Modelling and Simulation CO2-Emissions of a Product (From Cradle-to-Grave) early in Design

Abstract

As the global temperature increases continually, the demand for methodologies that support the development of sustainable systems becomes more and more important. Under these circumstances, industries are forced to become sustainable in order to compete successfully against ecologically acting market participants. This work supports these industries interested in developing complex sustainable systems. It is also bene cial for both the Life Cycle Assessment (LCA) and Model-Based Systems Engineering (MBSE) communities. This work develops an MBSE methodology that supports the modelling and Simulation of the environmental aspect of a product from cradle-to-grave in early design stages, when changes are easy and incurred costs are low. It extends the V-Model to consider all life cycle stages and assigns a V for each stage. The left wing of the V, which represents early design stages, is separated with regard to the Requirements, Functions, Logic and Physics (RFLP) approach. The LCA stages are allocated to each level of the RFLP approach. This work demonstrates the methodology using a SysML model of the robot Engineering Living Systems in Automation (ELSA). The model encompasses all life cycle stages that are representative for cradle-to-grave. The results show that MBSE can support in managing the complexity, better understanding the problem, ease the communication of information and analysis throughout the life cycle of a product. The SysML Model provides a way to navigate through the different life cycle stages and hierarchies to study the system. One can go from a top-level perspective and further narrow the scope in order to identify the critical elements. Once a critical element is identifed, the traceability relationships other a chain, where in each step of it a possibility for changing the design is offered. This offers a way to analyze the life cycle of a product in early design stages, when incurred costs are low and changes are easy. Since the main focus of this work is to develop a methodology that shows WHAT to do, HOW to do it and demonstrate the HOWs using a tool. Due to the time constraint of a master thesis, the scope was compromised from one life cycle stage to another in order to include all stages that are representative for cradle-to-grave. Therefore, future work could validate the methodology in order to assess the effort needed to implement it and the benefit from it. Furthermore, the circular economy strategies could be integrated in future research in order to close the cycle from cradle-to-cradle.

Mit dem kontinuierlichen Anstieg der globalen Temperatur wird die Nachfrage nach Methoden, die die Entwicklung nachhaltiger Systeme unterstützen, immer wichtiger. Unter diesen Umständen sind Industrien gezwungen, nachhaltig zu werden, um im Wettbewerb mit ökologisch handelnden Marktteilnehmern bestehen zu können. Diese Arbeit unterstützt diese Industrien, die an der Entwicklung komplexer nachhaltiger Systeme interessiert sind. Außerdem ist sie sowohl für die Life Cycle Assessment (LCA)- als auch für das Modell-basierte Systems Engineering (MBSE)- Gemeinschaft von Nutzen. In dieser Arbeit wird eine MBSE-Methodik entwickelt, die die Modellierung und Simulation des Umweltaspekts eines Produkts von der Wiege bis zur Bahre in frühen Entwicklungsphasen unterstützt, wenn Designänderungen einfach und die anfallenden Kosten gering sind. Die Methodik erweitert das V-Modell, um alle Lebenszyklusphasen zu berücksichtigen und weist jeder Phase ein V zu. Der linke Flügel des Vs wird im Hinblick auf den Ansatz der Requirements, Functions, Logic und Physics (RFLP) aufgeteilt, dem die Phasen der LCA zugeordnet werden. Diese Arbeit demonstriert die Methodik anhand eines SysMLModells, das alle Lebenszyklusphasen umfasst, die von der Wiege bis zur Bahre repräsentativ sind. Die Ergebnisse zeigen, dass MBSE dabei helfen kann, die Komplexität zu bewältigen, das Problem besser zu verstehen, die Kommunikation von Informationen sowie die Analyse im gesamten Produktlebenszyklus zu erleichtern. Das SysML-Modell bietet eine Möglichkeit, durch die verschiedenen Lebenszyklusphasen und Hierarchien zu navigieren, um das System zu untersuchen. Man kann von einer Top-Level-Perspektive ausgehen und den Bereich weiter eingrenzen, um die kritischen Elemente zu identifizieren. Sobald ein kritisches Element identifiziert ist, bieten die Traceability-Beziehungen eine Kette, bei der in jedem Schritt eine Möglichkeit zur Änderung des Entwurfs angeboten wird. Auf diese Weise kann der Produktlebenszyklus in frühen Entwicklungsphasen analysiert werden, wenn die anfallenden Kosten gering und Änderungen einfach sind. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Methodik, die zeigt, WAS zu tun ist, WIE es zu tun ist und die das WIE mit Hilfe eines Werkzeugs demonstriert. Aufgrund der zeitlichen Beschränkung einer Masterarbeit wurde der Umfang von einem Lebenszyklusstadium zum anderen eingeschränkt, um alle Stadien, die von der Wiege bis zur Bahre repräsentativ sind, zu berücksichtigen. Daher könnte die Methodik in künftigen iv Arbeiten validiert werden, um den für ihre Umsetzung erforderlichen Aufwand und den damit verbundenen Nutzen zu bewerten. Darüber hinaus könnten die Strategien der Kreislaufwirtschaft in die künftige Forschung integriert werden, um den Kreislauf von der Wiege bis zur Wiege zu schließen.