Die Stoff- und Energieflussmodellierung ist ein Teilbereich des

Die Stoff- und Energieflussmodellierung ist ein Teilbereich des Energie- und
Stoffstrommanagements. Letzteres umfasst Analyse und Optimierung der Stoff und
Energieströme in einem System. Bei einem System kann es sich beispielsweise um eine ganze
Unternehmung oder lediglich um einen Automotor handeln. Das System muss jedoch nicht
abgeschlossen sein, denn meist geht es darum, In- und Output und den damit einhergehenden
Effekt auf umgebende Systeme zu analysieren.
Das Betreiben eines Energie- und Stoffstrommanagements kann entweder ökonomisch oder
ökologisch motiviert sein, wobei sich diese beiden Bereiche häufig überschneiden. Zum Beispiel
die Optimierung des Ressourcenverbrauchs hat einen positiven Einfluss auf die Umwelt, sowie auf
die Kosten einer Unternehmung.
Im Umfang der Stoff- und Energieflussmodellierung werden Material und Energieflüsse mithilfe
einer Modellierungssprache graphisch dargestellt. Dabei findet eine Abstraktion statt, welche den
Input und Output von einzelnen Komponenten erfasst. Dadurch kann eine Stoff- und
Energiebilanz erstellt werden. Dies kann für verschiedene Ebenen geschehen. Je nach
Anforderungen kann man ein Modell für den ganzen Betrieb, einen Prozess oder für ein Produkt
erstellen. Wird eine Bilanz für ein Produkt erstellt, nennt man dies auch Ökobilanz. Dabei werden
die Umwelteinwirkungen eines Produktes über den ganzen Lebensweg von der Produktion bis zur
Entsorgung analysiert.
Die Stoff- und Energieflussmodellierung kann zu verschiedenen Zwecken erstellt werden. Es
wurde bereits eine Unterscheidung nach ökonomischen und ökologischen Zielen genannt. Hier
werden diese noch genauer aufgegliedert. Wie bereits erwähnt, überschneiden sich diese Ziele
häufig und eine ökonomische Optimierung ist mit einer ökologischen Optimierung verbunden.
Ökonomische Ziele



Optimierung des Material und Energieverbrauchs
Steigerung des Wirkungsgrades und dadurch weniger Emission und Abfall
Transparenz für Management und Marketing
Ökologische Ziele



Verringerung des Ressourceneinsatzes
Verringerungen von Schadstoff-Emissionen und Abfall
Optimierung der Entsorgung
Für die Modellierung und graphische Darstellung werden verschiedene Modellierungsformen
verwendet. Das Vorgehen und die wichtigsten Modellierungstechniken werden im Folgenden
beschrieben.
Zuerst wird der Ist-Zustand des gewünschten Systems abgebildet. Handelt es sich um ein sehr
komplexes System, muss ein geeigneter Abstrahierungsgrad gefunden werden oder man erstellt
ein Modell mit mehreren Abstraktionsstufen. Bei der Modellierung müssen immer die
Zielsetzungen berücksichtigt werden. Denn einerseits soll das Modell nicht zu komplex werden,
aber andererseits müssen die nötigen Informationen darin abgebildet sein.
Sobald der Ist-Zustand erstellt wurde, kann man Schwachstellen identifizieren und gegebenenfalls
einen Soll-Zustand planen. Softwaretools können dabei durch eine Simulation zeigen, ob der
gewünschte Effekt eintritt.
Für die logische Modellierung wird meist ein sogenanntes Stoffstromnetz erstellt. Stoffstromnetze
sind bauen auf einem Petri-Netz auf, sind aber für das Modellieren von Energie- und Stoffströmen
angepasst. Im Folgenden werden kurz die einzelnen Modellelemente beschrieben, wie sie in der
Software Umberto vorkommen:
Transitionen
Eine Transition definiert eine Umwandlung (Transformation) von Energie und/oder
Stoffen. Dementsprechend hat eine Transition immer einen Input und einen Output.
Stellen
Eine Stelle ist ein Ort, an dem Stoffe oder Energie gelagert oder verteilt werden. Es werden
verschiedene Stellen unterschieden:
Input
Definiert Energie und Stoffflüsse, welche dem System zugeführt werden.
Output
Definiert Energie und Stoffflüsse, welche das System verlassen.
Lager
Ein Lager befindet sich im Innern des Systems. Es hat einen Bestand, welcher durch Zuund Abflüsse verändert wird.
Connection
Da ein direktes Verbinden von Transitionen nicht erlaubt ist, gibt es die Verbindungsstelle.
Diese leitet die Inputs direkt an die nächste Transition weiter und hat keine Lagerfunktion.
Verbindungen (Kanten)
Die Verbindungen stellen Transitionen und Stellen in Bezug zueinander. Eine Verbindung hat eine
Richtung, welche durch eine Pfeilform visualisiert wird. Eine Verbindung muss immer zwischen
Transition und Stelle (oder Umgekehrt) verlaufen.
Beispiel
Das nachfolgende Beispieldiagramm soll die Modellierungstechnik veranschaulichen. Es handelt
sich um ein Modell, welches die Stoff- und Energieflüsse beim Teeaufkochen aufzeigt.
Sankey Diagramme sind besonders geeignet um Stoff- und Energieflüsse zu visualisieren und
einen Überblick zu verschaffen. Die Flüsse werden durch Pfeile dargestellt. Die Breite dieser Pfeile
gibt dabei Auskunft über den prozentualen Anteil der Flussmenge.
Anders als Stoffstromnetze sind Sankey-Diagramme keinen formalen Regeln unterstellt und
eignen sich deshalb weniger zur Modellierung und Analyse eines Systems, sondern eher zur
vereinfachten Darstellung.
Beispiel
Das folgende Beispiel zeigt ein Sankey-Diagramm der Energieflüsse eines Haushaltes:
(Quelle: Wikipedia)
Bei Umberto handelt es sich um eine Software zur Stoff- und Energieflussmodellierung und
Analyse. Die Software wird von der Deutschen Firma ifu Hamburg GmbH vertrieben. Umberto
befindet sich derzeit auf der Version 5.
Umberto bietet einen grossen Funktionsumfang. Die wichtigsten Funktionen werden
Anschliessend kurz beschrieben:
Modellierung
Die Modellierung wird mittels Stoffstromnetzten erstellt. Auch eine einfache Form von SankeyDiagrammen wird unterstützt.
Materialliste
Für die Modellierung benötigte Materialien lassen sich mit ihren Eigenschaften erfassen und
verwalten.
Bilanzen und Ökobilanzen
Bilanzen und Ökobilanzen lassen sich automatisch errechnen und graphisch auswerten.
Kostenrechnung
Kosten- und Kostenträgerrechnung wird von Umberto ebenfalls unterstützt. Dadurch werden
auch rein ökonomische Ziele abgedeckt.
Schnittstellen
Umberto kann direkt an ein ERP-System angebunden werden und somit Daten automatisch
erfassen.
Skripte und Customizing
Zusätzliche Funktionalitäten lassen sich per Script einbinden. Dazu lässt sich Umberto auch auf die
eigenen Bedürfnisse anpassen (Customizing).
Umberto bietet eine umfangreiche Softwarelösung, welche als Umweltinformationssystem dient.
Sind die betrieblichen Prozesse einmal im System abgebildet und relevante Daten über
Schnittstellen automatisch eingebunden, kann das System langfristig als Informationssystem
eingesetzt werden. Es wird ersichtlich, ob verfolgte Ziele erreicht werden und ob Änderungen die
gewünschten Effekte bringen. Schwachstellen können im Modell identifiziert und neu geplant
werden.
Das System muss aber nicht langfristig eingesetzt werden. Es kann auch einmalig zur Planung und
Optimierung verwendet werden. Dies ist weniger aufwändig, allerdings nicht so
erfolgsversprechend wie eine langfristige Integration.
Softwarelösungen, wie Umberto, ermöglichen die Modellierung von Systemen und anschliessend
die Analyse der Auswirkungen auf andere Systeme. Dies kann viel zur nachhaltigen Nutzung und
Entwicklung beitragen. Da viele Systeme sehr komplex und datenintensiv sind, ist die
Softwareunterstützung ein logischer Schritt. Mit zwei Beispielen soll der Einsatz von einem
Softwaretool wie Umberto für die nachhaltige Nutzung und Entwicklung veranschaulicht werden.
Ein Industrieunternehmen möchte den Produktionsprozess analysieren und eine Prozessbilanz
errechnen. Die Unternehmung hat sich zum Ziel gesetzt, den Material- und Energieverbrauch zu
minimieren. Die Energie, die für die Produktion benötigt wird, soll aus nachhaltigen Quellen
stammen.
Abgesehen von Kostenvorteilen beim Einsparen von Energie und Material, kann das Unternehmen
die gesammelten Daten auch fürs Marketing verwenden und das Umweltbewusstsein der Kunden
ansprechen.
Eine Staatengemeinschaft möchte den CO2 Ausstoss global soweit verringern, dass auch
zukünftige Generationen keine Probleme mit Klimaerwärmung und Luftqualität bekommen. Die
gewaltige Datenmenge und Systemkomplexität kann mittels einer Softwarelösung modelliert und
langfristig analysiert werden. Entwicklungen können über Jahre hinweg gemessen und Bilanziert
werden. Diese Daten geben Aufschluss darüber, ob gesetzte Ziele erreicht wurden und wo
gegebenenfalls nachgebessert werden muss.
Immer mehr Unternehmen betreiben ein aktives Nachhaltigkeitsmanagement. Sie haben
gemerkt, dass eine nachhaltige Nutzung von Ressourcen und eine Optimierung der
Verarbeitungsprozesse nicht zu einem ökonomischen Nachteil führen muss. Zudem werden die
Konsumenten immer umweltbewusster, was auch ein Umdenken der Unternehmen erfordert.
Softwarelösungen, wie Beispielsweise ERP-Systeme, welche die betrieblichen Prozesse
unterstützen, haben sich schon lange durchgesetzt. Informationssysteme für das
Nachhaltigkeitsmanagement sind jedoch immer noch Nischenprodukte. Grosse Softwareanbieter
wie SAP signalisieren jedoch eine Trendwende und beginnen mit der Vermarktung von neuen
Softwaresystemen zum Nachhaltigkeitsmanagement. Durch eine enge Verknüpfung mit den
bereits existierenden Systemen, lässt sich die Effektivität der Lösungen wesentlich steigern. Die
Stoff- und Energieflussmodellierung wird dabei immer ein Teilbereich dieser Softwarekategorie
sein.
Behörden und andere Organisationen setzen Software als Informationssysteme zur Nachhaltigkeit
bereits seit längerer Zeit ein. Aber auch sie können von neuen Innovationen in diesem Bereich
profitieren.
Frauenhofer Institut für Materialfluss und Logistik (2010): LOGISTIK FÜR RESSOURCEN UND
RESSOURCENMANAGEMENT. Dortmund
Lorie A. Wagner (2002): Materials in the Economy - Material Flows, Scarcity, and the Environment.
Denver: US Department of the Interior
Schmidt, Schorb (1995): Stoffstromanalysen in Ökobilanzen und Öko-Audits. Berlin: Springer
Verlag
SAP (2010) : EBook zur Nachhaltigkeit,
http://www.sap.com/germany/solutions/sustainability/index.epx
Wikipedia (2011): http://de.wikipedia.org/wiki/Energie-_und_Stoffstrommanagement
Umberto Homepage (2011): http://www.umberto.de/
ifu Hamburg GmbH: Umberto Bedienungsanleitung
ifu Hamburg GmbH: Umberto Schulungsfolien

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