Die Bedeutung der funktionsbasierten Charakterisierung von Flächen-Inanspruchnahmen in industriellen
Prozesskettenanalysen
– ein Beitrag zur Ganzheitlichen Bilanzierung –
Eingereicht bei der Fakultät Verfahrenstechnik und Technische Kybernetik der Universität Stuttgart
zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
vorgelegt von Martin Baitz
Braunschweig
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. P. Eyerer Mitberichter: Prof. Dr.rer.pol. habil. Ing. T. Fischer
Tag der Prüfung: 25.07.2002
Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde Universität Stuttgart
2002
D 93 (Diss. Universität Stuttgart)
Shaker Verlag Aachen 2002
Martin Baitz
Die Bedeutung der funktionsbasierten
Charakterisierung von Flächen-Inanspruchnahmen in industriellen Prozesskettenanalysen
- ein Beitrag zur Ganzheitlichen Bilanzierung -
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Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Baitz, Martin:
Die Bedeutung der funktionsbasierten Charakterisierung von Flächen-Inanspruchnahmen in industriellen Prozesskettenanalysen - ein Beitrag zur Ganzheitlichen Bilanzierung - / Martin Baitz.
Aachen : Shaker, 2002
(Berichte aus der Umwelttechnik) Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2002 ISBN 3-8322-0780-5
Copyright Shaker Verlag 2002
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs- anlagen und der Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany.
ISBN 3-8322-0780-5 ISSN 0945-1013
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Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Ganzheitliche Bilanzierung am Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde der Universität Stuttgart. Die Mitwirkung in der internationalen Arbeitsgruppe 2 „Best Available Practise in Life Cycle Impact Assessment“, der Society of Environmental Toxicology and Chemistry 1998 bis 2001, die sich mit offenen Fragestellungen zur Prozesskettenanalyse beschäftigte, motivierte und beeinflusste die Arbeit durch zahlreiche Diskussionen zusätzlich.
Dem Leiter des Instituts für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde, Herrn Prof. Dr.-Ing. P.
Eyerer danke ich für die Übernahme des Erstgutachtens, die Begleitung der Arbeit, sein uneingeschränktes Vertrauen und den Freiraum zur Durchführung dieser Arbeit. Besonders Unterstreichen möchte ich den Mut und die Beständigkeit zur Umsetzung und Unterstützung einer interdisziplinären Gruppe, in der ich ein kreatives, vielseitiges Umfeld vorfinden durfte, das wesentlich zum Gelingen der Arbeit beitrug.
Herrn Prof. Dr. rer. pol. habil. Ing. T. Fischer danke ich herzlich für das der Arbeit entgegengebrachte Interesse, die wertvollen Hinweise und Denkanstöße, sowie für die freundliche Übernahme des Mitberichts.
Besonderer Dank gilt meinen Kollegen. Die zahlreichen Diskussionen vor verschiedenen fachlichen Hintergründen, inspirierten mein Arbeiten maßgeblich. Die Begeisterungsfähigkeit und die Beharrlichkeit in der Beleuchtung vielschichtiger Thematiken durch die Kollegen am IKP und dem Kooperationspartner PE Europe GmbH, waren eine große Hilfe bei der Umsetzung meiner Ideen. Hervorheben möchte ich Herrn Dipl.-Ing. Johannes Kreißig und Herrn Dipl.-Geoökol. Marc Wolf für die vielen konstruktiven Diskussionen, die eine wertvolle Unterstützung beim wissenschaftlichen Arbeiten waren. Ebenso möchte ich mich besonders bei Frau Dr. Ulrike Schuckert und Herr Dr.-Ing. Thorsten Volz bedanken, die durch wertvolle Kommentare, Kritiken und Anregungen zum Gelingen der Arbeit beitrugen.
Frau Wanda Geisler, Frau Nina Bürk und Frau Gabriele Schulz danke ich für die orthographischen Korrekturlesungen. Nicht zuletzt möchte ich meinen Eltern danken, die mir das Studium und somit auch diese Arbeit erst ermöglicht haben.
Stuttgart, im August 2002 Martin Baitz
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Widmung:
Horst und Hilde zum Gedenken;
meinen Eltern zum Dank und
Tim in Hoffung auf die Zukunft.
Es gibt keine großen Entdeckungen und Fortschritte, solange es noch ein unglückliches Kind auf Erden gibt.
(Albert Einstein, 1879 - 1955)
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Kurzfassung
Aspekte der Beeinträchtigung ökologischer Funktionen durch eine Flächennutzung von Prozessen und Verfahren der industriellen Produktion werden bisher in der Ganzheitlichen Bilanzierung nicht erfasst. Die Quantifizierung der Auswirkungen von Flächennutzungen rückt in Politik, Gesellschaft und Wissenschaft - nicht zuletzt bei der Analyse von Prozessketten - immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses. Die Entscheidungsfindung soll um Kenngrößen der ökologischen Auswirkungen von Flächennutzung erweitert werden.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Methodik zur Integration der ökologischen Charakterisierung von „Flächen-Inanspruchnahmen“ in industrielle Prozesskettenanalysen. Die Modellierung der „Flächen-Inanspruchnahmen“ und deren Integration ist an die Methode der Ganzheitlichen Bilanzierung angepasst.
Die Beschreibung der ökologischen Wirkungen basiert auf den Einflüssen einer Flächennutzung auf die naturhaushaltlichen Funktionen der beanspruchten Naturräume. Da Naturräume biotische und abiotische natürliche Funktionen erfüllen, die durch die Nutzung in ihrer Qualität beeinflusst werden, wird nicht auf Einzelindikatoren fokussiert, sondern es wird ein Spektrum natürlicher Funktionen einbezogen.
Die Größe „Flächen-Inanspruchnahmen“ erfasst dabei neben den Funktionen, die Ausdehnung des Flächenbedarfs und den zeitlichen Verlauf der Flächennutzung, sowie den Bezug auf ein Referenzsystem zur Quantifizierung der lokalen Funktionsbeeinträchtigungen.
Je nach Untersuchungsgegenstand und Ziel einer Analyse sind mit der Methode regionale und lokale Differenzierungen der ökologischen Auswirkungen in verschiedenen Detaillierungsgraden möglich.
Anhand der Methode wird es neben der Identifizierung von Schwachstellen und Optimierungspotenzialen in Prozessketten auch ermöglicht, flächenbezogene Tragfähigkeiten von neuen Produkten und Prozessen einzuschätzen.
Aus der Fülle der unterschiedlichen Flächen-Inanspruchnahmen einer Prozesskette ist es möglich, die bezüglich einer Optimierung effektivsten oder einer Limitierung sensibelsten Flächen zu identifizieren.
Abstract
Land is a limited resource. Effective utilisation should be the objective of sustainable administration and strategic management. This opinion is not only widely accepted within scientific and political interest groups (e.g. [1, 2, 3]), but also in companies in the "land requirements equal costs and environmental effects" equation and in society as a whole.
Agenda 21 is just one example of the demand for the sustainable utilisation of natural resources. Here, land use or the destruction of natural habitats on earth plays a central role [4].
Damage to ecological functions through the use of land by industrial production processes and procedures has not yet been incorporated in life cycle engineering. But interest is increasingly focusing on the quantification of the effects of land use. And benchmark figures for how land use affects the ecology are now being included in decision-making.
This study is concerned with developing a method for integrating the ecological characteristics of "land usage" in industrial process-chain analyses. The model has been adapted to the method of life cycle engineering. It was motivated by the lack of methods able to satisfy the following fundamental demands:
• The possibility of applying them to various processes within the process chain
• The ability to record the most significant obstacles to land use
• Linear scalability of the values for the function obstacle
• The ability of adding up the process chain values in life cycle engineering
• Characterisation of the obstacles to life cycle engineering
• Consideration of regional local ratios
• Availability or derivability of data
The description of the ecological effects is based on the influences that land use has on natural budgeting functions. Due to the fact that natural biotic and abiotic functions are affected, this study does not focus on individual indicators, but deals with the effects of a range of natural functions.
Besides these functions, "land usage" includes the extension of land use and land use over time and places them in relation to a reference system and quantifies a potential. Depending
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on the analysis' focus and objective, the method enables regional and local distinctions in regard to the effects on the ecology to be made in varying degrees of detail.
It is not the method's task to place a value on the absolute quality of a natural area or piece of land. The absolute effect at local level under specific conditions may be determined with existing methods (e.g. geo-ecology). But these in turn are not able to quantify the effects within process chains and make them comparable.
It is rather the aim of these methods to make the generation of statements about weaknesses and potential for optimisation and assessments of the feasibility of new products and processes possible. From the wealth of different types of land usage within a process chain, the new method is aimed at enabling the identification of the most effective optimisation approaches as well as the most sensitive areas where limitation is concerned. An overview of the interrelationships covered by this model:
• The total size of the area required by the process
• The size of the partial areas used or required in the same way
• The dependencies over time of measures in regard to the duration and the time of the measure
• Quality obstacles caused by effects on the behaviour of the area in regard to the ecological system's functions
Fundamentally, the model is aimed at answering the following questions:
• When does use commence?
• How was the area used before the measure?
• What kind of use is concerned?
• What is the duration of this use?
• What are the anticipated effects on land usage?
• What properties does the area possess after use?
• What is the quality of the area after its regeneration?
• How must the effects be regarded compared with the other ecological effects?
The procedure is divided into:
a) Determination of basic data (place, size of the area, types of vegetation, sealing, inclination, product output over time and subsequent measures of use)
b) Determination of the functions to be analysed (depending on the study's objective) c) Determination of the land-use benchmarks over time
d) Division of land usage into partial areas with comparable types of use, vegetation or types of surface at the time benchmarks
e) Determination of the number of points in time over the entire duration of the measure at which quality values must be calculated
f) Supplementation of basic data by specific information
g) Calculation of all parameters of the selected function for all partial areas via scientific interrelationships at the selected points in time
h) Calculation of all parameters of the selected functions for the entire area at the selected points in time through aggregation of the partial areas' function potentials i) Integration of the functions for the entire area over time
j) Placing the result in relation to the reference system k) Classification, characterisation, normalisation and weighting
The calculation of the parameters for the entire area may show that the choice of the benchmark figures for time or the determination of the number of points in time was insufficient thus making an iteration step necessary.
Information about regional circumstances and specific data may be used directly in the method and the individual situation of each location may be mapped. If such data is not available, estimates based on stored information and interrelationships may be used.
The benefit is that it becomes possible to apply the method on a specific basis. On the one hand, analyses may be carried out using very specific information with greater data-collation effort, but with greater precision. On the other, a lack of detailed information does not make analyses impossible because unavailable facts may be estimated if a certain degree of imprecision is taken into account.
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Inhalt
KURZFASSUNG ...7
ABSTRACT ...8
INHALT ...11
NOMENKLATUR...13
1 EINFÜHRUNG ...17
1.1 EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG...17
1.2 VORGEHENSWEISE UND ZIELSETZUNG...19
2 GRUNDLAGEN ...22
2.1 GRUNDLAGEN DER GANZHEITLICHENBILANZIERUNG...22
2.2 LANDSCHAFTSÖKOLOGISCHEGRUNDLAGEN...26
3 STAND DER TECHNIK ...30
3.1 DEFINITIONEN...30
3.2 REFERENZSITUATION...32
3.3 ZEITLICHEAUFLÖSUNG...33
3.4 RÄUMLICHEAUFLÖSUNG...33
3.5 QUANTIFIZIERUNG DERQUALITÄTSÄNDERUNG DER FLÄCHENNUTZUNG...34
3.5.1 Klassifikationsmethoden...34
3.5.2 Indikatormethoden...36
3.5.3 Bedeutung der Flächen-Inanspruchnahme in der Verfahrenstechnik...41
4 MODELL- UND METHODENENTWICKLUNG ...43
4.1 ANFORDERUNGEN UND GRENZEN DERMODELLBILDUNG...43
4.1.1 Generelle Anforderungen ...43
4.1.2 Spezielle Anforderungen...43
4.1.3 Grenzen des Modells ...44
4.2 STRUKTUR DES MODELLS...45
4.3 MATHEMATISCHESMODELL...49
4.4 PARAMETER DERFUNKTIONSERFÜLLUNGEN DER FLÄCHE...58
4.4.1 Erosionswiderstandsfunktion...59
4.4.2 Filter-, Puffer- und Transformationsfunktion...64
4.4.3 Grundwasserfunktion...69
4.4.4 Abflussregulationsfunktion ...73
4.4.5 Biotisches Ertragspotenzial ...73
4.4.6 Immissionsschutzfunktion ...76
4.4.7 Ökotopbildungsfunktion...77
4.4.8 Weitere Funktionen und Potenziale von Naturräumen ...80
4.5 OPERATIONALISIERUNG...82
5 EXEMPLARISCHE MODELLIERUNG ...90
5.1 PETROCHEMISCHEPOLYAMID4.6-HERSTELLUNG...90
5.2 POLYAMID4.6-HERSTELLUNG AUS NACHWACHSENDENROHSTOFFEN...91
5.2.1 Flächenbedarfsermittlung der Prozesskette ...93
5.2.2 Ermittlung der Funktionsbeeinträchtigungen ...97
5.2.3 Ergebnisse und Interpretation ...107
5.2.4 Vergleich zur bisherigen Vorgehensweise...110
5.2.5 Fehlerbetrachtung ...111
6 ZUSAMMENFASSUNG...112
6.1 MÖGLICHKEITEN UND GRENZEN...112
6.2 AUSBLICK...113
LITERATUR ...115
ANHANG A...128
ANHANG B...145
ANHANG C...161
