Der Einsatz von Sankey-Diagrammen im Stoffstrommanagement

Schmidt, Mario Research Report Der Einsatz von Sankey-Diagrammen im Stoffstrommanagement Beiträge der Hochschule Pforzheim, No. 124 Provided in Cooperation with: Hochschule Pforzheim Suggested Citation: Schmidt, Mario (2006) : Der Einsatz von Sankey-Diagrammen im Stoffstrommanagement, Beiträge der Hochschule Pforzheim, No. 124, Hochschule Pforzheim, Pforzheim, https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:951-opus-616 This Version is available at: https://hdl.handle.net/10419/97580 Standard-Nutzungsbedingungen: Die Dokumente auf EconStor dürfen zu eigenen wissenschaftlichen Zwecken und zum Privatgebrauch gespeichert und kopiert werden. Sie dürfen die Dokumente nicht für öffentliche oder kommerzielle Zwecke vervielfältigen, öffentlich ausstellen, öffentlich zugänglich machen, vertreiben oder anderweitig nutzen. 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If the documents have been made available under an Open Content Licence (especially Creative Commons Licences), you may exercise further usage rights as specified in the indicated licence. https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de BEITRÄGE DER HOCHSCHULE PFORZHEIM Mario Schmidt Der Einsatz von Sankey-Diagrammen im Stoffstrommanagement Nr. 124 Prof. Mario Schmidt Hochschule Pforzheim Tiefenbronner Straße 65 75175 Pforzheim [email protected] Mario Schmidt ist Professor an der Fakultät für Wirtschaft und Recht und wissenschaftlicher Direktor des Instituts für Angewandte Forschung IAF. Er forscht auf dem Gebiet des Stoffstrommanagements und des Life Cycle Assessments und lehrt Quantitative Methoden der BWL sowie Umweltmanagement. Herausgeber: Prof. Dr. Ansgar Häfner, Prof. Dr. Norbert Jost, Prof. Dr. Karl-Heinz Rau, Prof. Dr. Roland Scherr, Prof. Dr. Christa Wehner, Prof. Dr. Rainer Maurer (geschäftsführend; maur[email protected]) Sekretariat: Frau Alice Dobrinski Hochschule Pforzheim Tiefenbronner Str. 65 75175 Pforzheim [email protected] Telefon: 07231/28-6201 Telefax: 07231/28-6666 Ausgabe: Dezember 2006 Mario Schmidt Der Einsatz von Sankey-Diagrammen im Stoffstrommanagement Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung......................................................................................................3 2 Historie..........................................................................................................5 2.1 Die thermische Effizienz und Captain Riall Sankey.....................................5 2.2 Die Anwendung von Sankey-Diagrammen in Deutschland.......................10 2.3 Stoffstromwirtschaft in der Stahlindustrie ..................................................17 3 Methodik......................................................................................................25 3.1 Implizite Annahmen der Sankey-Darstellung.............................................25 3.2 Darstellungsvarianten von Sankey-Diagrammen ......................................26 3.3 Sankey-Diagramme mit Wertströmen........................................................33 3.4 Sankey-Diagramme für die betriebliche Kostenstruktur.............................35 3.5 Sankey-Diagramme ohne Vollkostenrechnung .........................................40 3.6 Anwendungsbeispiel: Innerbetriebliches Recycling...................................43 4 Schlussfolgerung.......................................................................................48 Quellen.............................................................................................................50 Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 2 Zusammenfassung Ein wichtiges Hilfsmittel, Ineffizienzen und Einsparpotentiale im Umgang mit Ressourcen aufzuzeigen, ist das so genannte Sankey-Diagramm. Es wurde vor über 100 Jahren von dem irischen Ingenieur Captain Riall Sankey erstmals für die Analyse der thermischen Effizienz von Dampfmaschinen verwendet und wird seitdem eingesetzt, um die Energieund Materialbilanzen von komplexen Systemen zu verdeutlichen. Interessanterweise hat es in der Geschichte des 20. Jahrhunderts immer dann eine wichtige Rolle gespielt, wenn Rohstoffe knapp und teuer waren und die Ingenieure große Anstrengungen unternahmen, die technischen Systeme zu verbessern. So wurden Sankey-Diagramme bei den ersten wissenschaftlichen Vergleichstests von PKWs zu Beginn des 20. Jahrhunderts eingesetzt, als der Wirkungsgrad der Automobile noch katastrophal niedrig war. Nach dem ersten Weltkrieg nutzte man die Diagramme, um Wärmebilanzen von Produktionsanlagen für Glas oder Zement zu erstellen und den Energieeinsatz zu optimieren. In den 30er Jahren spielten Stahl und Eisenerz im Vorkriegsdeutschland eine strategische Rolle – der effiziente Umgang wurde mit Sankey-Diagrammen veranschaulicht. Sie sind seit den 90er Jahren Standard-Darstellungen beim Life Cycle Assessment von Produkten. SankeyDiagramme können auch dazu eingesetzt werden, um die Wertströme in betrieblichen Systemen oder längs globaler Wertschöpfungsketten abzubilden. In dem Diskussionspapier werden neben der historischen Entwicklung die methodischen Aspekte und impliziten Annahmen solcher Sankey-Diagramme behandelt. Summary An important aid helping to identify inefficiencies and potentials for savings when dealing with resources is the Sankey diagram. It was first used over 100 years ago by the Irish engineer Captain Riall Sankey to analyse the thermal efficiency of steam engines, and has since been applied to illustrate the energy and material balances of complex systems. Interestingly, in the history of the 20th century it has always played a major role when raw materials were scarce and expensive and engineers were making great efforts to improve the technical systems. For instance, Sankey diagrams were used for the first scientific car comparison tests at the beginning of the 20th century when automobile efficiency was still disastrously low. After the First World War the diagrams were used to produce thermal balances of production plants for glass and cement, and to optimise the energy input. In the 1930s steel and iron ore played a strategic role in Nazi Germany. Their efficient use was highlighted with Sankey diagrams. Since the 1990s these diagrams have become standard for displaying data in Life Cycle Assessments of products. Sankey diagrams can also be used to map value flows in systems at operational level, or along global value added chains. The discussion paper not only charts the historical development, but also discusses the methodology and the implicit assumptions of such Sankey diagrams. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 3 Abb. 1: Energiefluss-Diagramm für die USA im Jahr 1987. Die Angaben sind in Peta-Joule. Quelle: Spektrum der Wissenschaft 11/1989, S.123, Grafik: Gabor Kiss. 1 Einleitung Der Einsatz von Sankey-Diagrammen ist seit langer Zeit Standard in Technik und Naturwissenschaften. Sie werden als graphische Wärmebilanz (Minister of Fuel and Power 1944, S. 709), Wärmebilanzdiagramm (Christensen 1990, S. 394), Energiefluss-Bild (Schnitzer 1991) oder eben als Sankey-Diagramm (Pople 2001, S. 138) bezeichnet. Im Mittelpunkt stehen dabei stets der Energiefluss und seine Aufteilung auf verschiedene Quellen oder Senken, dargestellt durch Pfeile, deren Breite die Energiemenge andeutet. Auch Materialströme werden oft mit Sankey-Diagrammen dargestellt und z.B. als Materialfließbilder (Kölbel u. Schulze 1960) bezeichnet. Diese graphische Darstellungsform veranschaulicht auf einfache Weise mitunter komplexe Zusammenhänge. So war es bis in die 90er Jahre in Deutschland üblich, die Energieflüsse in der Energiewirtschaft mittels solcher detaillierten Diagramme darzustellen (Abb. 2). Ein einfacheres Energiediagramm bildet den Energiefluss der USA ab (Abb. 1). Aber Sankey-Diagramme wurden auch zur Darstellung anderer Sachverhalte genutzt. In den letzten Jahren gewinnen sie im Zusammenhang mit der Ressourcenfrage und der Forderung nach effizienter Technologie und Materialeffizienz wieder an Bedeutung. Was weniger bekannt ist: Auch die Einführung des Sankey-Diagramms vor mehr als 100 Jahren durch seinen Erfinder, den Iren Captain Riall Sankey, hing ursprünglich Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 4 Abb. 2: Energieflussbild Deutschland zum Jahr 1995. Die Angaben sind in Petajoule. Quelle: RWE. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 11 Abb. 6: Alois Riedler (geb. in Graz, 1850-1936). Abb. 7: Ein 100-PS-Benz-Rennwagen auf dem Berliner Pkw-Rollenprüfstand von Riedler (1911). Berlin wurde – unter seiner Ägide wurde der TH 1899 von Kaiser Wilhelm II. das Promotionsrecht verliehen. Riedler bereiste viel das Ausland, war auf den Weltausstellungen in Philadelphia (1876), Paris (1878) oder Chicago (1893), und besuchte zahlreiche technische Lehranstalten z.B. in den USA. Dadurch kannte er die Entwicklung im Ausland und erfuhr auf diesem Weg wahrscheinlich auch von Sankeys Arbeiten. Riedler war sehr praxisbezogen und forderte die Einrichtung von Maschinenbaulaboratorien an den Technischen Hochschulen. Er beschäftigte sich u. a. mit der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen und baute ab 1903 an der TH Berlin ein Laboratorium für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwagen auf. Dort entwickelte er den ersten Rollenprüfstand für Kraftwagen und begann als Erster mit deren wissenschaftlichen Vermessung. Er wandte sich damals besonders gegen die Bewertung von Kraftwagen anhand der üblichen Wettrennen, die sich an Höchstleistungen wie z.B. der Geschwindigkeit orientierten, was dann entsprechend in der Reklame der Automobilfirmen vermarktet wurde. Dies, so Riedler, sei jedoch unzweckmäßig für die wirtschaftliche Beurteilung von Kraftwagen im praktischen Fahrbetrieb. Hierzu suchte er objek- Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 12 tive und nachvollziehbare Kriterien zum Fahrzeugvergleich und führte die Messung von typischen Fahrsituationen auf Rollenprüfständen ein. Er wollte die „wirkliche Leistung“ und die Verluste von Wagen und Motor messen. Er kann deshalb als einer der Begründer von Automobiltests, die heute für jeden Autokäufer unverzichtbar sind, angesehen werden. Im Jahr 1911 veröffentlichte er das Werk „Wissenschaftliche Automobil-Wertung“, in dem er erste Messergebnisse, u.a. eines 30 PS-Renault-, eines 100 PS-Benzund eines 75 PS-Adler-Wagens vorstellte. Als Begründung für die Untersuchungen führte er die Treibstoffknappheit und die Herkunft aus dem Ausland an: „Eine Lebensfrage aller Kraftfahrzeuge: ihre Abhängigkeit von bestimmten Brennstoffen, von ausländischen insbesondere“ (Zitat Riedler 1911, Bericht I, S. 18). Die Ergebnisse waren zur damaligen Zeit erstaunlich: Er konnte aufzeigen, dass die Triebwerksverluste geringer als allgemein angenommen waren; stattdessen hatten die Bereifung und die thermischen Verluste des Motors einen entscheidenden Einfluss auf den Wirkungsgrad. „Da die Rollverluste bei Kraftwagen einen sehr großen Teil der verfügbaren MotorenNutzleistung aufzehren, ist eine vollständige Klärung … von großer Wichtigkeit. … Ein geringer Bruchteil der Kosten der in der höchsten Blüte stehenden Pneumatikund Automobilreklame oder ein geringer Teil der Summen, welche Automobilklubs und auch Städte für Rennveranstaltungen verausgaben, würde zur gründlichen Untersuchung dieser wichtigen Frage ausreichen.“ (Zitat Riedler 1911, Bericht V, S. 13) Die Energieflussdiagramme waren für Riedler dabei ein wichtiges Mittel, die Ergebnisse anschaulich zu verdeutlichen (siehe Abb. 8). Die Wagen-Nutzleistung zur Überwindung des Luftwiderstandes und für Beschleunigung bzw. Steigungen bezifferte er in diesem konkreten Fall schließlich auf nur noch 12,5 % der eingesetzten Kraftstoffenergie. Er schrieb weiter: „Energiediagramme stellen die Einnahme, Ausgabe und Verluste, sowie den dann noch verfügbaren Energiebetrag graphisch dar und geben so ein charakteristisches Bild der Brennstoff-Ausnutzung der untersuchten Wagen. Die aus den Energiediagrammen gewonnene Erkenntnis der Energieverteilung im Kraftwagen ist eines der Mittel zur Beurteilung seiner wirtschaftlichen Vervollkommnung. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 13 Abb. 8: Das Energiediagramm des 20/30 PS-Renault-Wagens für 60 km/h Fahrgeschwindigkeit. Aus Riedler (1911). Hieraus ergeben sich für den Fachmann die Anhaltspunkte für wesentliche Verbesserungsmöglichkeiten. (Riedler 1911, Bericht I, S.9). Die systematischen Analysen und die Darstellung der Ergebnisse in Energieflussdiagrammen ermöglichten vor allem auch, relevante Kenngrößen zu verdeutlichen. Riedler bemängelte mit spitzem Ton, dass unter deutschen Ingenieuren „keine Über- Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 14 Abb. 9: Energiediagramm einer Dampfmaschine. Aus Riedler (1913). einstimmung der Ansichten über den Begriff ‚Wirkungsgrad’ herrschte“ und dies zu Missverständnissen und Fehldeutungen bei der Frage der Wirtschaftlichkeit führte (Riedler 1911, Bericht V, S. 25). Eine große Bedeutung hatte Riedlers Werk „Das Maschinen-Zeichnen“ von 1896 für die Maschinenkonstruktion. Dort forderte er exakte, bemaßte, dem jeweiligen Zweck angepasste Schwarz-Weiß-Zeichnungen und wurde damit zum Begründer des modernen technischen Zeichnens. Bereits in der Ausgabe von 1913 stellte er neben den Entropiediagrammen auch das „Energiediagramm“ vor, welches den Energiefluss einer Dampfmaschine zeigt (Siehe Abb. 9). Auch Güldner (1913, S. 13) stellte in seinem Lehrbuch „Das Entwerfen und Berechnen der Verbrennungskraftmaschinen und Kraftgas-Anlagen“ die „besondere Art eines Wärmeplans“, das sog. Sankey-Diagramm vor. Er bemängelte allerdings, dass diese Darstellung zwar übersichtlich, aber im Aufzeichnen nicht so bequem und si- Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 15 cher sei und sich deshalb eher für die allgemeine Veranschaulichung als für den technischen Gebrauch eignet. Trotz dieser Kritik spielten die Sankey-Diagramme in den folgenden Jahrzehnten eine bedeutende Rolle in den technischen Analysen von Anlagen in Deutschland. Der Hintergrund war, dass Deutschland aufgrund der Reparationszahlungen nach dem Ersten Weltkrieg mit seinen Ressourcen sparsam umgehen musste. Das Ziel war es, die Ausbeute von energieintensiven Prozessen zu verbessern. In verschiedenen Branchen wie z.B. in der Zementherstellung, der Glasherstellung oder der Stahlherstellung wurden Anlagen in Versuchsreihen detailliert vermessen und Wärmebilanzen aufgestellt, um Ineffizienzen und Verbesserungspotentiale zu identifizieren. Die Arbeiten erfolgten meistens in firmenübergreifenden Kommissionen der einzelnen Branchen. Auf den volkswirtschaftlichen Aspekt der Einsparungen wurde oft genug hingewiesen. So wurde beispielsweise 1920 die Wärmetechnische Beratungsstelle der Deutschen Glasindustrie (WBG) eingerichtet (Trier 1992). Die Mitgliedsbeiträge wurden nach dem Brennstoffverbrauch der Firmen bemessen. Es wurden wärmetechnische Messungen bei den realen Anlagen der Mitglieder durchgeführt, um z.B. die Gasgeneratoren oder die Schmelzöfen zu verbessern. So wurde auch die erste bekannt gewordene Wärmebilanz einer ganzen Glasschmelzanlage erstellt. Die Ergebnisse wurden in den WBG-Schriften zusammengestellt und trugen erheblich zum Fortschritt der Wärmetechnik in der Glasindustrie bei. Innerhalb der Zementindustrie hatten die Portland-Zementwerke HeidelbergMannheim seit 1904 Versuche unternommen, die Abgase zur Dampferzeugung zu nutzen. In den 20er Jahren erarbeitete eine so genannte Ofenkommission des Vereins Deutscher Portland-Cement-Fabriken e.V. mit umfangreichen Messungen systematische Wärmebilanzen von verschiedenen Zementöfen. Die Ergebnisse aus 3 Jahrzehnten sind in Schott (1954) eindrucksvoll zusammengestellt. Die ersten Sankey-Diagramme zum Zementbrennen wurden 1927 vorgestellt (Abb. 10) und waren dann ein unverzichtbares Darstellungsinstrument. Die Analyseergebnisse wurden genutzt, um verschiedene Ofentypen zu vergleichen, verfahrenstechnische Verbesserungen anzuregen und letztendlich die theoretische optimale Wärmebilanz mit der Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 16 Abb. 10: Wärmeverteilung einer Portland-Zement-Anlage, veröffentlicht 1927. Aus Schott (1954). Abb. 11: Theoretischer Wärmeaufwand (links) und praktischer Wärmeverbrauch (rechts) der Zementherstellun g . Aus Schott ( 1954 ) . realen technischen Wärmebilanz zu vergleichen. Je nach der Ofenart, dem Herstellungsverfahren und der Brenneinrichtung schwankte der Wärmeverbrauch der Zementherstellung in den 30er Jahren zwischen dem Doppelten und Fünffachen des theoretischen Wärmeaufwands (Schott 1933). Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 17 2.3 Stoffstromwirtschaft in der Stahlindustrie Nach dem Ersten Weltkrieg war in der deutschen Stahlwirtschaft die Versorgung mit Rohstoffen sehr kritisch. Es fehlte an Brennstoffen. Die Hauptaufgaben in den 20er und 30er Jahren gruppierten sich deshalb um die Begriffe „Sparsames Wirtschaften“ und „Verbesserung der Beschaffenheit der Erzeugnisse“ (Spingorum 1936, S. 1043f.) – in modernen Begriffen also um Effizienzsteigerung und Qualitätsmanagement. Die Ausgaben für Energie machten in einem Hüttenwerk etwa ein Viertel der gesamten Herstellkosten der Erzeugnisse aus. Deshalb wurde Anfang der 20er Jahre die Wärmestelle Düsseldorf des Vereins deutscher Eisenhüttenwerke als Gemeinschaftsunternehmen aller deutschen Eisenhüttenwerke gegründet. Es wurde das Messwesen ausgebaut, um zuverlässige Daten über die Erzeugung und den Verbrauch der Energieträger zu erhalten. Die Berichte gaben den Werksleitungen Richtwerte und Anhaltspunkte für Verbesserungen, für eine gleichmäßigere Energienutzung und für die laufende Kostenüberwachung. Durch eine planmäßige Wärmewirtschaft konnte der Wärmeverbrauch je Tonne Stahl innerhalb von 10 Jahren um mehr als ein Viertel gesenkt werden. Weiterhin wurden ab 1923 auch Daten über die gesamte – wie man damals sagte – Stoffwirtschaft, also über den Einsatz von Rohund Hilfsstoffe, Halbund Fertigerzeugnisse, gesammelt. Dies geschah damals im Sinne der Kostenüberwachung und wurde wesentlich von einer neuen Gattung an Fachleuten, den Betriebswirten, forciert. Es gab aber noch einen weiteren Grund: Eisenerz war in Deutschland ein knappes Gut geworden, nachdem die reichhaltigen Erzminen in Lothringen nach dem Ersten Weltkrieg wieder an Frankreich abgetreten werden mussten. Viele Vorkommen in Deutschland hatten mindere Qualität, was die Verarbeitung im Hochofen erschwerte. Durch die intelligente Kombination der verschiedenen Verfahren zur Gewinnung von Roheisen wurde die Ausbeute deutlich erhöht. Eine Schlüsselrolle spielte dabei die Verwendung von Schrott und Alteisen und die Schließung von Stoffkreisläufen (Reichardt 1937, S. 1104 f.), was Abb. 12 mit Durchschnittswerten für die ganze deutsche Volkswirtschaft verdeutlicht. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 18 Abb. 12: Eisen-Strombild der deutschen Eisenindustrie. Zahlen bezogen auf 100 % des Eisengehalts im Erz. Aus Reichardt (1937). Während für die Energieund Wärmewirtschaft die Verwendung von SankeyDiagrammen ab 1931 Standard war (Wärmestelle Düsseldorf 1931, S. 9), erfuhr ihr Einsatz für die massebezogene Stoffwirtschaft ab Mitte der 30er Jahre einen großen Auftrieb. In einem Vortrag beim Tag der Technik in Breslau 1935 äußerte sich Prof. Paul Goerens zu Fragen der Rohstoffbewirtschaftung (Goerens,1935) – der Vortrag war ganz im Zeichen der Zeit auf staatliche Zwangsbewirtschaftung und nationale Autarkie ausgerichtet. Dabei verwies er auf das Stoffstrombild als wertvolles Hilfsmittel, das mengenmäßige Angaben über Herkunft, Erzeugung, Verarbeitung und Bestimmung eines Stoffes enthält. Er stellte nationale Bilanzen für Eisen, für Kupfer oder für Schmieröl vor. Abb. 13 zeigt die allgemeine Anordnung eines Stoffstrombildes von Goerens (Schmidt 1936, S. 14). Aufschlussreich sind die Ausführungen dazu. Zitat: „Ein Stoff R kommt aus dem Inland 1 oder dem Ausland 2 und durchläuft bis zum Verbrauch eine Reihe von Stufen C, D, E, F der Auslese, Umwandlung, Verarbeitung und Formgebung. In jeder Stufe, schon mit dem heimischen Rohstoff beginnend, kann eine Ausfuhr 3 stattfinden. Daneben scheidet in jeder Stufe ein Teil des Stoffes aus dem Arbeitsstrom aus. Läßt er sich wertmäßig in irgendeiner Form retten und in eine der vorausgegangenen Stufen wieder einfügen, so erscheint er als Stoffumlauf in verschiedenen Formen 4a, 4b, 4c. Kommt eine Wiedergewinnung weder technisch noch wirtschaftlich in Betracht, dann erscheint der Verlustteilstrom 5. Ein Verlust des Stoffes tritt auch dann ein, wenn er während Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 19 Abb. 13: Das Schema eines Stoffstrombildes nach Goerens (1935). Quelle: Schmidt (1936). des Verarbeitungsganges vollständig aufgebraucht wird. Ebenso stellt die Ausfuhr für die Stoffwirtschaft eines Landes einen stofflichen Verlust dar. … Die maßstäbliche Auftragung der einzelnen Ströme ergibt einen genauen Ueberblick über die Bewirtschaftung eines Stoffes. Der durch den Umlauf bewirkte Rückfluß eines Teiles des Stoffes in den Arbeitsgang gibt den Ausschlag für den zusätzlichen Bedarf an neuem Rohstoff. Deshalb kann der Umfang einer Zwischenerzeugung kein genügender Maßstab für die Bemessung des Rohstoffwertes sein. Je nach Art des Verbrauchs kann man eine Einteilung in verschiedene Stoffgruppen vornehmen, wobei das Strombild eine besonders kennzeichnende Gestalt hat. Die erste Gruppe umfaßt alle Stoffe, die völlig verzehrt werden. Als Beispiele seien Brennstoffe, Treibstoffe und Nahrungsmittel genannt. Das Strombild derartiger Stoffe ist dadurch gekennzeichnet, daß in ihm der Stoffumlauf fehlt. Die einzelnen Stufen sind Auslese, Reinigung, Verfeinerung und ähnliche Maßnahmen. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 20 In der zweiten Gruppe gehören diejenigen Stoffe, die ihren Stoffwert nicht verlieren, aber in ihrer Gebrauchsform entwertet werden, wie Metall, Kautschuk, Schmieröl, Papier. Stoffverlust tritt außer durch Ausfuhr nur durch Verschleiß ein. Da in jeder Verarbeitungsstufe Abfälle entstehen, die wieder verarbeitet werden können, so ist der Schrottentfall für die Stoffwirtschaft ohne größere Bedeutung, solange die Umwandlung keinen nennenswerten Stoffverlust verursacht; die Wirtschaftlichkeit wird dagegen beeinflußt. Für den Ersatz an frischem Stoff gibt die Höhe des Rücklaufes allein den Ausschlag. Die dritte Gruppe bilden die Stoffe, die als Hilfsmittel dienen, z. B. als Lösungsoder Bindemittel bei der chemischen Umwandlung anderer Stoffe. Ihre Bewirtschaftung hat die Bildung eines möglichst verlustlosen Kreislaufes zum Ziel. Hat man durch Stoffbilanz und Stoffstrombild die Notwendigkeit einer Bewirtschaftung festgestellt, so wird man dann Wege suchen müssen, wie die Einfuhr ausländischer Stoffe ohne Schädigung der heimischen Wirtschaft eingeschränkt werden kann. Hierhin gehören Sparmaßnahmen, die Heranziehung der Wissenschaft und der Fortschritt der Technik. Ferner sind alle Mittel zur Verminderung von Verlusten und zur Verwertung von Abfällen aufzubieten.“ (Zitatende) In dem Beitrag sind damit die wichtigen Aspekte des modernen Stoffstrommanagements und der Kreislaufwirtschaft genannt – allerdings zum Zwecke einer sich rüstenden Kriegswirtschaft. Die spezielle Diagrammart wurde von den Ingenieuren der Stahlindustrie dann vielfach aufgegriffen, um die Rohstofflage zu analysieren (Bansen 1936; Bansen 1937). Fast schon kurios mutet die Ernsthaftigkeit an, mit der die Stoffwirtschaft in der damaligen Zeit betrieben wurde, etwa am Beispiel der Verwertung von Putzwolle in Hüttenwerken (Heinrich 1937) (siehe Abb.14). Bemerkenswert ist, dass die so genannte „Stoffwirtschaft“ in der Stahlindustrie hauptsächlich von den Betriebswirten propagiert und betrieben wurde. Insgesamt mussten die neuen Betriebswirte ihr Dasein gegenüber dem klassischen Kaufmann und dem Ingenieur rechtfertigen. Die Betriebswirtschaftslehre wurde in Deutschland erst ab 1898 mit der ersten Handelshochschule in Leipzig als akademisches Fach eingeführt, zuerst noch unter den Namen Privatwirtschaftslehre oder Handelswissenschaft (Schneider 1999, S. 16). In einem Artikel wies Kurt Rummel, der Vorsitzenden des Ausschusses für Betriebswirtschaft des Vereins deutscher Eisenhüttenleute, auf Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 27 A bb. 20: Wärmebilanz eines Hochofens mit einer Ta g esleistun g von 250 t. Quelle: VdI ( 1908 ) . Ein etwas anderes Bild ergibt sich, wenn die Ströme zwischen Knoten fließen, die z. B. für verschiedene Anlagen oder Prozesse stehen. Damit orientiert man sich quasi an herkömmlichen Verfahrensbildern, die vorrangig die Anlagen und ihre grundsätzlichen Verbindungen untereinander darstellen. Das erleichtert das Verständnis und die Interpretation der Diagramme. So wundert es nicht, dass eine der ersten SankeyDiagramme in Deutschland eine solche Mischung aus einem Verfahrensbild und einem Wärmeflussbild war (Abb. 20). Intuitiv fasst man einen Knoten, in den Ströme hineinund andere hinausfließen, als eine Art Black Box auf – man weiß nicht, was im Inneren passiert, man kennt nur die Schnittstelle zur Außenwelt eben durch die Inputund Outputströme. Sankey ist bei seiner Darstellung in Abb. 4 übrigens weiter gegangen und hat eine innere Struktur der Ströme in den Knoten angegeben – eine Darstellungsform, wie sie in modernen Stoffstromnetzen durch hierarchisch angeordnete Systeme durchaus gebräuchlich ist (Möller 1995). Ebenso intuitiv erwartet man meistens, dass für die Knoten eine Art Bilanzerhaltung gilt, d.h. Input und Output gleich groß sind. Für die Wärmeund Energiemengen in Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 28 Abb. 21: Mögliche Einbeziehung von Beständen in ein SankeyDiagramm mit dem Anfangsund Endbestand einer Periode. der Prozessindustrie kann man das unterstellen. Aber schon das Beispiel der Stahlund Eisenerzströme hat gezeigt, dass bei der Bilanzerhaltung von massebehafteten Stoffen neben den Inputund Outputströmen noch die Bestandsveränderung in einem möglichen Lager berücksichtigt werden muss. Selbst in Energiesystemen können solche Bestände relevant werden, wenn man z.B. an die strategischen Energiereserven in Ländern oder einfach nur an den Heizölkessel im Keller denkt. Für eine Zeitperiode vom Zeitpunkt i bis zum Zeitpunkt i+1 gilt dann: (, 1), (, 1), 1ii m i ii n i mn I N S OUT S +++ += + ∑∑ wobei IN und OUT die verschiedenen Input- (m) bzw. Outputflüsse (n) der Periode sind und S für den Bestand zum Zeitpunkt i bzw. i+1 steht. Normale Sankey-Diagramme stellen allerdings nur Ströme und keine Bestände dar. Man kann sich behelfen, indem man die Bestandsveränderung wieder als einen Strom darstellt und aus einer Bestandsentnahme einen zusätzlichen Inputfluss und aus einer Bunkerung einen zusätzlichen Outputfluss macht. Dieses Vorgehen wurde bei dem Energieflussdiagramm für Deutschland in Abb. 2 gewählt. Man hat in dem Diagramm allerdings keinen Anhaltspunkt, wie hoch der Bestand in absoluten Zahlen ist. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 29 Abb. 22: Magnetische Aufbereitung von Eisenerz mit Darstellung des Eisengehalts (schwarz) Quelle: Houdremont (1938, 1191). Im betrieblichen Kontext oder allgemein im Stoffstrommanagement spielen Bestände oft eine ebenso wichtige Rolle wie die Ströme selbst und sollten mit abgebildet werden. Eine mögliche Erweiterung des Sankey-Diagramms wäre deshalb die Abbildung der Bestände in einem Lager durch zusätzliche Säulen, die den Knoten zugeordnet sind. Die Säulen können entweder den Anfangsund Endbestand angeben oder als Alternative – allerdings unter Verlust von Information – nur die Bestandsänderung; ihre Skalierung muss dabei gleich dem Maßstab der Ströme sein, damit eine intuitive Erfassung der Mengenverhältnisse möglich ist (Abb. 21). Eine beliebte Variante von Sankey-Diagrammen ist die Darstellung mehrerer Flussobjekte gleichzeitig, also bei Massen z. B. die Mengen verschiedener Stoffe oder Materialien mit verschiedenen Eigenschaften oder bei Energie verschiedene Energieformen. Sie werden durch unterschiedliche Farbgebung oder Schraffur voneinander unterschieden. Entweder es gelten dann für jedes Flussobjekt einzeln die Erhaltungssätze – z.B. für chemische Elemente. Bereits in den 30er Jahren wurde so der Eisengehalt von Erzen ausgewiesen (Abb. 22). Eine modernere Darstellung eines Stahlwerks ist in Abb. 23 zu sehen, bei der zuerst der Gesamtmaterialstrom, dann der Eisenstrom und schließlich der Schwefelstrom dargestellt sind. Neben der Gesamtmassenerhaltung muss in diesem Fall an jeder Stelle auch eine Bilanzgleichung für die einzelnen chemischen Elemente erfüllt sein. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 30 1:Hilfs-/ etriebsmittel P2:Rohstoffe T1: Kokerei P4:Zuschläg e T2: Sinteranlage P5:Kreislaufstoffe P8:Emissionen T3: Klassieranlage/ Lager P13:Fremdrohstoffe P14:Koksgrus/Sinterrückgut HOA/HOB T5:Hochofen P8:Emissionen P8:Emissionen P19:HOWind T8: Konverter P27:Schrot t P8:Emissionen P21:Schlack e P1:Hilfs-/ Betriebsmittel P2:Rohstoffe P2:Rohstoffe P1:Hilfs-/ Betriebsmittel T10: Anlieferungsstufe T11: Brammanlage 1 (2. Stufe) T12: Brammanlage 2 (2. Stufe) T13: Rundanlage 1 (2. Stufe) T14: Rundanlage 2 (2. Stufe) P3 2 P36:Nebenprodukte P37:Kreislaufstoffe T15: Mischerstufe P2:Rohstoffe P2:Rohstoffe P8:Emissionen P1:Hilfs-/ Betriebsmittel P8:Emissionen P8:Emissionen P8:Emissionen P8:Emissionen P45:Fremdschrott P27:Schrot t P27:Schrott P27:Schrott T16: Brammanlage 1 (3. Stufe) T17: Brammanlage 2 (3. Stufe) T18: Rundanlage 1 (3. Stufe) T19: Rundanlage 2 (3. Stufe) P27:Schrot t P8:Emissionen P27:Schrott P8:Emissionen P27:Schrot t P8:Emissionen P46:Stahl P47:Lager P48:Lager P50:Lager P51:Lager P45:Fremdschrott 6731285 t 4160730 t 3511356 t 2941794 t 1089645 t 1:Hilfs-/ etriebsmittel P2:Rohstoffe T1: Kokerei P4:Zuschlä g e T2: Sinteranlage P5:Kreislaufstoffe P8:Emissionen T3: Klassieranlage/ Lager P13:Fremdrohstoffe P14:Koksgrus/Sinterrückgut HOA/HOB T5:Hochofen P8:Emissionen P8:Emissionen P19:HOWind T8: Konverter P27:Schrott P8:Emissionen P21:Schlacke P1:Hilfs-/ Betriebsmittel P2:Rohstoffe P2:Rohstoffe P1:Hilfs-/ Betriebsmittel T10: Anlieferungsstufe T11: Brammanlage 1 (2. Stufe) T12: Brammanlage 2 (2. Stufe) T13: Rundanlage 1 (2. Stufe) T14: Rundanlage 2 (2. Stufe) P3 2 P36:Nebenprodukte P37:Kreislaufstoffe T15: Mischerstufe P2:Rohstoffe P2:Rohstoffe P8:Emissionen P1:Hilfs-/ Betriebsmittel P8:Emissionen P8:Emissionen P8:Emissionen P8:Emissionen P45:Fremdschrott P27:Schrott P27:Schrott P27:Schrott T16: Brammanlage 1 (3. Stufe) T17: Brammanlage 2 (3. Stufe) T18: Rundanlage 1 (3. Stufe) T19: Rundanlage 2 (3. Stufe) P27:Schrott P8:Emissionen P27:Schrott P8:Emissionen P27:Schrott P8:Emissionen P46:Stahl P47:Lager P48:Lager P50:La g er P51:La g er P45:Fremdschrott 9094000 k g F e 2392420000 k g Fe 3454224000 k g F e 2784996000 k g F e 6339000 k g F e P1:Hilfs-/ Betriebsmittel P2:Rohstoffe T1: Kokerei P4:Zuschläg e T2: Sinteranlage P5:Kreislaufstoffe P8:Emissionen T3: Klassieranlage/ Lager P13:Fremdrohstoffe P14:Koksgrus/Sinterrückgut HOA/HOB T5:Hochofen P8:Emissionen P8:Emissionen P19:HOWind T8: Konverter P27:Schrot t P8:Emissionen P21:Schlack e P1:Hilfs-/ Betriebsmittel P2:Rohstoffe P2:Rohstoffe P1:Hilfs-/ Betriebsmittel T10: Anlieferungsstufe T11: Brammanlage 1 (2. Stufe) T12: Brammanlage 2 (2. Stufe) T13: Rundanlage 1 (2. Stufe) T14: Rundanlage 2 (2. Stufe) P3 2 P36:Nebenprodukte P37:Kreislaufstoffe T15: Mischerstufe P2:Rohstoffe P2:Rohstoffe P8:Emissionen P1:Hilfs-/ Betriebsmittel P8:Emissionen P8:Emissionen P8:Emissionen P8:Emissionen P45:Fremdschrott P27:Schrott P27:Schrott P27:Schrot t T16: Brammanlage 1 (3. Stufe) T17: Brammanlage 2 (3. Stufe) T18: Rundanlage 1 (3. Stufe) T19: Rundanlage 2 (3. Stufe) P27:Schrott P8:Emissionen P27:Schrott P8:Emissionen P27:Schrot t P8:Emissionen P 4 P47:Lager P48:Lager P50:Lager P51:Lager P45:Fremdschrott 12732000 kgS 784000 kgS 187000 kgS 1088000 kgS 8826000 kgS Abb. 23: Umberto®-Prozessnetz eines Stahlwerks mit den Gesamtmassenflüssen (oben), den Eisenflüssen (Mitte) und den Schwefelflüssen (unten). Der Maßstab der drei Diagramme ist unterschiedlich, um zu verdeutlichen, wo die Elemente jeweils auftreten. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 31 Abb. 24: Input/Output-Darstellung einer Müllverbrennungsanlage (MVA), allerdings nur mit den wichtigsten Stoffflüssen. Die Inputmenge an Luft fehlt, da sie keine relevante Information darstellt. Oder man beschreibt mit den verschieden markierten Flussobjekten explizit die Stoffoder Energieumwandlung, wie sie in der Produktion oder Abfallentsorgung (Reduktion) stattfindet. Die Darstellung verschiedener Materialien innerhalb eines Diagramms ist besonders für das Life Cycle Assessments von Produkten von Bedeutung. Hier steht nicht nur im Mittelpunkt, wie viel für eine Produktion benötigt wird und wie viel als Emissionen, Abfälle usw. entsteht, sondern auch um welche Rohstoffe, Schadstoffe usw. es sich dabei handelt. Das Augenmerk liegt auf den ökologisch relevanten Objekten. Dafür wird teilweise sogar in Kauf genommen, dass ökologisch irrelevante Stoffströme vernachlässigt werden und damit die Massenbilanz verletzt wird. Als Beispiel kann ein Verbrennungsprozess angeführt werden, bei dem zwar der Brennstoffeinsatz und die Emission diverser Schadstoffe berücksichtigt wird (Abb. 24). Der Einsatz von Luft (mit dem notwendigen Sauerstoff zur Verbrennung und Stickstoff zur Bildung von NOx) wird aber meistens stillschweigend vorausgesetzt und nicht explizit mitbilanziert. Ein entsprechendes Sankey-Diagramm zeigt in diesem Fall nur die ökologisch relevanten Stoffströme und die Mengenbilanz geht streng genommen nicht mehr auf. Bei dieser Anwendung liegt der Nutzen der SankeyDarstellung weniger im Aufzeigen von mengenmäßigen Bilanzunstimmigkeiten, als vielmehr im Verfolgen ökologisch relevanter Stoffströme. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 32 Abb. 25: Materialflussbild von Platinmetallen aus dem Jahr 1989. Die Erzmenge (oben rechts) ist nicht maßstäblich angegeben, da sie deutlich größer ist. Quelle: Spektrum der Wissenschaft 11/1989, S.133, Grafik: Joe Lertola. Ein anderes Problem zeigt sich in Abb. 25: Hier werden die Stoffströme von Platinmetallen dargestellt; es handelt sich um ca. 102 Tonnen. Die Erzmenge, aus denen die Metalle gewonnen werden, liegt aber im Bereich von 107 Tonnen und ist in dem Diagramm oben links angedeutet. Die Darstellung ist natürlich nicht mehr maßstäblich, da man ansonsten die wesentlichen Mengenströme (die der Platinmetalle) nicht mehr erkennen könnte. Es stellt sich die Frage, ob für solche Fälle eine andere Skalierung gewählt werden kann. Man könnte eine stark nichtlineare Skala (Flussmenge ist proportional zu n-ten Potenz der Pfeilbreite) wählen - eine logarithmische Skala schließt sich aus, da Nullpunkt und kleine Mengen sich mit Pfeilbreiten nicht geeignet darstellen lassen. Aber mit einer nichtlinearen Darstellung geht ein wesentliches Merkmal der SankeyDiagramme verloren: Die intuitive Erfassung der Größenverhältnisse und ggf. die Überprüfung einer Bilanzerhaltung. Die Pfeilbreiten können im Geiste nicht mehr addiert werden. Auch sind nach verschiedenen Flussobjekten unterteilte Flusspfeile, wie in Abb. 24 angedeutet, nicht mehr möglich, da sie die Additivität voraussetzen. Es bietet sich deshalb eher an, bei einer streng proportionalen Skala zu bleiben und Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 33 „Ausreißer“ bei den Werten durch eine obere Schranke grafisch zu kennzeichnen, den Wert eindeutig zu beziffern und damit anzudeuten, dass in diesem Fall die „visuelle Bilanzerhaltung“ außer Kraft gesetzt ist. So wurde das Problem quasi auch in Abb. 25 gelöst. 3.3 Sankey-Diagramme mit Wertströmen Mit einem Sankey-Diagramm können die Energieund Materialflüsse zwischen den Systemelementen eines komplexen Systems anschaulich dargestellt werden. Im bisherigen Beitrag erfolgte das alles in Mengeneinheiten, also in einem physikalischen Maßsystem. In ökonomischen Systemen ist mit den Energieund Materialflüssen aber auch ein Wertstrom verbunden, die Flüsse stellen Werte dar, die zwischen den Systemelementen, z.B. Wirtschaftssektoren oder Unternehmen, übertragen werden. Gerade in der aktuellen Situation, wo Ressourcen einen steigenden ökonomischen Wert haben, ist eine Wertdarstellungen besonders verlockend. Ein prominentes Beispiel einer solchen Wertdarstellung wurde vom Nobelpreisträger Wassily Leontief angeführt (Leontief 1985). Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge in einer Volkswirtschaft und der Austauschprozesse zwischen den verschiedenen Sektoren hat er die in Abb. 26 gewählte Darstellung benutzt. Berücksichtigt werden drei Sektoren mit jeweils einem Ausstoß: Die Landwirtschaft (grün) hat als Output landwirtschaftliche Erzeugnisse, gemessen in Pfund; die Industrie (blau) hat als Output Tuch, gemessen in Ellen Tuch; die privaten Haushalte (ocker) stellen die Arbeitskräfte zur Verfügung, gemessen in Arbeitsstunden, und ihnen gehört der Kapitalbestand des landwirtschaftlichen und industriellen Sektors. Das Flussdiagramm zeigt einerseits an, welche Mengen an Gütern ausgetauscht werden, also z. B. produziert die Industrie 50 Ellen Tuch und braucht dazu 20 Pfund landwirtschaftliche Erzeugnisse, 6 Ellen seiner eigenen Produktion, 135 Arbeitsstunden sowie 100 Pfund Kapitalgüter aus der landwirtschaftlichen (hellgrün) und 50 Ellen Kapitalgüter aus der industriellen Produktion (hellblau). Wird von einer Kapitalsertragsrate von 10 Prozent und einem Stundenlohn von 1 Dollar ausgegangen wird, dann ergeben sich aus dem Leontief`schen Modellansatz die Flusszahlen in dem Bild. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 34 Abb. 26: Verflechtung einer vereinfachten Volkswirtschaft mit den Bereichen Landwirtschaft, Industrie und private Haushalte. Angegeben sind die Güterströme zwischen den Bereichen und (jeweils in Gegenrichtung) die damit verbundenen Geldströme. Quelle: Spektrum der Wissenschaft 8/1985, S.33, Grafik: Jerome Kuhl. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 35 Zwei Dinge fallen hier auf: - Der Geldstrom verläuft entgegen der Richtung des Güterstroms und stellt damit den Austauschprozess zwischen den Sektoren dar. Beim Übergang vom Güterstrom zum Geldstrom tritt also ein Richtungswechsel bei den Pfeilen auf. - Es werden nur Flussgrößen, aber keine Bestandsgrößen dargestellt. So bleibt unklar, welche Bestände an Gütern in der Industrie oder in der Landwirtschaft noch existieren. Das Bild ist aber in sich konsistent und dient vor allem der Veranschaulichung des 50 Jahre zuvor entwickelten Leontief`schen Modellansatzes, der ansonsten typischerweise mit linearen Gleichungssystemen und Matrizen formuliert wird. Der Zusammenhang zwischen den Mengenströmen und den Wertströmen besteht im Preis der Güter: Wert = Menge x Preis. Insofern ist auch eine Übertragung des Vorgehens auf andere nichtökonomische Bewertungen von Stoffströmen denkbar: So könnte man beispielsweise die Bewertung der ökologischen Wirkung von Stoffen verwenden: Neben den Mengen an Kohlendioxid, Methan oder Fluorchlorkohlenwasserstoffen kann man so die Treibhauswirksamkeit (gemessen in kg CO2-Äquivalent) der Stoffe darstellen. 3.4 Sankey-Diagramme für die betriebliche Kostenstruktur Die Anwendung wertbezogener Sankey-Diagramme im betrieblichen Kontext ist nur auf den ersten Blick trivial. Eine einfache Möglichkeit wäre, die Vorgehensweise von Leontief aus Abb. 26 auf die innerbetrieblichen Stoffströme zu übertragen: Die Produktionsprozesse erfordern einen Rohstoffeinsatz und liefern Produkte. Diese werden mit ihren Preisen bewerten, liefern also einen Ertrag, der als monetärer Strom – quasi im Austausch mit den Gütern – in entgegen gesetzte Richtung zu den Rohstoffflüssen zurückgereicht wird. In Abb. 27a sind die physischen Flüsse, also die Materialund Energieflüsse eines betrieblichen Systems dargestellt. Neben den Rohstoffen und (Zwischen-)Produkten fließen bei Prozess 1 noch beispielhaft Emissionen in die Luft, bei Prozess 2 und 3 entstehen Abfälle. Das Bild zeigt anschaulich, was fließt – folgt also dem Prinzip Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 36 Abb. 27: Das schematische Beispiel der physischen Stoffströme in einer Firma (a). Die Darstellung folgt dem Prinzip „What You See Is What Is Flowing“. Unten eine denkbare Darstellung für den Rückfluss von Geld, wobei die Aufteilung der Produkterlöse innerhalb der Firma große Probleme bereitet (b). Darstellung mit e!Sankey®. „What You See Is What Is Flowing = WYSIWIF“. Eine monetäre Bewertung der physischen Flüsse könnte zu dem Sankey-Diagramm in Abb. 27b führen und quasi den Geldstrom im Austausch für die Produkte, Rohstoffe usw. anzeigen. Bei den Abfällen muss allerdings Geld aufgewendet werden, um den Abfall zu entsorgen; deshalb zeigt hier der Materialstrom in die gleiche Richtung wie der Geldstrom. Ansonsten Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 43 bestehen bleiben. Eine Aussage über die Auslastung der Arbeitskräfte, Produktionsanlagen usw., die zu den fixen Kostenbestandteilen beitragen, hat man damit freilich noch nicht. Genauso wenig erkennt man aus der Darstellung (auch nicht aus den proportionalen Kosten), ob das technische System „effizient“ arbeitet. Das konnte aber auch Sankey aus seiner ursprünglichen Darstellung einer Dampfmaschine nicht ablesen; erst durch den Vergleich mit einem idealisierten Prozess, dem Clausius-Rankine-Zyklus, wurde eine Aussage zur Effizienz möglich. Eine modellhafte Darstellung wie das Sankey-Diagramm darf eben nicht mit dem Realsystem verwechselt werden, und es darf nicht angenommen werden, hier würden tatsächliche – technische oder ökonomische – Kausalitäten abgebildet werden. Das SankeyDiagramm dient mit seiner Anschaulichkeit lediglich als Hilfsmittel der Interpretation und Analyse, ersetzt diese aber nicht. 3.6 Anwendungsbeispiel: Innerbetriebliches Recycling Ein typisches Beispiel für eine innerbetriebliche Anwendung ist in Abb. 31 dargestellt. Es zeigt ein suboptimales System mit Materialverlust; aber auch der weit verbreitete Lösungsansatz mit innerbetrieblichem Recycling liefert nicht zwangsläufig die beste der möglichen Lösung. Wie die Erfahrungen in verschiedenen Studien in Deutschland zeigt, treten solche Situationen in der Praxis immer wieder auf, z.B. in der Kunststoff verarbeitenden Industrie, in der Papierproduktion oder in der Metallverarbeitung. Der Einfachheit halber wird nur ein Rohstoff verarbeitet, wie aus dem Massenflussdiagramm ersichtlich ist (Abb.31a). Unter Einsatz von Arbeit – andere Einsatzfaktoren wie Energie, Hilfsstoffe, Kapital usw. werden vernachlässigt – wird ein Produkt hergestellt. Immerhin 80 % des eingesetzten Rohstoffes landen im Produkt; allerdings entstehen 20 % Abfall, z.B. weil bestimmte Qualitätsanforderungen nicht erfüllt sind. Dieser Abfall wird entsorgt. In Abb. 31b sind die Kosten dargestellt, wobei in diesem Beispiel von einem Vollkostenansatz ausgegangen wird: Der Hauptbeitrag zu den Kosten liefert der Rohstoff. Mit dem Einsatz von Arbeit in den verschiedenen Bearbeitungsstufen steigt der Wert Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 44 Abb. 31: Wertschöpfungskette in einem Unternehmen entlang eines Materialflusses. a) Der Durchlauf der Materialien vom Rohstoff bis zum Produkt. b) Die Kosten der Materialflüsse unter Annahme einer Vollkostenrechnung. des jeweiligen Zwischenproduktes, man erkennt also die Wertschöpfung entlang der Bearbeitungskette. Die Entsorgung des Abfalls verursacht zusätzliche Kosten, die im Sinne einer Vollkostenrechnung dem Produkt angelastet werden. Das Produkt kostet damit umgerechnet 2,6 $ pro kg. In Abb. 32a ist das realisiert worden, was – wenn es technisch möglich ist – sehr häufig in den Unternehmen heutzutage umgesetzt wird: Recycling. Eine erste Möglichkeit wäre, den Abfall als Wertstoff extern zu verkaufen und damit die im Unternehmen entstandenen Kosten durch zusätzliche Erlöse zu verringern. Tatsächlich werden für viele Reststoffe, die früher teuer entsorgt wurden, heute hohe Preise gezahlt. Doch der Preis für den Reststoff ist niemals so hoch, wie der Rohstoff, den man ursprünglich eingekauft hat. Eine bessere Variante wäre deshalb das innerbetriebliche Recycling, wenn es aus technischen und werkstofflichen Gründen möglich Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 45 Abb. 32: Wertschöpfungskette in einem Unternehmen mit innerbetrieblichem Recycling. a) Der Durchlauf der Materialien. b) Die Kosten der Materialflüsse unter Annahme einer Vollkostenrechnung. c) Für den Reststoff des Recyclingstroms wird ein interner Verrechnungspreis – z.B. aus der Kostenund Leistungsrechnung – ermittelt. und aus Kostengründen vertretbar ist. Diese Situation trifft für viele Produktionsbetriebe tatsächlich zu. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 46 Der Reststoff wird dann quasi im Kreis gefahren und als Sekundärrohstoff der Produktionskette am Anfang wieder zugeführt. Ggf. muss der Reststoff noch geeignet aufbereitet werden. Er ersetzt nun aber den teuren Rohstoff. Damit werden nicht nur die angenommenen 0,4 $/kg Entsorgungskosten gespart, sondern im Umlauf pro kg eingesparten Rohstoff ein weiterer Dollar - allerdings abzüglich der Aufbereitungskosten des Sekundärrohstoffs, die hier mit 0,6 $/kg angesetzt wurden (Abb. 32b). In der Summe sinken die Kosten der Produktion auf 2,4 $ pro kg Produkt, das sind fast 8 % weniger Kosten. Für viele Unternehmen sind diese wenigen Prozent oft schon entscheidend über Erfolg oder Misserfolg. In Abb. 32c ist eine alternative Darstellung gewählt worden. Hier wurde so getan, als sei der Reststoff am Ende der Kette, der nicht als Produkt vermarktet wird, auch ein Zwischenprodukt mit einem Verrechnungspreis. Er „trägt“ die Rohstoffkosten, die er allerdings bei einem erneuten Durchlauf durch das System wieder vollständig ersetzt. Allerdings hat er durch die geleistete Arbeit eine zusätzliche Wertschöpfung erhalten, die beim Recycling vergebens war – diese Wertschöpfung wird beim Recycling des Wertstoffes quasi weggeschmissen und muss erneut aufgebracht werden, um ein Produkt herzustellen. An diesem Beispiel ist der Verrechnungspreis des Reststoffes bemerkenswert: Er beträgt aufgrund der erfolgten Wertschöpfung im Unternehmen 3 $/kg und liegt damit deutlich über dem Einkaufspreis des Rohstoffes, es handelt sich quasi um einen umsonst veredelten Rohstoff. Was folgt aus diesen Zahlen? Die Antwort kann natürlich nicht lauten, statt des Recyclings den Reststoff wegzuschmeißen. Aber es stellt sich die Frage, ob es nicht eine bessere Möglichkeit gibt, Kosten zu sparen. Diese Antwort wird nicht von der Sankey-Darstellung mitgeliefert; sie hängt vom technischen System ab. Das Ziel muss es sein, möglichst wenig von der innerbetrieblichen Wertschöpfung zu vergeuden. Das kann erreicht werden, indem man z. B. den Recyclingkreislauf frühzeitig zu schließen versucht, vielleicht bereits nach der ersten Bearbeitungsstation. Das deutet auf die Selbstverständlichkeit hin, dass man so früh wie möglich Qualitätskontrollen durchführen sollte und fehlerhafte Teile gleich ausschleust. Oder man versucht, die Menge des Reststoffes zu reduzieren. Gelingt es beispielsweise, die Menge von 20 Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 47 Abb. 33: Verringerung der Reststoffmenge (10 % Recycling) und Erhöhung der Produktmenge in der a) Mengendarstellung und in der b) Kostendarstellung. % Ausschuss auf 10 % zu reduzieren, so erhöht sich zwar wieder der Einsatz an Primärrohstoff, aber dafür nimmt die Ausbringungsmenge des Produktes zu (Abb. 33). Die spezifischen Kosten liegen dann nur noch bei 2,18 $/kg, das sind 16 % weniger als ursprünglich ohne Recycling bzw. 9 % weniger gegenüber einem Recycling von 20 % Ausschuss. Obwohl es sich bei diesen Betrachtungen um einfache Sachverhalte der effizienten Produktion und der Kostenrechnung handelt, werden sie von vielen Betrieben in der Praxis nicht beachtet. Rationalisierungsmaßnahmen setzen dann oft an weniger wichtigen Aspekten an. Mit den kostenbezogenen Sankey-Diagrammen können die Aspekte jedoch relativ schnell den Entscheidungsträgern verdeutlicht werden. Sie lenken den Fokus auf bestimmte, bisher vernachlässigte Zusammenhänge, ersetzen aber natürlich keine etablierte Kostenrechnung. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 48 An dieser Stelle muss noch darauf hingewiesen werden, dass die ökonomische Bewertung der Stoffströme nur eine Möglichkeit unter vielen darstellt. Werden die Stoffströme einem anderen Bewertungsschema – z.B. einer ökologischen Bewertung – unterworfen, so können die Sankey-Diagramme auch diese darstellen, sofern es sich um kardinale und lineare Maßsysteme handelt. Eine Möglichkeit wäre z.B. die Darstellung der Treibhauswirksamkeit einer Produktion. In diesem Fall lautet die Frage nicht mehr, welche Kosten mit den Stoffströmen verbunden sind, sondern welchen Beitrag zum Treibhauseffekt in kg CO2-Äquivalent geleistet wird. Statt der Kosten werden die CO2-Rucksäcke eines eingekauften Vorproduktes oder Rohstoffes weitergereicht und zu den direkten CO2-Emissionen des Unternehmens gezählt. Sie werden schließlich dem oder den Endprodukten angerechnet, wobei hier die gleichen Fragestellungen wie bei der Kostenrechnung auftauchen können: Welche CO2Emissionen verhalten sich proportional zu der Ausbringungsmenge eines Produktes, welche sind fix oder wie sinnvoll ist eine Zurechnung der Emissionen zu Kuppelprodukten. 4 Schlussfolgerung Das eher beiläufig veröffentlichte Diagramm des Cpt. Riall Sankey diente vor über 100 Jahren der Veranschaulichung von Ineffizienzen bei Dampfmaschinen. Es hat sich seitdem immer wieder als probates Mittel erwiesen, um Ineffizienzen in ganz unterschiedlichen Produktionssystemen deutlich zu machen und entsprechende Analysen zu unterstützen. Als Zielgruppe sind dabei selten die Ingenieure und Fachexperten angesprochen, was wahrscheinlich auch der Grund dafür ist, dass man sich mit den scheinbar trivialen Sankey-Diagrammen in der Vergangenheit nie systematisch beschäftigt hat. Stattdessen ist die Zielgruppe meistens ein erweiterter Kreis von Menschen, die mit den Details der Systeme nicht vertraut sind und denen trotzdem die entscheidenden Zusammenhänge vermittelt werden sollen. Dazu zählen insbesondere die Entscheidungsträger in Wirtschaft und Politik. Gerade weil Sankey-Diagramme eine mitunter große Bedeutung für Entscheidungsprozesse haben können, ist es sinnvoll, sich der Besonderheiten dieser speziellen Darstellung bewusst zu sein. Denn mit der Übertragung von technischen und wissenschaftlichen Sachverhalten in Diagramme fließen implizit Annahmen ein, die den Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 49 Betrachter bewusst oder unbewusst beeinflussen. Ein wichtiger Punkt ist z.B. die Frage der Bilanzerhaltung oder der Darstellung von addierbaren Größen. Wird von diesen intuitiv angenommenen Regeln abgewichen, so sollte dies stets dazu gesagt werden, sonst können Fehlinterpretationen die Folge sein. Beachtet man diese Besonderheiten, so können Sankey-Diagramme auch heute noch ein mächtiges Hilfsmittel sein, nicht nur im technischen Bereich, sondern – wie aufgezeigt wurde – auch im ökonomischen Bereich. Denn die Produktionsstrukturen und die technischen und wirtschaftlichen Verflechtungen werden immer komplexer und müssen übersichtlich und in ihrer ökonomischen und ökologischen Bedeutung treffend abgebildet werden. Genau hierin liegt die Stärke des Sankey-Diagramms: Es bedient sich der visuellen Darstellung von Verflechtungen in Systemen und ihrer „Kopplungsstärken“ und lenkt damit im wahrsten Sinne des Wortes den Blick auf das Wesentliche – trotz der Totalerfassung der Komplexität, d.h. aller Verflechtungen. Es kann als Ausgangspunkt für die angemessene Vereinfachung und Komplexitätsreduktion von Systemen dienen, z.B. durch Weglassen mengenmäßig vernachlässigbarer Verflechtungen oder durch die hierarchische Gliederung der Stoffund Energieflüsse von Systemen, bei denen etwa ein Unternehmen im Extremfall nur noch als Black-Box betrachtet wird. Sankey-Diagramme können damit sowohl für Top-DownAnalysen als auch für Bottom-Up-Analysen unterstützend genutzt werden. Ein interessantes Anwendungsfeld kann beispielsweise die Verfolgung von Stoffund Energieflüssen in Unternehmen sein, bei denen jene Aspekte berücksichtigt werden, die einen Einfluss auf die Produktivität oder Effizienz des Gesamtsystems haben. Gerade der Wechsel zwischen Gesamtsystem und Detailausschnitt sowie zwischen der Mengenund der Wertebene liefert hier einen raschen und einsichtigen Erkenntnisgewinn. So könnte man die Sankey-Diagramme in ähnlichen Analysen nutzen, wie sie im Value Stream Mapping erfolgreich in Betrieben eingesetzt werden (Rother u. Shook 1998) und daraus eine Art „Material Stream Mapping“ mit einem weiten Einsatzfeld in der produzierenden Wirtschaft machen. Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr. 124 50 Quellen Anonymus (1926): Obituaries. JIEE Vol.64. p. 1210 Anonymus (1926): Orbitury. Minutes of Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Vol. 221, pp. 271-274 Baccini, H., Bader, H.-P. (1996): Regionaler Stoffhaushalt. Erfassung, Bewertung und Steuerung. 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