Quantitative Analyse der Kritikalität mineralischer und metallischer Rohstoffe unter Verwendung eines systemdynamischen Modell-Ansatzes

Aufbauend auf einer Analyse aktueller Studien und wissenschaftlicher Literatur zur Bewertung von Ver-sorgungsrisiken und Rohstoffkritikalität werden in der vorliegenden Arbeit systematisch Ansätze zur Ergänzung bestehender Bewertungsmethoden insbesondere bezüglich der dynamischen Betrachtung der Versorgungssysteme erarbeitet. Hierzu werden zunächst Methoden aus dem Bereich der Multivariaten Statistik als Ergänzung statischer Multiindikatoransätze zur Quantifizierung von Versorgungsrisiken aufgeführt. Weiterhin werden erste indikatorbasierte Ansätze zur dynamischen Betrachtung der Kritikalitätsbewertung erarbeitet und am Beispiel von Deutschland und Japan als industriell hoch spezialisierte Volkswirtschaften erprobt. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden rohstoffspezifische dynamische Materialflussmodelle auf globaler und regionaler Ebene, mit deren Hilfe für die ausgewählten Rohstoffe Kupfer, Kobalt sowie für die Seltenerdelemente Neodym und Dysprosium die Verwendungszyklen simuliert werden sowie Recyclingpotenziale und weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Ressourceneffizienz und zur Minderung von Rohstoffabhängigkeiten aufgezeigt werden. Mit Hilfe der Stoffstrommodelle konnte gezeigt werden, dass Kupfer als klassisches Industriemetall bereits über ein vergleichsweise effizientes Kreislaufsystem mit Recyclingraten aus obsoleten Materialströmen von knapp 50 % auf globaler Ebene und über 60 % in Europa verfügt. Während Kobalt als Legierungselement in metallurgischen Anwendungen (z.B. in Hartmetallen wie Wolframcarbide für Bohr- und Schneide-werkzeuge) innerhalb der etablierten Recyclingsysteme mit hohen Rückgewinnungsraten von über 70 % effizient im Kreis geführt wird, besteht vor allem durch die verstärkte Verwendung von Kobalt als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkus für allgemeine Elektronikanwendungen seit der Jahrtausend-wende und die bisher wenig effiziente Sammlung und Verwertung der Altakkus erhebliches Verbesserungspotenzial, was mit den hier vorgestellten Modellen quantifiziert wurde und welches es in Europa in Zukunft besser auszuschöpfen gilt. Ähnliches gilt für die Wiederverwertung von NdFeB-Permanentmagneten (Neodym-Eisen-Bor), deren Verwendungsstrukturen hier auf globaler Ebene sowie für Deutschland untersucht wurden. Dabei wurde gezeigt, dass die Magnete im heutigen Schrottaufkommen hauptsächlich in Elektronikprodukten wie Festplatten, CD- und DVD-Playern enthalten sind, woraus eine Rückgewinnung aufgrund der starken Streuung und der geringen Magnetgröße wirtschaftlich kaum möglich erscheint und derzeit auch nicht praktiziert wird, während in Zukunft in obsoleten Produktströmen verstärkt mit größeren Magneten in elektrischen Synchron-Servomotoren aus dem Bereich allgemeiner Industrie- und Haushaltstechnik, aus elektrischen Kleinmotoren in konventionellen Pkw, aus den Traktionsmotoren von Hybrid- und Elektrofahrzeugen oder aus den Generatoren von Windkraftanlagen mit permanent-magnetischem Direktantrieb zu rechnen ist, für die in den kommenden Jahren ein geeignetes Sammel-system etabliert werden sollte. Basierend auf dem ``System-Dynamics-Ansatz'' wurden die Stoffstrommodelle auf globaler Ebene an-schließend um einfache dynamische Marktanpassungsmechanismen erweitert, wobei Rückkopplungs-effekte als Reaktionen auf vorübergehende Verknappung nach dem Prinzip des ``Regelkreises der Rohstoffversorgung'' sowohl auf Angebots- als auch auf Nachfrageseite berücksichtigt wurden. So wurde für Kupfer als Vertreter eines weitläufig genutzten Industriemetalls mit eigener Produktionsinfrastruktur ein einfaches dynamisches Marktmodell entwickelt, welches die grundlegenden Mechanismen am Weltmarkt abbildet und auf Basis von Einschätzungen zur zukünftigen Entwicklung der Weltwirtschaft eine Vorausschau des Kupfermarktes ermöglicht. Für die Technologiemetalle Kobalt sowie Neodym und Dysprosium wurde mit Hilfe der dynamischen Modelle die Auswirkung der Diffusion alternativer Antriebe in der Automobilindustrie auf die Nachfrage nach Kobalt als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien bzw. die Nachfrage nach Neodym und Dysprosium als Magnetmaterialien für elektrische Traktionsmotoren analysiert. Abschließend wird in dieser Arbeit erläutert, inwiefern derartige Rohstoffmodelle zu einem besseren Verständnis von Versorgungsrisiken und Kritikalitätsbewertungen beitragen können. Während die globalen Modelle in erster Linie als Werkzeug für erweiterte Szenarioanalysen verschiedener Marktentwicklungen geeignet sind, die eine Analyse der Widerstandsfähigkeit einzelner Rohstoffmärkte gegen Versorgungs-störungen beinhalten können, wird bezüglich der regionalen Stoffstrommodelle eine potenzielle Kopplung mit sektoralen ökonomischen Input-Output-Modellen diskutiert.