io b.o. 1 (721)
December 1981
Energiebewust ontwerpen
R.B.J. Kemna
F a c ul t ei t v a n he t I n d u str i eel O n twer p en
Technische Universiteit Delft
..........................................................................................
.......................................................................................... R.B.J. Kemna Energiebewust ontwerpen Toepassing van energie analyse bij het ontwerpen
........................................................................................... Deel 1 Industrieel Ontwerpen bijzondere onderwerpen Serie rapporten over nieuwe of bijzondere onderwerpen voor de Industrieel Ontwerper
1981 herdruk herdruk herdruk herdruk
1982 1987 1992 1996
Tussenafdeling Industrieel Ontwerpen Oude Delft 39a 2611 BB Delft
Omslag: Corrie van der Lelie
..........................................................................................
..........................................................................................
............................................................. Voorwoord De studierichting Industrieel Ontwerpen op de Technische Hogeschool Delft is in betrekkelijk korte tijd een faculteit geworden met bijna 700 studenten. Het vakgebied is gericht op het analyseren, bedenken en maken van gebruiksgoederen, die in de industrie in serie worden vervaardigd. Het betreft vooral consumenten gebruiksgoederen en semi-professionele apparatuur. Het vormt een nieuwe ingenieursrichting met een multidisciplinaire basis: konstruktie, ergonomie, vormgeving en bedrijfskunde; het integreren van dat viertal en de vertaling ervan in een nuttig produkt is de kern ervan. Hoe boeiend dat vakgebied dan ook is en hoeveel produktontwerpers en produktontwerpen dan ook resulteren, toch is er door de te snel groeiende onderwijslast maar weinig tijd overgebleven voor vakverdiepend en vakverbredend onderzoek. Het is daarom extra nodig de ervaring en kennis, die in de afdeling zijn, te bundelen en aan anderen door te geven. De vorm van rapporten is daarvoor gekozen. Deze zouden vooral zinvolle en handige naslagwerken of -werkjes moeten zijn voor het produktontwerpen en de relatief bescheiden oplage is bedoeld voor de studenten, stafleden en diegenen buiten de afdeling met een duidelijke belangstelling voor het vakgebied in het algemeen of voor de gerapporteerde problematiek in het bijzonder. Het ligt in de bedoeling deze rapporten in een herkenbare reeks uit te brengen en een redaktiecommissie "afdelingsrapporten Industrieel Ontwerpen" heeft dit als taak op zich genomen. Het voorliggende deeltje in deze reeks behandelt de energiewaarden van materialen en bewerkingen. Het is een samenvatting van een veel uitgebreidere rapportering van afstudeerwerk van R.B.J. Kemna. Dat werk omvatte veel aktiviteiten, die enigszins buiten de normale skoop van het produktontwerpen vallen, maar de resultaten van die aktiviteiten zijn niettemin van groot belang voor het ontwerpen. Al voordat de energiecrisis van ’73 uitbrak waren er onder industriële ontwerpers gedachten om via bijvoorbeeld controle lijsten de energieconsequenties van ontwerpbeslissingen meer zichtbaar te maken. Daar door zouden ontwerpers energiebewuster in het vakgebied bezig kunnen zijn. De forse studie, die door Kemna ondernomen is, hield een analyse in van zeer breed en complex bronnenmateriaal en vele afwegingen van fysisch-technische en economische aard. Van die veelheid en complexiteit is niet zoveel meer te bespeuren in dit rapport, omdat de schrijver erin geslaagd is een kernachtige uitleg te geven van energieproblemen en het produktontwerpen en hij de moeizaam berekende energie- waarden zonder franje in overzichtelijke tabellen heeft gezet.
..........................................................................................
Het is begrijpelijk, dat dit samenballen van feiten en regels slechts een begin vormt, een aanzet die om voortzetting vraagt, maar die toch duidelijk bruikbaar is voor het vergroten van inzichten en voor energiekosten-berekening in de praktijk. De begeleidende hoogleraren en redaktie-commissie verwachten dat velen er baat bij zullen hebben. prof. dr. J.M. Dirken.
1 ..........................................................................................
.............................................................. Inhoud Blz. Samenvatting en toelichting
3
1 1.1 1.2 1.3 1.4
Inleiding energieprobleem Probleemdefinitie Oplossingen Afbakening onderwerp Inrichting verslaggeving
5 5 7 7 9
2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5
Inleiding ontwerpmethodologie Ontstaansproces van een produkt Produktontwerpen basiscyclus Analyse Synthese Simulatie Evaluatie Optimalisatie
11 11 13 13 15 15 17 17
3 3.1 3.2 3.3
Inleiding energie analyse Energie-inhoud Problemen bij energie analyse Resultaten energie analyse
21 21 21 23
4 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3
Toepassing energie analyse in het ontwerpproces Analyse fase Synthese fase Simulatie fase Model-input Model Model-output
37 37 39 39 39 41 43
5 5.1 5.2
Implikaties van energiebewust ontwerpen Trends Nota bene
47 47 51
6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
Effektiviteit en kosten Besparingen Rol van de ontwerper Energie en materiaalprijs Energiebewust versus kostenbewust? Ontwerpkosten Rol van de overheid
53 53 55 55 57 59 61
Bronnen
62
Appendices
65
2 ..........................................................................................
3 ..........................................................................................
.............................................................. Samenvatting en toelichting In het onderhavige rapport worden achtereenvolgens behandeld: 1. Het energieprobleem. Voornaamste aspekten van het probleem en afbakening van het onderwerp van onderzoek: energiebesparing in de industrie door toedoen van de produktontwerper. 2. Ontwerpmethodologie. Verkenning van het beslissingsproces produktontwerpen. 3. Energie analyse. Inleiding in de energie analyse als instrument om het beslissingsproces produktontwerpen bij te sturen. Tabellen met energie-inhouden van materialen en bewerkingen. 4. Toepassing van energie analyse in het ontwerpen. Methode om het sturingsinstrument energie analyse toe te passen in het ontwerpproces. 5. Implikaties voor produktontwerpen en produkten. Trends voor het energiebewust ontwerpen worden summier aangegeven. 6. Evaluatie van effektiviteit en kosten. Op de lange termijn is energiebesparing door produktsubstitutie (vervanging van energie-intensieve door minder energie-intensieve produkten) een effektieve besparingsstrategie. De invloed van de ontwerper om de strategie in de praktijk te realiseren is van beslissend belang. De vele afbeeldingen in het rapport dienen ter ondersteuning van de tekst, maar vertellen soms ook een eigen verhaal, waarbij veelvuldig wordt verwezen naar delen van het afstudeerrapport. Het afstudeerverslag is in te zien in de bibliotheek van de tussenafdeling Industrieel Ontwerpen van de T.H. Delft. Geprobeerd werd om de onderhavige syllabus leesbaar te maken voor de ’geïnteresseerde leek’ en uitwijdingen over technische details werden dan ook zoveel mogelijk vermeden. Omwille van de volledigheid zij hier vermeld, dat overal waarin de tekst gerefereerd wordt aan de produktontwerper als ’hij’ (een concessie aan de leesbaarheid), in feite ’hij/zij’ bedoeld wordt. Dit rapport kon slechts tot stand komen dankzij de bijdr agen en waardevolle suggesties van vele personen, van wie met name de begeleidende hoogleraren den Buurman, Dirken, Eekels en van Gool genoemd moeten worden.
4 ..........................................................................................
Afb. 1 . Voorspellingen van de vraag naar ruwe olie uit de OPEC-landen en het aanbod van olie door de OPEC- landen, volgens de studies van BP (British Petroleum), CIA (Central Intelligence Agency), IEA (International Energy Agency) en de Morgan Stanley bank. (uit: Energia, conto alla rovescia, oktober 1978)1
Afb. 2 . De ontwikkeling van de prijs per vat van een bepaalde soort ruwe olie tussen 1900 en 1981 (bron: Shell, 1981)2
Afb. 3 . 'Politieke schaarste': De strijd tussen Israël en de Arabische landen en het Nederlandse standpunt daarin veroorzaakten een olie-boycot in 1974; de Iraans-Irakese oorlog van 1980 deed een groot deel van de olieproduktie stagneren; etc..
5 .......................................................................................... Energieprobleem
.............................................................. Hoofdstuk 1 Inleiding energieprobleem
In dit eerste hoofdstuk worden beknopt de voornaamste aspekten van het energieprobleem geschetst. Een eerste afbakening van het onderwerp van studie vindt plaats.
1.1 Probleemdefinitie Het energieprobleem kan worden opgevat als een schaarste van een bepaalde groep grond- en hulpstoffen, de fossiele brandstoffen, met voor de samenleving unieke en welhaast onmisbare eigenschappen. Deze schaarste kan vanuit een viertal invalshoeken worden benaderd: 1. Fysieke schaarste De mondiale reserves van gemakkelijk winbare fossiele brandstoffen raken uitgeput (afb. 1). 2. Ekonomische schaarste De prijzen van fossiele brandstoffen zijn in de afgelopen tien jaren enorm gestegen: in 1971 kostte een vat ruwe olie (ca. 159 liter) nog $2: in 1981 kost datzelfde vat circa $36 tot $40 (afb. 2). Meer nog dan de geïndustrialiseerde landen zijn de ontwikkelingslanden zonder eigen energie- voorraden door de hoge energieprijzen benadeeld. 3. Politieke schaarste De voornaamste vindplaatsen van fossiele brandstoffen, met name olie, zijn gelegen in gebieden met veel politieke spanningen, waardoor de aanvoer van energiedragers ernstig kan stagneren (afb. 3). Een andere vorm van relatieve schaarste met zowel politieke als ekonomische aspekten ontstaat, als geïndustrialiseerde landen de energie-voorraden gebruiken om de konkurrentie-positie van de eigen industrie te versterken. Voorbeelden hiervan zijn de olie- en gastarieven in de Verenigde Staten, elektriciteitstarieven in Frankrijk (kernenergie) en de gastarieven in Nederland (afb. 4). 4. Ekologisch bepaalde grenzen Bij het verbranden van vooral kolen en olie komen zwavelverbindinger (SO2), kooldioxide (CO2), stikstofverbindingen (NOx) en stof vrij . Het effekt van zwavelverbindingen op het milieu komt het duidelijkst naar voren in het verschijnsel ’zure regens’, dat grote schade aan organismen in meren en wouden veroorzaakt. De gevaren van een hoger kooldioxidegehalte in de atmosfeer kan men op dit moment onvoldoende inschatten. Gevreesd wordt het zogenaamde ’broeikas-effekt’, dat vèrstrekkende gevolgen voor het mondiale klimaat en daarmee voor de voedselvoorziening met zich kan brengen (afb. 5).
6 ..........................................................................................
Afb. 1 . Voorspellingen van de vraag naar ruwe olie uit de OPEC-landen en het aanbod van olie door de OPEC- landen, volgens de studies van BP (British Petroleum), CIA (Central Intelligence Agency), IEA (International Energy Agency) en de Morgan Stanley bank. (uit: Energia, conto alla rovescia, oktober 1978)
Afb. 2 . De ontwikkeling van de prijs per vat van een bepaalde soort ruwe olie tussen 1900 en 1981 (bron: Shell, 1981)
Afb. 3 . 'Politieke schaarste': De strijd tussen Israël en de A rabische landen en het Nederlandse standpunt daarin veroorzaakten een olie-boycot in 1974; de Iraans-Irakese oorlog van 1980 deed een groot deel van de olieproduktie stagneren; etc..
7 ..........................................................................................
1.2 Oplossingen De oplossingen, die men tot nu toe voor het probleem heeft aangegeven, zijn te verdelen in twee groepen: 1. Verbetering c.q. vergroting van het aanbod van energie. Hieronder vallen zaken als: a. De ontwikkeling van ’alternatieve’ energiebronnen: zonneen windenergie, energie uit biomassa, etc. b. De ontwikkeling van kernenergie. c. Het (opnieuw) in gebruik nemen van minder schaarse fossiele energiebronnen zoals kolen en teerzanden. 2. Vermindering c.q. differentiatie (verschillende energiedragers ter spreiding van het risico) van de vraag naar energie. In de konsumentensfeer verwacht men energiebesparing door een bijstelling van het behoeftenpatroon, zuiniger huishouden (geen verspilling) en technische verbeteringen aan energieverbruikende processen (efficiënte huisverwarming door isolatie). Ook in de industrie worden zuinigere procesregeling en technische verbetering van processen gepropageerd. Daarnaast vinden investeringen in geheel nieuwe energiezuinigere processen plaats.
1.3 Afbakening onderwerp De onderhavige studie houdt zich uitsluitend bezig met energiebesparing, oftewel het verminderen van de vraag naar energie. Daarbij wordt geen onderscheid gemaakt naar de aard van energiedrager: kolen, olie en gas worden onder een gemeenschappelijke, funktionele noemer beschouwd, namelijk de warmte die vrijkomt bij hun verbranding, uitgedrukt in Joule. In feite wil dat zeggen, dat het energieprobleem in eerste instantie beschouwd wordt als een probleem veroorzaakt door de fysieke schaarste van fossiele brandstoffen. Van meer tijd- en plaatsgebonden politieke en ekonomische faktoren wordt dientengevolge (voorlopig) voor een groot deel geabstraheerd. (afb.7) Van alle personen, die beroepsmatig en/of privé invloed uitoefenen op de vraag naar energie en dientengevolge mogelijkerwijs energie kunnen besparen, houdt deze studie zich in eerste instantie alleen bezig met de ontwerper van in serie of massa te vervaardigen duurzame konsumenten-goederen.
8 ..........................................................................................
Vermindering van de vraag naar energie
prob l
eemd efin itie Poli tiek besc hikb (lokat ie aarh eid) , Ekon omis ch ( prij s) Fysi sch( verb onde rand r ings ste waar de)
Sekt oren Elek tric itei Gezi tsop nnen wekk Tran en o ing spor verh t eid
rs se nt os l ce Op id du o t he Pr en er v r um O s pe n er ko w t On
Verhoging van het aanbod aan energie
Afb. 7. Afbakening van het onderwerp.
energiebesparing
1. energieschaarste energieverbruik door ontwerpbeslissingen
3. sturingsinstrument energie analyse
2. beslissingsproces produktontwerpen
invloed van/op ontwerper in de praktijk
bijsturen
4. toepassing instrument in ontwerpproces
6. evaluatie van de effekten
5. veranderingen in produktontwerpen
Afb. 8 . Strukturele opbouw van het onderhavige rapport. De nummers refereren aan de hoofdstukken
9 ..........................................................................................
Tenslotte ligt het zwaartepunt van het onderzoek op de energiebesparing in de industrie, en wel met name de aluminium-, staal- en kunststoffenindustrie in Nederland. Het onderzoek zal worden afgesloten met een voor ontwerpers hanteerbare methode. 1.4 Inrichting verslaggeving De gekozen opzet voor het onderzoek probeert recht te doen aan de complexiteit van het energieprobleem enerzijds en de verscheidenheid en complexiteit van ontwerpproblemen ander zijds. Het is niet mogelijk, en ook niet wenselijk, om dit verslag het karakter van een dogmatische checklist te laten hebben. Na een inleiding over het beslissingsproces in het produktontwerpen en de introduktie van energie analyse als sturingsinstrument, wordt in dit rapport vooral de nadruk gelegd op het methodisch toepassen van energie analyse (hoofdstuk 4). De gevolgen van het toepassen van energie analyse vooz- het ontwerpproces zullen sterk afhangen van de in een bepaalde situatie heersende omstandigheden en van de gestelde prioriteiten. De in hoofdstuk 5 beschreven implikaties van energiebewust ontwerpen hebben dan ook slechts het karakter van een eerste verkenning. Het laatste hoofdstuk (hoofdstuk 6) geeft, voor zover mogelijk in dit stadium van het onderzoek, een evaluatie van de invloed van energiebewust ontwerpen op het energieverbruik in de industrie. Een van de bepalende faktoren daarbij is de invloed -de macht- van de produktontwikkeling binnen de industriële onderneming met betrekking tot investerings- en materiaalkeuze beslissingen.
10 ..........................................................................................
SPEUREN
ZEVEN
PRODUKTIEONTWIKKELING
MARKTONDERZOEK & MARKTONTWIKKELING
PRODUKTONTWERPEN (produktontwikkeling in engere zin)
produktieproces,etc
produktontwerp
aantal, prijs, distributie
strikte doelontwikkeling
idee
produktontwikkeling (in ruime zin)
doelvinding
doeleinden
PRODUKTIE DISTRIBUTIE
uitvoering
plan voor nieuwe aktiviteit
GEBRUIK
Afb. 9 . Overzicht van het ontstaansproces van een produkt (bron: Eekels en Rozenburg) 4
gebruik
produkt
11 .......................................................................................... Ontwerpmethodologie
.............................................................. Hoofdstuk 2 Inleiding ontwerpmethodologie In het vorige hoofdstuk werd het onderzoeksgebied afgebakend ten aanzien van het energievraagstuk. Het gebied werd omschreven als energiebesparing in de industrie-sector door toedoen van de ontwerper. Alvorens te bespreken op welke manier deze vorm van energiebesparing plaats kan vinden, is het noodzakelijk, dat de aktiviteit produkontwerpen duidelijk omschreven wordt. 2.1 Ontstaansproces van een produkt Een onderneming vervaardigt produkten om daarmee bepaalde doelstellingen te realiseren: maatschappelijk nut, winst, werkgelegenheid, kontinuïteit, groei, etc.. Een middel om deze doelen te (blijven) realiseren is het ontwikkelen van nieuwe produkten. Het produktontwerpen is een onderdeel in een breder verband van aktiviteiten, die uiteindelijk leiden tot het ontstaan van een nieuw produkt. Zoals in het nevenstaande schema wordt aangegeven, volgt het produktontwerpen op de doelvindingsfase en is het één van de aktiviteiten, die voorafgaat aan de produktie en het gebruik van het nieuwe produkt. In de doelvinding wordt gezocht naar produktideeën. Een produkt-idee bevat ten minste twee elementen: een technische gedachte (funktie) en een marktbehoefte. Als zodanig vormt het idee de basis voor de volgende fase: de doelontwikkeling waarin het idee wordt uitgewerkt tot gedetailleerde plannen voor het produkt, het produktieproces en de distributiewijze. In de doelontwikkeling levert het produktontwerpen de plannen voor het produkt. Dit betekent, dat ruimtelijke vorm (geometrie), materialen, bewerkingen en gebruiksvoorschriften voor het produkt worden bepaald. Naast het produktontwerpen, kan men in de doelontwikkelingsfase twee andere aktiviteiten onderscheiden: ’produktieontwikkeling’ en ’marktonderzoek en -ontwikkeling’. Beide aktiviteiten hebben een sterke wisselwerking met het produktontwerpen. Bij marktonderzoek en marktontwikkeling onderzoekt men onder meer: 1. Hoeveel produkten(volgens het nieuwe ontwerp) de markt kan opnemen. Dit geeft de ontwerper een indikatie van de seriegrootte, die dikwijls bepalend is voor materiaal- en bewerkingenkeuze.
12 ..........................................................................................
funktie analyseren
synthese voorlopig ontwerp simuleren verwachte eigenschappen evalueren
optimaliseren
eisen, begrenzingen
waarde van het ontwerp
Afb. 10 . De basiscyclus van het produktontwerpen (bron: Eekels en Rozenburg 4 )
Afb.11. Ontwerp van een kompleks systeem: station voor de Krupp-Kompktbahn: “trein” voor gebruik in stads-vervoersysteem. (uit: “Industrial Design” van Bernd Löbach 5)
Afb.12. Eerste stadium van het ontwerpproces: schetsontwerp voor een koffieservies (Gui Bonslepe 6)
13 ..........................................................................................
2. Welke prijs men bereid is te betalen voor het nieuwe produkt. Uit deze marktprijs volgt onder andere een norm voor een acceptabele kostprijs. 3. Hoe de acceptatie van het nieuwe produkt door de markt zal verlopen. Welke problemen treden op en hoe kan men die bestrijden (onder andere door reklame distributie-beleid, prijsbeleid, maar ook door een verandering van het voorlopige produktontwerp). De produktieontwikkeling houdt zich bezig met de ontwikkelig van het fabrikage-proces, de benodigde gereedschappen en machines en de organisatie van de produktie. De produktieontwikkeling dient voor de ontwerper onder andere als toets van een voorlopig produktontwerp aan de produktie-technische mogelijkheden en kosten.
2.2 Produktontwerpen basiscyclus De functie van het produktontwerpen (ofwel de produktontwikkeling in engere zin) is he~ bepalen van geometrie, materialen, bewerkingen en gebruiksvoorschriften voor het produkt. Maar op welke manier worden deze zaken bepaald? Hoe vertaalt de ontwerper een produkt-id ee (een technische gedachte en een marktbehoefte) naar een konkreet produktontwerp? Het denkproces ’produktontwerpen’ laat zich goed illustreren aan de hand van de zogenaamde basiscyclus. Deze cyclus (een representatie van het denkproces)is opgebouwd uit een aantal fundamentele elementen, die in de hiernaast weergegeven logische samenhang de basis vormen van elk ontwerpproces (afb. 10). Steeds als een ontwerpoplossing wordt gevonden, moet elk van deze denkstappen tenminste eenmaal zijn door- lopen. De vorm waarin,dit gebeurt zal steeds een andere zijn, afhankelijk van de aard en omvang van het probleem en van het stadium waarin de produktontwikkeling zich bevindt. Zo kan het ontwerp een technisch deelprobleem (b.v. het verbinden van twee konstruktiedelen) of een kompleks systeem (b.v. een eetrostation) betreffen; de produktontwikkeling kan zich in het stadium van onuitgewerkte schetsen of in het prototypestadium bevinden.
2.2.1 Analyse De eerste denkstap in de cyclus is de analyse. Het produktidee is niet alleen het uitgangspunt voor deze stap, maar voor het hele ontwikkelingsproces. In het produkt-idee wordt aangegeven welke funktie de moeite waard is om gerealiseerd te worden.
14 ..........................................................................................
Afb.13. Voorbeelden uit het programma van eisen voor een ziekenhuisbed. Het bed moet komfortabel zijn voor de bezoekende arts en degene die het bed opmaakt. Deze gebruikerswensen worden vertaald naar een gewenste hoogte voor het bed. (uit: Gui Bonsiepe, “Teoria e practiaca del disegno industriale” 6).
Afb.14. Mathematisch model uit de mechanica: doorbuiging f van een ingeklemde staaf met een rechthoekige doorsnede (afm. 1 x b x h) vervaardigd uit een materiaal met elasticiteitsmodule E
Afb.15. Simulatie van de doorbuiging van de staaf, als de ontwerpparameters (geometrie en materiaal) end e gebruiksbelasting bekend zijn.
15 ..........................................................................................
Allereerst moet vastgelegd worden welke eigenschappen het produkt moet hebben om de funktie te vervullen. Daarvoor wordt informatie ingewonnen bij allen, die bij het nieuwe produkt betrokken zijn: de gebruiker en zijn omgeving, de producent, de overheid, etc.. Hun eisen en verwachtingen worden geïnventariseerd en vertaald naar een pakket gewenste eigenschappen van het nieuwe produkt: het programma van eisen (PvE). Als de ondernemer bijvoorbeeld ’winst’ nastreeft en de toekomstige koper niet bereid is om meer dan een bepaalde prijs te betalen voor het nieuwe produkt, dan volgt hieruit voor de ontwerper de eis, dat de kostprijs van het nieuwe produkt niet meer dan een bepaald bedrag mag zijn. Het programma van eisen definieert dus het gewenste resultaat van een ontwerpprojekt en is daardoor de logische basis voor uitspraken over de ’kwaliteit’of ’waarde’ van een voorgestelde oplossing.
2.2.2 Synthese Als het pakket van gewenste eigenschappen in beginsel gereed is, dan ziet de ontwerper zich geplaatst voor het probleem om oplossingen te bedenken, die zo goed mogelijk aan het verlanglijstje (PvE) voldoen. Deze kreatieve stap, de synthese, is de meest essentiële en ook de meest ongrijpbare in het ontwerpproces. Hoewel het PvE het oplossingenveld (in geometrie, bewerkingen en materiaalkeuze) enigszins heeft ingeperkt, is het aantal mogelijke ontwerpen nog legio. Hoe de synthese (het vinden van een ontwerpoplossing) tot stand komt is niet met behulp van een systematiek te beschrijven. Kreativiteitstechnieken, zoals bijvoorbeeld de morfologische kaart, AIDA (Analysis of Interconnected Decision Areas) en funktie analyse, zijn slechts te beschouwden als hulpmiddelen in de synthese-fase; zij vormen nauwelijks een aanvaardbare illustratie van het zich daadwerkelijk afspelende ontwerpproces. Voor een bespreking van deze technieken wordt verwezen naar de literatuur. Uitkomst van de synthese is een voorlopig ontwerp.
2.2.3 Simulatie In de simulatiestap willen we het gedrag van het voorlopig ontwerp voorspellen. Voor het simuleren staan in beginsel twee wegen open: de analytische methode, waarbij technische en ekonomische berekeningen worden gebruikt, en de experimentele methode, waarbij een fysiek model van het ontwerp wordt gemaakt en getest. Energie analyse behoort tot de analytische simulatie-methoden. Bij deze methoden wordt op basis van de beschikbare theoretische principes een mathematisch model gekonstrueerd, dat het gedrag van het voorlopig ontwerp beschrijft. In zijn eenvoudigste vorm is het model een vergelijking met een aantal variabelen (zie afb. 14) .
16 ..........................................................................................
Kriteria K
kostprijs
comfort
gewicht
alternatieven A
K1
A1
150,-
A2 A3
K2
verstel-
levens-
baarheid
duur
K3
K4
K5
++
10 kg
niet
2 jaar
75,-
-
13 kg
redelijk
5 jaar
250,-
+
20 kg
goed
3 jaar
Afb.16a. Alternatieven-kriteria tableau voor een stoel.
Kriteria K Gewichtsf actor alternatieven
K1
K2
K3
K4
K5
45
35
25
20
5
A1
5
10
10
1
6
A2
10
2
5
8
10
A3
3
7
1
10
7
A
Afb.16b. Eerste bewerking van het alternatieven-kriteria tableau voor de stoel: de kriteria zijn voorzien van gewichtsfactoren (50 = belangrijk; 5 = weinig belangrijk) en de eigenschappen zijn voorzien van een rangnummer op een schaal van 10 (goed) tot 1 (slecht).
Kriteria K alternatieven
K1
K2
K3
K4
K5
A1
225
350
250
20
30
A2
450
70
125
160
50
A3
135
245
25
200
35
A
875 855 640
Afb.16c. Tweede bewerking van het alternatieven-kriteria tableau voor de stoel: gewichtsfaktoren zijn vermenigvuldigd met de rangnummers van de eigenschappen en vervolgens opgeteld per alternatief. Volgens deze procedure zou het alternatief met het hoogste aantal punten de beste van de drie voorlopige ontwerpen moeten zijn. In dit geval is dat het alternatief A1.
17 ..........................................................................................
Vervolgens worden de bij het ontwerp behorende gegevens ingevuld en we rekenen uit welke eigenschappen het ontwerp zal bezitten (zie afb. 15). Om van de analytische methode gebruik te kunnen maken, moeten we dus een aantal dingen weten: 1. De parameters voor het mathematische model (input). Welke gegevens van het voorlopig ontwerp moeten bekend zijn en hoe nauwkeurig moeten de gegevens zijn om te zorgen dat het model nog een bruikbare uitkomst oplevert? 2. Het mathematisch model. Op welke manier worden de gegevens met elkaar in oorzakelijk verband gebracht? 3. De uitkomst van het model (output). Wat is de betekenis van de uitkomst en welke nauwkeurigheid kan worden verwacht op grond van de onder 1. en 2. gedane aannamen?
2.2.4 Evaluatie Als we nu een bepaalde eigenschap voorspeld hebben, dan kunnen we van de simulatie- naar de evaluatie-stap gaan. Een waardeoordeel moet geveld worden: is de voorspelde eigenschap goed of slecht, beter of slechter dan het alternatief; hoe belangrijk is de eigenschap in relatie tot andere eigenschappen van het ontwerp, etc.? Ook bij het vellen van een waardeoordeel kunnen verschillende methoden gebruikt worden. Als voorbeeld van een kwantitatieve methode wordt hier het alternatieven-kriteria tableau genoemd. De gegevens in dit tableau komen uit de drie stappen in de basiscyclus, die aan de evaluatie voorafgaan (zie afb. 10). Analyse van eisen en wensen van de betrokken partijen levert een aantal keuzekriteria; de synthese-fase levert enkele ontwerpalternatieven, In afbeelding 16 is het tableau weergegeven voor een stoel. Het 'alternatieven-kriteria' tableau is geen weergave van het denkproces zoals zich dat bij de ontwerper afspeelt. Ook aan de methode op zich zijn nadelen verbonden: veel eigenschappen (bijvoorbeeld ’mooi ’ of ’ lekker ’ ) zijn niet kwantitatief te waarderen (afb. 17). Om echter de plaats van de energie analyse in het ontwerpproces duidelijk te maken, zal het genoemde tableau toch als illustratie van het denkproces worden gebruikt.
2.2.5 Optimalisatie Als een voorlopig ontwerp bij de evaluatie niet goed genoeg bevonden wordt, dan zijn er twee terugkoppelingen mogelijk. In de eerste plaats kan geprobeerd worden een beter voorlopig ontwerp te maken op basis van de ervaring, die tijdens
18 ..........................................................................................
Afb.17. Veel producteigenschappen zijn niet kwantitatief te waarderen: esthetisch eigenschappen, sociale status die aan het productbezit wordt ontleend, etc.. De afbeelding toont twee ambachtelijk vervaardigde kannen, Duitsland, 18e eeuw (bron: Bernd Löbach, “Industrial Design” 5).
19 ..........................................................................................
de voorafgaande cyclus is gedaan, In de tweede plaats is er terugkoppeling mogelijk naar het programma van eisen. Men kan bijvoorbeeld ontdekt hebben, dat verkeerde eisen zijn gesteld, de eisen niet haalbaar zijn, de eisen te weinig operationeel zijn. Programma van eisen en ontwerp worden zo in opeenvolgende cycli en in sterke wisselwerking verder uitgewerkt, totdat zij als het ware op elkaar passen (optimalisatie). Het voorafgaande overzicht kan in het beknopte kader van deze studie natuurlijk niet kompleet zijn; het hoofdstuk probeert dan ook alleen de lezer voldoende voorkennis te verschaffen voor het plaatsen van het instrument energie analyse in het ontwerpproces. Voor een meer volledige behandeling van de ontwerpmethodologie wordt dan ook verwezen naar het diktaat ’Ontwerpmethodologie’ (Eekels en Roozenburg4) en het boek Industriële Doelontwikkeling’ (Eekels7), die als uitgangspunt hebben gediend voor dit hoofdstuk.
20 ..........................................................................................
primaire energiedragers (verbr.waarde) ruwe aardolie 42,3 MJ/kg steenkool 29,3 MJ/kg hout 14,7 MJ/kg energiedragers(al vervoerd naar de plaats van verwerking) ruwe aardolie 43,3 MJ/kg aardgas (al 100% methaan) 51,0 MJ/kg aardgas (Groningen) 31,6 MJ/m³ steenkool 29,5 MJ/kg steenkoolcokes 37,0 MJ/kg energie en hulpstoffen in het proces stoom (0,4 Mpa, 151ºC) 3122 MJ/ton stoom (1,6 Mpa, 203ºC) 3180 MJ/ton stoom (gemiddelde) 3150 MJ/ton elektriciteit (uit het openbaar net) 10,2 MJ/kWh elektriciteit (50% door warmte-kracht koppeling) 7,35 MJ/kWh koelwater (0,2 Mpa) 1,0 MJ/m³ stikstof (0,8 Mpa, 25ºC) 0,9 MJ/m³ perslucht (0,4 Mpa, 25ºC) 0,6 MJ/m³
raffinaderijprodukten in MJ/kg motorbenzine 47,0 nafta's 47,0 autogasoline (diesel) 45,6 overige gasolie 45,6 huisbrandolie 45,6 lichte stookolie 45,6 zware stookolie 43,4 jet fuel (kerosine) 46,5 vliegtuigbenzine 47,0 grondstof carbon black 43,4 smeerolie en vetten 43,9 bitumen 44,8 spec benzine, terpentine 46,6 petroleum 46,1 LPG 48,3
Afb.18. De waarden van energiedragers en hulpstoffen, die als basis dienen voor de energie analyse van materialen en bewerkingen.8 9
gas
olie
kolen
onderste verbrandingswaarde kernenergie waterkracht zon, wind, etc.
elektriciteit 10,2 MJ/kWh
Afb.19. Voor de berekeningen werd aangenomen, dat elektriciteit uit kernenergie, waterkracht en “alternatieve” energiebronnen een energie-inhoud heeft, die gelijk is aan de energie-inhoud van elektriciteit uit een konventionele centrale (op fossiele brandstoffen).
21 ..........................................................................................
.............................................................. Hoofdstuk 3 Inleiding energie analyse Enerpie analpse is een technologisch-ekonomische onderzoeksdiscipline, die zich bezighoudt met het bepalen van de hoeveelheid energie die bij de vervaardiging van een bepaald produkt wordt gebruikt.
3.1 Energie-inhoud Met name het begrip ’energie’ in de bovenstaande definitie behoeft enige toelichting. In tegenstelling tot de thermodynamika houdt de energie analyse zich nauwelijks bezig met het bepalen van de theoretisch minimaal benodigde hoeveelheid energie om een produkt te vervaardigen; de energie analyse probeert het in de industriële praktijk gekonstateerde energieverbruik te beschrijven. Dit energie-verbruik kan gemeten worden in termen van de benodigde gewichtshoeveelheden brandstof. Zo kan men bijvoorbeeld zeggen, dat voor de produktie van een bepaald goed 20 kilo kolen, 8 liter olie, etc. worden verbruikt. Deze omschrijving van het energieverbruik is omslachtig en ook moeilijk hanteerbaar voor de ontwerper. Daarom werd gekozen voor een andere omschrijving. Alle fossiele brandstoffen hebben per definitie een gemeenschappelijke eigenschap: bij verbranding leveren zij energie in de vorm van warmte. Deze energie (verbrandingsenthalpie ∆H) kan gemeten worden in Joules. Zo kunnen we de brandstof eveneens karakteriseren: een kilogram kolen is 29,3 MJ (megajoules=lO6J), een kilo olie is 42 MJ, etc. (zie afb. 18). Deze definitie maakt het mogelijk om te zeggen, dat de produktie van een goed een aantal Joules heeit gekost. Dit getal (in Joules) is een maat voor het beslag dat wordt gelegd op energiedragers (als brandstof, maar soms ook als grondstof, bijvoorbeeld bij veel kunststoffen). Het getal wordt verder aangeduid als de energie-waarde of de energie-inhoud van een goed.
3.2 Problemen bij energie analyse Wat is de energie-inhoud, als gebruik gemaakt wordt van kernenergie, waterkracht of zogenaamde alternatieve energie (zon, wind, biogas e.d.)? Bij die energiebronnen kunnen we nauwelijks spreken van een verbrandingsenthalpie van de energiedrager. In het onderzoek werd dat vraagstuk voorlopig als volgt opgelost: de genoemde energiebronnen leveren meestal energie aan de industrie in de vorm van elektriciteit.
22 ..........................................................................................
Level 1 Direct energy to process
Process
Energy of transport
Level 2
Level 3
Level 4
Acquisition, transfer and storage of energy sources
Acquisition of energy sources
Acquisition of energy sources
Direct energy
Direct energy
Direct energy
Materials
Capital equipment of final stage
Machines to make capital equipment and capital equipment for producing inputs
Energy of transport
Energy of transport
Energy of transport
Afb.20. Nivo’s in de definitie van de systeemgrenzen van energie analyse (bron: IFIAS 10). De in dit rapport besproken energie analyse voert de regressie uit tot en met het derde nivo.
Afb.21. Modernste op commerciële schaal toegepaste processen voor de fabrikage van kunststoffen (bron: Kindler (BASF), dec. 1980 9).
23 ..........................................................................................
Voor de berekeningen werd nu aangenomen, dat elektriciteit uit bijvoorbeeld een kerncentrale eenzelfde energie-inhoud heeft als elektriciteit uit een konventionele centrale (met kolen of olie gestookt), namelijk 10,2 MJ/kWh~. Welk energieverbruik werd meegerekende bij het bepalen van de energie-inhoud? Voor wat betreft de systeemgrenzen werd uitgegaan van het doel van het onderzoek enerzijds en de IFIAS-konventies18 anderzijds. Overeenkomstig laatstgenoemde konventies werd geen energie toegerekend aan de produktiefaktor arbeid; energieverbruik voor de levensbehoeften van de arbeiders (eten, behuizing, etc.) werd niet meegerekend in de energie-inhoud van een produkt. Wel meegerekend werden: het energieverbruik van de processen in de direkte produktiecyclus -van grondstofwinning tot en met de industriële verwerking van de grondstoffen-, het energie- verbruik voor de produktie van kapitaalgoederen --machines en gebouwen-- en de transportenergie. Ook het energieverbruik voor verwarming en verlichting werd, met name in de finale goederen industrie, berekend. In de materialen- industrie (vooral de chemie) is het aandeel van ruimte- verwarming en verlichting in de energie-inhoud van het voortgebrachte materiaal erg gering. De energiewaarden zijn geldig voor de West-Europese en in het bijzonder de Nederlandse situatie. Dat wil zeggen, dat zoveel mogelijk werd uitgegaan van de modernste processen, die in Nederland op commerciële schaal worden toegepast. Verwacht wordt, dat de in dit verslag genoemde verslag genoemde energiewaar den representatief zullen zijn voor de Nederlandse industriële praktijk in de tachtiger jaren (met een nauwkeurigheid van + 10%). Deze bewering is onder meer gebaseerd op een technologische verkenning naar maximaal haalbare energiebesparing door toepassing van nieuwe processen in de polymerisatie-technologie (zie rapport 1, Kunststoffen11 ) en de staal-fabrikage (zie rapport 2, Staal12 ) voor de periode tot 1990. Voor een uitgebreide behandeling van afspraken, definities en methoden in de energie analyse wordt verwezen naar afstudeerdeelrapport 1, hoofdstukken 1 en 2.11 Een inleiding in de energie analyse van energievoorzieningsystemen wordt gegeven in afstudeerdeelrapport 6.35
3.3 Resultaten energie analyse Gezocht werd naar energie-inhouden van materialen en bewerkingen, die worden toegepast bij de produktie van in massa of serie vervaardigde duurzame konsumentengoederen. Om de omvang van het onderzoek te beperken werden in eerste instantie de drie voornaamste materiaalgroepen -staal, kunststoffen en aluminium- en de bijbehorende bewerkingen onder de loep genomen.
24 ..........................................................................................
Polymerisatie van propyleen (alle energie-gegevens per ton polypropyleen)
Nr.
Jaar.
Licentiehouder, Auteur
Proces
Commerciële capaciteit (in constructie) in 1000 ton/jaar; landen
PER
Monom eer
Stoom
Elekektriciteit
Ov.
Verlies GJ
ton
GJ
ton
GJ
kWh
GJ
GJ
0,02
0,92
0,52
1,64
430,00
3,16
0,16
1
1980
Sumitomo Chem. Co.
bulk polymerisatie (BPP) in vloeibaar propeen
10 (100); J. (SGP)
5,88
2
1979
BASF
Gasfase-processen
12,00
3
1979
Sumitomo Chem. Co.
met gebruik van alcohol en organische verdunner
licentie: ICI 48 (v.a. '79) NL 120; J
13,00
0,05
3,00
1,80
5,67
600,00
4,41
4
1979
Mitsui Toatsu Chem
50-70 C, 10 kg/cm2G, continue plymerisatie
245 (240); J
14,79
0,05
2,75
2,60
8,19
520,00
3,82
0,03
5
1979
Mitsui Petrochem. Montedison
60-80 C, 5-15 ato, HY-HS katalysator
A, B,I,J, USA
--
6
1979
Phillips Petrol. Co.
verwijdering kat. Residu d.m.v. uniek systeem
RI (sumatra), USA
--
7
1979
I. Bousted en G.P. Hancock
auteurs gegevens GB'79 proces+kap+transp.+onderh.
GB
8
1977
commerciële factor USA
USA
0,10
6,10
9
1977
Stanford Research Institute Hoechat A.G.
55-65 C.; 10 bar; oplosmiddelen 400 (40); D e.d. 40 kg/ton PP
12,67
0,04
2,44
2,70
8,51
200,00
1,47
0,25
10
1976
gemiddelde P. 1976
21,00
11
1976
Institut Francais du Petrole Mitsubishi P.
12
1975
Hoechat A.G.
0,06
3,66
3,34
10,52
200,00
1,47
0,30
13
1975
Hercules Inc.
katalysator: Ti tetrachloride +A1 ca. 500; alkyl CDN, USA
14
1975
Shell
PP = 2,3 toe/ton = 96 GJ/ton propeen = ca. 57 GJ/ton
15
1975
16
3,97
4,00
12,60
950,00
6,98
0,35
F
licentie: DSM 85 (v.a. '76); NL 55-65 C; 10 bar; oplosmiddelen 380 (40); D e.d. 41 kg/ton PP
42,04
--
15,95 --
niet in NL
39,00
R.S. Berry, T.V. Long, gemiddelde GB H. Kakino
GB
28,40
,--
1975
R.S. Berry, T.V. Long, gemiddelde USA H. Kakino
USA
44,00
,--
17
1974
Imperial Chem. Ind. (Herts)
18
1972
Montedison
19
1971
Friedrich Unde
PP = 2,55 toe/ton=107 GJ/ton propeen = ca 70 GJ/t.
kat.:Ti III-halide+A1- organic compound; oplosmiddelen 60 kg/ton PP
37,00 licentie: RPM 65 (v.a. '72): NL 135
--
23,90
0,07
Afb.22. Overzicht van een gedeelte van het onderzoek naar de “juiste” energiewaarde (PER) voor de polymerisatie van propeen. De gekozen waarde werd omcirkeld (bron: R. Kemna, afstudeerrapport nr.1, Kunststoffen 11).
25 ..........................................................................................
De studie werd uitgevoerd met behulp van literatuuronderzoek, informatie van personen, instellingen en bedrijven. Net name veel informatie werd ingewonnen in het kader van de studie naar verwevenheid van ekonomie en energie voor de SER (Sociaal-Ekonomische Raad) door het adviesburo Krekel, van der Woerd, Wouterse te Rotterdam, waaraan de auteur van het onderhavige rapport heeft meegewerkt. Omdat de energie analyse als vakgebied in Nederland nauwelijks aandacht heeft, moest vooral gebruik worden gemaakt van buitenlandse literatuur en informatie van Nederlandse bedrijven, die intern een energieboekhouding bijhouden (Hoogovens, Dow, etc.). De in de literatuur en de door de bedrijven genoemde energie-inhouden liepen doorgaans voor een en hetzelfde proces bijzonder sterk uiteen, afhankelijk van de gevolgde berekeningsmethode, het land, het jaar van onderzoek, de definitie van het beschouwde systeem, etc .. Bijvoorbeeld bij het polymerisatie proces voor polypropeen (PP) werden waarden gevonden, die varieerden tussen de 6 en 44 MJ/kg PP. Door selektie op jaar van publikatie (zo recent mogelijk), land van herkomst (West-Europa, liefst Nederland) en kontroleerbaarheid van de bron (hoe is de waarde opgebouwd, welke referenties werden gebruikt, met welk doel werd gepubliceerd) werd ’het juiste cijfer’ voor de energie-inhoud vastgesteld. Voor de PP-polymerisatie, onderdeel van de totale fabrikage keten voor polypropeen, was dit cijfer 12 MJ/kg (zie afb. 22). Wellicht ten overvloede zij hier nog vermeld, dat alleen resultaten van de proces-analyse (analyse van de fysieke materiaal- en energiestromen in het proces) zijn beschouwd. Analytische methoden waarbij via geldeenheden teruggerekend wordt naar fysieke eenheden materiaal en energie (bv. de input-output analyse) zijn doorgaans veel te onnauwkeurig; zij werden slechts toegepast om een schatting te maken van enkele minder significante onderdelen van de energiewaarde. Hierna volgen een vijftal tabellen met energiewaarden van materialen en bewerkingen. Voor een volledige verantwoording van de genoemde waarden wordt verwezen naar de afstudeerdeelrapporten 1 t/m 4. 11-14 De illustraties op de linkerpagina’s gaan vaak iets dieper in op enkele aspekten van de uitgevoerde energie analyse.
26 ..........................................................................................
energieverbruik proces PP
MJ/kg PP
oplossings 20
suspensie gasfase
10
bulkpolymerisatie
1970
1975
1980
1985
Afb.23. Ontwikkeling van het specifieke energieverbruik (door proces - energie en grondstofverlies; uitgedrukt in MJ/kg PP) van het polymerisatieproces voor polypropeen in de tijd. Of het door Sumitomo ontwikkelde bulkpolymerisatie-proces (3PP; eerste fabriek op commerciële schaal in Singapore 1982) nog in Nederland toegepast gaat worden in de tachtiger jaren is, gelet op de prijsverwachtingen voor de grondstof propeen, niet zeker. Momenteel worden in Nederland gasfase- (25% van de productie capaciteit) en suspensiepolymerisatie (75%) toegepast. (bron: R. Kemna, rapport 1, Kunststoffen) 11 15
etheen (olie)
benzeen (olie)
propeen (olie)
PVC HDPE LDPE ECB PS SB PC PA SAN ABS PMMA PF PP
Afb.24. Arimide – vezels met voorprodukten (bron: Chemisch Weekblad 16, AKZO 17)
chloor (zout)
ammoniak (gas) methanol (gas)
Afb.25. Enkele kunststoffen en hun grondstoffen (bron: R. Kemna, rapport nr.1, Kunststoffen 11).
PAC MF UF POM
Afb.26. Olieraffinage in Nigeria. Olieproducten in het winningsland).
27 ..........................................................................................
Materiaal
Energiewaarde MJ/kg MJ/dm3
Polyetheen lage dichtheid Polyetheen hoge dichtheid poeder Polyetheen hoge dichtheid granulaat Polypropeen Polyisuboteen
LDPE HDPE HDPE PP PIB
69 70 72 73 95
63 67 69 66 --
Polystyreen glashelder Polystyreen slagvast Polystyreen schuim Styreen-acrulonitril copolymeer Acrylonitril-butadiëen-styreen
PS SB EPS SAN ABS
80 81 82 80 84
84 85 -86 89
Polyvinylchloride poeder
S-PVC
53
73
Polyamide 6 Polyamide 6,6 Polyoxymethyleen Polyetheentereftelaat Polybuteentereftelaat Polycarbonaat Polymethylmethacrylaat
PA 6 PA 6,6 POM PETP PBTP PC PMMA
156 154 115 84 108 107 91
176 176 162 113 139 128 107
Overzadigd polyester Fenol-formaldehyde Epoxyharsen
UP PF EP
78 82 200
95 107 216
Polyetherpolyol Difenylmethaan-diïsocyanaat Tolueen-diïsocyanaat
MDI TDI
77 110 145
77 134 177
134 133
181 180
PC met 30 % E-glas PP met 30% E-glas UP (polyester met E-glas EP (epoxyhars) met 30% E-glas Glasvezels voor versterking Fenol-formaldehyde met houtzaagsel Fenol-formaldehyde met asbest
G-PA6 G-PA 6,6 G-PC G-PP G-UP G-EP G H-PF A-PF
91 61 43 125 540 50 43
129 84 78 188 125 70 77
Aramide-vezels (Kevlar, Arenka) Epoxyhars met 50 % aramide-vezels Epoxyhars met 60 % aramide-vezels (geör.)
AR AR-EP AR-EP
250 230 234
395 306 323
PA 6 met 30% E-glas PA 6,6 met 30% E-glas
Tabel 1. Kunststoffen
11
28 ..........................................................................................
Afb.27. Historische en toekomstige ontwikkeling van specifiek energieverbruik per kg ruw staal voor Estel (ruim 90% van de Nederlandse staalproduktie) (bron: R. Kemna, rapport 2, Staal).12
Afb.28. Schema van het huidige procesverloop voor de staal fabricage bij Estel. Circa 20% van de productie loopt sinds 1980 via de Continu gietmachine.12
Afb.29. Nieuwe staalprocessen in het ontwikkelingsstadium. Toepassing van dergelijke processen in Nederland is niet waarschijnlijk, zeker niet vóór 1990. (bron: Economist 18, Hoogovens 19)
29 ..........................................................................................
Materiaal
Energiewaarde MJ/kg MJ/dm3
Ruw ijzer (100% erts) Grijs gietijzer gietstuk (66% schroot) GG-Gietstuk (66% schroot) gegloeid
22,5 18,5 20,5
176 144 160
Ruw staal (hoogoven/oxystaal; 22% schroot) Staal warmgewalste plaat 1,5 - 12,5 mm Staal koudgewalste plaat 0,5 - 3 mm Staal staf/draad (hoogovens/oxystaal) Staal buizen Staal dikke plaat 3 - 150 mm Blik 0,2 - 0,5 mm (elektrolytisch vertind) Gegalvaniseerde koudgew. Plaat 1 mm (28 u)
21 30,4 34,4 28,8 34,5 35 35,8 39,5
164 237 268 225 269 273 280 308
Ruw Staal (elektrostaal; 100% schroot) Staal staf/draad (elektrostaal) Staal staf/draad (NL: 50% elektr./ 50% oxy)
8 13 21
62 101 164
HSLA-stalen (sterktestalen; hoogoven / oxystaal; chroom minimaaal 12% richtwaarden): Warmgewalste plaat 1,5 - 12,5 mm Koudgewalste plaat 0,5 - 3 mm
33 38
257 296
RVS (korrosievaste stalen: hoogoven / oxystaal; chroom minimaal 12%; richtwaarden): Warmgewalste plaat 1,5 - 12,5 mm Koudgewalste plaat 0,5 - 3 mm Buizen
50 55 56
390 429 437
Machinestaal en gereedschapstaal (C>0,3%; hoogoven / oxystaal; toeslag warmtebehandeling) Warmgewalste plaat Warmgewalste draad / staf
32,4 30,8
253 240
-3
-23
228 265 277 250 50 12
616 716 747 675 135 33
Aftrek voor koudgwalste plaat met mindere kwaliteit (03) oppervlaktegesteldheid uit ongelegeerd konstruktiestaal (schatting): Aluminium ingot (Bayer / Hall-Heroult: uit 100% bouxiet-erts) Aluminium koudgewalste plaat aluminium folie 0,2 mm aluminium extrusieprodukten aluminium gietwerk (uit 100% schroot) Alumium (secundarie smelter; 100% schroot)
Opm.: Overal waar dit niet nader gespecificeerd wordt, heeft de term "staal" betrekking op ongelegeerd konstruktiestaal (koolstofgehalte minder dan 0,3% C), de term "aluminium" heeft betrekking op ongeleerde en laaggelegeerde aluminium soorten. De nauwkeurigheid van de genoemde energiewaarden voor Nederland wordt gescht op +/- 10% ten opzichte van de aangegeven waarden. De in het schema aangegeven negatieve waarden voor koudgewalste plaat proberen weer te geven, dat bij het gebruik van plaat met een lagere vereiste oppervlaktegesteldheid minder kwaliteits- kontroles nodig zijn. Door een vermindering van het aantal tussentijdse kontroles behoeft het vormgevings proces (walsen) minder energie.
Tabel 2. Staal en aluminium
12 13
30 ..........................................................................................
SBI 31.3 (1977, NL) Plastics manufacturing
Afb.30. Opbouw van het energieverbruik veroorzaakt door de kunststofverwerkende industrie in Nederland (1977): G = energie-inhoud verbruikte materialen en grondstoffen R = energie voor ruimteverwarming en verlichting P = bewerkingsenergie; K = energie-inhoud kapitaalgoederen (1%). (bron: rapport 4, Bewerkingen14)
Afb.31. Verwachting van General Motors ten aanzien van de bewerkingsprocessen voor karosserie delen in de tachtiger jaren. Enkele illustraties van bovengenoemde processen staan in hoofdstuk 5 van dit rapport. RIM (Reaction Injection Moulding) en RRIM (Reinforced Reaction Injection Moulding) zijn (nu) typisch voor polyurethanen. SMC staan voor processen die –met korte vezels- versterkte kunststofproducten voortbrengen. (bron: Materials Engineering, jan. 1981)20.
Afb.32. Gebieden van energieverlies bij een extruder voor de productie van kunststofprofielen. (bron: Plastics Engineering, juni 1981)21
31 ..........................................................................................
Bewerking kunststoffen
Folie-extrusie Kalanderen PVC-folie Buisextrusie Spuitgieten Blaasvormen
Bewerkingsenergie MJ/kg eindprodukt
3 ca. 3 5 5 -
6 6 5 15 15
Harsverwerking met wikkelproces Harsverwerking met SMC-proces
ca. 3
Polystyreen schuimen (blokken) Polyurethaan schuimen
ca. 6
3 - 6
0,5 - 3
Tabel 3. Bewerkingen kunststoffen
Materiaal verlies e.d.
Voor het materiaalverlies moet ca. 1 tot 30 % van het volume van de gekozen kunststof in rekening worden gebracht. Voor het transport van kunststof fabriek naar verwerker wordt ca. 0,3 MJ/kg gerekend. Naast de soort bewerking spelen ook een rol: (1) soort kunststof (b.v. de dunvloeibaarheid) (2) machine kapaciteit (3) gewicht en vorm van het eindprodukt (4) bezettingsgraad van de machine (5) konstruktie van de machine etc. 14
32 ..........................................................................................
S.B.I. 34.1 Sheet metal working & forging industry 1978 Number of companies 15 Number of employees 2585 Turnover 247 mln. Dfl Added value 155 mln. Dfl Energy-throughput 2956 TJ Energy-intensity 12 MJ/Dfl Breakdown energy-throughput (2956 TJ)
Afb.33.Opbouw van het energieverbruik veroorzaakt door grofsmederijen, stamp- en persbedrijven (meer dan 50 man personeel) in Nederland 1978. Deze bedrijfstak staat nog dicht bij de basismetaal industrie en vervaardigt weinig eindproducten; meer onderdelen voor Consumenten producten. Fabrieken die meer Consumentgoederen vervaardigen kennen een groter aandeel van ingekochte halfproducten (H). G=energie-inhoud verbruikte materialen en grondstoffen H=energie-inhoud ingekochte halffabrikaten V=energie-inhoud verbruikte verpakkingen T=energiegebruik voor transport R=energieverbruik ruimteverwarming en verlichting P=bewerkingsenergie K=energie-inhoud kapitaalgoederen (machines) Berekeningsmethod (kombinatie van proces-analyse, statistische en input/out analyse) en overzicht andere bedrijfstakken in rapport nr. 4, Bewerkingen. 14
Afb.34. Ondanks de tot de verbeelding sprekende vuurspetters en warmte ontwikkeling bij het gietproces, is deze techniek –bij voldoende vormgevingsmogelijkheden (wanddikte) – vaak energetisch gunstiger dan plaatbewerkingen. (foto: Disamatic)
Afb.35. Bestek vervaardigd door plaatbewerking.
33 ..........................................................................................
Bewerking metalen (staal en aluminium) Bewerking staal
Smeden Koudvervormen (buigen, dieptrekken) Verspanen (draaien,fraisen, boren)
Afkorten, snijden staal
Schaar Cirkelzaag Lintzaag Laser Verspanen van staal
Draaien Schuren Plasma Vonkverspanen Elektrochemisch Ultrasoon Elektronenbundel Laser
Energie
Materiaalverlies e.d.
Bewerkingsenergie J/mm3 verspaand of vervormd volume Bij 100% recycling van het procesafval zijn de energiekosten door materiaal verlies ca. 117 J/mm3 verwijderd volume staal. Bij 0% recycling ca. 234 J/mm3.
22 10 8
Bewerkingsenergie J/mm2 doorsnede
Materiaalverlies mm3/mm2
22,5 30 15 6
-4000 2000 40
Bewerkingsenergie J/mm3. s 8,5 85 170 340 1.190 1.530 76.500 459.000
Bewerking aluminium De energiekosten van materiaalverlies zijn resp. ca. 24 J/mm3 (bij 100% recycling) en 675 J/mm3 (bij 0% recycling)
De bewerkingsenergie voor aluminium ligt ongeveer een faktor twee lager dan bij staal voor vergelijkbare lijkbare bewerkingstechnieken
Opm. "Materiaalverlies": Bij veel van de hierboven beschreven bewerkingen ontstaat proces-afval (spaanders, slijpsel, etc.). De daarmee "verloren" gegane energie (in de vorm van de energie-inhoud van het materiaal ) wordt op rekening geschreven van het bewerkingsproces. De hoeveelheid verloren energie is afhankelijk van de energieinhoud van het materiaal, van de energie die nodig is voor recycling en van het percentage van het proces-afval dat gerecycled wordt.
Tabel 4. Bewerkingen staal en aluminium
14
34 ..........................................................................................
S.B.I. 34.93 Surface treatment companies 1978 Number of companies 15 Number of employees 1204 Turnover 112 mln. Dfl Added value 79 mln. Dfl Energy-throughput 1683 TJ Energy-intensity 15 MJ/Dfl Breakdown energy-throughput (1683 TJ)
Afb.37. Autogeen lassen.
Afb.36. Opbouw van het energieverbruik veroorzaakt door de oppervlaktebehandelingsbedrijven (meer dan 50 man personeel) in Nederland 1978 (Legenda: zie afb.35 op de vorige bladzijde) (bron: rapport nr.4, Bewerkingen.)14 Zn = Zink Ov = Overige grondstoffen De afbeelding toont aan, dat per kilo aangebracht oppervlaktemateriaal, de oppervlakte behandeling energie-intensief is. Omdat er echter erg doelmatig en effectief met het materiaal wordt omgesprongen is deze bewerking vaak energetisch erg gunstig. Slechts 0.4 kg zink is voldoende om 1 m2 staalplaat tweezijdig tegen corrosie te beschermen; de energie-inhoud van een 1mm dikke staalplaat neemt daardoor slechts met ca 10% toe.
Afb.38. Het totale energieverbruik (inclusief materiaalverlies en hulpstoffen) voor drie verbindingsmethoden voor 1 mm plaat.
35 ..........................................................................................
Verbindingstechnieken Oppervlaktebehandelingen Rolnaadlassen (laaggelegerd, konstruktiestaal) Plaatdikte 0,25 mm (x2) Plaatdikte 1,50 mm (x2) (aluminium) Plaatdikte 0,25 mm (x2) Plaatdikte 1,50 mm (x2) Plaatdikte 2,50 mm (x2) Puntlassen (laagelegerd konstruktiestaal) Plaatdikte 0,50 mm (x2) Plaatdikte 1,00 mm (x2) Plaatdikte 1,50 mm (x2) Plaatdikte 3,00 mm (x2) (aluminium) Plaatdikte 0,50 mm (x2) Plaatdikte 1,00 mm (x2) Plaatdikte 1,50 mm (x2) Plaatdikte 3,00 mm (x2)
Energie
8 MJ/m las 40 MJ/m las ca. 50 MJ/m las ca. 160 MJ/m las ca. 230 MJ/m las
0,02 0,05 0,08 0,20
-
0,07 0,20 0,25 1,00
MJ/puntlas MJ/puntlas MJ/puntlas MJ/puntlas
ca. 0,5 MJ/puntlas ca. 1,0 MJ/puntlas ca. 2,0 MJ/puntlas ca.4,7 MJ/puntlas
Autogeen lassen (aluminium, stompe las) Plaatdikte 1 mm Plaatdikte 2 mm Plaatdikte 3 mm
11 MJ/m las 30 MJ/m las 47 MJ/m las
MIG-booglassen (aluminium, stompe las) Plaatdikte 4 mm (I-las) Plaatdikte 5 mm (I) Plaatdikte 5 mm (V) Plaatdikte 6 mm (I) Plaatdikte 6 mm (V) Plaatdikte 8 mm (V) Plaatdikte 10 mm (V) Plaatdikte 12 mm (V)
12 26 39 47 46 59 62 109
Elektrisch lassen (met de hand) (Konstruktiestaal, hoeklas) Naaddikte 2 mm Naaddikte 3 mm Naaddikte 5 mm
15 MJ/m las 30 MJ/m las 80 MJ/m las
Elektrisch lassen (met de hand) (Ketelstaal, V-las) Plaatdikte 4 mm Plaatdikte 5 mm
32 MJ/m las 38 MJ/m las
Schroeven, klinknagels, spijkers Schroeven, klinknagels (uit staal) Spijkers (uit staal) Galvaniseren (28 µ zinklaag tweezijdig) Lakken e.d. elektrostatisch (35 µ éénzijd)
MJ/m MJ/m MJ/m MJ/m MJ/m MJ/m MJ/m MJ/m
las las las las las las las las
ca. 50 - 55 MJ/kg ca. 45 MJ/kg ca. 50 MJ/m2 ca. 150 MJ/m2
Tabel 5. Verbindingstechnieken en oppervlaktebehandeling
22
23
24
36 ..........................................................................................
Afb.39.Plaats van de energie analyse in het ontstaansproces van een product (zie ook afb.9 en afb.10).
Afb.40. Voorbeeld van een productanalyse van ziekenhuisbedden (bron: Bernd Löbach, “Industrial Design”) 5
37 ..........................................................................................
............................................................ Hoofdstuk 4 Toepassing energie analyse in het ontwerpproces
Hoe kan energie analyse door de ontwerper worden toegepast teneinde de beoogde energiebesparing in industrie te bereiken? Dit wordt besproken aan de hand van de basiscgclus voor het produktontwerpen (zie ook hoofdstuk 2).
4.1 Analyse-fase In de basiscyclus wordt begonnen met het inventariseren van eisen en eisen en wensen van alle bij het nieuwe produkt betrokken partijen. De verwachting is, dat vele betrokken partijen de ernst van het energieprobleem beseffen en derhalve energiebesparing (met name in de industrie) wenselijk achten. Overheid, bedrijfsleven, gebruiker en ontwerper worden daar in wellicht geleid door een zorg om het welzijn op de lange termijn. Daarnaast kunnen de betrokken partijen geleid worden door ekonomische motieven om energiebesparing na te streven (zie ook Hfst. 6). In de analyse-fase moet deze wens ’energiebesparing in de industrie’ vertaald worden naar een of meer gewenste eigenschappen van het nieuwe, te ontwerpen produkt. Het begrip ’besparen’ houdt onder meer in, dat vanuit een bestaande toestand met een bepaald energieverbruik een nieuwe toestand bewerkstelligd wordt met een lager energieverbruik. Met andere woorden: de produkten, die nu op de markt worden gebracht, zijn de norm (de bestaande toestand). Als we van energiebesparing willen spreken (bij het gelijkblijven van overige aspekten zoals levensduur, recycling, ect.) dan moet dus de energie-inhoud van het nieuwe produkt lager zijn dan de energie-inhoud van de reeds bestaande produkten (funktievervullers). Hoe kan de energie-inhoud van bestaande produkten worden vastgesteld? Het marktonderzoek moet gegevens opleveren over het materiaalgebruik, de geometrie (vnl. gewicht en volume) en eventueel over de toegepaste bewerkingen in de bestaande funktievervullers. In veel ondernemingen zijn deze gegevens al beschikbaar of kunnen zij gemakkelijk worden verkregen, omdat een technische produkt-analyse van konkurrerende produkten regelmatig wordt uitgevoerd (zie afb. 40). Als deze gegevens beschikbaar zijn, dan is invulling daarvan in het energie analyse model verder vrij eenvoudig (zie methode bij de simulatie-fase, blz.22) en we hebben dan als uitkomst een norm voor de energie-inhoud van het te ontwerpen produkt gekregen. De operationele eis in het programma van eisen kan nu als volgt geformuleerd worden: ”De energie-inhoud van het nieuwe produkt mag ten hoogste... (norm) bedragen” (natuurlijk liefst lager).
38 ..........................................................................................
MATERIAALKEUZE
e
*
GEWICHT
Staal Aluminium Bulkkunststof Technische kunststof Aramide/Cvezelversterkt
30 MJ/kg 260 MJ/kg 75 MJ/kg
.... .... ....
150 MJ/kg
....
250 MJ/kg
....
BEWERKINGENKEUZE Staalbewerking Overige materialen
ontwerp parameter x
*1,3 *1,1
ENERGIE-INHOUD PRODUKTONTWERP Eerste grove schatting
modelparameter e
model E= x * e
energieinhoud ontwerp E
Afb.41. Struktuur van het energie analyse model (Legenda x, e, E zie blz.23).
EVALUATIE Keuze uit de ontwikkelde voorlopige ontwerp-alternatieven
Afb.42. Toepassing van de energie analyse in het schetsstadium: een eenvoudig model.
39 ..........................................................................................
4.2 Synthese-fase In de synthese-fase wordt de energie analyse als proces (het bepalen van de energie-inhoud) niet uitgevoerd, maar wel zijn de resultaten van de energie analyse, alsmede de ervaringen tijdens de analyse-fase en voorafgaande simulatie-fasen onmisbaar voor het synthetiseren van een ontwerp met een lagere energie-inhoud.
4.3 Simulatie-fase Na de synthese beschikken we over een voorlopig ontwerp en we willen nu de eigenschappen (het gedrag) van dit ontwerp voorspellen. De ’eigenschap’,die in ons geval voorspeld moet worden, is het energieverbruik, dat met de produktie van het ontwerp gemoeid zou zijn. Dit voorspellen of simuleren gebeurt met energie analyse. Zoals reeds in hoofdstuk 2 (blz. 10) werd vermeld, kan de energie analyse gerangschikt worden onder de analytische simulatie-methoden. Voor de toepassing van de methode moeten we beschikken over een mathematisch model, de nodige input-gegevens en uitspraken over de waarde van de model-uitkomst (zie blz.ll).
4.3.1 Model-input Voor berekening van de energie-inhoud van het toekomstig produkt zijn een aantal gegevens nodig: 1. Materialen of materiaalhalffabrikaten, die in het toekomstig produkt toegepast zullen worden (naam). 2. Bruto hoeveelheid materiaal, die voor de vervaardiging van het produkt nodig zal zijn (kg). 3. Bewerkingen en verbindingstechnieken, die toegepast gaan worden (naam). 4. Kwantitatieve aanduiding van de bewerkingen (bewerkingstijd, aantal, materiaal-efficiency van het proces). Deze gegevens komen overeen met de ontwerpparameters, die men minimaal nodig heeft voor een eenvoudige kostprijsinschatting. Het antwoord op de vragen 1 en 2 (materiaal en dimensionering) volgt bij structurele componenten meestal uit mechanika-berekeningen. Afhankelijk van het stadium waarin het ontwerpproces zich bevindt (eerste schets of prototype) zal de ontwerper in staat zijn de vragen met grotere nauwkeurigheid te beantwoorden.
40 ..........................................................................................
MATERIAALKEUZE
GEWICHT
Zie schema's 1 en 1 alsmede appendix A
.....
BEWERKINGENKEUZE Zie schema's 3, 4 en 5 In een later stadium aangevuld met gegevens uit de produktieontwikkeling
ENERGIE-INHOUD BESTAANDE FUNKTIEVERVULLERS Benodigde gegevens worden verkregen door marktonderzoek
ENERGIE-INHOUD PRODUKTONTWERP Tot op 10% nauwkeurig
EVALUATIE Na keuze van de beste ontwerpoplossing: Is energie-inhoud ontwerp lager dan energie-inhoud bestaande funktievervullers ?
Afb.43. Toepassing van de energie analyse in het stadium van maatschetsen, technische tekeningen, prototype. Meer ontwerpparameters zijn nu bekend.
41 ..........................................................................................
In het eerste stadium zal hij materialen slechts als groep kunnen benoemen: ’staal’, ’kunststof’, etc.. Gewicht of volume kunnen in grote lijnen worden bepaald. Vragen over bewerkingen en verbindingstechnieken zullen nauwelijks beantwoord kunnen worden. Bij de technische detaillering en de prototypebouw moet de produktontwikkelingsafdeling wel in staat worden geacht uitsluitsel over de gevraagde gegevens te verschaffen.
4.3.2 Model Met de beschikbare ontwerpgegevens uit de vorige paragraaf en de energiewaarden van materialen en bewerkingen (zie hoofdstuk 3) is het verder eenvoudig om de energie-inhoud van het toekomstig produkt vast te stellen. Uitgangspunt van de berekeningen is de volgende vergelijking: EF = x . e
,
waarin EF is de energie-inhoud van het produkt (in MJ), x is de ontwerpparameter (bijvoorbeeld hoeveelheid materiaal of bewerkingstijd) en e is de modelparameter: de energieinhoud van een fysische eenheid materiaal of bewerking (in MJ/kg of MJ/s). In een ontwerp worden meestal een aantal verschillende materialen en bewerkingen toegepast en in de praktijk zal de formule dan ook de volgende gedaante hebben:
EF =
n ∑ x i . e i, i=1
waarin i is de index voor een bepaald materiaal of een bewerking. Natuurlijk is het mogelijk om de verschillende soorten ontwerp- en modelparameters te specificeren in formule-vorm. In hoeverre dat echter zinnig is, zal afhangen van de bedrijfssituatie, waarin de ontwerper zich bevind. Hier wordt slechts verwezen naar de literatuur (Braam41). Wellicht is het nuttig om hier nogmaals te wijzen op het feit, dat de energie-inhoud van het produkt slechts een deel van de totale energie-balans van een ontwerpaktiviteit uitmaakt. Naast energiebesparingsmogelijkheden in de industrie heeft de ontwerper natuurlijk een minstens even grote invloed op bijvoorbeeld het energetisch rendement van het produkt tijdens het gebruik. Als gedachtensteuntje kan hier de volgende formule gegeven worden: EF + EL ED =
+ EP
T * N
42 ..........................................................................................
ontwerp: een trekstaaf met een lengte van 1 meter, die een trekkracht van 1000 kgf (10.000 N) moet kunnen opvangen (korte duur)
MATERIAL
St 360, constr. Steel Al 99,5 H, aluminium PP homopol., polypropylene
F
POM homopol., polyacetal AR-EP aramidfibres (oriented) 60% in epoxy resin matrix
F 1 m
Afb.44. Definitie van het ontwerp probleem.
density
energy-
1980
content
fl./k g
MJ/kg
100
30
400
230
190
73
700
115
2700
234
Afb.45. Lijst met materiaal prijzen (bronnen: Metaal & Kunststof, Shell, DuPont, AKZO 17 25 26 27) en energie-inhouden (zie schema’s 1 en 2 van dit rapport).
tensile strength
MATERIAL
price
MATERIAL
diameter
price
energy
kg/dm3
N/mm2
(mm)
fl.
MJ
St 360
7,8
360
St 360
3.3
0.22
6.3
Al 99,5 H
2,7
180
Al 99,5
4.7
0.60
34.5
0,9
35
PP
10.8
0.49
18.9
1,4
70
POM
7.6
1.40
16.3
AR-EP
1.7
0.27
2.5
1,38
1379
POM homopol. PP homopol. AR-EP (60%)
Afb.46. Benodigde materiaalgegevens.
Afb.47. Evaluatie van de ontwerp alternatieven voor de trekstaaf.
43 ..........................................................................................
In woorden: Het totale maatschappelijke energieverbruik, dat met de ontwerpaktiviteit samenhangt (ED), is evenredig met het energieverbruik voor produktie (EF), gebruik (EL), afvalverwerking en recycling (EP) per produkt en omgekeerd evenredig met de produkt-levensduur (L) en het aantal gebruikers per produkt (N). Dat het verminderen van de energie-inhoud (EF), waaraan dit verslag is gewijd, een van de belangrijkste besparingsopties is, behoeft geen betoog (zie ook Kemna42).
4.3.3 Model-output De uitkomst van het model is een waarde voor de energieinhoud van het ontwerp, dat wil zeggen de energie die het zou kosten om het ontwerp te maken. De definitie van het begrip energie-inhoud, alsmede de nauwkeurigheid, waarmee deze bepaald kon worden, zijn behandeld in hoofdstuk 3 van dit rapport.
4.4 Evaluatie-fase Als een of meer voorlopige ontwerpen zijn gemaakt en hun verwachte eigenschappen, waaronder de energie-inhoud, zijn voorspeld, dan is de rol van de energie-inhoud te bespreken aan de hand van het alternatieven-kriteria tableau (zie hoofdstuk 2). In dit tableau vormt de energie-inhoud een keuze-kriterium met een eigen gewichtsfaktor. De hoogte van die gewichtsfaktor zal afhangen van het belang, dat in het programma van eisen wordt toegekend aan energiebesparing in de industrie. Omdat de mogelijke implikaties van energie analyse het sterkst naar voren komen in de evaluatie-fase zullen enkele eenvoudige voorbeelden besproken worden. Naast het energiekriterium zullen in deze voorbeelden vooral ekonomische kriteria (materiaalprijs, kostprijs) worden besproken. Het eerste voor beeld is een tamelijk abstrakt technisch ontwerp: een staaf met een treksterkte van 10.000 N. hiervoor worden een vijftal materialen geevalueerd voor de eigenschappen ’materiaalprijs’ en ’energie-inhoud’ . Alle vijf de materialen kunnen de funktie evengoed vervullen (er werd geen rekening gehouden met het mechanische gedrag in de tijd door bv. relaxatie). Met behulp van de materiaalgegevens (teksterkte) en een eenvoudige mechanika-berekening wordt berekend wat de oppervlakte van de belaste doorsnede moet zijn om de gewenste trekkracht te kunnen opvangen. De geometrie (vorm) van de doorsnede is niet belangr ijk voor de vervullen funktie. Gebruik makend van een prijslijst en een energie – inhouden lijst (afb. 45) kunnen nu de vijf materialen geëvalueerd worden.
44 ..........................................................................................
ontwerp: een fles voor een afwasmiddel, met een inhoud van 650 ml.
DESIGN PP Hom. OPP biaxial stretched PP Copol. blow extrusion HDPE blow extrusion
manufacturing costs DM/100
materials costs DM/100
8.14
5.71
4.86
8.40
4.45
8.82
Share of the write-off & interest and energy costs in the manufacturing energy (DM/ 100 units) write-off energy & interest 0.08 OPP 0.85
Afb.48. Definitie van het ontwerp probleem.
manufactur ing energy MJ/100#
materials energy MJ/100#
PP Hom. OPP biaxial stretched
0.93
2.32
PP Copol. blow extrusion
0.72
2.92
HDPE blow extrusion
0.67
2.92
DESIGN
PP Cop.
0.02
0.70
HDPE
0.02
0.65
Afb.49. Kostprijsopbouw van drie alternatieve ontwerpen (bron: Kunststoffen / Plastics, sept. 1980) 28
OPP DM 13.85 3.25 MJ
PP Copol. DM 13.26 3.64 MJ
Share of the energy-content of capital goods and process energy in the manufacturing energy (MJ/ 100 units) capital goods
process
OPP
0.08
0.85
PP Cop.
0.02
0.70
HDPE
0.02
0.65
Afb.50. Opbouw van de energie-inhoud van de drie ontwerpen.
HDPE DM 13.27 3.59 MJ
Afb.51. Evaluatie van de ontwerpen op de aspekten kostprijs en energie.
45 ..........................................................................................
Meest opvallend is het feit, dat konstruktiestaal (St 360) in prijs en energie per kilogram respektievelijk een faktor 27 en een faktor 9 ’goedkoper’ is dan een aramidevezelversterkte trekstaaf, maar dat door het lage soortelijke gewicht en de superieure mechanische eigenschappen van het laatstgenoemde materiaal het prijsverschil tussen twee trekstaven erg klein is geworden; de energie-inhoud van de stalen trekstaaf is zelfs drie keer zoveel als de energieinhoud van de vezelversterkte staaf (afb. 47). Het voorbeeld onderstreept het belang van de materiaaleigenschappen en de mechanika bij de evaluatie van prijs en energie-inhoud. Spijtig genoeg is het nauwelijks doenlijk om voor andere materiaal – eigenschappen (bijvoor beeld de elasticiteitsmodulus bij de buigstijfheid) dergelijke instruktieve voorbeelden uit te werken, omdat de geometrie (de vorm) van de konstruktie daarbij van bepalend belang is. Ook de vormgevingsmogelijk – heden en de kosten van de bewerking spelen daarbij een belangrijke rol. In het geval van de trekstaaf werden de bewerkingskosten verwaarloosd. Een voorbeeld waarbij wel alle kostprijsfaktoren uitgewerkt zijn, is een fles van kunststof voor een afwas- middel. Voor deze fles werden drie materiaal- en bewerking- alternatieven bekeken. De drie ontwerpen hebben ongeveer dezelfde kostprijs en gebruikseigenschappen. Het voorbeeld is gebaseerd op in de praktijk vastgestelde gegevens. Bij het vaststellen van de energie-inhoud blijkt er toch een verschil te zijn: de fles van het biaxiaal gestrekt polypropeen heeft een lagere energie-inhoud. Dit wordt bereikt door een hogere inspanning op het gebied van de bewerkingen (zowel in geld als in energie) voor de besparing van het materiaal (eveneens in geld en vooral in energie). Een bedrijfsekonoom zou zeggen dat het aandeel van de variabele kosten (grondstof) gedaald is ten koste van een hoger aandeel van de vaste kosten (kapitaal, afschrijvingen).
46 ..........................................................................................
basis-industrie
MATERIALEN
eindgoederen-industrie
BEWERKINGEN
60 - 80 %
OVERIGE 5-25 %
5-15 %
Afb.52. Karakteristieke opbouw van de energie-inhoud van konsumentengoederen. Verassend is wellicht, dat in de huidige praktijk veruit het grootste deel van het totaal word gespendeerd in de materialen en halffabrikaten van de basis-industrie. Slechts een klein deel (5-15%) wordt besteed aan vormgevingsprocessen. Het zou te ver voeren om hieruit te konkluderen, dat in de huidige situatie materiaalbesparing altijd gelijk staat aan energiebesparing, maar in de meeste gevallen kunnen we waarschijnlijk erg ver gaan in het opvoeren van de bewerkingsinspanningen (kapitaal en energie in de eindgoederen-industrie) als we daarmee materiaal (lees: energie in de basis-industrie) kunnen besparen. In de STT-studie “Materialen voor onze Samenleving” worden praktische materiaal besparingsregels voor de ontwerper aangereikt door onder meer Dirken en van den Krooneberg.
Afb.53. Standaardisatie is waarschijnlijk de grootste oorzaak van energie- en materiaalverspilling in de huidige industriële praktijk. Het hierboven afgebeelde principe is niet alleen van toepasbare standaardkomponenten zoals onderdelen van een produkt. Het is ook van toepassing bij praktisch alle produkten die –om redenen van standaardisatie / bewerkingskosten- een konstante wanddikte hebben (produkten uit plaatmateriaal bijvoorbeeld). Men moet daarbij bedenken, dat een konstante wanddikte praktisch nooit nodig is voor de te vervullen funktie en dat –ten tweede- de ontwerper de dikte kiest met ht oog op de zwaarst belaste doorsnede. Het principe is ook van toepassing op de discipline van het industrieel ontwerpen zelf: Honderdduizend identieke produkten worden –omwille van de standaardisatie- vervaardigd / ontworpen voor honderdduizend niet identieke gebruikers. Het merendeel van de produkten is daardoor waarschijnlijk over gedimensioneerd en een klein deel van die produkten is een erg korte levensduur beschoren.
47 ..........................................................................................
............................................................ Hoofdstuk 5 Implikaties van energiebewust ontwerpen Door de complexiteit van zowel de energieproblemen als ook de ontwerpproblemen is het niet mogelijk, noch wenselijk, een dogmatische controlelijst op te stellen. Er zijn geen geen geboden of verboden te geven die de ontwerper zouden beperken in de keuze van materialen, bewerkingen en vormgeving. De in het vorige hoofdstuk aangereikte methode geeft een instrument om in de meest uiteenlopende omstandigheden het ontwerpproces bij te sturen en te regelen. Een nadeel van deze aanpak is wellicht dat de lezer zich geen beeLd kan vormen van ’energiebewuste produkten’ of van een ’energiebewuste konsumentengoederen-industrie’. In welke richting kan de industriële struktuur zich ontwikkelen als het energie-kriterium aan belang wint bij ontwerpbeslissingen? Een konkreet antwoord op deze vraag is nog niet te geven. Wel kunnen, op grond van de ervaringen tijdens het afstudeer onderzoek, een aantal mogelijke trends voor energiebewust ontwerpen worden aangegeven.
5.1 Trends Als het energie-kriterium aan gewicht wint zullen de onderstaande punten in het ontwerpproces grotere prioriteit krijgen. De afbeeldingen geven voorbeelden en een enkele summiere toelichting bij de aandachtspunten: 1. Doelmatiger materiaalgebruik (lichter gewicht van produktkomponenten en produkten), te verwezenlijken door a. Materiaal alleen aanbrengen op plaatsen waar gebruiksbelasting optreedt, ook rekening houdend met de richting waarin de belasting optreedt, b. Aanbrengen van dat materiaal, dat het beste weerstand biedt aan de te verwachten belasting, zowel op millimeter-schaal (bv. door plaatmateriaal opgebouwd uit laminaten) als op meter-schaal (bv. trek- en drukstaven van verschillende materialen in een vakwerk). c. In plaats van het gebruik van materialen met een universeel karakter, in zowel fabrikage-technisch als funktioneel opzicht (bv. konstruktiestaal, goedkope bulkplastics), een toenemend gebruik van materialen met enkele sterk ontwikkelde funktionele eigenschappen (bv. HSLA-staal, koolstofvezels).
48 ..........................................................................................
Afb.54. ARAL, nieuw plaatmateriaal voor de vliegtuigbouw. Met behulp van de aramidevezels (goed belastbaar op trek) wordt het aluminium op druk belast, waardoor de vermoeïngssterkte van het aluminium aanzienlijk verhoogd wordt. Toepassing van het materiaal leidt tot aanzienlijke gewichtsbesparingen in de vliegtuigen. Voorbeeld van het doelmatig aanbrengen van materiaal. (ontwikkeld door T.H. Delft, afd. Lucht- en Ruimtevaarttechniek 1980-1981).29
Afb.55. Hybride SMC (Sheet Moudling Compound), plaatmateriaal in ontwikkeling bij Owens-Corning Fiberglass voor toepassing in de auto-industrie (na 1985). Optimaal gebruik van de materiaaleigenschappen leidt tot een lichte en sterke plaat.20
Afb.56. Liteplate S, uit staal en PP laminaten, bewerkbaar met konventionele plaatbewerkingsmachines.20
Afb.57. Filament winding (principe-schets). Deze techniek wordt nu in zijn eenvoudigste vorm toegepast voorr de fabrikage van buizen. Een computergestuurde, gecompliceerd manier (zie afb.) wordt toegepast voor de fabrikage van de romp van luxe zakenjets (de “Learjet”). Toepassing in de auto industrie wellicht rond 1990. Deze techniek kan het einde van de energie- en materiaal- verspilling van de “konstante-wanddikte-produkten” betekenen voor veel toepassingen.
49 ..........................................................................................
d. Het verhogen van de bewerkingsinspanning (in kapitaal maar ook in energie) om een doelmatiger materiaalgebruik te bewerkstelligen. e. Een grotere kennis van de principes van de mechanika bij de ontwerper. Dit wordt ook als wenselijk ervaren door Davies en Lawenson’34 in hun toekomstverkenning voor de kunststoffen- industrie in Europa. f. Verminderde toepassing van standaardkomponenten en meer gebruik van speciaal voor de te vervullen funktie (produkt) vervaardigde onderdelen. Als er toch standaardkomponenten toegepast gaan worden voor strukturele funkties, dan zullen deze kleiner zijn dan de huidige modules. g. Optimale materiaalkeuze met betrekking tot de gewenste oppervlakte-eigenschappen (korrosiebestendigheid, hardheid., wrijvingscoëfficiënt, esthetische eigenschappen), maar geen verspilling van het toegepaste oppervlakte-materiaal voor het vervullen van een mechanische funktie (sterkte en stijfheid), als het materiaal daarvoor qua eigenschappen niet optimaal is. 2. Op de langere termijn en met een lagere prioriteit: Doelmatiger energieverbruik in de vormgeving (bewerking) van het produkt door onder andere het verminderen van het aantal benodigde bewerkingen. Elke energie-omzetting betekent immers exergie-verlies. Dit houdt onder meer in: een afname van het gebruik van halffabrikaten (plaat, staf, etc.); een toename van het gebruik van vezelversterkte konstrukties (bv. met filament winding) en op de nog langere termijn een opleving van het gebruik van hoog-technologische giettechnieken. Daarbij kan gedacht worden aan gietprocessen met volledig gekontroleerde warmtehuishouding en kontrole van de kiemvorming, zoals ’rheo casting’ of ’single crystal solidification’. Ook kan dit doelmatig energieverbruik in de vormgeving leiden tot een vermindering van het aantal onderdelen in samengestelde produkten. 3. Zeer wenselijk, maar waarschijnlijk pas op de lange termijn mogelijk: Betere afstemming van dimensionering en funktionaliteit van het produkt op de individuele gebruiker in plaats van uniformiteit voor een zo groot mogelijke doelgroep. Dit houdt onder meer in: kortere series of zelfs enkelstuks (’custom made’), flexibele produktiemethoden, een betere kommunikatie tussen producent en gebruiker.
50 ..........................................................................................
Afb.58. Vermindering van het aantal standaardkomponenten en het aantal bewerkingen. Bovenstaande aktekoffer, die al enige jaren op de markt is, werd vervaardigd uit één stuk (koffer, deksel, scharnier, sluitingen en bevestigingspunten voor het handvat) met één bewerking (blaasextrusie). Nota bene: bovenstaand voorbeeld is in energetisch opzicht nog niet optimaal, omdat vanwege de technologie slechts één materiaal en één min of meer konstante wanddikte moet worden toegepast. Nieuwe technieken, zoals bijvoorbeeld sputgietsandwich schuim technieken (met lucht als kern komponenten 39), bieden misschien uitkomst om ook dit te verbeteren.
Afb.59. Doelmatig materiaalgebruik: Fietsframe opgebouwd uit drukstaven van metaal en trek-“staven” van koolstof / aramide vezels. Vakwerken bieden de mogelijkheid, meer nog dan starre verbindingen, tot gedifferentieerd en doelmatig materiaalgebruik, omdat de materialen meer op hun specifieke eigenschappen worden belast. (ontwerp fiets: Frans de la Haye, Tel Design 30).
51 ..........................................................................................
5.2 Nota bene Het moet nogmaals vermeld worden, dat het hier een opsomming van mogelijke trends betreft en niet een lijst van dogma’s. Niet alleen werd geen rekening gehouden met ekonomische en sociale doelstellingen, die de genoemde ontwikkelingen in de weg kunnen staan, maar ook werd niet bekeken het energieverbruik tijdens het gebruik van produkten, de levensduur, de invloed van recycling en ekologische gevolgen van bepaalde vervaardigingswijzen.
52 ..........................................................................................
Afb.60. Weergave van het procentueel energieverbruik in Nederland in 1977 (afbeelding boven) en de elektriciteitsbalans voor Nederland in 1978 in miljoenen kWh (afbeelding onder). (bron: Vademecum AER 1980).31
53 ..........................................................................................
............................................................ Hoofdstuk 6 Effektiviteit en kosten Roberts32 noemt produktsubstitutie als de meest effektieve strategie voor het terugdringen van het energieverbruik in de industrie. Substitutie van produkten met een hoge energie-inhoud door produkten met een lagere energie-inhoud zou meer besparing opleveren dan verbetering van bestaande produktieprocessen of investeringen in geheel nieuwe energiezuinige processen. In hoeverre deze uitspraak te staven is met kwantitatieve gegevens en welke mogelijke barrieres er voor een strategie van produktsubstitutie in het verschiet liggen, zal in dit hoofdstuk worden besproken.
6.1 Besparingen Op dit moment is het zo goed als onmogelijk om kwantitatieve voorspellingen over het effekt van produktsubstitutie, energiebewust ontwerpen, te doen. De bestaande modellen van de energieverbruikssituatie in Nederland, zoals die door het CBS (Centraal Bureau voor de Statistiek) en het ESC (Energie Studie Centrum, energiemodel SELPE) worden gehanteerd groeperen het energieverbruik naar bedrijfstak en naar energiedrager. Voor een enigszins betrouwbare schatting van het besparingseffekt van produktsubstitutie zou echter een groepering van het energieverbruik naar eindprodukten noodzakelijk zijn en de nu beschikbare gegevens zijn te weinig gedetailleerd om dit te bewerkstelligen. Een extra moeilijkheid bij een open ekonomie is nog, dat de energieinhouden van geëxporteerde en geïmporteerde goederen berekend moeten worden. Deze moeilijkheid geldt zeker voor Nederland, waar veel materialen en half- fabrikaten worden geëxporteerd en veel eindgoederen worden geïmporteerd. Daarom moet hier worden volstaan met een grove schatting van het besparingspotentieel, gebaseerd voornamelijk op de KWWstudie voor de SER (blz. 25, zie ook Kemna42 ) De gemiddelde Nederlander gebruikte in 1979 ca. 165 GJ hoogwaardige energiedragers, waarvan ongeveer 40% in direkte vorm (gas, benzine, elektriciteit) en circa 60% in de vorm van goederen en diensten, die ook weer met behulp van energie tot stand kwamen. Van die laatstgenoemde 60% indirekte energie werd een derde besteed aan overheidsdiensten en niet produktgebonden diensten (verwarming, verlichting van kantoorgebouwen, kazernes, ziekenhuizen, etc.), een derde aan voedsel en een derde aan de produktie van gebruiksgoederen, woningen en kleding. Meer dan de helft van de laatstgenoemde kategorie komt op rekening van de duurzame gebruiksgoederen (ruim 20 GJ per hoofd van de bevolking).
54 ..........................................................................................
Afb.61. Gregory en Commander hebben in 1978 een marktonderzoek uitgevoerd onder 224 Engelse bedrijven om vast te stellen, wie nu eigenlijk beslist over de materiaalkeuze in de industrie. Voor de sektor konsumentengoederen, en met name de middelgrote bedrijven (50 tot 1000 werknemers), bleek de invloed van mensen in “ontwerp-functies” erg groot te zijn. (bron: Design Studies, zie ook afstudeerrapport 7 35).
Afb.62. Davies en Lawenson (UK Dept. Of Industry) bepleiten een grotere invloed van ontwerpers (en minder van de chemici) in de kunststoffenindustrie. (bron: ECN, jan. 1981) 34
Afb.63. Ruwe olie functioneert als grondstof en als brandstof bij de produktie van polypropeen. Desalniettemin zijn de enorme prijsstijgingen van ruwe olie nauwelijks tot uitdrukking gekomen in de marktprijs van polypropeen.2 26
55 ..........................................................................................
Let wel, in het voorafgaande werd gesproken over het energieverbruik, dat de Nederlandse konsument in binnen- en buitenland veroorzaakt. Bij de verdeling van het nationale energieverbruik liggen de zaken iets anders: door het overwegend energie-intensieve karakter van de Nederlandse industrie (veel chemie, basismetaal) zal het energieverbruik, dat samenhangt met gebruiksgoederen veel meer bedragen dan 20 GJ per hoofd van de bevolking. Om daar besparingen te realiseren door produktsubstitutie is het noodzakelijk om produktontwikkeling, produktbeleid en investeringsbeleid in de industrie in nieuwe richtingen te sturen. Hierna worden enkele vragen rond produkt-. substitutie behandeld.
6.2 Rol van de ontwerper In theorie neemt de produktontwerper beslissingen over vormgeving en materiaalkeuze als het gaat om een nieuw produkt. Maar wat is de daadwerkelijke invloed van mensen in ontwerp-funktie als echt belangrijke beslissingen, zoals de keuze van een nieuw materiaal, in het geding zijn.’ Natuurlijk vallen beslissingen over ingrijpende verander ingen in produkten en produktieproces onder de verantwoording van de ondernemingsleiding. Daarmee is echter niet gezegd, dat de direktie ook de aanleiding geeft tot de veranderingen. In een industrieel marktonderzoek van Gregory en Commander33 onder 224 Britse bedrijven, werd aangetoond, dat niet de direktie, noch de research-afdelingen, maar daadwerkelijk de produktontwikkelaars (design-functions) de meest beslissende stem hebben bij de adoptie van nieuwe materialen door de eindgoederenindustrie,(zie afb. 61). De invloed van de konstrukteur/ontwerper in de materiaalkeuze wordt onderstreept door Davies en Lawenson34 in hun toekomstverkenning van de polymeren-industrie. Zij voorzien een toenemende vraag naar ontwerpers en konstrukteurs voor de kunststoffen-industrie (afb. 62). Meer nog dan de chemici zullen ontwerpers bepalend zijn voor het materialen-aanbod van die industrie (de ’demand pull’ van ontwerpers in plaats van de ’supply push’ van de chemici).
6.3 Energie en materiaalprijs De energie-inhoud levert geen extra informatie over een materiaal en is dus overbodig: energie, als onderdeel van de kostprijs komt gewoon tot uiting in de materiaalprijs. Energiebewust ontwerpen is hetzelfde als kostenbewust ontwerpen. Jammer genoeg is het verband tussen energieprijzen en materiaalprijzen niet zo rechtlijnig als hierboven wordt voorgesteld.
56 ..........................................................................................
Afb.64. Voorbeeld waarbij een aantal aannamen werden gemaakt ten aanzien van de typische looptijd van ontwikkeling en produktie van een massa- en serie- produkt, om te laten zien dat een kostprijsberekening tijdens de ontwikkeling van een produkt niet altijd leidt tot de economisch optimale materiaal keuze.
57 ..........................................................................................
Hoewel er op de lange termijn wel een verband tussen de materiaal- en energieprijzen te verwachten is (zie volgende paragraaf), valt er op de korte en middellange termijn weinig samenhang te bespeuren. In het eerste deel van het afstudeerrapport werd een studie gedaan naar de faktoren, die van invloed zijn op de marktprijs van een vijftal kunststoffen. Naast konkurrentie (goedkope kunststoffen en grondstoffen uit V.S. en Oost-Europa) en substitutie (bv. opmars van polypropeen ten koste van hd-PE) bleek vooral de vraag bepalend te zijn voor de prijs. Bij een hoge vraag een hoge prijs (bv. na de olie–crisis van 1973 werd driftig gehamsterd door kunststofverwerkers; gevolg: hoge prijs) en bij een lage vraag een lage prijs (bv. bij de malaise in automobielindustrie en bouw vanaf 1980). Zo kon het gebeuren, dat de prijs van polypropeen in 1980 nauwelijks hoger was dan in 1973, terwijl de grond– en hulpstof, olie, maar liefst een faktor 13 duurder was geworden in die periode (zie afb. 63). Daarbij komt nog, dat het bij kunststoffen, als slechts een klein deel in het produktassortiment van olie- en chemiegiganten, moeilijk is om te spreken van een kostprijs in traditionele zin. Al met al is de samenhang van energieprijzen en materiaalprijzen dermate kompleks, dat deze niet met de huidige eenvoudige instrumenten van ’kostenbewust ontwerpen’ te beschrijven is.
6.4 Energiebewust versus kostenbewust? Het kriterium van de energie-inhoud is weinig toepasbaar, omdat het ontwerpkeuzen kan opleveren, die in strijd zijn met de bedrijfsekonomische doel-stellingen van de onderneming: energiebewust versus ekonomisch bewust ontwerpen. In hoeverre deze bewering waar is, zal vooral afhangen van de tijdshorizon, die ondernemer en produktontwikkelaar in acht nemen. Ondernemingen, die hun produktbeleid en hun investeringsbeleid afstemmen op de korte termijn en direkt winst willen zien (kor te terugverdientijden), zullen weinig gevoelig zijn voor een strategie van energiebewust ontwerpen, die er vooral op gericht is om de kontinuïteit van de onderneming op de lange termijn te waarborgen. Van de vier produktiefaktoren, arbeid, kapitaal, materiaal en energie, is energie namelijk de meest onzekere. Een risicomijdende ondernemingsstrategie zal er daarom op gericht zijn de invloed van deze ekonomisch onvoorspelbare faktor zoveel mogelijk te verminderen. Dit geld niet alleen voor de eindgoederen-industrie, maar ook en vooral voor de materialen-industrie waar de energie een hoofdbestanddeel van de kostprijs is. Investeringen in processen en research in de materialen-industrie zullen daar om gericht zijn op die materialen met een gering energie-aandeel in de kostprijs. Daarentegen zullen investeringen en onderzoek in energetisch ongunstige materialen (bulkplastics, konstruktiestaal) verminderen.
58 ..........................................................................................
Afb.65. Uitslag van een onderzoek, dat de EIRMA (European Industrial Research Managers Association) in mei 1981 hield onder zijn leden. De grote rol van R&D als bron van ideeën, die hierboven wordt gesuggereerd, kwam minder duidelijk naar voren in andere onderzoeken, waar de marketing-afdeling vaker als bron voor succesvolle innovaties wordt genoemd. (bron: Economist 1981 38).
59 ..........................................................................................
Deze trend heeft op de lange termijn wel degelijke gevolgen voor de ontwikkeling van de materiaalprijzen en, nog belangrijker, de materiaalprijsverhoudingen. Een kritische evaluatie van de huidige kostprijsberekeningsmethoden is nu geboden. Tijdens de produktontwikkeling worden kostprijs- en rentabiliteitsberekeningen met grote (schijn)nauwkeurigheid uitgevoerd en de kostprijs is vaak een van de voornaamste keuzekriteria voor de ontwerper. De berekeningen worden echter uitgevoerd met de materiaalprijzen van het moment en men kijkt nauwelijks naar een mogelijke materiaalprijs over een aantal jaren. Deze vorm van kostprijsberekening is niet echt ekonomisch optimaal. De ontwikkelingstijd voor de meeste nieuwe massa- en serie produkten is vele jaren (voor een nieuwe personenauto bijvoorbeeld 5 tot 10 jaren vanaf het eerste idee tot en met de nulserie). Als het produkt gereed is, dan wordt het op de markt gebracht en het begint aan wat in de marketing bekend staat als de ’product-life-cycle’. Pas een aantal jaren na de introduktie (na adoptie- en groeifase) bereikt de omzet van het produkt een hoogtepunt. Deze marketing-theorie gaat natuurlijk niet voor elk produkt op, maar toch wel voor veel konsumentenprodukten. Hier wordt de theorie gebruikt om aan te geven, dat het tijdstip waarop de materiaalprijs ekonomisch het meest relevant is (namelijk bij de hoogste omzet: dan wordt namelijk het meeste materiaal ingekocht) ettelijke jaren verwijderd kan liggen van het tijdstip waar op de ontwerper van het produkt zijn eerste kostprijsberekeningen maakt en zijn eerste keuzes daarop baseert. Hieruit volgt dat de ontwerper elk instrument, ook en vooral de energie analyse, zou moeten aangrijpen dat iets kan vertellen over toekomstige materiaal- prijzen (zie ook afb. 64). Een tweede, niet onbelangrijke funktie van de energie analyse kan liggen in de ideevindingsfase van de produkt- ontwikkeling, waar het een stimulus kan geven tot nieuwe produktideëen (zie afb. 65).
6.5 Ontwerpkosten Toepassing van de methode in het ontwerpproces kost veel tijd en daarom ook geld (loon). Energie analyse behoort tot de analytische simulatiemethoden en het is juist de toepassing van deze methoden, waarvan men een sterke rationalisatie verwacht met de opkomst van Computer Aided Design (zie afb. 66). In een onderzoek van Appoo en Alexander37 werd reeds een aanzet gemaakt voor computerondersteuning bij de materiaalkeuze. In de programmatuur werd daar al rekening gehouden met de energie-inhoud als keuzekriterium naast de kostprijs en materiaaleigenschappen (zie afb. 67 en 68).
60 ..........................................................................................
Afb.66. Computer Aided Design zal vooral zijn toepassing vinden in de “structural analysis” (basiscyclus: analyse-, simulatie- en evaluatiefase). Dit is niet alleen de mening van Rutten (in Informatie, nov. 1979 36), maar ook een konklusie uit een 9-delige STT (Stichting Toekomstbeeld der Techniek) -studie dienaangaande, die eind 1981 verschenen is.
Afb.67. Toepassing van energie analyse bij computerondersteund ontwerpen: Appoo en Alexander hebben een computer programma ontwikkeld voor de rationalisatie van de materiaalkeuze bij het ontwerpen. Materiaaleigenschappen, kostprijs en energie-inhoud zijn de input parameters. (bron: Metals & Materials, 1976 37).
Afb.67. Toepassing van energie analyse bij computerondersteund ontwerpen: Appoo en Alexander hebben een computer programma ontwikkeld voor de rationalisatie van de materiaalkeuze bij het ontwerpen. Materiaaleigenschappen, kostprijs en energie-inhoud zijn de input parameters. (bron: Metals & Materials, 1976 37).
61 ..........................................................................................
De programmatuur is daarmee in beginsel gereed. De door Appoo en Alexander genoemde energiewaarden zijn echter weinig nauwkeurig en tevens zal een aanvullende informatiestruktuur aanwezig moeten zijn om de materiaalprijs en de gegevens over materiaaleigenschappen ’up to date’ te houden. Met de opkomst van CAD (Computer Aided Design) zal de toepassing van energie analyse in het ontwerpproces nog minder tijd kosten, dan nu bij de in dit rapport voorgestelde manuele methode.
6.6 Rol van de overheid Met opzet is in dit rapport benadrukt, dat de energie analyse een instrument is in het produktbeleid en de produktontwikkeling van bedrijven. Het komplekse karakter van het beslissingsproces tijdens produktontwikkeling, en produktieontwikkeling leent zich weinig voor starre overheidsregulaties. Bijvoorbeeld een energiebelasting op energie-intensieve materialen (o.a. aluminium) zou tot een weinig effektieve ontwikkeling kunnen leiden, omdat gegeven de omstandigheden en de gebruikerseisen toepassing van energie-intensieve materialen (per kg) ook uit energetisch standpunt gerechtvaardigd kan zijn. Wel kan de overheid de strategie van energiebesparing door produktsubstitutie stimuleren in de vorm van kredietverschaffing bij investeringen en in de vorm van het opzetten van multidisciplinair produktgericht onderzoek, waarbij energie, ekologie en ekonomie de drijfveer vormen. De produktvoorstellen, die uit dergelijk onderzoek resulteren kunnen konkreet richting geven aan een samenhangend Nederlands industriebeleid.
62 ..........................................................................................
1. Montbrial, Th. de, Energia, conto alla rovescia (zesde rapport aan de Club van Rome), Bibliotheca del Est, Milano, 1978. 2. She11 Nederland, Energie, ’s-Gravenhage, 1981. 3. BEUC (Bureau Européen des Unions de Consommateurs), Journees d’etude des organisatione de consommateurs europeens sur le probleme de l’energie, Paris, mei 1980. 4. Eekels, J. en Roozenburg, N., Ontwerpmethodologie, Diktaat tussenafd. Industrieel Ontwerpen, Technische Hogeschool Delft, 1976. 5. Lobach, B., Industrial Deeign, Verlag Karl Thiemig Miinchen, 1976. 6. Bonsiepe, G., Teoria e pratica del disegno industriale, Feltrinelli Editore Milano, 1975. 7. Eekels, J., Industriële doeLontwikkeLing, Van Gorcum & Comp., Assen, 1973. 8. CBS (Centraal Bureau voor de Statistiek), Omzettingsfaktoren 2980, kommunikatie 1981. 9. Kindler, H., en Nikles, A, Energieaufwand zur Herstellung von Werkstoffen, Kunststoffe 70 (1980) nr. 12, 802 – 807. 10. IFIAS (International Federation of Institutes for Advanced Study), Energy Analysis Workshop on Methodology and Conventions, rapport nr. 6, Guldsmedshyttan, 1974. 11. Kemna, R.B.J., Kunststoffen (energie analyse, procestechnologie, marktgegevens, eigenschappen), afstudeerrapport deel 1, tussenafd. Industrieel Ontwerpen, T.H. Delft, 150 lit. ref., 1981. 12. Kemna, R.B.J., Staal (energie analyse), afstudeerrapport deel 3, tussenafd. Industriee1 Ontwerpen, T.H. De1ft , 29 lit. ref., 1981. 13. Kemna, R.B.J., Aluminium (energie analyse), afstudeerrapport deel 3, tussenafdeling Industrieel Ontwerpen, T.H. Delft, 20 lit. ref., 1981. 14. Kemna, R.B.J., Bewerkingen (energie analyse), afstudeerrapport deel 4, tussenafd. Industrieel Ontwerpen, T.H. Delft, 31 lit. ref., 1981.
63 ..........................................................................................
15. Kiyoshi Matsuyama et al., Use BPP for polypropylene, Hydrocarbon Processing, nov. 1981, 131-134. 16. Polymeren, Chemisch Weekblad, juni 1977, 282-283. 17. Persoonlijke kommunikatie, Enka Industriele Garens, 1980. 18. Smoke-stack oteeL is dping, The Economist, Feb. 14, 1981, 99-100. 19. Persoonlijke kommunikatie Hoogovens IJmuiden, afd. EVZ, 1981. 20. New plastic processes, Materials Engineering, Jan. 1981. 21. Kruder, G.A.,en Nunn, R.E., Extruder efficiency: how you measure, Plastics Engineering, June 1981, 20-23. 22. Aichele, G., Leistungskennwerte für Schweissen, Schneiden und Verwandte Verfahren, Fachbuchreihe Schweisstechnik 72, Deutscher Verlag fur Schweisstechnik, Dusseldorf, 1980. 23. Harvey, A.A.B., Paint finishing in industrp, Robert Draper, Teddington, 1967. 24. FME, Smeltlassen en hardsolderen van aluminium en aluminium-legeringen, FME Vereniging van MetaalIndustrieën, 1970. 25. Richtprijzen, Metaal & Kunststof’, jrg. 198Q. 26. Persoonlijke kommunikatie, Shell ’s-Gravenhage, 1981. 27. Persoonlijke kommunikatie, DuPont, Mechelen, 1981. 28. Verpackungstechnik, Kunststoffe-Plastics 5/1981, 21-25. 29. Persoonlijke kommunikatie, afd. Lucht- en Ruimtevaarttechniek T.H. Delft, 1981. 30. Bakker, G. (ed. ), Design from the Netherlands, Ministerie van C.R.M., ’s-Gravenhage, 1980. 31. AER (Algemene Energie Raad), Klein vademecum uoor de energie, Staatsuitgeverij, ’s-Gravenhage, 1980. 32. Roberts, F., en Harris, P.C., Energy conservation in the Long Term, in: Energy in the 80’s, conferentie London.1977. 33. Gregory, S.A. en Commander, M.W., New materials adoption study: , Design Studies 1, nr. 2, Okt. 1979, 107-112. 34. Polymer industry enters.., European Chemical News, Jan. 19, 1981, 14 – 15.
64 ..........................................................................................
35. Kemna, R.B.J., Capita selecta, afstudeerrapport deel 6, tussenafdeling Industrieel Ontwerpen, Technische Hogeschool Delft, 1981. 36. Rutten, H.S., Kat Van CAD:, Informatie, nr. 11, nov. 1979, 649-655. 37. Appoo, P.M. en Alexander, W.O., Computer analysis speeds assessment of engineering materials, Metals 8 Materials, July/Aug. 1976, 42-45. 38. Getting business and research on the same track, The Economist, May 16, 1981, 105-106. 39. Meridies, R., Verfahren zum Herstellen von SandwichSpritzgussteilen mit einem Gas ala Kernkomponente, Kunststoffe 71 (1981) 7, 420 e.v.. 40. Over, J.A. (ed.), Materialen voor onze Samenleving, rapport nr. 22, Stichting Toekomstbeeld der Techniek, ’s–Gravenhage, 1976. 41. Braam, J., The relevance of energy analysis in product desipn, Applied Energy 7 (1980), 263-279. 42. Kemna, R.B.J., Energie-balans van produktontwerpen, PT/ Werktuigbouw, jan. 1983 (te verschijnen).
65 ..........................................................................................
Appendix A.1. bouwmaterialen
Bouwmaterialen (bron: Bouwcentrum, Rotterdam) leidingwater zand grind kalk gips portlandcement (pc) hoogovencement (hoc) grindbeton (310 kg pc per m3, ongewapend) grindbeton (310 kg hoc per m3, ongewapend) stampbeton (1 pc: 2 zand: 4 grind (vol)) stampbeton (1 hoc: 2 zand: 4 grind (vol)) lichtgewichtbeton (ongwapend) metselmortel (2 pc: 2 kalk: 9,5 zand (vol)) metselmortel (2 hoc: 2 kalk: 9,5 zand (vol)) raapmortel (1 pc: 4 kalk: 12 zand (vol)) raapmortel (1 hoc: 4 kalk: 12 zand (vol)) witpleister (4 kalk: 1 gips) baksteen handvormsteen (waalformaat, per steen) machinale vormbaksteen (waalformaat, per steen) geperforeerde strengperssteen (waalformaat) gasbeton kalkzandsteen asbestcement
Energiewaarde MJ/kg 0,001 0,1 0,13 6,3 3,6 6,4 3 0,98 0,54 0,85 0,46 2,3 1,3 0,8 1,1 0,9 4,4 4,3 7,3 MJ/steen 7,7 MJ/steen 6,7 MJ/steen 3,3 0,84 5,1
vlakglas
22
gezaagd hout (incl. verbrandingswaarde grondstof) in timmerfabriek verwerkt hout (idem) triplex (idem) spaanplaat (idem) hardboard (idem) papier (houthoudend, idem) karton (idem)
27 30 30 30 43 43 50
betonstaal voorspanstaal konstruktiestaal aluminium plaat aluminium extrusieprodukten koper plaat koper draad lood zink
27 30 30 265 250 98 81 51 47
hard PVC, pijp of profiel polyetheen folie (LDPE) polystyreenschuim (geëxpandeerd; EPS parels) polystyreenschuim (geëxpandeerd) polyurethaanschuim (voor isolatie)
65 82 90 125 127
minerale wol (glaswol, steenwol) bitumina (inklusief verbrandswaarde grondstof) verf (waterbasis, idem) verf (alkyd, idem)
34 65 86 96
66 ..........................................................................................
Appendix A.2 metalen A.1.
metalen (excl. Staal en aluminium) (bronnen: Chapman (Cu) UK '73; STT (Zn, Pb) NL '76; Woo et al. USA '77 en Batelle USA ' 76 (overige) ) koper (primair: van erts) koper (sekundair: van 100% schroot) koper (primair) gewalste plaat koper (primair) draad koper / messing gietstukken (primair) zink (primair) zink (sekundair) zink (primair) gewalste plaat lood (primair) lood (sekundair) tin (primair) chroom: high-carbon ferrochromium chroom: low-carbon ferrochromium nikkel: elektrolytisch nikkel nikkel: forronikkel nikkel: nikkel oxide sinter nikkel: nikkel poeder magnesium (primair) mangaan: ferromangaan mangaan: hoogoven mangaan mangaan: elektro-oven mangaan titanium: metaal titanium titanium: titanium dioxide alkalimetalen: natrium: zuiver natrium metaal kalium: kaliumchloride (by flotation) kalium: kaliumchloride (by crystallization) lithium: lithium hydroxide (met Li2o) cesium: zuiver cesium metaal rubidium: rubidium metaal aardalkalimetalen (excl. Mg): beryllium: beryllium metaal calcium: CaCO3 calcium: CaSO4 (gips) strontium: strontium sulfaat barium: ground barite radium: radium zout-kristallen overige metalen: kwik: kwik metaal germanium: bismuth kobalt gallium renium: renium poeder molybdeen: molybdeen oxide vanadium: ferrovanadium tantaal: tantaal poeder wolfraam: wolfraam poeder thallium hafnium scandium: scandium oxide yttriium: yttrium oxide zirkonium thorium: thorium oxide uranium: uranium oxide (door zuur-circuit) uranium: uranium oxide (door alkali-circuit) uranium: uranium oxide (resin-in-pulp circ.) platina goud zilver indium
energiewaarde MJ/kg Cu
Sn (Cr) (Cr) Ni (Ni) (Ni) (Ni) Mg
71 9 98 81 93 47 9 61 51 8 140 58 123 138 379 74 253 342
(Mn) (Mn) (Mn) Ti (Ti)
47 44 52 390 82
Na (K) (K) (Li) Cs Rb
88 3 8 379 505 2.315
Be (Ca) (Ca) (Sr) Ba Ra
5.027 8 2 2 1 --
Hg Ge Bi Co Ga Re (Mo) (V) (Ta) (W) TL Hf (Sc) (Y) Zr (Th) (U) (U) (U) Pt Au Ag In
378 2.053 26 119 11.175 2.975 139 470 238 331 30 633 745 1.211 1.200 128 743 1.075 761 -56.325 1.410 437
Zn
Pb
67 .......................................................................................... Appendix A.3 Niet metalen
chemische elementen, niet-metalen (bron: Batelle USA 1975)
Energiewaarde MJ/kg
antimoon: antimoon oxide antimoon: antimoon metaal argon: vloeibaar argon arseen: arseen oxide
(Sb) SB AR AS
178 6 4 3
boor: boor oxide (B2O3) broom
(B) Br
8 14
Cl
11
F P (P)
-165 10
helium
He
--
jood (als element)
I
514
koolstof: grafiet koolstof: diamant
C C
34 690.000
neon
Ne
--
Se (Si) N N
284 74 3 8
telluur
Te
79
zuurstof: gasvormig zuurstof: vloeibaar
O O
3 9
S (S) (S)
14 1 0,05
chloor fluor fosfor: als element fosfor: fosforzuur
seleen: seleen poeder silicium: ferrosilicium stikstof: gasvormig stikstof: vloeibaar
zwavel (Frasch-proces) zwavel: (zwavelzuur (uit Frasch-zwavel) zwavel: zwavelzuur (gemiddelde industrie)
68 .......................................................................................... Appendix A.4 Monomeren en chemikaliën
Monomeren en chemikaliën (bron Kindler 1987 BRD)
Energiewaarde MJ/kg
waterstof (steamreforming van aardgas) koolmonoxide (steamreforming van aardgas) ammoniak (vloeibaar) (uit synthesegas) HNO3 (60%) SO3 (in H2SO4) chloor (diafragma-proces; H2 krediet) natronloog (NaOH) (diafragma-proces; H2 krediet) natriumcarbonaat
152 13 33 8 2 11 11 17
nafta (vakuüm-destillatie van ruwe olie) etheen (kraken van nafta) propeen (idem) C4-fraktie (idem) isobuteen (afscheiding uit butadiëenvrije C4-fraktie) butadiëen (NMP-extraktie van C4-fraktie) pyrolysebenzine (kraken van nafta) benzeen (uit pyrolysebenzine en reformaten van nafta) tolueen (idem) C8-aromamengsel (kraken van nafta) o-xyleen (uit pyrolysebenzine en reformaten van anfta) p-xyleen (idem) cyclohexaan (katalytisch hydreren van benzeen)
47 63 61 560 75 69 51 63 58 55 74 74 68
methanol (steamreforming van aardgas) formaldehyde (uit methanol) aceton (cumeenghydroperoxide; zuursplitsing) fenol (idem) ftaalzuuranhydride (oxidatie aan de lucht van o-xyleen) maleïnezuuranhydrede (oxidatie aan lucht van benzeen) dimethyltereftelaat (oxidatie van p-xyleen; veresteren) vinylchloride (uit ehteen en chloor) styreen (alkylatie van benzeen; dehydogenering) acrylonitril (co-oxidatie van propeen en ammoniak) stikstof (0,8 Mpa, 25 oC, als hulpstof) zuurstof (als proces-hulpstof, direkt uit O2-fabriek) zwavel (Frasch-proces)
37 45 60 67 60 64 69 45 77 79 1 0,01 14
MJ/m3 MJ/m3 MJ/kg
69 .......................................................................................... Appendix A.5 Woningen
Overzicht van gegevens betreffende de voor bouwen, onderhoud en verwarming voor een woning, benodigde energie bij een levensduur van 50 jaar. Auteur Omschrijving Bouwmaterialen Bouwpro- Verdamping Verwarming (land, jaar) woning 109J ces bouwvocht 109J 9 9 10 J 10 J Barnes and Rankin half vrijstaand 123 2510 (Schotland, 1975) bruto opp. 77 m2 (PER) (93,3 %) excl. installaties (4,6 %)
Morris (Schotland, 1978)
Gartner and Smith (United Kingdom 1976)
Onderhoud 109J 55 (2,1 %)
2688 (100 %)
1335 (80,6 %
100 (6,0 %)
1657 (100 %)
1260 (83,5 %)
78 (5,1 %)
1513 (100 %)
68 (0,7 %)
8720 incl. overig gebruik (90,3 %)
225 (2,4 %)
9641 Incl. overig energiegebruik (100 %)
364 (PER) (13,9 %) 108 (PER) (3,2 %)
34 (1,3 %)
2698 (100 %)
(2,0 %)
2300 (overig gebruik: 1800)(84,8 %) (94,8 %)
(1,5 %)
(93,5 %)
(100 %)
Eengezinsrijenhuis met plat dak bruto opp. 122 m2 incl. C.V. Stapelbouw excl. installaties Gietbouw excl. installaties
214 (PER) (5 %) 377 (PER) (6,2 %)
5650 (93,8 %)
6027 (100 %)
412 (PER) (4,8 %) 343 (PER) (4,0 %)
18 (0,2 %) 32 (0,4 %)
8250 (95,0 %) idem (95,6 %)
8680 (100 %) 8625 (100 %)
Zware montagebouw excl. installaties Houtbouw excl. installaties
300 (PER) (3,5 %) 97 (PER) (1,2 %)
18 (0,2 %) 18 (0,2 %)
idem (96,3 %) idem (98,6 %)
8568 (100 %) 8365 (100 %)
Eengezinsrijenhuis bruto opp. 123 m2 berging 12 m2 incl. installaties; variant B2: traditionele bouw, binnenw. kalkzandsteen, fund. op staal Variant C2: gietbouw, binnew. gips-blokken, fund. op palen
471 (GER) (10,8 %)
30 (0,7 %)
4 (0,1 %)
3700 (84,47 %)
178 (4,0 %)
4383 (100 %)
526 (GER) (11,8 %)
44 (1,0 %)
16 (0,4 %)
3700 (82,8 %)
178 (4,0 %)
4464 (100 %)
Flat (< 4 verd.) bruto opp. 73,5 m2excl. installaties Flat (< 5 verd.) bruto opp. 76 m2 excl. installaties Livingston midterrace house (standard house) bruto opp. 80 m2 incl. installaties
Laagbouw, hellend dak 100 - 128 bruto opp. 80 m2 (PER) excl. installaties excl. transport Flat 4 verd. bruto opp. 55 m2 excl. installaties Flat 9 verd. gew. Betonnen draagconstructie bruto opp. 55 m2 excl. installaties
Brown and Stellon (United Kingdom 1974) Hallquist (Zweden, 1976)
half vrijstaand Opp. 100 m2 Eensgezinwoning inh: 475 m3 Flat 3-7 verd. bruto inh: 371 m3
Van Dijk en van Galen (Nederland, 1974) Belt, Damen, Van Bremen, Ligtenberg (Nederland, 1976)
(Nederland, 1979) Bouwcentrum, Rotterdam
222 (PER) (13,4 %) 175 (PER) (11,4 %) 628 (GER) (6,6 %)
Totaal 109J
95 - 145 (PER) excl. transport 230 - 265 (PER) excl. transport
(100 %)
