Die Zielsetzung der Master-Thesis ist es zu überprüfen, ob sich die Innovations-Methodik TRIZ auf Problemstellungen mit nachhaltiger Zielsetzung eignet und ob mit der Anforderung einer Steigerung der Ressourcenproduktivität am Beispiel der Antriebstechnik effiziente Innovationen gefunden werden können.
Die Motivation nachhaltiger Zielsetzungen basiert auf einem exponentiellen Anstieg von Wirtschaft, Bevölkerung und einer gesteigerten Konsumnachfrage nach Produkten, welche hauptsächlich aus endlichen Energieträgern hergestellt werden. Hierzu wird zunächst in Kapitel 2 eine Übersicht der Wachstumssituation erstellt.
In Kapitel 3 wird die momentane Situation der Primärenergieträger erfasst, deren Vorkommen, Gewinnung, Umwandlung und Verfügbarkeit. Dies dient als Überblick bezüglich des Aufwands ihrer Förderung und bildet die Basis für Einsparpotenziale von Materialintensitäten in den folgenden Kapiteln.
Kapitel 4 erläutert die Begriffe der Nachhaltigkeit und die Ressourcenproduktivität als Zielsetzung nachhaltiger Produktentwicklung.
Basierend auf der Literatur von Altschuller, dem Begründer der Methodik, wird in Kapitel 5 die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ vorgestellt. Dabei werden auf die Ebenen der Innovationen zur Einteilung von TRIZ eingegangen, wie mit TRIZ eine Problemlösung entwickelt wird und die Methoden Innovationscheckliste, Widerspruchsanalyse mit administrativem, technischen und physikalischen Widerspruch sowie die Stoff-Feld-Analyse beschrieben.
Das Kapitel 6 überprüft die Eignung der TRIZ Methodik bezüglich nachhaltiger Zielsetzungen zur Steigerung der Ressourcenproduktivität anhand der Maschinenbaudisziplin Antriebstechnik.
In Kapitel 7 werden die erarbeiteten Innovationen aus Kapitel 6 zusammengefasst und bewertet, ob sich die TRIZ Methodik für Problemstellungen mit nachhaltiger Zielsetzung zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Antriebstechnik eignet.
Werden durch die Anwendung der TRIZ Methodik Lösungsmöglichkeiten gefunden, die sowohl zu einer Verringerung des Ressourcenaufwandes bzw. zu einer Effizienzsteigerung als auch zu einem Wettbewerbsvorteil führen, würde sich die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik eignen um von Unternehmen in der Praxis angewandt werden zu können und den Übergang in eine nachhaltige Wirtschaft fördern.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Hintergrund zur Themenstellung
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit und Vorgehensweise
2. Berichte an den Club of Rome – Anreiz zur Innovationsfindung für gesteigerte Ressourceneffizienz
3. Quellen und Senken als Basis für gesteigerte Materialintensität
3.1 Quellen – Erfassung der Energieträger
3.1.1 Verknappung der Primärenergieträger bei steigender Nachfrage
3.1.2 Beispiel – Förderung von Kupfer
3.2 Senken – Die Schadstoffe
3.3 Der ökologische Fußabdruck
3.3.1 Der ökologische Fußabdruck Deutschlands und der Welt
3.3.2 Analyse des ökologischen Fußabdrucks Deutschlands und der Welt
4. Nachhaltigkeit und Ressourcenproduktivität
4.1 Definition der Nachhaltigkeit
4.1.1 Ausprägung der Nachhaltigkeit
4.1.2 Entwicklung der Nachhaltigkeit
4.2 Definition der Ressourcenproduktivität
4.2.1 Effizienz-, Konsistenz- und Suffizienzstrategien
4.2.2 Das deutsche Ressourceneffizienzprogramm
4.2.3 Messung der Ressourcenproduktivität
4.2.4 Potenzielle nachhaltige Methoden der Produktentwicklung
4.3 Widersprüche in der Nachhaltigkeit
5. Die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ
5.1 Das TRIZ Methodengebäude
5.2 Ebenen der Innovation und Einteilung von TRIZ
5.3 Entwicklung einer Problemlösung mit TRIZ
5.4 TRIZ Instrument: Innovationscheckliste und Problemformulierung
5.5 TRIZ Instrument Widerspruchsanalyse
5.5.1 Administrativer Widerspruch - Idealität
5.5.2 Technischer Widerspruch - Standardisierung von Lösungsansätzen
5.5.2.1 Abstraktion der Problemlösung – Die Widerspruchsmatrix
5.5.2.2 Allgemeine Lösung mit den 40 innovativen Prinzipien und spezifische Problemlösung
5.5.3 Physikalischer Widerspruch
5.6 TRIZ Instrument Stoff-Feld-Analyse
6. Prüfung der Eignung von TRIZ auf Innovationen zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Antriebstechnik
6.1 Die Antriebstechnik
6.2 Untersuchung einer Lösung mit TRIZ am Beispiel eines konventionellen Antriebssystems
6.2.1 Die Ressourcencheckliste des konventionellen Antriebssystems
6.2.1.1 Systembezeichnung
6.2.1.2 Primär nützliche Funktion des Systems
6.2.1.3 Derzeitige Systemstruktur
6.2.1.4 Die Arbeitsweise des Systems
6.2.1.5 Das Systemumfeld
6.2.1.6 Verfügbare Ressourcen
6.2.2 Angestrebte Verbesserung ressourcenproduktives System - Idealität
6.2.3 Lösung des Problems anhand der Ressourcencheckliste
6.2.3.1 Lösungsfindung in der Antriebsmaschine – Der permanenterregte Synchronmotor
6.2.3.2 Aufbau Synchronmaschine zur Optimierung des Antriebssystems
6.2.3.3 Überprüfung Synchronmotors zur Substitution konventionelles Antriebssystem
6.2.3.4 Ermittlung der Ressourcenproduktivität bei Einsatz eines Direktantriebes
6.3 Innovationen zur Effizienzsteigerung von elektrischen Maschinen mit TRIZ
6.3.1 Allgemeine Problembeschreibung
6.3.2 Konventionelle Problemlösung
6.3.3 Problembeschreibung als technischen Widerspruch mit der Widerspruchsmatrix
6.3.3.1 Identifizierung der Innovativen Prinzipien in der Widerspruchsmatrix – Lösung des technischen Widerspruches
6.3.3.2 Lösungsansätze mit Innovativem Prinzip 35 – Veränderung des Aggregatzustandes
6.3.3.3 Lösungsansätze mit Innovativem Prinzip 14 – Krümmung
6.3.4 Problembeschreibung als Physikalischer Widerspruch
6.3.4.1 Physikalischer Widerspruch: Volumen einer elektrischen Maschine
6.3.4.2 Lösung durch Separation innerhalb eines Objektes und seiner Teile – Beispiel Linearmotor
6.3.4.3 Lösung durch Separation im Raum – Erhöhung des Nutfüllfaktors der Statorwicklung
6.3.5 Definition einer idealen elektrischen Maschine mit der Stoff-Feld-Analyse als Basis für weitere Innovationen
6.3.5.1 Erstellung des Stoff-Feld Modells der elektrischen Maschine
6.3.5.2 Definition der idealen Maschine aus dem Stoff-Feld-Modell
6.3.6 Beispiel zur Innovation mit TRIZ und Bionik
6.3.6.1 Technischer Widerspruch - Erhöhung Geschwindigkeit bei gleichem Volumen
6.3.6.2 Lösung des technischen Widerspruches mit TRIZ und Bionik
6.4 Beispiele zur praktischen Anwendung der Innovationskonzepte in der Antriebstechnik
6.4.1 Vorstellung Problemlösung Mobile Windkraftanlage
6.4.2 Weiterführung Problemlösung Mobile Windkraftanlage
7. Zusammenfassung und Bewertung von TRIZ für nachhaltige Zielsetzung
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Masterthesis ist es, zu untersuchen, ob die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ geeignet ist, um Innovationen zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Produktentwicklung von Antriebskonzepten zu generieren. Die Arbeit adressiert dabei das Spannungsfeld zwischen ansteigendem Bedarf an Wirtschaftswachstum und der endlichen Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen.
- Analyse der aktuellen Rohstoff- und Energieversorgungssituation
- Konzepte der Nachhaltigkeit und Ressourcenproduktivität
- Einführung in das methodische Rüstzeug von TRIZ
- Anwendung von TRIZ auf Herausforderungen in der Antriebstechnik
- Evaluierung der Leistungsfähigkeit von TRIZ für nachhaltige Innovationsziele
Auszug aus dem Buch
1.1 Hintergrund zur Themenstellung
Die zwei großen Revolutionen der Menschheit waren die landwirtschaftliche und die industrielle Revolution. Die Revolutionen gründen auf einer notwendigen Veränderung aufgrund einer jeweilig steigenden Anzahl der menschlichen Bevölkerung und einer dadurch resultierenden Verknappung der Ressourcen. Jede der Revolutionen hat in der Folge zu einem noch stärkeren Anwachsen der Bevölkerung geführt. Die industrielle Revolution führte schließlich zu einer beträchtlichen Produktivität, so dass die Weltbevölkerung auf derzeit etwa 7,35 Milliarden Menschen angestiegen ist. Durch ein prognostiziertes weiteres Wachstum der Weltbevölkerung, deren Wohlstand und Wirtschaft, wird es wie in den vorausgegangenen Revolutionen auch bei der industriellen Revolution zu einer Verknappung kommen. Diese betrifft nicht einzelne Ressourcen sondern die gesamte ökologische Tragfähigkeit der Welt (Meadows D. 2012, Grenzen des Wachstums S. 278 ff.).
Betrachtet man global den Markt und die materielle Wirtschaft, herrscht grundsätzlich eine Abhängigkeit und somit ein Zwang zum ewigen Wachstum. Die wirtschaftlichen Entwicklungszyklen haben zunehmend eine abnehmende Periodendauer bedingt durch das Bestreben nach Wohlstand. Das Wirtschaftswachstum wird durch die Herstellung und den Verkauf von materiellen Gütern und Produkten durch die Nachfrage generiert. Die Güter werden zu einem großen Teil auf der Grundlage entnommener endlicher Ressourcen als Rohstoffentnahmen der Natur produziert. Die natürlichen Ressourcen bilden als Primärenergieträger die Grundlage für die wirtschaftlichen Aktivitäten. Aufgrund der weiter wachsenden Weltbevölkerung, deren Nachfrage nach Wohlstand und dem Wirtschaftswachstum in den Industrie- und Entwicklungsländern, steigt die Nachfrage nach endlichen Primärenergieträgern. Dabei liegt der „Verbrauch an Rohstoffen in den Industrienationen rund viermal höher als in weniger entwickelten Ländern“ (Sachsen K. 2016, Lexikon der Nachhaltigkeit). Für die Wirtschaft bedeutet dies schwankende Rohstoffpreise und Risiken bezüglich der Versorgung. Die Quellen, welche als die zu wirtschaftlichen Zwecken genutzte Entnahme von Rohstoffen aus der Natur bezeichnet werden, vor allem aber der als Senken bezeichnete Teil, welcher als Rest- und Schadstoff wieder an die Natur zurückgegeben wird, führen zu bleibender Schädigung der Umwelt (Mayer B. 2008, Wie muss die Wirtschaft umgebaut werden? S. 21 ff.). Es liegt ein Interessenskonflikt und Widerspruch vor, dass auf der einen Seite nicht unendliche Ressourcen für die Produktion von Gütern vorhanden sind, auf der anderen Seite ist durch die Wirtschaft und die Nachfrage ein immer weiter ansteigendes grenzenloses Wirtschaftswachstum gefordert.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung führt in die Problematik des Ressourcenverbrauchs infolge des Bevölkerungswachstums ein und definiert das Ziel der Arbeit, die TRIZ-Methodik als Werkzeug zur Effizienzsteigerung zu bewerten.
2. Berichte an den Club of Rome – Anreiz zur Innovationsfindung für gesteigerte Ressourceneffizienz: Dieses Kapitel erläutert die systemdynamischen Grenzen des Wachstums und begründet, warum nachhaltige Innovationsstrategien für eine Entkopplung von Ressourcenverbrauch und Wirtschaftswachstum erforderlich sind.
3. Quellen und Senken als Basis für gesteigerte Materialintensität: Hier wird der Status quo der Primärenergieträger und der ökologische Fußabdruck als Maßstab für die Leistungsfähigkeit der Erde analysiert, um den Handlungsbedarf für nachhaltige Innovationen zu verdeutlichen.
4. Nachhaltigkeit und Ressourcenproduktivität: Es erfolgt eine begriffliche Klärung von Nachhaltigkeit und Ressourcenproduktivität sowie die Vorstellung von Strategien (Effizienz, Konsistenz, Suffizienz) und Messverfahren wie MIPS zur Beurteilung nachhaltiger Produktentwicklung.
5. Die widerspruchsorientierte Problemlösungsmethodik TRIZ: Dieses Kapitel liefert eine theoretische Einführung in TRIZ, seine Methoden wie die Widerspruchsanalyse und das Stoff-Feld-Modell sowie die systematische Vorgehensweise zur Lösung technischer Probleme.
6. Prüfung der Eignung von TRIZ auf Innovationen zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Antriebstechnik: Der Hauptteil der Arbeit untersucht praxisnahe Anwendungen von TRIZ in der Antriebstechnik, inklusive Fallbeispielen wie permanenterregten Synchronmotoren, Linearmotoren und bionischen Ansätzen, um Materialintensität und Effizienz zu optimieren.
7. Zusammenfassung und Bewertung von TRIZ für nachhaltige Zielsetzung: Das abschließende Kapitel resümiert die Ergebnisse und bewertet TRIZ als sehr gut geeignetes methodisches Instrument zur Lösung nachhaltiger Zielkonflikte in der Produktentwicklung.
Schlüsselwörter
TRIZ, Ressourcenproduktivität, Antriebstechnik, Nachhaltigkeit, Widerspruchsanalyse, Materialintensität, Energieeffizienz, Stoff-Feld-Analyse, Stoffflüsse, Innovation, Produktentwicklung, Bionik, Ressourceneffizienz, Systemoptimierung, Lebenszyklus
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit untersucht, wie Unternehmen durch systematisches Innovationsmanagement – speziell durch die TRIZ-Methodik – ihre Produkte so gestalten können, dass sie bei gesteigerter Leistung deutlich weniger natürliche Ressourcen verbrauchen.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind die nachhaltige Produktentwicklung, die physikalische und technische Widerspruchslösung bei komplexen Maschinen sowie die Kopplung von ökologischen Zielvorgaben mit technischer Effizienz in der Antriebstechnik.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das primäre Ziel ist der Nachweis, ob die TRIZ-Methodik dazu befähigt, in der Antriebstechnik innovative Lösungen zu finden, die zu einer signifikanten Steigerung der Ressourcenproduktivität und damit zu einer Entkoppelung von wirtschaftlichem Nutzen und Ressourcenverbrauch führen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die "Theorie des erfinderischen Problemlösens" (TRIZ) angewendet. Dies beinhaltet die Identifikation von Widersprüchen (technisch/physikalisch) und die Lösung mittels standardisierter Prinzipien, ergänzt um Werkzeuge wie die Stoff-Feld-Analyse und bionische Entwicklungsmuster.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil widmet sich der praktischen Anwendung von TRIZ an konkreten Beispielen wie Asynchron- versus Synchronmaschinen, dem Einsatz von Metallschäumen, dem Salvinia-Effekt zur Reibungsreduktion sowie der Optimierung von Windkraftanlagen hinsichtlich ihres Transportdesigns.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit lässt sich am besten über Begriffe wie Ressourcenproduktivität, Antriebstechnik, TRIZ, Widerspruchsanalyse und Entmaterialisierung definieren.
Wie unterscheidet sich der permanenterregte Synchronmotor vom konventionellen Antrieb?
Der Synchronmotor zeichnet sich durch eine höhere Leistungsdichte und den Wegfall des Getriebes aus, da er bei direkter Anbindung höhere Drehmomente erzeugen kann, was die Komplexität und den Materialaufwand des Gesamtsystems reduziert.
Warum wird der Begriff "ideale Maschine" in der Arbeit verwendet?
Die "ideale Maschine" dient als theoretisches Zielbild. Sie verbraucht keine Ressourcen, benötigt keinen Platz und keine Wartung, erfüllt aber perfekt ihre nützliche Funktion. Sie fungiert als idealisiertes Richtmaß, um Innovationspotenziale in realen Systemen aufzudecken.
Wie beeinflusst der "Salvinia-Effekt" die Antriebstechnik?
Dieser bionische Ansatz nutzt lufthaltende Oberflächenbeschichtungen, um Reibung in Kühlkreisläufen zu reduzieren und Korrosionsschutz zu bieten, was besonders bei Unterwasseranwendungen die Betriebseffizienz und Lebensdauer der Motoren erhöht.
- Arbeit zitieren
- Ulrich Beller (Autor:in), 2016, Nachhaltige Innovationsstrategien zur Steigerung der Ressourcenproduktivität in der Produktentwicklung von Antriebskonzepten mit TRIZ, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1150780
