Was ist Stoffstrommanagement?

„Stoffstrommanagement ist das zielorientierte, verantwortliche, ganzheitliche und effiziente Beeinflussen von Stoffströmen oder Stoffsystemen, wobei die Zielvorgaben aus dem ökologischen und ökonomischen Bereich kommen. Die Ziele werden auf betrieblicher Ebene, in der Kette der an einem Stoffstrom beteiligten Akteure oder auf der staatlichen Ebene entwickelt." [12, S. 337]

Ziele des Stoffstrommanagements

Die Ziele des Stoffstrommanagements liegen sowohl im ökonomischen Profit als auch im Umweltschutz [1]. Sie können auf nationaler, regionaler und betrieblicher Ebene formuliert werden. Nachfolgend wird ausschließlich auf das betriebliche Stoffstrommanagement eingegangen. Dort liegen die Ziele in erster Linie bei der Quantifizierung von Material- und Energieströmen und darauf basierend einer Optimierung von Produktionsprozessen sowie der Steigerung von Energie- und Materialeffizienz. Damit zusammenhängende Ziele umfassen die Senkung betrieblicher Kosten und das Vermeiden beziehungsweise Verringern von Emissionen und Abfällen sowie das Erhöhen von Recyclingquoten. [3] Im Rahmen der Stoffstromanalyse werden diese Ziele innerhalb des Betriebs weiter konkretisiert und priorisiert, um eine betriebliche Entscheidungsunterstützung zu ermöglichen. Das für die Stoffstromanalyse gewählte Ziel definiert den Umfang der Analyse und den Detaillierungsgrad der Datenerhebung. Es sollten daher zuerst alle Stoffströme an der Betriebsgrenze mittels einer Grobanalyse erfasst werden, um einen ersten Überblick zu gewinnen.  [2, S. 19]

Ein weiteres Instrument, um eine Abschätzung ökologischer Folgen von Prozessen und Produkten vorzunehmen, ist die Methode der Ökobilanzierung. Diese knüpft an die Energie- und Stoffstromanalyse an und ist in der Regel deutlich umfangreicher und aufwendiger. In einer Ökobilanz wird basierend auf Input- und Outputströmen eine Sachbilanz erstellt und aus dieser werden dann mithilfe von Umweltindikatorwerten potenzielle Umweltwirkungen errechnet. Ziel einer Ökobilanz ist zumeist, Verbesserungspotenzial von Prozessen, Stoffen und Produkten ausfindig zu machen, sodass die Umweltwirkungen minimiert werden können. [11, S. 38]

Methodik der Stoffstromanalyse

Wie im ersten Abschnitt erklärt, ist ein Kernwerkzeug des Stoffstrommanagements die Stoffstromanalyse (Synonyme: Stoffflussanalyse, Materialflussanalyse, substance flow analysis, material flow analysis [4]. Im Folgenden wird erklärt, wie diese aufgebaut ist.

Beispielhafte Vorgehensweise bei der Stoffstromanalyse

1.      Grobanalyse auf Betriebsebene

Der erste Schritt besteht üblicherweise in der Grobanalyse. Dazu bietet sich beispielsweise eine Input-Output-Analyse an. Sie stellt die Frage, wie effizient Energie und Material im Betrieb genutzt werden. Mithilfe von Daten aus allen betreffenden Abteilungen werden dabei die Input- und Outputmengen sowie die entsprechenden Kosten ermittelt. So lässt sich der Wert der eingesetzten Ressourcen mit den entstehenden Produkten und Abfallströmen direkt vergleichen. [2, S. 14] Als Input berücksichtigt werden hier üblicherweise die verwendeten  Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe und die notwendige Energie. Der Output umfasst das Produkt an sich sowie die Reststoffe, den Ausschuss und die entstehenden Emissionen. [5, S. 2] Durch die Implementierung einer Zero-Waste-Strategie können die anfallenden Reststoffe und der Ausschuss im Unternehmen minimiert werden. Die Input-Daten lassen sich in erster Näherung häufig aus dem Controlling bestimmen, die Output-Daten mithilfe von Produktionsstatistiken und Rechnungen ermitteln. Emissionsdaten können anhand von Abgas- oder Abwasseranalysen ermittelt werden, Abwärme über den Wirkungsgrad. [2, S. 15]

Input-Output-Analyse Veranschaulichtung [5], eigene Darstellung


Die Ergebnisse werden verwendet, um anschließend eine Priorisierung der Einsparziele vorzunehmen. Hier kann eine ABC‑Analyse helfen. Dabei handelt es sich um eine einfache, qualitative Analyse-Methode zur Abgrenzung von grundlegenden Stoffen, Prozessen, Produkten oder Emissionen und weniger wichtigen bzw. unwesentlichen Untersuchungsgegenständen. Die zu untersuchenden Sachverhalte werden nach unterschiedlichen Kriterien, die die Ressourceneffizienz betreffen (z. B. Ausschuss, Energieeinsatz, Recyclingfähigkeit) bewertet und in folgende Kategorien eingeteilt: A = sehr wichtig, B = wichtig, C = unwichtig. [2, S. 16] Damit lassen sich konkrete Ziele für die Stoffstromanalyse eines Betriebes formulieren.

2.      Festlegung des Untersuchungsrahmens

Als Nächstes wird der Bilanzraum der Stoffstromanalyse festgelegt. Für eine betriebliche Stoffstromanalyse sollte nicht der gesamte Betrieb, sondern es sollten nur ausgewählte Prozessabläufe (Prozessbilanz) betrachtet werden. Der Bilanzraum der Analyse wird entsprechend eingegrenzt. Auch der Bilanzzeitraum muss abgegrenzt werden. Häufig wird für den betrachteten Zeitraum ein Bilanzjahr gewählt, da die Daten aus der Betriebsbilanz verwendet werden können. Der Bilanzzeitraum lässt sich weiter konkretisieren bis hin zu einzelnen Produktionsmonaten oder Produktchargen. [2, S. 19]

3.      Bennennung und Erfassung der Produktionsschritte

Es folgt die Erfassung und Benennung der Produktionsschritte. Der Produktionsprozess wird dabei in alle relevanten Produktionsschritte untergliedert. Als Basis können vorhandene Prozessbeschreibungen, Anlagenverzeichnisse oder Kostenstellenpläne verwendet werden. Jeder Produktionsschritt wird anschließend auf einem Plan einem Darstellungselement (einer Mengenstelle) zugeordnet (siehe Abb. unten), [2, S. 19]

4.      Erstellen des Fließbildes

Im nächsten Schritt wird ein Fließbild erstellt. In diesem werden die Input- und Outputströme für die erfassten Produktionsschritte qualitativ erfasst. In einem sogenannten Sankey-Diagramm können Stoff- und Energieströme mit mengenproportional breiten Pfeilen dargestellt werden (siehe Abb. unten). Das Fließbild sollte abteilungsübergreifend erstellt werden, damit eine einheitliche Gesamtsicht des Unternehmens abgebildet werden kann. So wird vermieden, dass einzelne Abteilungen isoliert betrachtet werden. Außerdem wird ein gemeinsames Verständnis geschaffen und Schwachstellen können einfacher benannt und lokalisiert werden. [2, S. 20]

Vereinfachtes Beispiel eines Fließbildes [3], eigene Darstellung

Die im Fließbild dargestellten Produktionsschritte werden anschließend einzeln betrachtet. Für jeden Schritt werden die Input- und Outputströme in Masseneinheiten quantifiziert, wobei darauf zu achten ist, dass die Massenbilanz von Zu- und Abfluss des jeweiligen Schrittes ausgeglichen ist.

Das entstehende Diagramm kann anschließend ausgewertet, beziehungsweise interpretiert werden. Dabei sollte insbesondere auf auffällige Abfall- und Materialverluste geachtet werden. Es empfiehlt sich außerdem zu bestimmen, wie hoch der Abfallanteil im Vergleich zum eingesetzten Rohstoff ist. In Prozessschritten mit unerwartet hohem Anteil steckt unter Umständen noch Einsparpotenzial. [2, S. 20]

Werkzeuge zur Stoffstromanalyse

Unterschiedliche Unternehmen und Organisationen, unter anderem das VDI Zentrum Ressourceneffizienz selbst, bieten eine breite Auswahl an Tools und Werkzeugen an, die bei der Durchführung einer Stoffstromanalyse helfen können.  

Zur Zielsetzungsfindung sollten, wie oben dargelegt, zunächst Grob-Analysen durchgeführt werden. Tipps dafür sind im Leitfaden für Ressourceneffizienz beschrieben. Dort ist auch das Vorgehen der Stoffstromanalyse noch einmal detailiert erklärt. Das VDI ZRE bietet zudem Instrumente wie die Ressourcenchecks, oder den KEA-KRA-THG-Rechner an. Ressourcenchecks helfen, mögliche Potenziale für eine höhere Ressourceneffizienz im Unternehmen offenzulegen und Ansatzpunkte zur Optimierung oder Vermeidung von Verschwendung zu identifizieren. Mithilfe des KEA-KRA-THG-Rechners lassen sich unter anderem der Energie- und Rohstoffaufwand sowie Treibhausgasemissionen berechnen.  Um nach der Stoffstromanalyse Lösungen zu entwickeln, kann unter anderem ein Blick in die Prozessketten helfen. Diese liefern Informationen darüber, mit welchen Technologien sich die untersuchten Prozessschritte optimieren lassen.

Generell ist eine der wesentlichen Herausforderungen für die Durchführung einer detaillierten Stoffstromanalyse die Sammlung der notwendigen Kennzahlen in den einzelnen Fertigungsschritten. Allein um die vollständigen Input- und Outputdaten des gesamten Betriebs zu bestimmen, ist eine Vielzahl an Analysen durchzuführen und auszuwerten. Große Unternehmen implementieren dabei meist ein eigenes Nachhaltigkeitsmanagementsystem mit verteilten Informationsmanagementsystemen, für das u. U. ganze Abteilungen verantwortlich sind. Kleine und mittlere Unternehmen haben andere Anforderungen und Möglichkeiten. So kann bei der Informationssammlung beispielsweise ein qualifiziertes Manufacturing Execution System (MES) helfen. Dabei handelt es sich um ein System, das dem Management die Fertigungsdaten des Unternehmens zur Verfügung stellt. [6] Umgesetzt wird es in der Regel als modulares IT-System, welches den Anforderungen  des Unternehmens angepasst wird [7, S. 11]. Wird ein Nachhaltigkeitsmodell innerhalb des MES integriert, können so für bestimmte Produkte und Zeiträume Nachhaltigkeitsgrößen (z. B. durch die Aufzeichnung der Wertströme in der Produktion und ihrer Bewertung) ermittelt und verwaltet sowie Ziele in Form von Messgrößen definiert werden [6].

Für die Analyse der Daten selbst existieren einige Software-Programme, die sich bereits bewährt haben und mit deren Hilfe sich aus zuvor gesammelten Daten Stoffstromanalysen erstellen lassen. Die Ergebnisse können anschließend in Diagrammen veranschaulicht- und genutzt werden, um unterschiedliche Verbesserungsmaßnahmen zu bewerten und miteinander zu vergleichen.  Zusätzlich stellen die meisten Programme einen Kostenrechner, einen Materialflussrechner und einen Ökobilanzrechner zur Verfügung. [8]

Fallbeispiele

Stoffstromanalyse bei der Herstellung von elektrischen Kontakten

Das Unternehmen PanTrac GmbH produziert elektrische Kontakte auf Kohle- und Graphitbasis. Bei der Herstellung der Produkte fallen gefährliche Abfälle (metallhaltige Stäube) an, deren Entsorgung dementsprechend aufwändig ist. Die Firma beschäftigt Umwelt- und Qualitätsbeauftragte, die umweltrelevante Kennzahlen aufarbeiten und firmenintern veröffentlichen. Die Ziele der Stoffstromanalyse sind hier, das Umweltmanagement zu unterstützen und Einspar- bzw. Optimierungspotenziale offen zu legen sowie den daraus gewonnenen Nutzen im betrieblichen Kontext zu zeigen. Dabei sollte nicht nur eine Stoffstromanalyse, sondern in diesem Zusammenhang auch eine Kostenanalyse durchgeführt werden.

Bei der Analyse beschränkte sich das Unternehmen auf die Schleifleistenproduktion (Untersuchungsrahmen). Zudem wurden nicht sämtliche Schleifleisten aus der Produktpalette betrachtet sondern nur die 40 meist produzierten. Für die Informationsgewinnung wurden Tabellen mit allen Maschinen der Schleifleistenproduktion und sämtlichen behandelten Produkten erstellt, um den Produktionsablauf genau beschreiben zu können. Zusätzlich wurden Input und Output der Prozesse (Grobanalyse), die elektrische Leistung der einzelnen Maschinen, der Energieverbrauch, sowie die Kosten der Prozesse ermittelt (Definition der Produktionsschritte). Mithilfe einer Ökobilanzierungssoftware wurden so Stoffstromanalysen für die unterschiedlichen Produkte erstellt. Zusätzlich wurden für einzelne Produkte Alternativprozesse getestet. Im Ergebnis entstand eine ausführliche Übersicht über die jeweils zu erwartenden Umweltbeeinflussungen und die Kosten der jeweiligen Produkte sowie deren Produktionsschritte. So wurde z. B. ermittelt, dass der größte Energieverbraucher, mit etwa 80 % des Gesamtenergieverbrauchs, die Trockenschränke sind und sich die Kosten der Trockenschränke verringern, wenn die Produkte mit geringerer Leistung getrocknet werden. [9]

Stoffstromanalyse in der Kupfererzeugung

Ein weiteres Beispiel ist der Kupfererzeuger Brixlegg. Das Unternehmen betreibt unter anderem eine Sekundärkupferhütte, in der Sekundärrohstoffe mit einem Kupfergehalt von mindestens 5 % wieder zu Kupfer verarbeitet werden. Die Schrotte und Reststoffe enthalten neben Kupfer zumeist auch andere chemische Elemente und werden beim Produktionsprozess zuerst einem Schachtofen zugeführt. In nachfolgenden Produktionsschritten entsteht unter anderem eine Schlacke, die noch Wertmetalle enthält und deshalb erneut dem Ofen zugeführt wird. Dieses System führt jedoch zu einer stärkeren Belastung des Schachtofens und somit zu einem erhöhten Energieaufwand. Zur Steigerung der Ressourceneffizienz wurde deshalb eine Stoffstromanalyse für den Schachtofen durchgeführt.

Hierfür wurden zunächst die 25 Stoffe, die den Schachtofenprozess maßgeblich beeinflussen identifiziert und auf die acht maßgeblichen Stoffe reduziert. Zudem wurde ein Bilanzierungszeitraum von etwa einem Tag gewählt, da bei der Chargierung des Ofens über diesen Zeitraum hinweg in etwa dasselbe Material eingesetzt wird. Es wurden zwei Messreihen durchgeführt, in denen unter anderem die Sekundärrohstoffmengen variiert wurden. Es wurden unterschiedliche Messstellen definiert, unter anderem für die Quantifizierung der Einsatzstoffe und Produkte des Schachtofens. An diesen Stellen wurden alle für den Ofen relevanten Betriebsparameter (z. B. Abgas und benötigtes Erdgas) ermittelt. Der Fokus lag unter anderem auf der Untersuchung der genauen Zusammensetzung der Sekundärrohstoffe. Hierfür wurden Proben genommen und analysiert.

Zur Weiterbearbeitung der Daten wurde eine modular aufgebaute Bilanzierungssoftware verwendet. Die verschiedenen Module dienten unter anderem der Definition des Modells, der Bilanzierung, der Visualisierung und der monetären Bewertung der Ergebnisse. Die Ergebnisse konnten so als Fließbilder dargestellt und bewertet werden. Unter anderem konnte dadurch aufgedeckt werden, dass ein erheblicher Anteil der Kreislaufmengen aus Schlacken aus dem Konverter und dem Flammofen bestehen. Ein bedeutendes Optimierungspotenzial des Schachtofenprozesses liegt in der Verringerung der Kreislaufmengen. Diese Optimierungsmöglichkeit wurde letztlich nur durch die Stoffstromanalyse ermittelt. [10]

Worauf warten Sie noch?

Sie haben bereits Ressourceneffizienz umgesetzt? Melden Sie sich bei uns mit aktuellen Projekten und Ideen. Oder möchten Sie detaillierte Informationen aus unserem Angebot?

Schreiben Sie uns!
Fehler beim Senden Fehler beim Senden. Bitte versuchen Sie es später erneut.
Vielen Dank Ihre Nachricht wurde erfolgreich gesendet. Wir werden uns umgehend mit Ihnen in Verbindung setzen.