Umweltmanagementinformationssysteme (Übung) 4. Stoffstromnetze - am Beispiel Umberto Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 1

Modellbildung Warum überhaupt Modellbildung? Vereinfachte Darstellung des Systems (der Realität) Untersuchungen am Modell und schließlich die Übertragung der Ergebnisse auf das reale System Beispiele: Entity-Relationship-Modell (ERM) Organigramm Ereignisgesteuerte Prozesskette (EPK) Wertschöpfungskette Aktivitätsdiagramm Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 2

Stoffstromnetze (SSN) spezieller Modellierungsansatz, basierend auf der Methodik von Petri-Netzen Darstellung von Stoffstromsystemen (d.h. von Stoff- und Energieströmen) Grundlage für die Aufstellung von Ökobilanzen Anwendungsmöglichkeiten: Produkt- und Betriebsbilanz keine Unterscheidung von Stoffen und Energien in SSN (einziger Unterschied durch die verschiedenen Maßeinheiten kg und kJ) Petri-Netze: Darstellung: Stoffstromnetze liefern für eine bestimmte Betrachtungsperiode und bei gegebenen Anfangsbeständen Aussagen darüber, welche Stoff- und Energieströme in einem System wo fließen und welche Endbestände daraus resultieren. Diese Daten können im Rahmen einer Stoffstromanalyse weiterverarbeitet werden. System: Produktionsstätte oder auch Phase des Produktlebenszyklus Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 3

Stoffstromnetze (II) Es gibt zwei Vorgänge in Stoffstromnetzen: Umwandlung von Material und die Lagerung von Material Elemente von Stoffstromnetzen: Transitionen: ist gleichzusetzen mit einem Prozess bei dem eine Umwandlung (stoffliche Transformation und räumliche Umwandlungsprozess) stattfindet Input -> Umwandlung (von Stoffen und Energien) -> Output Die Prozesse zur Umwandlung von Materialien: Transport von Gütern ist auch eine Umwandlung Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 4

Stoffstromnetze (III) Stellen: ist gleichzusetzen mit einem Lager (Zustand) hier erfolgt keine Umwandlung Verschiedene Funktionen: Systemgrenzen (Input- und Output-Stellen), Verbindung (Connection-Stellen) oder Lager (Storage-Stellen) Verbindungen: Materialströme zwischen Prozess und Lagerung (Verbindung zwischen Stellen und Transitionen) Regeln: Verbindung zwischen gleichartigen Netzelementen ist nicht gestattet Stoff- und Energieströme fließen entlang der Verbindung Fluss in umgekehrte Richtung ist nicht zulässig Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 5

Umberto® - allgemein Software zur Modellierung, Berechnung, Visualisierung und Bewertung von Stoff- und Energieflüssen Datenbanksystem mit einer grafischen Benutzeroberfläche Konzept der Stoffstromnetze bildet die Basis Einsetzbar für unterschiedliche Anwendungsbereiche (durch den Einsatz einer allgemeinen Methodik zur Modellierung und Untersuchung) Funktion und Struktur der Anwendung werden ausschließlich dieser allgemeinen Methodik bestimmt. Alle anwendungsspezifischen Aspekte werden durch den Datenbestand bestimmt, auf dem das Programm arbeitet. Es besteht eine klare Trennung zwischen dem anwendungsunabhängigen Programm und dem anwendungsbezogenen Datenbestand. Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 6

Umberto® - Elemente Verbindung Stellen Transitionen Darstellung Connection-Stellen Storage-Stellen Output-Stellen Input-Stellen Stellen Transitionen Darstellung Elemente T1 P1 Aufgrund der unterschiedlichen Funktionen von Stellen, wir in Umberto zwischen vier verschiedenen Stellentypen unterschieden: Input/Output: Wichtige Funktion = ein Stoffstromnetz nach außen begrenzen, sie sind die Berührungspunkte zu den Vorgängern, die außerhalb des abgebildeten Realitätsausschnitt liegen Wenn Materialien von außerhalb der Systemgrenzen in das System zufließen, geschieht dies an der Stelle des Typs „Input“ Wenn Materialien über die Systemgrenzen nach außen abgegeben werden, geschieht dies an der Stelle des Typs „Output“ Storage: Entspricht einem Lager für Stoffe und Energie; hineinfließende Materialien werden zu Beständen akkumuliert, abfließende Materialien werden dem Bestand abgezogen Wenn Bestand kleiner als für den Prozess benötigt, kann dieser nicht mehr ablaufen und die Berechung der Stoffströme kann nicht abgeschlossen werden Connection: Orte, an denen Material nur durchfließt und keine tatsächliche Lagerung erfolgt Funktion: zwei aufeinander folgende direkt gekoppelte Prozesse ohne dazwischenliegende Lagerung zu modellieren (Übergang vom Output des einen Prozesses zum Input des folgenden Prozesse) Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 7

Umberto® - Aufbau von Stoffstromnetzen Entscheidung über Umfang und Detaillierungsgrad von Stoffstromnetzen: Welche Vorgänge müssen berücksichtigt werden? Welche Materialien müssen berücksichtigt werden? Welche Prozesse müssen bzw. können in Teilprozesse zerlegt werden? Wie exakt muss das Verhältnis von Input und Output von Umwandlungsprozessen betrieben werden (lineares vs. nicht-lineares Verhältnisse) Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 8

Umberto® - Regeln der Modellierung Regeln (siehe Umberto®-Handbuch): Bei jeder Transition muss min. eine Verbindung beginnen oder eine Verbindung enden. Bei Stellen kann eine jeweils beliebige Anzahl von Verbindungen beginnen und enden. Jede Verbindung verknüpft genau eine Stelle und eine Transition, Verzweigungen von Verbindungen sind nicht zulässig. Verzweigungen oder Zusammenführungen von Stoffströmen sind nur an Stellen und Transitionen zulässig. Keine Verbindung zwischen zwei gleichartigen Netzelementen (immer abwechselnd) Zyklen in den Wegen der Verbindungen sind zulässig. Die Ränder der Netzstruktur werden durch Stellen abgebildet. Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 9

Umberto® - Beispiel SSN Wie würde nun laut der Regeln die einfachste Ausprägung eines SSN aussehen??? Hinweis: Blackbox (Vergröberung) Whitebox (Verfeinerung)  Input- und Output-Stellen des Netzes müssen bei der Verfeinerung bzw. Vergröberung beibehalten werden. Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 10

Umberto® - Beispiel SSN (II) Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 11

Umberto® - Materialien Material als Oberbegriff für alle Stoffe und Energieformen Darstellung sämtlicher Materialien in einer Materialliste beliebige Stoffkombination und –zusammensetzung (Bsp. Abfälle  Verpackungsabfall, Verschnitt, Ausschuss, …) Basiseinheiten je Material Stoffe (deren Masse bestimmt werden kann): kg Energie: kJ Materialeigenschaften weitere Einheiten wie z.B. Stück, kWh, t, … Technische, ökonomische und ökologischen Eigenschaften wie z.B. Dichte, Gefahrenklasse oder Preis pro Einheit Materialien werden durch ihre Bezeichnungen identifiziert gleiche Bezeichnung = dasselbe Material Strukturierung durch eine Materialhierarchie, z.B. nach Rohstoffen, Abfällen, Emissionen,… Eigenschaften des Materials angeben: Zu jedem Material können jedoch von den Basiseinheiten ausgehend beliebige spezifische Maßeinheiten mit den notwendigen Umrechnungsfunktionen definiert werden. Diese Einheiten sind bei der Eingabe und der Anzeige von Werten in Verbindung mit dem jeweiligen Material nutzbar. Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 12

Umberto® - Materialien (II) Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 13

Umberto® - Spezifikation von Elementen Spezifizierung der Netzelemente erfolgt durch weitere Angaben  vorhandene bzw. fließende Materialien und deren Menge Transitionen: Welches Material kommt von welcher Input-Stelle? Welches Material wird an welche Output-Stelle abgegeben? Beziehung zwischen zu- und abfließenden Materialien und ihren Mengen Struktur alleine reicht nicht für die Erstellung einer Ökobilanz  Spezifikation Transition: Beziehungen können linear oder nicht-linear sein Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 14

Umberto® - Spezifikation von Elementen (II) Stellen: Anfangsbestand der Materialien (welche Materialien mit welcher Menge) Verbindungen: Welches Material fließt in welcher Menge (in Bezug auf den Betrachtungszeitraum)? Restriktion: nur positive Werte sind zulässig Es ist nicht notwendig, für jedes Element in einem SSN eine vollständige Spezifikation anzugeben! Ziel der Spezifikation: alle Stoffströme im Netz entweder unmittelbar bekannt sind (eingegeben durch den Benutzer) oder aus den vorhandenen Spezifikationen berechnet werden können. Unterspezifiziert Überspezifiziert Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 15

Umberto® - Berechnungen Ziel: Bestimmung von unbekannten Materialströmen mithilfe von bekannten Materialströmen und den Spezifikationen A1 A2 Welche Materialien verlassen das System, wenn eine bestimmte Menge von Stoffen und Energien hineingeführt wird Wie viel Stoffe und Energien werden benötigt, um eine bestimmte Menge Material zu erzeugen? Bsp.: Transition: [Flussmenge von Material in A1] = [Flussmenge von Material A2]*4 Unter welchen Bedingungen ist die Berechnung dieses Stoffstromnetzes möglich? Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 16

Umberto® - Beispiel “Tee” der Demo-Version Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 17

Aufgabe Entwicklung eines Stoffstromnetzes unter Benutzung der Netzelemente von Umberto® : Darstellung eines selbst gewählten Prozesses zum Fertigen von Produkt X. mindestens drei Transitionen (ohne Transport) Beschreibung der Transitionen und der Stellen (z.B. Koeffizienten, Input und Output) max. 2 Studenten pro Stoffstromnetz Darstellung der Ergebnisse in der nächsten Übung (12.12.07) Hinweis: eventuell Benutzung der Umberto® -Demoversion Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 18

Quellen Möller, A.; Rolf, A. (1995), Methodische Ansätze zur Erstellung von Stoffstromanalysen unter besonderer Berücksichtigung von Petri-Netzen. in: Schmidt, M./Schorb, A. (Hrsg.), Stoffstromanalysen – in Ökobilanzen und Öko-Audits. Berlin – Heidelberg, 33-58. Umberto®-Tool Umberto®-Handbuch Internet: www.umberto.de Umweltmanagementinformationssysteme (Übung)  WS 07/08  Sven Lindenhahn  Arbeitsgruppe MIS  14.11.2007  Seite 19