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Der Wunsch nach einer Gestaltung von zukünftiger gesellschaftlicher Entwicklung hat mit dem in den vergangenen Jahren entwickelten Leitbild Sustainable Development" eine starke Konkretisierung erfahren. Zwar ist die Vorstellung von dem, was unter Nachhaltiger Entwicklung heute verstanden wird, immer noch wage und an vielen Punkten verbesserungsfähig, dennoch sind ausgehend von den im Bericht der Brundlandt-Kommission 1988 formulierten Gedanken über die Ergebnisse der Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung in Rio de Janeiro (1992) bis hin zur Konferenz über Nachhaltige Entwicklung in Johannesburg (2002) viele Fortschritte zu erkennen. An diesem Rio-Prozess sind zahlreiche Institutionen beteiligt, die aufganz unterschiedlichen Ebenen ihren Beitrag dazu leisten. Im Zusammenhang mit Nachhaltiger Entwicklung spielt die Bewertung von einzelnen Techniken und Produkten eine große Rolle. Immer wieder wird die Frage aufgeworfen, ob ein Produkt oder ein Konsummuster im Einklang mit nachhaltiger Entwicklung steht. Schnelle Antworten hierauf berühren meistens nur die Oberfläche und sind sehr oft falsch. Bei genauerer Prüfung stellt sich schnell heraus, dass für eine fundierte Antwort bereits die methodischen Grundlagen unvollständig sind, dass Daten nicht nach einheitlichen Vorschriften erhoben wurden oder dass Systemgrenzen nicht präzise genug formuliert wurden. Die Normenreihe DIN EN ISO 14040 ff. hat zwar einen ersten Rahmen für die Methode gesetzt, jedoch auf eine von vielen Aspekten abhängige Vorgehensweise verzichtet. Mit dem vorliegenden Bericht greifen die Autoren einen Teilaspekt dieses umfangreichen Themas auf, indem sie aufwands- und ergebnisrelevante Probleme der Sachbilanzierung genauer betrachten. Die Arbeiten präzisieren damit das methodische Fundament für die Ökobilanz (Life Cycle Assessment (LCA)). Der vorliegende Bericht ist das Ergebnis einer langjährigen Zusammenarbeit zwischen dem Institut für technischen Umweltschutz, Fachgebiet Abfallvermeidung und Sekundänohstoffwirtschaft (ASR), an der TU Berlin und der Programmgruppe Systemforschung und Technologische Entwicklung (STE) im Forschungszentrum Jülich . Die Autoren bedanken sich bei Dr. Petra Zapp, Dr. Robert Ackermann und Dr. Wilhelm Kuckshinrichs für die intensiven Sachdiskussionen und die kritischen Anregungen zum Manuskript.

In der Ökobilanz (engl. Life Cycle Assessment, LCA) werden die mit einem Produkt verbundenen Umweltaspekte und produktspezifischen potentiellen Umweltwirkungen im Verlauf des Produktlebenswegs von der Wiege bis zur Bahre abgeschätzt. Die Sachbilanz (engl. Life Cycle Inventory, LCI) ist der Teil der Ökobilanz, in dem der Produktlebensweg (LCI-system) modelliert wird. In der Modellierung des Produktlebenswegs bestimmen die Abschneidekriterien die Systemgrenzen. Die Abschneidekriterien beeinflussen die Daten-symmetrie des Produktsystems. Symmetrisch modellierte LCI-system gewährleisten eine hohe Aussagesicherheit der Ökobilanzergebnisse sowie auch die Vergleichbarkeit der untersuchten LCI-Systeme. In der gegenwärtigen Modellierung werden oft aggregierte Daten in der Form von fixierten Modulen benutzt. Die Anwendung von Modulen minimiert erheblich den Zeit- und Arbeitsaufwand der Ökobilanz-Studie und ermöglicht ihre Durchführbarkeit. Die Anwendung von fixierten Modulen führt allerdings auch zur Bildung von Datenasymmetrien, die zur Folge haben, dass die Endergebnisse verzerrt werden. Die symmetrische Modellierung des Produktsystems wurde gründlich untersucht, wenn verschiedene Abschneidekriterien verwendet wurden. Vorteile und mögliche Nachteile von Abschneidekriterien wurden festgestellt und neu entwickelte Versionen von den zuverlässigsten Abschneidekriterien entwickelt. Darüber hinaus ist die Modellierung des Produktsystems im Fall von komparativen Ökobilanzen (eng. comparative LCAs) auf eine solche Art und Weise weiterentwickelt, die die Datensymmetrie gewährleistet. Anhand von diesen theoretischen Untersuchungen wurde die Module-Funktionalität entwickelt, die durch die entwickelte RUN Modellierung umgesetzt wird. In dieser Modellierung können verschiedene Abschneidekriterien erfolgreich integriert werden, die anschließend auf das Modul Subsystem angewendet werden können. Dadurch werden Daten-Asymmetrien vermieden. So ist ein symmetrischer Anpassungsalgorithmus entstanden, der auch bei Datenbanken durchgeführt werden kann. Die manuelle Anwendung von Abschneidekriterien wird durch den Ökobilanzierer nun innerhalb der Datenbanken automatisiert betrieben. Die Durchführbarkeit der entwickelten multifunktionellen Module im Fall von verschiedenen Abschneidekriterien ist an der Fallstudie von Energieerzeugungsmodulen überprüft worden. An den multifunktionellen Modulen wird Datenasymmetriebildung verhindert. Daher übersteigt die durchschnittliche gesamte Performance, eingegeben in Umweltrelevanzreduzierung von den multifunktionellen Modulen im Vergleich zu den derzeitigen konventionellen Modulen 25%. Die empirische Untersuchung bestätigt alle theoretischen Überlegungen und betont die zwingende Notwendigkeit von symmetrischer Modellierung des Produktsystem. Gedruckte Version im Shaker Verlag [http://www.shaker.de/] erschienen. Life Cycle Assessment (LCA) investigates the environmental performance of the life cycle of products from cradle-to-grave. In Life Cycle Inventory (LCI) phase of LCA the practitioner models the product system. Modeling of the product system (LCI-system) uses cut-off criteria, which determine the LCI-system’s boundaries. The cut-off criteria affect the data symmetry of the modeled LCI-system. Symmetrically modeled LCI-systems result in highly reliable final LCA findings and ensure the LCI-systems’ comparability. Current modeling practice often use fixed modules (aggregated data) due to the minimum required time and effort of an LCA. However, this results in the formation of asymmetrical data, which biases the final LCA outcome. The symmetric modeling of the product system was thoroughly investigated when different cut-off criteria were applied. The advantages and possible drawbacks of the cut-off criteria were detected and new developed versions were coined. Furthermore, the product system modeling in case of comparative LCAs was also further developed in a way that ensures the data symmetry. Based on these findings, module functionality was developed using the so-called RUN modeling. This encompassed successfully the proposed cut-off criteria, which when applied on module subsystem, prevents the formation of asymmetry data. Based on the RUN models, a module symmetric adjustment algorithm has been established which can be used also by databanks. The application of the cut-off criterion has now been shifted from the practitioner (manually) to the databank (automatically), which is quite advantageous. The easy operation of the developed multifunctional modules when different cut-off criteria are applied was verified in studying energy production modules. The overall performance of these multifunctional modules compared with the current available fixed modules showed an average reduction, due to data asymmetry prevention of the overall environmental score, which exceeds 25%. The empirical findings complement the theoretical considerations and stress the importance of symmetric modeling of the product system even further. Printed version available from Shaker Verlag: [http://www.shaker.de/]

Das Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der ökologisch optimalen Nutzungsdauer von Produkten und ihren Komponenten. Um ein genaues Bild über die ökologisch optimale Nutzungsdauer von verschiedenen Produkten mit unterschiedlichen Merkmalen und Komplexitätsgraden zu gewinnen, wird daher ein Modell entwickelt, welches die optimale Nutzungsdauer produkttypenspezifisch bestimmt. Das Modell basiert auf einem progressiven Optimierungsprozess, in welchem sich die Berechnung auf das bereits existierende Produkt bezieht, und auf der ökologischen Break-even-Point Analyse der Substitution. Dadurch wird das Problem des festgelegten Betrachtungszeitraums vermieden, der das Ergebnis beeinflussen könnte. Für die Modellentwicklung werden Determinanten der ökologisch optimalen Nutzungsdauer ermittelt und ihre Wechselwirkungen quantitativ beschrieben. Aufgrund der vier erfassten unterschiedlichen zeitlichen Verläufe der produktspezifischen Umweltbelastung in Abhängigkeit von der Nutzungsdauer (konstant, linear, exponentiell, konkav) werden entsprechend vier Produkttypen hergeleitet, die eine differenzierte Bestimmung der ökologisch optimalen Nutzungsdauer erfordern. Die vier Produkttypen werden sowohl als Mono- als auch als Multibaugruppen-Produkte betrachtet, so dass die baustrukturbezogene Produkteigenschaften in das Modell heranfließen. Im Gegensatz zu Monobaugruppen-Produkten unterteilen sich die Multibaugruppen-Produkte in austauschbare Baugruppen. Die Multibaugruppen-Produkte werden über vier Baugruppentypen charakterisiert, die den einzelnen Produkttypen entsprechen. Im Modell für Monobaugruppen-Produkte wird mit Modellgleichungen bestimmt, wann ein nur wenig komplexes Gut komplett durch ein neues optimal substituiert werden sollte. Im Modell für Multibaugruppen-Produkte wird die ökologisch optimale Nutzungsdauer von komplexen Produkten aus der Produkt-, Baugruppen- und Systemperspektive betrachtet. Das Beispiel der Waschmaschine, die ein Multibaugruppen-Produkt repräsentiert, belegt, dass bei geringer innovationsbedingter Reduzierung der produktspezifischen Umweltbelastung eine Substitution des gesamten Produktes ökologisch nicht sinnvoll ist. Hingegen kann die Umweltbelastung durch eine Optimierung aus der Baugruppen- oder Systemperspektive reduziert werden. The goal of this thesis is the determination of the optimal ecological lifetime of products and their components. In order to get an exact picture of the optimal lifetime of products with different characteristics and complexity, a model determining the product type specific optimal ecological lifetime is developed. The model is based on a progressive optimization process, in which the calculation refers to the already existing product, and on the ecological break-even-point analysis of substitution. This avoids the problem of the fixed calculation period known to influence the results. For the model development, determinants of the ecologically optimal lifetime are investigated and their interactions quantitatively described. The dependency between the product specific environmental impact and the product life time was found to be well-described through four different behaviours: constant, linear, exponential and concave. This resulted in the development of four different product types, each requiring specific calculation to assess the optimal ecological lifetime. The four product types are regarded as products consisting of one component (mono-component product) or multiple components (multi-component product), so that the product structure characteristics are included in the model. Unlike mono-component products, multi-component products are made of exchangeable components. Multi-component products are characterized with four component types corresponding to four product types. The model for mono-component products calculates the optimal ecological time to replace a relatively simple product by a totally new one. The model for multi-component products determines the optimal ecological lifetime from three different perspectives: the product, component and system perspective. The application case of the washing machine, that represents a multi-component product, demonstrates that if innovation causes only a small reduction of the product specific environmental impact, the substitution of the entire product is ecologically unreasonable. However, the environmental impact could be reduced through a component or system perspective optimization.

In dieser Dissertation werden die Bedingungen ermittelt, um ein nachhaltiges Bioenergiepotenzial in einer Region zu schaffen, welches die Erfüllung ausgewählter Nachhaltigkeitskriterien in einer Region ermöglicht bzw. nicht gefährdet. Zu diesem Zweck werden mit Hilfe der systemdynamischen Ansatz die Einflussfaktoren und Systemzusammenhänge der regionalen Bioenergiebereitstellung erfasst und in einem Modell quantifiziert. Das Verhalten des Systems zur regionalen Bioenergiebereitstellung wird in Form von Flächennutzungen und Stoffströme zunächst anhand eines Wirkungsgraphs dargestellt. Darauf aufbauend werden Teilsysteme und Subsysteme identifiziert und mit Hilfe von systemdynamischen Kriterien ihre Wirkungsstruktur weiter detailliert. Im Anschluss an die Nachbildung der Systemstruktur werden die Nachhaltigkeitskriterien und die dazu gehörenden Indikatoren ausgewählt. Sie bilden in Form von Einschränkungen die Bedingungen, die erfüllt werden müssen, um die nachhaltige Entwicklung in der Region nicht zu gefährden. Auf der Basis von Wirkungsgraphen für die jeweiligen Subsysteme und der „Nachhaltigkeitsbedingungen“ wird ein computerunterstütztes dynamisches Modell erstellt. Im Anschluss wird die Anwendbarkeit des Modells anhand der Beispielregion „Meta“ in Kolumbien geprüft. Das entwickelte Modell erweist sich als geeignet zur Ermittlung eines nachhaltigen Bioenergiepotenzials in einer Region. Die für die jeweiligen Szenarien ermittelten Bioenergiepotenziale ermöglichen die Erfüllung der ausgewählten Nachhaltigkeitsziele. Engpässe treten bei der Versorgung mit bestimmten Nahrungsmitteln und der Verfügbarkeit an Wohn- und Infrastrukturfläche ein. Es wird nachgewiesen, dass sich diese Engpässe aus modellexogenen Einschränkungen, wie beispielsweise den Importgrenzen und der maximalen Umwandlung von landwirtschaftlichen Flächen in bebaute Flächen, ergeben. Erforderliche Maßnahmen werden hieraus abgeleitet. Die Relevanz der Einflussfaktoren für das Bioenergiepotenzial wurde für das Beispiel gezeigt. Das Bioenergiepotenzial aus Primärbiomasse reagiert in steigender Sensitivitätsreinfolge auf Änderungen in den Rahmenbedingungen der Tierhaltung, des Ackerbaus und des Konsumverhaltens. Auf das Bioenergiepotenzial aus Sekundärbiomasse wirken am stärksten die Änderungen der Parameter, die den Umgang mit Holzresten aus dem Wald charakterisieren. Durch weitere Forschungsarbeiten kann dieser Ansatz zum Werkzeug entwickelt werden, dass u.a. die Festlegung von Bioenergieerzeugungsziele und die Steuerung des Bioenergiesystems unterstützt. In this dissertation conditions for sustainable energy biomass are identified and used to develop a model to estimate regional energy biomass potentials. A system dynamics approach is applied to identify and analyse the relationships among the factors influencing energy biomass supply and to translate them into a model. The behaviour of the regional biomass supply system is represented in an overall qualitative causal loop diagram in form of mass flows and land use changes. The overall causal loop diagram serves as a basis to identify the part systems as well as the corresponding subsystems in which the system is subdivided. Building on it, the causality structure of each subsystem is further detailed (subsystem causal loop diagrams). After identifying the subsystems causal structure, suitable sustainability criteria and indicators are either selected or formulated. They constitute the conditions to be fulfilled to not affect negatively the achievement of sustainable development goals in a biomass producer region. The sustainability criteria and indicators are translated in constrains or exogenous parameter, which are introduced in the model building. The computer supported model is built on the one hand on the qualitative subsystem causal loop diagrams and on the other hand on the sustainability conditions. The applicability of the model is verified using a theoretical case study for the province “Meta” in Colombia. The model proves to be suitable to determine sustainable energy biomass potentials for a region. Three different scenarios are analysed. For all of them, feasible energy biomass potentials, which are not in conflict with the fulfilment of sustainability goals, are calculated. It is however observed, that shortages of some food crops and of housing area may occur. It is found, that they are caused by model extern factors like restrictions to imports and to the transformation of agricultural land in built up land. In those cases no energy biomass potentials are generated. More over, measures to reduce shortages can be derived from the simulation results. The relative importance of the factors influencing the energy biomass potentials in the case study is also analysed. It is concluded, that the primary energy biomass potential is increasing sensitive to changes in the framework conditions of livestock husbandry, of agriculture and in consumption patterns. The secondary energy biomass potential is particularly sensitive to changes in the utilization of forest wood residues. This approach can be further developed in future research work into an instrument for supporting the definition of bioenergy goals and decisions on energy biomass systems.

Die Modellierung des Produktsystems erfolgt bisher in Abhängigkeit von den Komponenten des gesamten Produktes in einer Baumstruktur. Eine unabhängige Modellierung von Sachbilanzmodulen für einzelne Komponenten ist aufgrund der dadurch ausgelösten Wechselwirkungen in der vernetzten Baumstruktur des Produktsystems nicht möglich. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik für austauschbare Sachbilanzmodule auf Basis von Komponenten. Für Modifizierungen komplexer Produkte sollen die neuen Komponenten unabhängig von den bereits bestehenden Sachbilanzmodulen des Produktsystems modelliert werden. Die entwickelte Methodik beruht auf einer logischen Entkopplung der Baumstruktur des Produktsystems in Systemebenen entsprechend der Strukturhierarchie des Produktes (Produktmodell). Die Ableitung der Methodik für ein modifizierbares Produktsystem erfolgt über zwei Bedingungen. Die erste Bedingung für die Modellierung der Schnittstellen ist, dass die Sachbilanzergebnisse von Systemebene I, die alle Prozesse des Produktlebensweges integriert, identisch sind mit den Sachbilanzergebnissen der Baumstruktur. Die zweite Bedingung für die Modellierung der Schnittstellen ist die eindeutige Bestimmbarkeit der Mengenmultiplikatoren. Beide Bedingungen werden durch die entwickelte Methodik erfüllt. Die Komponenten eines Produktes bestimmen die möglichen Entsorgungswege. Durch Einführung des Systemzustandes wird untersucht, ob sich infolge der Substitution von Komponenten die Prozessketten der Entsorgung für bereits bestehende Sachbilanzmodule ändern. Mit dem Systemzustand wird die Kopplung der Bauteile und Baugruppen untereinander sowie die Materialarten dieser Komponenten analysiert. Die Produktstruktur von Produktvarianten wird zum einen mit Hilfe von Matrizen untersucht. Zum anderen wird die Menge der Materialarten für die Produktvarianten bestimmt. Die Untersuchung des Systemzustandes ermöglicht so den fehlerfreien Austausch von Sachbilanzmodulen des Produktsystems, die sich hinsichtlich der Prozessketten unterscheiden. Die entwickelte Methodik wird durch die Anwendung am Beispiel von Laugenpumpen von Waschmaschinen validiert. Das modifizierbare Produktsystem und der Systemzustand integrieren die Produkteigenschaften, die sich auf Änderungen der Masse von Bauteilen, Art verwendeter Materialien und der eingesetzten Verbindungselemente beziehen. Wenn ein bestehendes Produkt modifiziert wird, wird durch die in dieser Arbeit entwickelten Methodik das Minimum der Prozesse im vor- und nachkonsumtiven Bereich bestimmt, die für die jeweiligen Komponenten neu zu modellieren sind. Durch das Bestimmen der auszutauschenden Prozesse wird die Neumodellierung von zahlreichen Prozessen eingespart. Die Methodik liefert somit einen Beitrag zur erheblichen Zeitersparnis in der Modellentwicklung im Rahmen der Sachbilanz/ Ökobilanz. Bei Veränderungen in einem bestehenden Produkt erlaubt die Methodik, bereits in der Produktentwicklung gezielt den Einfluss einzelner Änderungen auf die potenziellen Umweltwirkungen zu berechnen, um so schnelle, objektive Entscheidungen zu treffen. Goal of this thesis is the development of a method for exchangeable life cycle inventory modules based on product components (hereafter: components). It should thus be possible to model changes in the characteristics of complex products independently from the already existing, modelled life cycle inventory modules. Typically, the product system is modelled in a tree structure in relation to characteristics of the entire product. Using this method, an independent modelling of life cycle inventory modules based on components is not possible due to the interdependent and interlaced tree structure of the products. The methodology developed in the framework of this thesis is based on a logical uncoupling of the tree structure of the product system in different levels. The system levels relate to the hierarchy of the product (product model). The derivation of the methodology takes place by complying with two conditions for the modelling of the interfaces of the life cycle inventory modules between the system levels. The first condition for the modelling of the interfaces is that the life cycle inventory results of the system level I – which integrates all processes of the life cycle – are identical with the life cycle inventory results of the tree structure. The second condition for the modelling of the interfaces is the unique determinability of the scaling factors. Both conditions are fulfilled by the developed methodology. The interdependencies between the components of a product, which determine the specific disposal processes, are analysed through the determination of the system state of the product. The state of the system determines the coupling of the components and assemblies to each other as well as the materials types of these coupled components. This takes place on one hand via a matrix representation, which provides an overview of the structure of the original as well as the enhanced product. On the other hand, the quantity of the material types is determined for the product alternatives. The system state analysis allows for the exchange of process chains (a group of interlinked processes) from the product system that differ in their material type. Since the components of a product affect each other regarding their disposal processes, the state of the system determines whether the insertion of a modified life cycle inventory module affects the disposal process chains for an already existing life cycle inventory module. The developed methodology is validated considering its implementation on the example of lye pumps of washing machines. The modifiable product system and the system state integrate the product properties, which refer to changes of the component mass, the materials used, and the types of joinings used. The methodology for exchangeable life cycle inventory modules developed in this thesis determines the minimum of processes that must be remodelled for the respective components. The methodology can therefore provide a substantial time saving in the model development in the framework of the life cycle inventory/ Life Cycle Assessment. This methodology allows decisions to be made during product development based on the selective calculation of the influence of individual changes of the product system.

In dieser Arbeit wurde erstmalig das Explosionsdiagramm des heterogenen Systems Diethylketon/Sauerstoff-Stickstoff in Abhängigkeit vom Gasvordruck und vom Stoffmengenanteil des Sauerstoffs erstellt. Nach den bei Raumtemperatur in einer Rohrstrecke erhaltenen Ergebnissen existieren fünf Bereiche unterschiedlichen Explosionsverhaltens: Pseudogasdeflagrationen, Pseudogasdetonationen, Oberflächendeflagrationen, Oberflächendetonation und ein schmaler Bereich in dem keine Zündung des Systems möglich war. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit bestand darin, den Mechanismus von Oberflächenexplosionen zu untersuchen. Durch Explosionsuntersuchungen am heterogenen System Diethylketon/Sauerstoff-Stickstoff wurde dabei festgestellt, dass sich in dem Bereich, in dem Oberflächendeflagrationen entstehen, nach der Zündung eine Diffusionsflamme ausbildet, welche sich auf der Flüssigkeitsoberfläche durch das Rohr bewegt. Bei hohen Sauerstoffkonzentrationen findet eine deflagrative Verbrennung im gesamten Gasraum statt. Solche Oberflächendeflagrationen werden durch die Zerstäubung des Brennstoffes infolge von Stoßwellen mit geringer Intensität hervorgerufen. Bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen in der Gasphase folgt dem Diffusionsflammenstadium ein Abbrandstadium. Durch den Einsatz der laserinduzierten Fluoreszenz konnte die früher von Hofmann publizierte These, dass ein Stofftransport durch die Flammen hindurch stattfindet, für eindimensionale Oberflächenexplosionen wiederlegt werden. Experimentelle Untersuchungen am heterogenen System Methanol/Sauerstoff haben gezeigt, dass Oberflächendetonationen ebenfalls durch eine Zerstäubung des Brennstoffs als Folge der Wechselwirkung einer intensiven Gasströmung beziehungsweise der Wechselwirkung von Stoßwellen geringer Intensität mit der Fl&uu ;ssigkeitsoberfläche verursacht werden. Die dadurch gebildeten Aerosole befinden sich nur in einem schmalen Bereich über der Flüssigkeitsoberfläche. Es wurde festgestellt, dass sich die Detonationsfront nur in diesem schmalen Bereich über der Flüssigkeit durch das Rohr bewegt. Berechnungen der Einwirkung einer horizontal über die Flüssigkeit laufenden Stoßwelle bestätigen dieses Modell. Oberflächendetonationen sind außerdem dadurch gekennzeichnet, dass periodische Sekundärexplosionen auftreten. Solche oszillierenden Explosionen entstehen, da die im System befindlichen Reaktanden Sauerstoff und Lösemittel nicht beim ersten Durchlauf der Detonationswelle vollständig umgesetzt werden. Die bei den Explosionsversuchen durchgeführten Druckmessungen haben darüber hinaus gezeigt, dass Detonationen im heterogenen System mit explosionsfähiger Gasphase (Pseudogasdetonationen) sicherheitstechnisch gefährlicher sind als Gasdetonationen. For the first time, the explosion diagram of a heterogeneous system (represented by diethylketone/oxygen-nitrogen) in dependence on the initial gas pressure and the molar fractions of oxygen and nitrogen was measured in a steel tube. Experiments in such heterogeneous systems showed at room temperature that five ranges of different explosion behaviour in a tube exist: pseudogas deflagrations, pseudogas detonations, surface deflagrations, surface detonations and a small range in which an ignition of the system was impossible. Another aim of this work was to investigate the mechanism of surface explosions. Surface deflagrations are characterised by the formation of a diffusion flame which moves along the liquid surface through the tube after ignition. Measurements performed in the system showed that a combustion occurred in the whole gas phase at a high molar fraction of the oxygen. This surface deflagration is the result of the dispersion of the fuel into aerosol particles induced by shock waves with low intensities. At low molar fractions of the oxygen in the gas phase, the diffusion flame stadium is followed by the a burnout phase. The former published thesis of a mass transfer through the flames during the diffusion flame and burnout phase was rebutted for one dimensional surface explosions (explosions in the heterogeneous systems combustible, organic liquid and gaseous oxidiser in a tube) by using laser-induced-fluorescence (LIF). Surface detonations are caused by dispersion of the liquid phase into aerosol particles as a result of the interaction of shock waves with low intensity and the liquid-surface. The aerosols are located in a small area above the liquid surface. The detonation front moves only in this small area above the liquid surface through the tube. This was shown by high-speed video recordings. Calculations of the impact of a horizontal shock wave moving atop the quid surface confirm this model. Another property of surface detonations is the occurrence of secondary explosions. Such explosions develop when oxygen and solvent are not completely converted during the first run of the detonation wave. Moreover, it was shown that explosions in heterogeneous systems including an explosive atmosphere (pseudogas explosions) are more dangerous than gas explosions.

Ökobilanzen zur Bestimmung von potenziellen Umweltbelastungen von Produkten, sind sehr datenintensiv und daher teuer und langwierig. In der aktuellen Bilanzierungspraxis wird an verschiedensten Punkten der Berechnung eine lineare Extrapolation von Prozessflüssen bzw. Teilbilanzergebnissen durchgeführt, um vorhandene Ergebnisse bereits durchgeführter Ökobilanzen (Originalbilanz) für neue Berechnungen (Zielbilanz) zu nutzen. Grundbedingung für dieses Vorgehen ist, dass es sich bei dem neu zu bilanzierenden Produkt um das gleiche Prozessprodukt handelt, und dass die gleichen Prozesse zu berücksichtigen sind. Alle Prozesse, deren Prozessflüsse extrapoliert werden, müssen als "Black-Box-Prozesse" abgebildet werden, d.h. die Prozesskoeffizienten (pij) ihrer Prozessflüsse zwischen Originalbilanz und Zielbilanz sind gleich. Technische Randbedingungen, systematische Abschneidekriterien, Allokations- und Verteilungsfaktoren werden aus der Originalbilanz übernommen. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, unter welchen Bedingungen sich dieses Prinzip auf ganze Produkte und Produktsysteme anwenden lässt. Grundsätzlich muss eine Gleichheit aller Einzelprozesse im Prozesssystem gewährleistet sein, was als ökobilanzielle Ähnlichkeit von Produkten bezeichnet wird. Eine ökobilanziellen Ähnlichkeit besteht, wenn alle prozessbestimmenden Produkteigenschaften gleich sind und für alle den Mengen-multiplikator bestimmenden Produkteigenschaften von Original- und Zielprodukt ein Umrechnungsfaktor bestimmbar ist. Diese Definition der ökobilanzielle Ähnlichkeit wird auf drei Ähnlichkeitskriterien (Material, geometrische und weitere prozessbestimmende Produkteigenschaften) eingeengt. Besteht zwischen zwei Produkten ökobilanzielle Ähnlichkeit, so kann von der Ökobilanz des einen Produktes (Originalprodukt) durch lineare Extrapolation auf die des zweiten Produktes (Zielprodukt) geschlossen werden. Dies stellt eine Aufwandsminimierung für die Berechnung der potenziellen Umweltbelastungen des Zielproduktes dar, da eine Vielzahl von Arbeitsschritten (Aufstellung des Prozesssystems, Berechnung der Mengenmultiplikatoren, usw.) für die Ökobilanzierung des Zielproduktes übersprungen werden können. Zur linearen Extrapolation der Ökobilanz müssen Original- und Zielprodukt in einander ähnliche Grundelemente zerlegt und für diese dann jeweils ein Extrapolationsfaktor bestimmt werden. Diese Vorgehensweise wird anhand einer Mineralwasserflasche inkl. ihrer Verkaufs- und Transportverpackung verdeutlicht. Die Ökobilanzergebnisse des Originalproduktes müssen bezogen auf Einzelprozesse bzw. auf Teilsysteme vorliegen, die bestimmten Grundelementen des Produktes zugewiesene werden können. Für jeden Prozess und Teilsystem muss das Intervall der Prozessbezugsgröße bekannt sein, innerhalb dessen eine lineare Extrapolation unter Verwendung eines Black-Box-Prozessmodells nicht zu relevanten Fehlern führt. Life Cycle Assessment (LCA) is used to detemine the potential enviornmental impact of products; but since the method requires a hughe amount of data, it is expensive and time consuming. The actual LCA practice uses linear extrapolation of process flows and of indicator results for process sub-systems at different steps of the assessment, in order to re?use results of existing LCA studies (original LCA study) for the calculation of new products (goal-LCA). This procedure is based on two conditions: the same product (process, intermediate or final) is produced and the same processes are involved. All processes, for wich process flows will be extrapolated, must be modelled as "black-box-processes", i.e. process coefficients (pij) will be determined for the original LCA and will be taken as equal for the goal-LCA. Technological conditions, systematical cut-off criteria, allocation and distribution factors will be taken transfered from the original LCA, too. The actual thesis investigates under which conditions, this procedure can be applied to whole products or product systems. Basically, all single processes linked within the process system should be the same, which is called here environmental similarity of products . Two products are environmental similar , if all product properties which determine the processes of their process systems are equal. For all product properties which only determine the mass multiplier of processes within the process system, it shold be possible to determine a transformation factor between the original LCA and the goal-LCA. This general definition of environmental similarity can be reduced to three criteria of similarity (material, geometrical properties an other process related product properties). In case two products are proven to be environmentally similar, the LCA results of one product (original product) can be extrapolated to calculate the LCA of the second product (goal). This procedure represents a minimization of effort for the calculation, since various calculation steps of the LCA method (building up the process system, calculation of mass multiplieres) can be scipped for the goal-LCA.

Die vorliegende Arbeit stellt das Konzept analytischer Verteilungsmodelle zur Sachbilanz rekursiver Stoff- und Energieflusssysteme vor. Im Vergleich zu stochastischen Modellen (Black Box Modellen), die bei der Sachbilanz üblicherweise Verwendung finden, sind analytische Verteilungsmodelle gleichungsorientiert und enthalten chemisch-/physikalische Abhängigkeiten. Sie beruhen auf integralen Bilanzgleichungen und besitzen eine höhere Abbildungsgenauigkeit als Black Box Modelle. Auf Systemebene und auf der Ebene einzelner Prozesse spannen chemisch/physikalische Modellrestriktionen, Konsistenzbedingungen und Informationskonzepte einen flexiblen Ordnungs- und Handlungsrahmen auf. In ihrer Gesamtheit sind die Beschreibungsmuster allgemeingültig und dazu geeignet, die Sicht einer Gruppe zu spiegeln. Dies fördert die Verständigung zwischen individuellen Anwendern des Modellkonzepts und ist eine Grundvoraussetzung für den Aufbau eines kongruenten Modellbestands. Der Entwurf und die Implementierung analytischer Verteilungsmodelle erfordern einen hohen zeitlichen Aufwand. Dieser Aufwand ist gerechtfertigt, wenn Möglichkeiten einer Nachnutzung der Modelle in Form von gleichungsorientierten Sachbilanzmodulen bestehen. Größtmögliche Flexibilität verspricht ein modulares Konzept, das phänomenologische Verallgemeinerungen und die Auflösung individueller Strukturmerkmale beinhaltet. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene Ansatz beruht auf einer logischen Entkopplung eines Modellausschnitts von seiner Systemumwelt. Kernelemente der Strategie sind implizite Variablen - Modellgrößen, die aus einer formalen Dekomposition einzelner Stoffflüsse in ihre Teilmassen (Komponenten) resultieren. Modellgleichungen, in denen ausschließlich implizite Variablen verknüpft sind (implizite Modellgleichungen) sind auf Substanzebene definiert und beziehen sich nur noch indirekt auf die extensiven Zielgrößen (Stoffflüsse) des Modells. Dies ermöglicht eine einfache Kombination der Module, die im Idealfall ohne Anpassung und Korrektur von Modellgleichungen verläuft. Durch eine wiederholte Anpassung und Modularisierung kann die Anzahl der impliziten Variablen des Moduls sukzessive erhöht werden. Hierdurch steigt die Flexibilität und Anwendungsbreite der Module.

Diese Arbeit hat das Ziel, eine praktisch anwendbare Methode zur Berechnung der Fehler in Ökobilanzen zu entwickeln. Die Entwicklung der Methode geschieht in der Arbeit mit Hilfe eines Modells, das die verschiedenen, heute üblichen Rechenschritte der Ökobilanz abbildet. Das Modell erlaubt es, die wahren Werte für die Fehler, die tatsächlichen Fehler , an verschiedenen Stellen der Ökobilanz wie z.B. in Zwischenergebnissen und insbesondere auch im Endergebnis der Ökobilanz, zu berechnen. Innerhalb des Modells wurden sechs verschiedene Methoden der Fehlerrechnung implementiert und untersucht. Wesentliches Kriterium war dabei die Darstellungsgüte der Methoden. Die Darstellungsgüte ist ein Maß dafür, wie gut der von einer Methode berechnete Fehlerwert dem Wert des tatsächlichen Fehlers entspricht. Der tatsächliche Fehler konnte so für eine Validierung der berechneten Fehlerwerte genutzt werden. Die entwickelte Methode unterscheidet die Berechnung zufälliger und systematischer Fehler. Zunächst werden systematische Fehler, also Fehler, die reproduzierbar sind, in den Daten korrigiert und falls erforderlich die Höhe der systematischen Fehler im Endergebnis berechnet. Diese Berechnungen und Korrekturen können vollkommen exakt durchgeführt werden. Ein Rückgriff auf Approximationsrechnungen ist nicht erforderlich. Auf Basis der um systematische Fehler korrigierten Werte werden anschließend die zufälligen Fehler berechnet. Als wesentlicher Parameter für die Darstellungsgüte hat sich der relative Fehler in Inputwerten der Rechnung erwiesen. Je nach Höhe dieses relativen Fehlers und je nach Rechenschritt der Ökobilanz empfiehlt das entwickelte Konzept, bestimmte Fehlerrechnungsmethoden nicht zu verwenden. Bei höheren Werten für den relativen Fehler ist insbesondere die Gaußsche Methode der Fehlerfortpflanzungsrechnung nicht mehr an-wendbar. In den Modellrechnungen hat sich gezeigt, daß sie dann den Fehler deutlich zu niedrig berechnet. Eine ebenfalls untersuchte Formel nach Bader/Baccini erbringt auch für höhere relative Fehler im Input Ergebniswerte, die nah an den tatsächlichen Werten liegen. Bei weiter erhöhten Werten für den relativen Fehler ist von den untersuchten Methoden nur noch die Monte Carlo Simulation in der Lage, den Fehler im Ergebnis gut abzubilden. Diese Methode stellt jedoch sehr hohe Anforderungen an die Zeit- und Hardwareressourcen, was den Einsatz in der praktischen Anwendung erschwert. Durch systematisch durchgeführte Parameteränderungen in den Modellrechnungen konnten für die Rechenschritte der Ökobilanz jeweils konkrete Werte für den relativen Fehler ermittelt werden, die wie Grenzwerte den Einsatz der Fehlerrechnungsmethoden beschränken. Der relative Fehler läßt sich in der praktischen Anwendung aus Inputwerten der Rechnung bzw. aus dem Ergebnis des vorangegangenen Rechenschritts bestimmen. Dieser Wert für den relativen Fehler ist dann mit dem ermittelten Grenzwerten abzugleichen, und aus diesem Abgleich läßt sich schließlich entscheiden, ob die Verwendung der Fehlerrechnungsmethode für den einzelnen Rechenschritt zulässig ist. The aim of this work is to develop a method for calculating errors in Life Cycle Assessments (LCAs), that can be applied in practice. This method is developed by putting up a model that covers the different calculation steps of a Life Cycle Assessment, as they are commonly used today. The model allows the calculation of true values for errors at different stages within the LCA calculation, and also in the final result of the LCA. In the model, six different methods for calculating errors where implemented and analysed. Essential for the analysis was the goodness of fit of each method. The goodness of fit is the measure to what extent the error, as calculated by an approximation method, corresponds to the true value of the error ( true error ). Thus, the true error was used to validate the calculated error. The error calculation method developed in this work distinguishes between the calculation of systematic errors and of random errors. At first, systematic errors, being errors that are reproducible, are cleared from the input data of the LCA, and if necessary or desired, the systematic errors in the result of the LCA can be calculated. Both clearing and calculation can be done in an exact way, without the need to refer to approximation formulas. In a second step, the random errors are calculated. The relative error turned out to be the essential parameter for discovering the goodness of fit of each method. Depending on the value of the relative error and the calculation step in the LCA, the method recommends not to use certain approximation formulas. The Gaussian error propagation formula turned out to largely underestimate the error, if the relative error had higher values. A formula developed by Bader and Baccini performed better in these cases. With even higher relative errors, from the methods analysed, only the Monte Carlo simulation was able to calculate the errors correctly. A systematic change of the parameter values accessible in each calculation step revealed distinct limits for the relative error specific for each calculation step in the LCA, and for each approximation formula. These limits span intervals specific for each approximation formula and each calculation step. In the calculation of an LCA, the relative error can be obtained either from input data or from a preceding calculation step. A check whether the error lies in the appropriate interval indicates whether an approximation formula should be used for calculating the errors in that calculation step.