Kurzfassung
In dieser Arbeit wird Entropieproduktion als Maß für Ressourcenverbrauch
eingeführt. Als hauptsächliche Motivation dienen dabei zwei Umstände:
Ressourcenverbrauch ist ein wichtiger Parameter in der ökologischen
Einschätzung von menschlichen Aktivitäten, und es gibt bisher noch kein
befriedigendes Maß für den Ressourcenverbrauch von industriellen
Prozessen. Außerdem spielt Entropieproduktion und -export eine wichtige
Rolle für die Entwicklung von lebenden Strukturen, ein Tatbestand der
somit ökologische und ökonomische Aspekte von industriellen Prozessen
miteinander verbindet. Aufbauend auf den Gesetzen der Thermodynamik, wird
der mathematische Rahmen für eine Analyse der Entropieproduktion von
beliebigen Prozessen entwickelt, inklusive einer Methode zum Ausgleich von
fehlenden Daten. Einige grundlegende Anwendungen werden präsentiert,
mithilfe derer die Bedeutung von Entropieproduktion als Maß für
Ressourcenverbrauch bestätigt wird. Die Praktikabilität der Methode wird
bewiesen mittels ihrer Anwendung auf ein industrielles Fallbeispiel: der
Herstellung von Kupfer aus Erzkonzentraten und sekundärem (rezykliertem)
Material. Eine Interpretation der Resultate enthüllt Startpunkte für eine
Prozessoptimierung und ermöglicht den Vergleich von Kupferproduktion aus
Erzkonzentraten, beziehungsweise sekundärem Material. Von anderer Seite
vorgeschlagene Maße für Ressourcenverbrauch werden diskutiert und mit der
Entropieproduktion verglichen. Abschließend wird gezeigt, wie sich die
Methode der Entropieanalyse in den Rahmen der ökologischen Bewertung von
Prozessen (oder Produkten) einbauen lässt, insbesondere in die Methode der
Lebenszyklusanalyse (LCA).
In this thesis, entropy production is introduced as a measure for resource
use based on the laws of thermodynamics. The main motivation for the
development of this measure is given by two facts: resource use is an
important parameter in the ecological assessment of human activity and
there exists as yet no satisfactory measure for the resource use of
industrial processes. Also, linking ecological and economical aspects of
industrial processes, entropy production and entropy export play an
important role for the development of living structures. On the grounds
of the laws of thermodynamics, the mathematical framework for analysing
the entropy production of arbitrary processes is developed, including a
method to compensate for incomplete data. Several basic applications of
the concept of entropy analysis are given, which verify the proposition
that entropy production and resource use are equivalent. In order to prove
the method's practicability, an industrial-scale case-study is performed
on the production of copper from ore concentrates and secondary (recycled)
material. Interpreting the results reveals starting points for process
optimisation and enables the comparison of production from concentrates
and secondary materials respectively. Other proposed measures for resource
use are discussed and compared to entropy production. Finally, it is shown
how the method of entropy analysis can be integrated into the existing
framework of ecological process (or product) assessment, especially
life-cycle analysis.