Produktionswirtschaftliche Beschreibungs- und Optimierungsmodelle für die Wertstoffsortierung

Plastic waste recycling in Germany has been fundamentally changed and developed over the past 30 years. The implementation of the Dual System in 1990, especially, increased the necessity of efficient waste sorting processes. Since then, technically sophisticated machines have been developed by mechanical process engineering which enable a separation of waste plastic of nearly a hundred percent accuracy. However, waste sorting processes have been largely neglected so far in economic science. The present doctoral thesis intends to close this gap by introducing an analytical economic decision model for sorting processes. Conceptual basics are presented in part I. They contain a definition of waste sorting from the economic point of view, as well as a placement of sorting processes within the closed-loop of product material flow. Furthermore, this part deals with the waste mixture – the most important factor of the process. A new method to measure the mixture is presented. In part II, the process structures are analyzed by using activity analysis. Based on the analogy of sorting and transportation processes, a new deterministic optimization model was developed. In part III, the new model is evaluated and extended to meet stochastic effects. This new model can eventually be used as a foundation for process simulation, economic planning and the control of plastic waste sorting processes.Während die mechanische Verfahrenstechnik eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren bereithält, um Wertstoffe von nicht weiter verwertbaren Resten zu trennen, fehlen in der Betriebswirtschaftslehre bislang Modelle und Verfahren, die den Produktionsprozess der Wertstoffsortierung aus ökonomischer Sicht detaillierter beschreiben und optimieren. Bisherige Ansätze beschreiben die Kreislaufwirtschaft zumeist allgemein, ohne ausführlicher auf die Sortierung einzugehen. Die vorliegende Monographie beschäftigt sich zunächst ausführlich mit dem Sortierinput, dem Abfallgemisch. Es werden verschiedene Formen und Anordnungen von Vermischung diskutiert und Kennzahlen zur Messung des Vermischungszustands entwickelt. Darauf aufbauend und im Zusammenspiel mit Strukturanalogien zwischen Transport- und Sortierprozessen wird ein formales Grundmodell für Wertstoffsortierung entwickelt. Dieses Grundmodell wird nach einer Evaluation, die verschiedene Anwendungsmöglichkeiten aufzeigt, um praxisrelevante stochastische Aspekte erweitert.Auch im Buchhandel erhältlich: Produktionswirtschaftliche Beschreibungs- und Optimierungsmodelle für die Wertstoffsortierung / Julia Gerth Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2014. - XVIII, 273 S. ISBN 978-3-86360-097-6 URN urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013000703 Preis (Druckausgabe): 21,60

Modifizierte Schrittsteinmethode zur ganzzahligen simultanen Produktionsprogramm-, Transport- und Absatzmengenplanun

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Semi-Präemptives Transportieren

Das Problem, einen Roboter (oder ein Fahrzeug) so zwischen n Stationen zu steuern, daß m Objekte von ihrem Ausgangspunkt zu ihrem Ziel transportiert werden können und dabei die zurückgelegte Fahrstrecke minimiert wird, bezeichnet man als Pickup--And--Delivery--Problem. Diese Aufgabenstellung ist in der Vergangenheit gut untersucht worden, sogar wenn die Stationen auf eine besondere Weise angeordnet sind, z.B. in einer Reihe oder im Kreis. Üblicherweise darf der Roboter entweder jede oder keine Station als Umladestation benutzen. Man spricht in diesen Fällen von einem präemptiven bzw. nicht--präemptiven Transport. Wir werden diese Konzepte verallgemeinern, indem nur ein Teil der Stationen für das Umladen benutzt werden darf. In Anlehnung an die beiden anderen Versionen soll diese Fragestellung semi--präemptiv heißen. Dabei differenzieren wir zwischen einer exogenen und einer endogenen Variante. In der ersten darf der Roboter nur an gekennzeichneten Stationen umladen. In der zweiten teilen wir ihm eine Zahl k mit, und es ist Teil der Aufgabenstellung zu entscheiden, an welchen k Stationen umgeladen wird. Wir zeigen, daß sowohl die exogene als auch die endogene Version auf einem Pfad und auf einem Kreis effizient lösbar ist und geben jeweils dynamische Lösungverfahren an. Beide Varianten sind auf Bäumen NP--vollständig. Für den exogenen Fall geben wir einen Approximationsalgorithmus mit einer Güte von 4/3 an. Für die endogene Aufgabenstellung präsentieren wir eine (4/3+c)--Approximation für beliebiges c > 0. Schließlich nutzen ein bekanntes Resultat, um eine Approximation für das exogene und endogene Transportproblem auf metrisch gewichteten Graphen angeben zu können. Aus der angewandten Problemstellung ergibt sich ein graphentheoretisches Teilproblem, das wir näher untersuchen. In einem gerichteten Graphen G=(V,E^r\dot\cup E^b) mit einer rot/blau--partitionierten Kantenmenge soll zu gegebener Kostenfunktion eine kostenminimale und aufspannende Arboreszenz bestimmt werden, die höchstens d blaue Kanten benutzt. Wir geben ein voll polynomielles Approximationsschema an. Dieses nutzen wir, um das endogene Transportproblem auf Bäumen zu approximieren

Integrierte Standort-, Kapazitäts- und Technologieplanung von Wertschöpfungsnetzwerken zur stofflichen und energetischen Biomassenutzung

Die industrielle Nutzung von Biomasse als Alternative zu klassischen Kohlenstoffträgern gewinnt aus ökologischen und ökonomischen Gründen an Bedeutung. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Anwendung eines strategischen Planungsmodells für biomassebasierte Wertschöpfungsnetzwerke, in dem Standorte und Kapazitäten unter Berücksichtigung von Größendegressionseffekten, verschiedener Produktionsschritte einer Prozesskette sowie entscheidungsrelevanter Energie- und Stoffströme bestimmt werden

Heuristische Methode für die kombinierte Standort- und Tourenplanung für die Entwicklung eines Biogaskonzeptes

Für die folgenden diskutierten Bereiche, d. h. Bioabfall aus Haushalten, Speisereste, Abfall aus der Lebensmittelindustrie sowie Klärschlamm, werden die Biomasseströme in einer Übersicht aufgezeigt. Diese Bilanzierung umfasst sowohl die Produkte als auch die Nebenprodukte, Reststoffe oder Abfälle mit dem Ziel, diejenigen Biomasseabfallströme im Gesamtzusammenhang zu identifizieren, die aus Sicht des Klimaschutzes und der Schonung fossiler und mineralischer Ressourcen als besonders relevant eingestuft werden können bzw. deren bisherige Nutzung oder Entsorgung noch Optimierungsmöglichkeiten erkennen lassen. Die Relevanz ergibt sich demnach aus der Kombination von Masseanfall und Grad einer möglichen Optimierung. Ein Optimierungsansatz kann eine Beeinflussung des Biomassestoffstroms sein (Stoffstromlenkung oder zusätzlicher Nutzungsschritt) oder eine Optimierung auf Prozessebene bedeuten. Die als relevant erkannten Biomasseabfallströme werden einer vertiefenden Analyse unterzogen. Die erkannten Optimierungsansätze werden als Verwertungsoptionen quantitativ bilanziert und nach den verschiedenen Umweltwirkungskategorien bewertet. Maßstab ist jeweils der aktuelle oder zukünftig zu erwartende nicht optimierte Umgang mit Biomasseabfällen. Die mit der Verwertung bzw. Entsorgung verbundenen Umweltlasten werden beachtet und in die Bilanzierung miteinbezogen, d. h., die Substitution von Energie oder Produkten, die konventionell unter Nutzung von Primärrohstoffen erzeugt werden müssten. Eine Optimierung der Bewirtschaftung von Biomasseabfällen kann dabei sowohl eine bessere stoffliche als auch verstärkte energetische Nutzung bedeuten. Optimal sind dabei Nutzungskaskaden im Sinne einer Kombination von energetischer und vorheriger stofflicher Nutzung oder umgekehrt. Die wertgebenden Eigenschaften der einzelnen Biomassen lassen sich häufig nicht nur stofflich oder energetisch, sondern auch als eine Kombination aus beidem nutzen. So wird bspw. der Kohlenstoffgehalt einer Biomasse möglicherweise energetisch am Besten genutzt. Der ebenfalls wertgebende Gehalt an Pflanzennährstoffen sollte zusätzlich für eine optimierte Bewirtschaftung nicht ungenutzt bleiben

Elektromobilität und das Problem der Ladesäulenwahl: Modellierung und Evaluation eines mathematischen Modells zur fahrerindividuellen Optimierung von Ladesäulenempfehlungen zur Verbesserung der öffentlichen Ladesituation

Elektromobilität und das Problem des Aufladens kennzeichnen sich aktuell noch durch das Auffinden unbelegter Ladesäulen und lange Ladezeiten für den Endkunden. Geringe Fahrreichweiten der ersten Generationen von Elektrofahrzeugen und die begrenzte Verfügbarkeit öffentlicher Schnellladesäulen untermauern die öffentliche Wahrnehmung der Elektromobilität häufig mit dem Begriff der Reichweitenangst. Der Fahrzeugnutzer ist es gewohnt, unkompliziert in einem gut ausgebauten Tankstellennetz jederzeit bis zu eintausend Kilometer Reichweite in wenigen Minuten Tankzeit für bestehende Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren zu erwerben. Diese Einfachheit bietet Elektromobilität aktuell nicht. Es existieren unterschiedliche Steckersysteme, uneinheitliche Preismodelle der Ladesäulenbetreiber, Anmeldepflichten der Kunden bei den Ladesäulenbetreibern, unterschiedliche Ladeleistungen und umständliche Abrechnungssysteme. Das alternative Aufladen am Hausstromanschluss erfordert mehrere Stunden Ladezeit und verlangt von Fahrern einen eingeschränkten Mobilitätsradius in der Nähe des Hausstromanschlusses. Doch selbst wenn all diese Teilprobleme gelöst werden, verbleibt die technologiecharakteristische Problematik der langen Ladezeiten. Denn selbst an Schnellladesäulen treten Ladezeiten von 25 min auf und übersteigen damit die regulären Tankzeiten von etwa 2,5 min um das Zehnfache. Und diese langen Ladezeiten treten entsprechend häufig auf, denn die geringe Fahrreichweite aktueller Elektrofahrzeuge führt dazu, dass Elektrofahrzeuge häufiger Ladesäulen aufsuchen müssen, als gängige Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren Tankstellen aufsuchen. Das häufige Aufsuchen von Ladesäulen innerhalb der noch unzureichend ausgebauten Ladeinfrastruktur und die bei der Ankunft erforderlichen langen Ladezeiten können Blockierungen und Wartezeiten zwischen den Fahrern von Elektrofahrzeugen bei der Ankunft an den Ladesäulen provozieren. Dabei stellt sich schon heute und zukünftig noch viel mehr folgende Frage: >> Wie können Fahrer von Elektrofahrzeugen individuell durch Berücksichtigung ihrer persönlichen Präferenzen bei ihrer Ladesäulenwahl durch Optimierung auf der Basis der von ihnen bereitgestellten Fahrzeugpositionsdaten und Akkustanddaten von einem kollaborativen Ladesäulenmanagementsystem unterstützt werden, sodass es zu weniger gegenseitigen Blockierungen an Ladesäulen kommt und damit die öffentliche Ladesituation verbessert werden kann, und wie stören Fahrer diese Optimierung, die keine Daten bereitstellen möchten oder können? << Diese Fragestellung wird im Rahmen der vorliegenden Arbeit beantwortet.Electromobility and the problem of uncomplicated charging is currently characterized by the finding of unoccupied charging stations and long charging times for the end customer. The limited availability of the first generations of electric vehicles and the limited availability of public high-speed charging stations often results in a negative public perception of electromobility. Current drivers are used to fill up regular vehicles with combustion engines in just minutes to get thousand kilometers of range in a fully developed infrastructure of petrol stations. Electromobility does not currently offer this simplicity. There are different plug-systems, inconsistent pricing models, customer registration requirements, different performance classes and cumbersome billing systems for charging stations. The alternative charging at home demands several hours of charging time and requires drivers to have a restricted mobility radius in driving range to their homes. However, even if all of these partial problems are solved, the technology-characteristic problem of long charging times remains. Charging times of 25 min occur even at high-speed charging stations, thus exceeding the regular petrol fill up time of 2.5 min by ten times. And these long charging times occur correspondingly frequently, since the low operating distance of current electric vehicles leads to the fact that electric vehicles have to visit charging stations more frequently than conventional vehicles with combustion engines call petrol stations. Frequent searching of charging stations within the still insufficiently developed charging infrastructure and the required long charging times can provoke extensive blockages and waiting times between the drivers of electric vehicles. This results in the central question of the work: >> How can drivers of electric vehicles be supported individually by taking into account their personal charging behavior on the basis of their vehicle position data and battery data, which are optimized within a collaborative charging station management system to reduce mutual blocking at public charging situation and how will drivers disturb this optimization, who cannot or do not want to provide those data? << This question is answered in this thesis

Die Nutzung von Naturkapital zur wirtschaftlichen Entwicklung Namibias : eine bioökonomische Gleichgewichtsanalyse am Beispiel Fisch

Die Klassifizierung maritimer Fischbestände als globale öffentliche Güter verpflichtet den Staat gegenüber der internationalen Staatengemeinschaft, die Verantwortung für die nachhaltige Nutzung der Naturressourcen innerhalb seiner Jurisdiktion zu übernehmen. Die effiziente Nutzung knapper biologischer Ressourcen impliziert die maximale und nachhaltige Abschöpfung von Ressourcenrenten. Die Arbeit quantifiziert die Ressourcenrenten der kommerziellen Fischerei in Namibia und erörtert Strategien einer nachhaltigen Entwicklung für das Land, welches gegenwärtig den letzten Rang auf der Skala der weltweiten Einkommensdisparität einnimmt. Hierzu wurde in Anlehnung an das UN System of Environmental and Economic Accounting (SEEA) eine Social Accounting Matrix (SAM) mit detaillierter Abbildung des Fischereisektors spezifiziert. Es wurde ein allgemeines Gleichgewichtsmodell entwickelt, das als Basis für wirtschaftsweite Analysen dient. Ein Schwerpunkt lag hier auf der Implementierung von flexiblen nicht-homothetischen Nachfragesystemen und der Ableitung theoretisch konsistenter Modellparameter. Parallel dazu wurden partiale bioökonomische Fischressourcen-Modelle erstellt. Bioökonomische Modelle eignen sich zur Analyse des Managements erneuerbarer Ressourcen. Spieltheoretische Analysen ergänzen den Methodenapparat. Es wurden mögliche Koalitionen für ein kooperatives Management von marinen Fischressourcen spieltheoretisch untersucht, um Empfehlungen für die Verhandlung von Nutzungsrechten abzuleiten. Sowohl die kommerzielle Fischerei als auch der Tourismussektor Namibias spiegeln die dualistische Struktur des Landes wieder. Beide Sektoren sind abhängig vom Naturkapital des Landes. Die Autorin geht der Frage nach, ob das vorhandene Naturkapital dazu beitragen kann, die soziale Disparität in Namibia nachhaltig zu verringern. Die Arbeit kommt zu dem Ergebnis, dass der Staat hohe Ressourcenrenten de facto wenigen etablierten Akteuren überlässt. Als Resultat fehlender Nachweispflichten können vertikal integrierte Unternehmen erzielte Renten kaschieren. Die Verhandlungen über Partnerschaftsabkommen sollten unter dem Aspekt der Abschöpfung einer maximalen Ressourcenrente, die allen Namibiern Nutzen stiftet, neu evaluiert werden. Spieltheoretische Analysen konnten das Potenzial für eine Win-Win Situation einer solchen Koalition asymmetrischer Spieler andeuten. Simulationen mit individuellen handelbaren Quoten (ITQs) zeigten die positiven Wohlfahrtseffekte von Nutzungsgebühren, da diese hohe private Diskontraten effizienter Unternehmen kompensieren und Quotenpreise eindämmen. Das Konzept des Community Based Natural Ressource Management (CBNRM) zeigt in Namibia erfolgversprechende Ansätze. Namibias Naturlandschaft bietet die Chance für eine breitere Aufstellung von CBNRM. Praktiker und Wissenschaftler favorisieren derzeit Hybrid-Governance Strukturen gegenüber staatlich kontrollierten Landmanagement Regimen. Ein diversifizierter naturbasierter Tourismus könnte auf die internationale Zahlungsbereitschaft für den Erhalt von Biodiversität treffen. Finanzmittel wären durch einen Transfer von Ressourcenrenten verfügbar. Mathematische Modelle sind wichtige Instrumente, um Verteilungswirkungen abzuschätzen. Darüber hinaus kann die Visualisierung in Form einer grünen SAM Entscheidungsträger ansprechen. Dieses Argument gilt auch für spieltheoretische Anwendungen. Die vorliegende Arbeit hat Schnittstellen erarbeitet, die spieltheoretische Überlegungen durch numerische Simulationen testen. Weiterer Forschungsbedarf besteht insbesondere bei der Verbesserung der methodischen Verknüpfung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse mit ökonomischen Modellen.The use of natural capital for economic development in Namibia - a bioeconomic equilibrium analysis using the example of fisheries Marine fish resources are classified as global commons. Accordingly, national governments are committed to sustainably manage fish stocks living within the jurisdiction of their exclusive economic zone. Efficient use of scarce biological resources implies abstraction of maximum resource rents. The performed scientific work quantifies resource rents gained by commercial fisheries in Namibia and discusses strategies for sustainable development of the country that currently holds the lowest ranking in worldwide income disparity. For this purpose a hybrid social accounting matrix (SAM) is developed following the UN concept of integrated environmental and economic accounting (SEEA). On the basis of the created data framework the author developed an applied general equilibrium model with special focus on specifying flexible non-homothetic consumer and bilateral import demand systems. The author advanced a procedure for calibrating a set of parameters for the Normalized Quadratic-Quadratic Expenditure System (NQQES) that satisfy the requirements of economic theory. Parallel, partial bioeconomic fishery model are established for analyzing management regimes of renewable resources. The methodological concept is further supplemented by game theoretic applications. Recent research outcomes of coalition theory are tested with respect to evaluating the potential of cooperative management and to derive recommendations for negotiating the allocation of user rights. Until today the commercial fishery and the tourism sector respectively reflect the dualistic character of the country. Both sectors heavily depend on natural capital and its quality. The thesis is investigating whether existing natural resources, namely fish and wildlife might support development by simultaneously removing social injustice. It was found that in Namibia resource rents are still left to a few privileged established enterprises, and that the aim of black economic empowerment via reallocation of quotas is not reached. As a consequence of missing duties for financial record keeping and resulting transfer pricing enterprises can easily conceal realized profits. In addition the often outdated fishing fleet operates inefficiently. In terms of capturing maximum resource rents for the benefit of all Namibians, negotiations on economic partnership agreements with the EU should be reviewed. Game theoretic analysis indicates the potential of a win-win situation of a coalition between two asymmetric players. In case of establishing individual transferable quota regimes (ITQs), model simulations indicate the welfare improving effect of royalties. This is explained by the positive effect of user fees on controlling quota prices and countervailing high personal discount rates of cost efficient entrepreneurs, who are supposed to dissipate future revenues. In Namibia, the strategy of Community Based Natural Resource Management (CBNRM) reveals promising options. Namibia’s natural landscape provides the opportunity for an extension of CBNRM. The experience of academics as well as practitioners favor hybrid governance architecture opposed to land management regimes controlled by central government. Diversified nature-based tourism might fits in with the international willingness to pay for biodiversity conservation. Finance could be available by the transfer of resource rents. Mathematical planning tools are key instruments to assess impacts on the allocation of user rights and the distribution of benefits from natural capital. Furthermore, visualization via a green SAM might move decision-makers in the direction of sustainability. This argument also holds for game theoretic applications. More research is needed in the field of connecting different methods, particularly combining the models of natural science and economics

Ein integriertes Verkehrsnachfrage- und Bewertungsmodell: Ansatz einer Synthese von Mikroökonomie und Verkehrsplanung

In dieser Arbeit wird ein Modell zur integrierten Verkehrsnachfrage- und Nutzenberechnung für den privaten Personenverkehr entwickelt, mit dem eine harmonisierte Bewertung der entscheidungsrelevanten Aufwände der Verkehrsteilnehmer in der Verkehrsnachfragemodellierung und der Nutzen-Kosten-Analyse ermöglicht wird. Notwendig ist die Modellentwicklung und die damit verbundene Zusammenführung, da die derzeit praktizierte methodische Trennung zum einen nicht theoriekonform mit der Nutzen-Kosten-Analyse ist, zum anderen daraus fehlerhafte Ergebnisse im Rahmen der ökonomischen Gesamtbewertung einer Verkehrsinvestition resultieren können. Das entwickelte Modell liefert als Ergebnis einerseits die Verkehrsnachfrage für den Ohne- und Mitfall (ohne und mit zu bewertender Verkehrsinvestition), andererseits wird die Änderung der Konsumentenrente der Verkehrsteilnehmer ausgegeben, die unmittelbar in die Nutzen-Kosten-Analyse einfließt. Das zugrundegelegte Verkehrsnachfragemodell ist das EVA-Logit-Modell, das dem EVA-Grundmodell in Form eines Logit-Modells entspricht und damit mikroökonomisch interpretierbar und integrierbar ist. Die Nutzenänderung der Verkehrsteilnehmer wird durch das Integral des EVA-Logit-Modells bestimmt und mit Hilfe der in der Verkehrsnachfrage modellierten Bewertungspräferenzen der Verkehrsteilnehmer gegenüber den Reisekosten monetarisiert. Das Ergebnis stellt die konsistent bestimmte Änderung der Konsumentenrente dar. Die Funktionsfähigkeit und Verwendbarkeit des entwickelten Modells wird anhand einer Beispielanwendung getestet