel. "Wir haben festgestellt, dass auch ein Schiffstransport, zumindest an die Ostküste der USA, schnell genug erfolgen kann. Mehrere MRT-Systeme wurden bereits so ausgeliefert. Das erfordert nur ein Sechzigstel der Energie."

"Ein wichtiges Ergebnis der KEA-Bilanz", konstatiert der Umweltreferent. Bis er allerdings mit dieser Methode arbeiten konnte, waren Vorarbeiten nötig. So lieferte Siemens Corporate Technology (CT) einiges Datenmaterial: Für insgesamt 75 Stoffklassen, aus denen medizintech- nische Geräte typischerweise aufgebaut sind, bestimmten die Forscher den materialspezifischen Energieaufwandswert. Dieser Wert gibt an, wie viel Energie bei der Bereitstellung eines Werkstoffs wie Stahlblech pro Kilogramm benötigt wird – unter Berücksichtigung der gesamten Wertschöpfungskette von der Förderung des Rohstoffs bis zum fertigen Werkstoff. Da Med hauptsächlich Komponenten montiert und nur ganz wenige Teile selbst herstellt, hat CT zusätzlich die spezifischen KEA-Werte für eine Liste von Standardbausteinen aufgestellt, wie Lüfter, Computer, Bildschirme oder Tastaturen.

Aus allen diesen Angaben erhält man so den gesamten Energieeinsatz für die Bereitstellung der Werkstoffe in einem Produkt. Beim Magnetom Avanto zum Beispiel sind das 4 % der insgesamt eingesetzten Energie – bezogen auf den kompletten Lebenszyklus. Auch hier sieht Bömmel Verbesserungspotenzial. Denn der 8 t schwere MRT besteht unter anderem zu 45 % aus verschiedenen Eisenlegierungen und Stählen und zu etwa 34 % aus Nichteisenmetallen und -legierungen. Energetisch nach KEA betrachtet, erfordern die Nichteisenmetalle wie Aluminium oder Kupfer allerdings einen signifikant größeren Energieeinsatz als die Eisenmetalle. Die Schlussfolgerung daraus wäre für einen künftigen MRT, Aluminium wo immer möglich durch Stahl zu ersetzen, damit der Energieaufwand für die Stoffbereitstellung sinkt. Dabei müsste durch konstruktive Maßnahmen gewährleistet werden, dass sich letztlich das Gesamtgewicht nicht wesentlich erhöht.

Zudem wird auch der Energieverbrauch der Fertigung untersucht, allerdings nicht jeder einzelne Schritt, denn das wäre viel zu aufwändig. Vielmehr wird der Energieverbrauch einer ganzen Produktionshalle betrachtet, der sich mit Strom- und Wärmemengenzählern erfassen lässt. Dividiert durch die Gesamtmenge an Produkten in Kilogramm, erhält man die spezifischen KEA-Werte pro Halle – in Kilowattstunden pro Kilogramm – und kann diese über die gesamte Produktion eines Geräts aufsummieren. Dazu kommt noch der Energiebedarf für alle Transporte zwischen den Fabriken und zum Kunden. Beim Magnetom Avanto etwa entfallen etwa 10 % des gesamten Energieverbrauchs auf diese Produktlebensphase.

Stand-by-Verluste senken. Der größte Energiebatzen im Lebenszyklus eines Gerätes wird während seiner Nutzung verbraucht: auf zehn Jahre berechnet sind es rund 86 Prozent der gesamten Primärenergieverbrauchs – beim Magnetom Avanto entsprechend rund 460 MWh/a. Umweltexperte Bömmel erwartet hier weitere Energiesparmaßnahmen. Ein Ansatzpunkt sind die verschiedenen Betriebszustände der Medizingeräte. Vor allem die Stand-by-Verluste will man künftig reduzieren. Beim Magnetom Avanto werden immerhin 38 % der Energie im unproduktiven Zustand aufgewandt – der ausgeschaltete MRT schluckt in der Ruhephase durch die notwendige Helium-Kühlung etwa 20 % Energie plus 18 % Energie für die Vorphase einer Messung.

Recycling ist die letzte Phase in der KEA-Analyse. Bezogen auf das Gesamtgewicht lassen sich bei medizintechnischen Geräten 85 % der eingesetzten Werkstoffe wiederverwerten. Etwa 9 % werden thermisch verwertet, hauptsächlich Kunststoffe. Insgesamt spart man so, bezogen auf den gesamten Lebenszyklus, 2 % an Energie, die der Gesamtbilanz gutgeschrieben werden.

So lässt sich für jedes Gerät der Energiegesamtaufwand berechnen und nicht zuletzt auch, welche Umweltbelastung daraus folgt. Ist der wesentliche Energielieferant bekannt – bei Medizingeräten ist das elektrischer Strom – lässt sich beispielsweise der Beitrag zum Treibhauseffekt abschätzen. Da alle Energiewerte bei der KEA-Methode auf Basis der benötigten Primärenergie berechnet werden, also auf Basis des Energieinhalts fossiler Brennstoffe wie Kohle und Öl, wird zunächst der Energieinhalt in Sekundärenergie, also Strom, umgerechnet.

Der Durchschnittsverbrauch eines Magnetom Avanto entspricht einem Stromverbrauch von etwa 150 MWh/a. Pro Kilowattstunde entstehen bei der Erzeugung in Kraftwerken im deutschen Durchschnitt 600 g CO₂. Der Betrieb eines Magnetom Avanto verursacht daher etwa 90 t CO₂ pro Jahr. Auch die Werte für andere Schadstoffe wie Stickoxide lassen sich aus dem Energieverbrauch abschätzen – mit Hilfe von Umrechnungswerten des Bundesumweltministeriums. So lässt sich mit der KEA-Methode eine aufwandsarme, vereinfachte Ökobilanz erstellen.

"Man muss sich natürlich darüber im Klaren sein", so Bömmel, "dass es sich bei der KEA-Methode, so wie wir sie einsetzen, um eine grobe Übersicht über den Energieaufwand handelt, weil sie oft mit Näherungen arbeitet. Doch das nehmen wir gerne in Kauf, um rasch Energielöcher zu identifizieren, die wir dann Schritt für Schritt stopfen können. Dank KEA wissen wir, dass bei der Nutzung unserer Geräte mit Abstand die meiste Energie verbraucht wird. Hier werden wir zuallererst den Hebel für weitere Verbesserungen ansetzen."
                                                                                                                    Rolf Sterbak