Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung von nachwachsenden
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Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung von nachwachsenden Rohstoffen Prof. Dr. Jutta Geldermann Professur für Produktion und Logistik Georg-August Universität Göttingen Workshop "Effizienz von Bioenergie" 20. und 21. Mai 2014 in Leipzig BLOCK A | Plenum - Impulse zur effizienten Bioenergie J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 1 Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung von nachwachsenden Rohstoffen Ressourceneffizienz in Unternehmensnetzwerken Anteil von Kraftstoffen und Chemikalien bei der Fischer-Tropsch-Synthese Biomasselogistik Unsicherheiten bei Kuppelproduktion und in Nutzungskaskaden Herausforderungen an die Planung von Produktions- und Logistiknetzwerken für erneuerbare Rohstoffe Beschaffungsplanung für Agrarrohstoffe unter Unsicherheit Neue Geschäftsmodelle J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 2 Erhebliche Ausdehnung der Produktion nachwachsender Rohstoffe in den letzten Jahren - vor allem für die Energiegewinnung Nutzungskreislauf und Nutzungskaskaden Bedarf an quantitativen Methoden zur Gestaltung und Optimierung von ressourceneffizienten Wertschöpfungsnetzwerken für erneuerbare Rohstoffe zur Entlastung der Konkurrenzproblematik J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 3 Wachsende Bedeutung nachwachsender Rohstoffe für die industrielle Nutzung Maximierung Forstwirtschaft Maximierung Minimierung Landwirtschaft Kaskadennutzung Stoffliche Nutzung Chemische Nutzung Minimierung Biomasseproduktion Minimierung Energetische Nutzung J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 4 Ressourceneffizienz in Unternehmensnetzwerken – Methoden zur betrieblichen und überbetrieblichen Planung für die Nutzung erneuerbarer Rohstoffe (GRK 1703) Governance (C) Kaskadennutzung Stoffliche Nutzung: Maximierung Forstwirtschaft Schnittholzprodukte, Holzverkleidungen, Furniere, Papier, Pappe, etc. Maximierung Chemische Nutzung: Minimierung Landwirtschaft Zellstoff, Cellulose, Hemicellulose und Lignin als Basis für die Produktion chemischer Grundstoffe Minimierung Biomasseproduktion Minimierung Energetische Nutzung: Verbrennung, Biogas, Biokraftstoffe, etc. Materialien und Technologien (A) Produktionsplanung (B) J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 5 Charakterisierung und Modifikation erneuerbarer Rohstoffe für eine Kaskadennutzung in industriellen Wertschöpfungsnetzwerken Kaskade der Holznutzung basierend auf (Bienge, 2010) J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 6 Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung • Bei der Herstellung von Chemikalien durch Synthese entstehen Kuppelprodukte, die wiederum als Ausgangsstoff für die Herstellung anderer Produkte genutzt werden können (wobei abermals Nebenprodukte anfallen), oder ggf. auch energetisch genutzt werden (z. B. Wasserstoff). • Ein Produktionsverbund bezeichnet ein Bündnis von Produktionsstätten, die gemeinsam Komponenten oder Zwischenprodukte für ein gemeinsames Endprodukt herstellen. Dabei können die Standorte auch zu anderen Unternehmen, beispielsweise Zulieferern gehören. Energieeinsatz • Diese Grundidee wird seit einigen Jahrzehnten auch auf andere Industriebereiche als Supply Chain Management übertragen. Zur Gestaltung von Produktionsprozessen sind technische Einflussgrößen im Funktionszusammenhang zu beachten Prozessführung - Auslegung - Betrieb Stoffeinsatz Emissionen Produktion - Produktspektrum - Quantität - Qualität J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 7 Beispiel 1: Biomasse als Einsatzstoff für die Gewinnung von Kohlenwasserstoffen mittels Fischer-Tropsch-Synthese • Biokraftstoffe der 2. Generation: Biomass-to-Liquids (BtL) – Hohe Temperaturen (ca. 340 °C): Bildung einer Vielzahl von Stoffen für die Grundchemikalien- und Benzinherstellung, Siedebereich < 160 °C – Niedrige Temperaturen (ca. 240 °C): hoher Anteil von Kohlenwasserstoffen mit langen Ketten wie Diesel und Wachse • Biokraftstoffe sind von der Mineralöl- bzw. Energiesteuer befreit, so dass Herstellung von Kraftstoffen derzeit deutlich vorteilhafter ist als die Herstellung von Chemikalien Entscheidungsproblem: • Abtrennen von Stoffen zur Nutzung als Chemikalien oder chemische Umwandlung zur Nutzung als Kraftstoff? • Welche Anlagen- und Prozesskapazitäten sind optimal? Lauven, L.P.: Optimization of Biomass-to-Liquid Plant Setups and Capacities Using Nonlinear Programming. Cuvillier Verlag, Göttingen (2011) J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 8 Die Produktaufbereitung bestimmt Anteil von Kraftstoffen und Chemikalien bei der Fischer-Tropsch-Synthese Anderson-SchulzFlory-Modell der Kettenwachstumsvorgänge • Verschiedene Konfigurationen führen zu unterschiedlichen Produktverteilungen • • • Low Temperature FT-Synthese (ARGE): langkettigere Kohlenwasserstoffe High Temperature FT-Synthese (Synthol): kurzkettigere Kohlenwasserstoffe Weitere Aufbereitung (z.B. Cracken) möglich Kettenwachstumswahrscheinlichkeit Produktverteilungen nach [Makino, Gray (1986)] 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 ARGE Synthol Paraffine Methan* Ethan** Propan** Butan** Preis($/t) ARGE (mass‐%) $/t Produkt Synthol (mass‐%) $/t Produkt 194.64 5 9.73 10 19.46 184.91 2.4 4.44 4 7.40 180.24 2.8 5.05 2 3.60 177.90 2.2 3.91 2 3.56 Olefine Ethylen Propylen 1‐Buten Preis($/t) 1,512.00 1,286.55 794.70 0.2 2 3 3.02 25.73 23.84 4 12 9 60.48 154.39 71.52 Kraftstoffe Benzin Diesel Preis($/t) 437.50 433.00 22.5 15 98.44 64.95 40 7 175.00 30.31 sonstige Wachse Preis($/t) 1,201.50 41 492.62 8 96.12 J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 9 Biomasselogistik: Standort-, Kapazitäts- und Konfigurationsplanung Flächenbedarf unter Berücksichtigung der Fruchtfolgen Bestimmung von Biomasseangebot, -nachfrage und Wegstrecken mittels GIS (geographischen Informationssystemen) • Uhlemair, H.: Optimierung des Produktions- und Distributionssystems von Bioenergiedörfern. Dissertation. Cuvillier Verlag, Göttingen (2012) • Uhlemair, H.; Karschin, I.; Geldermann, J.: Optimizing the production and distribution system of bioenergy villages. International Journal of Production Economics, Volume 147, Part A, pp. 62-72 (2014) Datengrundlage: Corine Land Cover (2006) (44 Bodenbedeckungskategorien) • Schröder, T. (2014): Ansatz zur optimalen Konfiguration von Bioraffinerien mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus, GOR Workshop „OR im Umweltschutz“, 20./21.02.2014, Heidelberg. J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 10 Bestimmung der optimalen Anlagenkonfiguration mittels nichtlinearer Optimierung Erlöse aus dem Verkauf der Produkte in Anhängigkeit von den gewählten Aufbereitungs-Prozessgrößen (xi) und den zugehörigen Preisen (bj) (Dij: Matrix zur Zuordnung von Produkten zu Prozessen) Zielfunktion: von der Anlagenkapazität abhängige investitionsabhängige Kosten (Ik) für Vergasung, Synthese und andere Prozesse Größendegressionsexponent , von der Größe individueller Aufbereitungsprozesse abhängige investitionsabhängige Kosten (ai) Auf Anlagenkapazität bezogene variable Transportkosten (C1: Koeffizient zur Umrechnung von Kapazität auf variable Kosten) Auf Anlagenkapazität bezogene fixe Transportkosten (C2: Koeffizient zur Umrechnung von Kapazität auf fixe Kosten) Anschaffungskosten Biomasse in Abhängigkeit des Biomassepreises (pBiomasse) und der Anlagenkapazität J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 11 Bei hohem potentiellen Chemikalienanteil ändert sich die optimale BtL-Produktzusammensetzung in Abhängigkeit von der Besteuerung der Biokraftstoffe 70% 60% 50% Electricity Chemicals Gasoline Diesel 40% 30% 20% 10% 0% Synthol besteuertSynthol steuerfrei ARGE besteuert ARGE steuerfrei Hohe Temperaturen (ca. 340 °C) Niedrige Temperaturen (ca. 240 °C) J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 12 Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung von nachwachsenden Rohstoffen Ressourceneffizienz in Unternehmensnetzwerken Anteil von Kraftstoffen und Chemikalien bei der Fischer-Tropsch-Synthese Biomasselogistik Unsicherheiten bei Kuppelproduktion und in Nutzungskaskaden Herausforderungen an die Planung von Produktions- und Logistiknetzwerken für erneuerbare Rohstoffe Beschaffungsplanung für Agrarrohstoffe unter Unsicherheit Neue Geschäftsmodelle J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 13 Unsicherheiten bei Kuppelproduktion und in Nutzungskaskaden als zentrale Herausforderung Unsicherheit hinsichtlich Beispiel Gegenmaßnahme bzw. Konsequenz Quantität Konkurrenz zwischen energetischer und stofflicher Nutzung Holzwerkstoffersatz (z.B. Substitution durch Stroh) Stärkere Variabilität wegen Klimawandel Sturmschäden effiziente Logistik Qualität Veränderliche chemische, physikalische oder biologische Eigenschaften Qualitätsänderung durch die Substitution von Holz durch Stroh oder Großgräser Zeit Anpassung des Produktionsverfahrens (z.B. zum Senken des Siliziumanteils) Schädlingsbefall, Sturmschäden Energetische Nutzung Unsicherer Anfall von vorgenutzten Rohstoffen innerhalb der Nutzungskaskade Schnelle und umfassende Information aller Netzwerkpartner J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 14 Beispiel 2: Herausforderungen an die Planung von Produktionsund Logistiknetzwerken für erneuerbare Rohstoffe • Geldermann, J., Schumann, M. (eds.): First International Conference on Resource Efficiency in Interorganizational Networks ResEff 2013. Universitätsdrucke (print and online), Göttingen (2013) • Taskhiri, M.S.; Geldermann, J.: Challenges towards modeling a logistics network of wood flow using cascade utilization. Research Paper der Georg-August-Universität Göttingen, Wirtschaftswissenschaftliche Fakultät, Schwerpunkt Unternehmensführung, Professur für Produktion und Logistik, Nr.13, Göttingen (2014) • J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 15 Mathematische Modellierung der vernetzten Wertschöpfungsketten für Holzwerkstoffe, Papier und Zellstoff, Bioethanol und Holzpellets r Entscheidungsvariablen Research boundary , , = wood flow r from sawmill s to wood product plant u∀ ∈ , ∀ ∈ , , = wood flow i from forest j to wood product plant u ∀∈ , ∀ ∈ ,∀ ∈ = Flow of recovered wood g from collection center p to wood product plant u ∀ ∈ , ∀ ∈ , ∀ ∈ = Binary variable denoting the existence of collection plant p ∀ ∈ , , J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 16 Abbildung der Wertschöpfungsketten für Holzwerkstoffe, Papier, Zellstoff, Bioethanol und Holzpellets (Umberto v7.0) Intermediate manufacturer Raw material Finished product manufacturer Distribution End Collection center / customer Recycling Xrsu Xiju Xgpu J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 Beispiel 3: 17 Beschaffungsplanung von Aufbereitern nachwachsender Rohstoffe Rohstoffmarkt Lieferant • • • Lieferant Entscheidung in (t0): Anbaufläche x Deterministisch: Preis Pc Unsicher: Qualität , Flächenproduktivität α(i) Produktionsmenge Qc(ξi) Rohstoffmarkt Aufbereiter • • • Abnehmer Deterministisch: Produktivität β Unsicher: Produzierte Menge mit ausreichender Qualität Qs(ξi) Abnehmer Deterministisch: Nachfragemenge Qd, Qualitätsspezifikation Preis Pop Unsicher: Absatzmenge Qop(ξi) 1, 2, • Handlungsalternativen (Bsp. Ölsaaten und Öle): 1. Kauf auf Commodity-Märkten (börslich/außerbörslich) mit standardisierter Qualität 2. Vertragsanbau: bekannter Lieferant, enger gefasste Qualitätsspezifikation • Unsicherheit möglich in Preis, Qualität und Menge • Simultane Berücksichtigung saisonaler Verfügbarkeit, unsicherer Erntemenge und qualität sowie unsichere Preise mit Ansätzen der stochastischen Optimierung Wiedenmann, S.: Supply Planning for Processors of Agricultural Raw Materials. Cuvillier Verlag, Göttingen (2013) J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 18 Beispiel 4: Neue Geschäftsmodelle für eine nachhaltigkeitsorientierte Entwicklung (z. B. Chemikalienleasing, Produkt-Service-Systeme) Joas, R.; Geldermann, J.; Hesse, M.; Daub, A.; Raab, C.: Chemikalienleasing als Modell zur nachhaltigen Entwicklung mit Prüfprozeduren und Qualitätskriterien anhand von Pilotprojekten in Deutschland. Umweltbundesamt, Dessau (2010) J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 19 Kriterien zur Bewertung von Produkt-Dienstleistungssystemen zur Steigerung der Energieeffizienz von Druckluftsystemen Weißfloch, U.: Multikriterielle Bewertung von Produkt-Dienstleistungssystemen zur Steigerung der Energieeffizienz von Druckluftsystemen. Fraunhofer Verlag, Stuttgart (2013) J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 20 Gewichtungen der Entscheidungsträger und der Gruppe J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 21 Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung - neue Geschäftsmodelle • Gestaltung geeigneter Geschäftsmodelle mit fairen und zukunftssicheren Verträgen – unterschiedliche Zielsetzungen der Vertragspartner • Bestimmung der Kapazität als Berechnungs- und Vertragsgrundlage Einsatz eines modifizierten PROMETHEEAnsatzes zur multikriteriellen Gruppenentscheidungsunterstützung – Der Maßstab "Menge ausgebrachter Endprodukte“ ist bei Kuppelproduktion problematisch. – Äquivalenzziffern oder Verwendung der Maschineneinsatzzeit zur Herleitung von Maßeinheiten – VDI Richtlinie 4600: Allokations- oder Gutschriftsverfahren für die Berücksichtigung von Kuppelprodukten J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 22 Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung von nachwachsenden Rohstoffen • Zur Gestaltung von Produktions- und Logistiknetzwerken für erneuerbare Rohstoffe sind technische Einflussgrößen im Funktionszusammenhang zu beachten. • Unsicherheiten bei Kuppelproduktion und in Nutzungskaskaden bezüglich zeitlichem Anfall (u.a. Saisonalität), Quantität und Qualität stellen besondere Anforderungen an Logistik, Produktionsplanung und –steuerung. • Neue Geschäftsmodelle mit fairen und zukunftssicheren Verträgen können in einer nachhaltigkeitsorientierten Entwicklung neue Impulse geben • Verortung von Forschungsergebnissen innerhalb von Wertschöpfungsnetzwerken J. Geldermann: Bewertungsfragen bei der Kaskadennutzung – DBFZ Leipzig, 20.05.2014 23
