Modellname

NukPlaRStoR: Entwicklung eines benutzerfreundlichen kostenoptimierenden Planungswerkzeugs für kerntechnische Rückbauprojekte unter der Berücksichtigung von Stoffströmen zur Ressourcenplanung

Entwickelt für

Dissertation von Marco Gehring

BMBF-gefördertes Forschungsprojekt NukPlaRStoR: Entwicklung eines benutzerfreundlichen kostenoptimierenden Planungswerkzeugs für kerntechnische Rückbauprojekte unter der Berücksichtigung von Stoffströmen zur Ressourcenplanung

Förderkennzeichen: 15S9414A

Adressat/Nutzer: Planungsverantwortliche für stoffstromintensive Projekte; insbesondere: Betreiber kerntechnischer Anlagen oder Rückbauunternehmen kerntechnischer Anlagen

Problemstellung: Bestimmung eines laufzeit- bzw. kostenoptimalen Projektplans unter Berücksichtigung von Engpässen bei der Stoffverarbeitung und anderer Ressourcenbeschränkungen

Fähigkeiten des Modells

(Berechnungs-)Ergebnisse / Modell-Outputs: Laufzeit- bzw. kostenoptimaler Projektplan, d. h. Angaben zu den Ausführungszeiten aller Vorgänge im Projektstrukturplan und Angaben zum Verlauf der Ressourcen- und Lagerauslastungen

Verwendete Methode: Stoffstrombasierte Erweiterung des Resource-constrained project scheduling problem (RCPSP)

Restriktionen: Zeitrestriktionen (z. B. "Vorgang A muss abgeschlossen sein, bevor Vorgang B starten kann"); erneuerbare Ressourcenrestriktionen (z. B. eingeschränkte Verfügbarkeit von Personal oder Maschinen); nichterneuerbare Ressourcenrestriktionen (z. B. eingeschränkte Verfügbarkeit von Rohstoffen oder Finanzmitteln); kumulative Ressourcenrestriktionen (z. B. eingeschränkte Verfügbarkeit von Lagerfläche); alternative Ausführungsmöglichkeiten für Vorgänge (z. B. Ausführung mit internem oder externem Personal); fixierte oder präferierte Startzeiten für Vorgänge

Eingangsdaten

Erforderliche Daten: Projektstrukturplan, d. h. Unterteilung des Projekts in einzelne Vorgänge; Informationen zu Ressourcennutzungen und zeitlichen Abhängigkeiten der Vorgänge; Informationen zu freigesetzten Stoffströmen durch die Vorgänge; ggf. Kapazitätsbeschränkungen der Ressourcen

Mögliche weitere Einstellungen: Auswahl verschiedener Zielsetzungen; bikriterielle Optimierung; über die Projektlaufzeit variable Ressourcenkapazitäten; Zulässigkeits- und Plausibilitätsprüfungen der Eingabedaten

Umsetzung / Implementierung

Java-Programm mit API; vom Projektpartner RODIAS GmbH seit Mitte 2020 im Softwareprodukt OPTIRA eingesetzt

F&E zukünftige Entwicklungsfelder

Kopplung mit logistischen Modellen oder mit BIM-Software

Publikationen zum Modell

Gehring, M.; Volk, R.; Schultmann, F. (2023). Instance dataset for resource-constrained project scheduling with diverging material flows. Data in Brief, Article no: 109279. doi:10.1016/j.dib.2023.109279

Gehring, M.; Volk, R.; Schultmann, F. (2022). On the integration of diverging material flows into resource‐constrained project scheduling. European Journal of Operational Research, 303 (3), 1071–1087. doi:10.1016/j.ejor.2022.03.047

Volk, R.; Gehring, M. (2021). Entwicklung eines benutzerfreundlichen kostenoptimierenden Planungswerkzeugs für kerntechnische Rückbauprojekte unter Berücksichtigung von Stoffströmen zur Ressourcenplanung (NukPlaRStoR). KONTEC 2021: 15. Internationales Symposium „Konditionierung radioaktiver Betriebs- und Stilllegungsabfälle“, Dresden, 25.-27. August 2021 einschließlich 15. Statusbericht des BMBF „Stilllegung und Rückbau kerntechnischer Anlagen“ (KONTEC 2021), KONTEC Gesellschaft für technische Kommunikation mbH.

Gehring, M.; Winkler, F.; Volk, R.; Schultmann, F. (2021). Projektmanagementsoftware und Scheduling: Aktuelle Bestandsaufnahme von Funktionalitäten und Identifikation von Potenzialen. Karlsruher Institut für Technologie (KIT). doi:10.5445/IR/1000138068

Ansprechpartner

Marco Gehring (marco.gehring∂kit.edu)

Rebekka Volk (rebekka.volk∂kit.edu)

Modellname

AWOHM: Akteursbasiertes Wohngebäude- und Haushaltsmodell

AWOHM: Agent-based Residential Building and Household Model

Entwickelt für

Dissertation von Julian Stengel

BMBF-Projekt Sandy: Vom Klimaschutzkonzept zur zielgruppenorientierten Sanierungsoffensive: Strategien, Lösungsansätze und Modellbeispiele für dynamische Kommunen

Förderkennzeichen: 01UT1421C

Adressat/Nutzer: Politische Entscheidungsträger

Problemstellung: Bewertung umweltpolitischer Instrumente im Bereich der energetischen Sanierung von Wohngebäude

Fähigkeiten des Modells

(Berechnungs-)Ergebnisse / Modell-Outputs: SO₂, NOx, PM und CO₂ - Emissionen von Wohngebäuden, Identifikation von Energieeffizienz-Potenzialen sowie den wirtschaftlichen und sozialen Auswirkungen auf Haushalte (Eigentümer und Mieter)

Verwendete Methode: Bottom-up agentenbasiertes Simulationsmodell

Restriktionen: Details und weiterführende Literatur ISBN 9783731502364

Eingangsdaten

Erforderliche Daten: Details und weiterführende Literatur ISBN 9783731502364

Mögliche weitere Einstellungen: Details und weiterführende Literatur ISBN 9783731502364

Umsetzung / Implementierung

MATLAB, MS Access

F&E zukünftige Entwicklungsfelder

Dissertation von Elias Naber

Publikationen zum Modell

• Hiete, M.; Brengelmann, S.; Hahne, U.; Kallendrusch, S.; Köckler, H.; Lee, J.; Lützkendorf, T.; Marquart, C.; Matovelle, A.; Naber, E.; Neumann, U.; Rauschen, M.; Schultmann, F. 2017. Energetische Sanierung von Wohngebäuden im Quartier - zielgruppenspezifische Instrumente Informationen zur Raumentwicklung, (4), 52-67

• Naber, E.; Volk, R.; Schultmann, F. 2017. From the Building Level Energy Performance Assessment to the National Level: How are Uncertainties Handled in Building Stock Models Procedia engineering, 180, 1443-1452. doi:10.1016/j.proeng.2017.04.30

• Stengel, J. (2014): Akteursbasierte Simulation der energetischen Modernisierung des Wohngebäudebestands in Deutschland. Dissertation: Karlsruher Institut für Technologie, KIT Scientific Publishing, Karlsruhe.

Ansprechpartner

Elias Naber (elias.naber∂kit.edu)

Rebekka Volk (rebekka.volk∂kit.edu)

Modellname

ECCO-Tools: Evaluation tools to Compare CO₂ emissions of the iron, aluminium and plastics industry

Entwickelt für

Dissertationsprojekte Richard Müller und Andreas Schiessl.

Projektkonsortium der Automobilindustrie  

Adressat/Nutzer: Entscheidungsträger in Beschaffungsabteilungen von automobilen OEMs und ihren Zulieferbetrieben

Problemstellung: Werksspezifische Berechnung von Treibhausgasemissionen [in CO2eq.] von Rohmaterialherstellern aus den Bereichen Primär- und Sekundärstahl, Primär- und Sekundäraluminium sowie ausgewählter Kunststoffe wie Polypropylen, TDI (für Polyurethan) und Caprolactam (für Polyamid6).

Fähigkeiten des Modells

(Berechnungs-)Ergebnisse / Modell-Outputs:

• Werksspezifische Abschätzung der Treibhausgasemissionen von Materialherstellern
• Generischer Modellaufbau: Berechnungsmethodik auf alle Werke weltweit übertragbar

Verwendete Methoden: Hybrid LCA (kombinierter Bottom-up und Top-down Ansatz), Input-Output-Analyse

Eingangsdaten

• Best Available Technique Dokumente der EU (EU BAT)
• The European Pollutant Release and Transfer Register (EPRTR)
• EU Emissionshandelssystem (EUETS)  
• Plantfacts
• EU Patentamt
• Konzernberichte (Jahresberichte, Nachhaltigkeitsberichte)
• Statistische Jahrbücher der Eisen und Stahlindustrie
• Kraftwerksdatenbank
• International energy agency: Daten zum chemischen und petrochemischen Sektor
• Plastics europe
• Ecoinvent V2.2 

Umsetzung / Implementierung

Excel VBA, MATLAB

F&E zukünftige Entwicklungsfelder

• Ausweiten der Datenbasis um z.B. auch chinesische Hersteller bewerten zu können
• Übertragung des standortspezifischen Ansatzes auf weitere Wirkungskategorien des LCA   

Publikationen zum Modell

Ansprechpartner

Richard Müller (richard.mueller∂kit.edu) 

Rebekka Volk (rebekka.volk∂kit.edu)

Modellname

MogaMaR: Modellentwicklung eines ganzheitlichen Projektmanagementsystems für kerntechnische Rückbauprojekte

MogaMaR: Model development of a holistic project management system for nuclear dismantling project

Entwickelt für

Dissertation von Felix Hübner

BMBF-gefördertes Forschungsprojekt MogaMaR: Modellentwicklung eines ganzheitlichen Projektmanagementsystems für kerntechnische Rückbauprojekte

Förderkennzeichen: 02S9113A

Adressat/Nutzer: Betreiber kerntechnischer Anlagen oder Rückbauunternehmen kerntechnischer Anlagen

Problemstellung: Beherrschung der Komplexität bei der Rückbauplanung kerntechnischer Anlagen zur Findung eines kostenoptimierten Rückbauplans

Fähigkeiten des Modells

(Berechnungs-)Ergebnisse / Modell-Outputs: Kostenoptimierter Rückbauplan für ein kerntechnisches (Teil-)Projekt, in dem die Reihenfolge und die Startzeitpunkte der auszuführenden Vorgänge sowie die unter der Berücksichtigung ihrer Kapazität einzusetzenden Ressourcen angegeben sind.

Verwendete Methode: Scheduling Methode aus dem Operations Research (Resource-constrained project scheduling problem)

Restriktionen: In MogaMaR wird ein dauerminimaler Rückbauplan berechnet, der aufgrund des Ein-Modus-Falls gleichzeitig kostenminimal ist. Verschiedene Modi (alternative Ausführungsmöglichkeiten von Vorgängen, z.B. der Einsatz alternativer Ressourcen) werden nicht berücksichtigt. Stoffflüsse und Pufferlager werden ebenfalls im Modell nicht berücksichtigt.

Eingangsdaten

Erforderliche Daten:

• Angabe der auszuführenden Vorgänge (Namen, technische Vorgangsbeziehungen zu anderen Vorgängen, Vorgangsdauer)
• benötigte Ressourcen

Mögliche weitere Einstellungen: Keine

Umsetzung / Implementierung

MATLAB mit Excel-Import und -Export

F&E zukünftige Entwicklungsfelder

Nach Abschluss des Projekts wurde das Modell bereits im Rahmen der Dissertation von Felix Hübner auf den Multi-Mode-Fall erweitert. Diesbezüglich wurden die Zielfunktion und Nebenbedingungen angepasst, sodass die Projektkosten (unmittelbar) minimiert werden (nicht die Projektdauer).

Zukünftige Weiterentwicklungen sind die Erweiterung um Stoffflüsse, Pufferlager, eine bedienungsfreundliche Nutzeroberfläche, Erweiterung eines Expertensystems zur systematischen Sammlung von Erfahrungswissen während des operativen Rückbaus kerntechnischer Anlagen vor Ort.

Publikationen zum Modell

• Hübner, F.; Volk, R.; Secer, O.; Kühn, D.; Sahre, P.; Knappik, R.; Schultmann, F.; Gentes, S.; Both, P. von. (2018).Modellentwicklung eines ganzheitlichen Projektmanagementsystems für kerntechnische Rückbauprojekte (MogaMaR) : Schlussbericht des Forschungsvorhabens. KIT Scientific Publishing, Karlsruhe.doi:10.5445/KSP/1000080517 

• Hübner, F.; Volk, R.; Kühlen, A.; Schultmann, F. (2017). Review of project planning methods for deconstruction projects of buildings. Built environment project and asset management, 7 (2), 212-226.doi:10.1108/BEPAM-11-2016-0075 
• Hübner, F.; Volk, R.; Semme, J.; Schultmann, F. (2016). Improvement of nuclear decommissioning and dismantling planning via experience ex-change and optimisation methods. Proceedings of the 3rd Conference on Technological Innovations in Nuclear Civil Engineering, Paris, F, 5.- 9. September 2016, NUGENIA.
• Hübner, F. (2016). Software zur Unterstützung von Abbrucharbeiten – Welche Programme werden tatsächlich verwendet?. Abbruch aktuell, (3), 14-15.
• Hübner, F.; Seçer, O.; Stengel, J.; Schultmann, F.; Gentes, S. (2015). Process structure as a basis for the planning stage of project management for the decommissioning of nuclear facilities. KONTEC 2015 : 12. Internationales Symposium "Konditionierung Radioaktiver Betriebs- und Stilllegungsabfälle, Dresden, 25 - 27 März 2015 einschließlich 12. Statusbericht des BMBF "Stilllegung und Rückbau kerntechnischer Anlagen", 11 S., Kontec, Hamburg.

Ansprechpartner

Felix Hübner (felix.huebner∂kit.edu)

Rebekka Volk (rebekka.volk∂kit.edu)

Modellname

otello: Integrated, optimizing evaluation and allocation model for national emission management

otello: Integriertes, optimierendes Bewertungs- und Allokationsmodell für ein national Emissionsmanagement

Entwickelt für

BMBF-gefördertes Projekt: „Entwicklung eines integrierten, optimierenden Bewertungs- und Allokationsmodells für ein nationales Emissionsmanagement“

Förderkennzeichen: 01UN0603

Adressat/Nutzer: Politische Entscheidungsträger

Problemstellung: Bewertung umweltpolitischer Instrumente hinsichtlich ökologischer und gesamtwirtschaftlicher Auswirkungen

Fähigkeiten des Modells

(Berechnungs-)Ergebnisse / Modell-Outputs: SO₂, NOx, PM and CO₂ - Emissionen der Sektoren Transport, Industrie, Energieversorgung, Wohngebäude

Verwendete Methode: Input- Output Modell, Verschiedene Teilmodelle zu einem Modellsystem integriert

Restriktionen: Details und weiterführende Literatur ISBN 978 3 86644 853 7

Eingangsdaten

Erforderliche Daten: Details und weiterführende Literatur ISBN 978 3 86644 853 7

Mögliche weitere Einstellungen: Details und weiterführende Literatur ISBN 978 3 86644 853 7

Umsetzung / Implementierung

MATLAB, GAMS, MS Excel

F&E zukünftige Entwicklungsfelder

-

Publikationen zum Modell

• Breun, P.; Comes, T.; Doll, C.; Fröhling, M.; Hiete, M.; Ilsen, R.; Krail, M.; Lützkendorf, T.; Schultmann, F.; Stengel, J.; Unholzer, M. (2012): National Integrated Assessment Modelling zur Bewertung umweltpolitischer Instrumente – Entwicklung des otello-Modellsystems und dessen Anwendung auf die Bundesrepublik Deutschland. Karlsruhe: Produktion und Energie ; 1, KIT Scientific Publishing, p. 225-345.

   

• Stengel, J.; Unholzer, M., Hiete, M.; Lützkendorf, T.; Schultmann, F. (2012): Teil III. - Wohngebäude. In Breun, P.; Comes, T.; Doll, C.; Fröhling, M.; Hiete, M.; Ilsen, R.; Krail, M.; Lützkendorf, T.; Schultmann, F.; Stengel, J.; Unholzer, M.: National Integrated Assessment Modelling zur Bewertung umweltpolitischer Instrumente – Entwicklung des otello-Modellsystems und dessen Anwendung auf die Bundesrepublik Deutschland. Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, p. 225-345.
• Hiete, M.; Stengel, J.; Schultmann, F. (2011): Simulating energy demand and emissions of the residential building stock in Germany by taking occupant characteristics into account. In SB11 Helsinki World Sustainable Building Conference, Helsinki, 9 p.
• Breun, P.; Comes, T.; Doll, C.; Fröhling, M.; Hiete, M.; Ilsen, R.; Krail, M.; Lützkendorf, T.; Schultmann, F.; Stengel, J.; Unholzer, M. (2011): otello - ein Nationales Integriertes Assessment Modell, Methodischer Ansatz und Ergebnisse, Endbericht zum Forschungsprojekt „Entwicklung eines integrierten, optimierenden Bewertungs- und Allokationsmodells für ein nationales Emissionsmanagement (otello)“ im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), 01UN0603, 401 p.
• Comes, T.; Doll, C.; Fröhling, M.; Hiete, M.; Ilsen, R.; Krail, M.; Lützkendorf, T.; Schultmann, F.; Stengel, J.; Unholzer, M. (2010): Challenges for national clean air policy. Ökologisches Wirtschaften, 02/2010, p. 34-37.
• Comes, T.; Doll, C.; Fröhling, M.; Hiete, M.; Ilsen, R.; Krail, M.; Lützkendorf, T.; Schultmann, F.; Stengel, J.; Unholzer, M. (2010): Supporting Clean Air Policy in Germany – the Integrated Assessment Model otello. In International Society for Ecological Economics Conference (ISEE 2010), Oldenburg und Bremen.

Ansprechpartner

Rebekka Volk (rebekka.volk∂kit.edu)

Modellname

ResourceApp

Entwickelt für

Dissertation von Rebekka Volk

BMBF-gefördertes Projekt: Entwicklung eines mobilen Systems zur Erfassung und Erschließung von Ressourceneffizienzpotenzialen beim Rückbau von Infrastruktur und Produkten (Akronym: „ResourceApp“)

Förderkennzeichen: 033R092C

Adressat/Nutzer: Rückbau- und Abbruchunternehmen

Problemstellung: Urban Mining in Gebäuden und Beherrschung der Unsicherheit bei der Rückbauplanung zur Findung eines zeitoptimierten Rückbauplans

Fähigkeiten des Modells

(Berechnungs-)Ergebnisse / Modell-Outputs: Zeitoptimierter Projektplan für den Rückbau von Wohn- oder Nichtwohngebäuden, in dem die Reihenfolge und die Startzeitpunkte der auszuführenden Vorgänge sowie die in ihrer Kapazität beschränkten Ressourcen anzugeben sind.

Verwendete Methode: Scheduling Methode aus dem Operations Research (Resource-constrained project scheduling problem); Szenarien

Restriktionen: erhöhte Rechenzeiten bei hoher Anzahl an Vorgängen

Eingangsdaten

Erforderliche Daten:

• Verarbeitete Sensordaten mit Bauteilen in .csv-Format
• Parametereingaben durch den Nutzer bzgl. Bauteilspezifikationen

Mögliche weitere Einstellungen: Anzahl der Szenarien

Umsetzung / Implementierung

MATLAB mit graphischer Benutzeroberfläche und MS Excel-Datenimport

F&E zukünftige Entwicklungsfelder

• Ausweiterung der Anwendungstests
• Erweiterung auf alle Nichtwohngebäudetypen und um spezifische, bislang nicht berücksichtigte Bauteilgruppen wie Lüftungsanlagen, Aufzüge, Sondereinbauten, etc.
• Erweiterung auf Sanierungsprojekte in Bestandsgebäuden

Publikationen zum Modell

• Volk, R.; Luu, T. H.; Mueller-Roemer, J. S.; Sevilmis, N.; Schultmann, F. (2018). Deconstruction project planning of existing buildings based on automated acquisition and reconstruction of building information, Automation in construction, 91, 226-245. doi:10.1016/j.autcon.2018.03.017
• Volk, R. (2017). Proactive-reactive, robust scheduling and capacity planning of deconstruction projects under uncertainty. Dissertation. KIT Scientific Publishing, Karlsruhe. doi:10.5445/KSP/1000060265
• Volk, R.; Sevilmis, N.; Stier, C.; Bayha, A. (2016): ResourceApp – Entwicklung eines mobilen Systems zur Erfassung und Erschließung von Ressourceneffizienzpotenzialen beim Rückbau von Infrastruktur und Produkten. Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Strategische Metalle und Mineralien. Hrsg.: A. Dürkoop, C. Brandstetter, G. Gräbe, L. Rentsch, 389-404, Fraunhofer Verl., Stuttgart

Ansprechpartner

Rebekka Volk (rebekka.volk∂kit.edu)

Modellname

StAR: Stoffluss- und Akteursmodell für ein aktives Ressourcenmanagement

(Integrated stakeholder and resource flow model)

Entwickelt für

Projekt StAR-Bau: Stofffluss- und Akteursmodell als Grundlage für ein aktives Ressourcenmanagement im Bauwesen von Baden-Württemberg

Gefördert durch die Baden-Württemberg Stiftung, Förderkennzeichen: NABau 6

Adressat/Nutzer: Politische Entscheidungsträger

Problemstellung: Bewertung umweltpolitischer Instrumente zur Erhöhung der Ressourcenschonung im Bauwesen von Baden-Württemberg

Fähigkeiten des Modells

(Berechnungs-)Ergebnisse / Modell-Outputs:

• Stoffströme und –bestände von Gebäuden und Infrastrukturen (kreisscharf)
• Zukünftige kreisscharfe Stoffströme von Gebäuden und Infrastrukturen bis 2030 unter Berücksichtigung politischer Maßnahmen und Akteursentscheidungen bzw. interaktionen
• Bewertung der 31 wichtigsten Maßnahmengruppen hinsichtlich der Eignung zur Ressourcenschonung

Verwendete Methoden: Materialflussanalyse, Bottom-up Simulation

Eingangsdaten

• Referenzgebäude aus der Literatur
• Synthetische Gebäude der IÖR Datenbank
• Bautätigkeitsstatistik und weitere Regionalstatistiken zur Beschäftigten etc.
• Zensus Datensatz 2011
• Akteursumfragen (80 Rückläufer)

Umsetzung / Implementierung

Excel VBA

F&E zukünftige Entwicklungsfelder

Integration einer ökonomischen Komponente, um die Eignung zur Ressourcenschonung einer politischen Maßnahme dem finanziellen Aufwand gegenüber zu stellen.

Publikationen zum Modell

Müller, R. C.; Schamber, O.; Volk, R.; Schultmann, F. (2017): A Stakeholder-Based Assessment Model (SAM) for Resource -Efficiency Measures in the Construction Industry. Proceedings of the World Sustainable Built Environment Conference 2017 : Transforming Our Built Environment through Innovation and Integration : Putting Ideas into Action, Hong Kong, 5-7 June 2017, 833-839, HKGBC, Hong Kong

Ansprechpartner

Rebekka Volk (rebekka.volk∂kit.edu)

Richard Müller (richard.mueller∂kit.edu)