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Entwicklung systemdynamischer Stoffstrommodelle zur Simulation von regionalen Kupferkreisläufen

 
: Soulier, Marcel

:
Fulltext nbn:de:gbv:104-20180416-154713-6 (3.3 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 5957b4ebc9dccfa6053d113c83c72bcc
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Created on: 2.7.2019


Clausthal, 2018, XVI, 307 pp.
Clausthal, TU, Diss., 2018
URN: nbn:de:gbv:104-20180416-154713-6
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer ISI ()
Kupfer; Materialflußanalyse; Modellierung

Abstract
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Modelle entwickelt, mit denen die Kupferkreisläufe für die fünf Weltregionen EU 28, Nordamerika, Lateinamerika, China und Japan im Zeitraum zwischen 1990 und 2014 simuliert werden. Stoffstrombetrachtungen sind ein wesentlicher Bestandteil im Themenfeld der „Industrial Ecology“, das einen gemeinsamen Ursprung mit der „System Dynamics“ Modelliermethodik aufweist. Aus diesem Grund ist System Dynamics besonders geeignet für Stoffstrommodelle und wurde für die Modellierung gewählt. Zuvor ist jedoch ein detailliertes Verständnis der verschiedenen Elemente des Kupferkreislaufs notwendig. Daher wird zunächst jede Stufe des Kreislaufs analysiert, angefangen bei den Prozessen zur Extraktion von Primärmaterial und Herstellung von reinem Kupfer, über die verschiedenen Halbzeuge und kupferhaltigen Endprodukte, bis hin zu kupferhaltigen Schrotten und deren Aufbereitung im Rahmen des Recyclings. Aufgrund der regionalen Betrachtung sind darüber hinaus die Im- und Exporte von Kupfer auf jeder Kreislaufstufe zu berücksichtigen, wozu 366 kupferhaltige Handelscodes identifiziert werden. Desweiteren werden geeignete Recyclingindikatoren definiert, welche auf Basis der Stoffströme sowohl die Effizienz des Recyclingsystems einerseits, sowie den Sekundärmaterialeinsatz in der Produktion andererseits, widerspiegeln. Nach Modellierung der Kreisläufe in der Software Vensim® erfolgt die Vorstellung der Simulationsergebnisse für die fünf Regionen. Dabei sind für jede Region spezifische Charakteristika erkennbar. So zeigt sich der Kupferkreislauf der EU verhältnismäßig ausgeglichen mit einer funktionierenden Wertschöpfungskette für Kupfer. Im Jahr 2014 wurden knapp 2 Mio.t Primärkupfer verarbeitet, wovon ca. zwei Drittel aus ausländischen Quellen stammten. Als großer Produzent von Kupferhalbzeug ist Europa auf dieser Kreislaufstufe hingegen ein Netto-Exporteur. Weiterhin trägt zur Wertschöpfung das Recycling kupferhaltiger Schrotte bei, das eine wesentliche Rolle bei der Versorgung der EU mit Kupfer spielt. In Nordamerika ist das Kupferrecycling weniger ausgeprägt, hier dominiert mit 2 Mio.t der Abbau von Primärkupfer, von dem rund ein Drittel exportiert wird. Weiterhin auffällig ist die hohe Einfuhr von 1,8 Mio.t Kupfer in Endprodukten, die rund zwei Drittel des nordamerikanischen Konsums bedienen. Darüber hinaus sind für Nordamerika hohe Sammelverluste von 1,6 Mio.t festzustellen, bei denen jedoch davon auszugehen ist, dass ein großer Teil nicht verlorengeht sondern in Form von illegalen Exporten nach China verschifft wird. Die dominierende Position als Abbaugebiet für Kupfer wird im latein-amerikanischen Kreislauf deutlich. Verglichen mit der abgebauten Menge von 8 Mio.t Kupfer, die zum überwiegenden Teil als Konzentrate (4,4 Mio.t) oder Raffinadekupfer (3,5 Mio.t) exportiert werden, spielen die übrigen Kupferflüsse nur eine unbedeutende Rolle. Als größter Hersteller von kupferhaltigen Endprodukten ist Chinas Kupferkreislauf geprägt durch hohe Einfuhren von Rohmaterial, d.h. von 3,8 Mio.t Konzentraten, 3,6 Mio.t Raffinadekupfer und 1,4 Mio.t Schrott in 2014. Mit 1,6 Mio.t abgebautem Primär- und 1,9 Mio.t recyceltem Sekundärkupfer tragen aber auch heimische Materialquellen zur Versorgung bei. Rund ein Drittel der in China gefertigten, kupferhaltigen Endprodukte ist für den Export bestimmt. Die Gegebenheiten in Japan als rohstoffarmes, aber hoch entwickeltes Industrieland zeigen sich auch in seinen Kupferflüssen. Heimischer Kupferbergbau wird nicht mehr betrieben, dennoch gibt es eine bedeutende Raffinadeproduktion von rund 1,6 Mio.t sowie eine ähnlich große Halbzeugherstellung. Als Materialquellen dienen im Wesentlichen importierte Konzentrate sowie heimisches Sekundärmaterial, von dem in 2014 rund 0,3 bzw. 0,4 Mio.t als Alt- bzw. Neuschrotte recycelt wurden. Als Nächstes folgt die Durchführung von Sensitivitätsanalysen für jede Region, bevor im letzten Abschnitt der Arbeit auf zwei Möglichkeiten der Modellerweiterung eingegangen wird. Als erste Möglichkeit wird eine zeitliche Erweiterung von Endproduktnachfrage, Kupferbeständen und Schrottflüssen bis zum Jahr 2050 vorgestellt. Auf dieser Basis erfolgt eine stoffliche Modellerweiterung, im Rahmen derer die Beziehung von Kupfer zu seinem Nebenprodukt Tellur hinsichtlich dessen Verfügbarkeit für einen möglichen künftigen Einsatz in Dünnschicht-Photovoltaik-Zellen untersucht wird.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-549597.html

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