Modelling the global zinc cycle with dynamic material flow analysis

The demand for raw materials to satisfy societal needs has continuously increased in the past and is expected to further increase. Most of this demand is satisfied through the extraction and pro-cessing of mineral resources, which are associated with significant environmental burdens and raises questions of short and long-term supply security. Concepts such as the Circular Economy and Criticality have emerged to analyze and tackle these sustainability challenges. These concepts have a high demand for data on the supply and use of raw materials in the economy. Policymakers rely on system analyses and regular monitoring to define realistic and ambitious targets and de-velop appropriate policies. Industry requires quantification of material cycles to identify relevant and promising fields of action. To contribute to a more sustainable use of mineral resources, this thesis applies dynamic Material Flow Analysis (MFA) to quantify the global cycle of zinc, an indis-pensable metal for our daily lives.
While many materials have been extensively investigated, there is a lack of a comprehensive and up-to-date systemic understanding of the global and regional zinc cycles. The quantification pro-vided in this thesis covers all life cycle stages from mining until recycling, as well as the entire ap-plication spectrum of zinc. First, a global retrospective MFA model is developed to quantify the flows and stocks of the zinc cycle. Second, regional retrospective MFA models are implemented based on the global model, covering the world regions China, Europe, North America, Latin Ameri-ca, and Asia. An extensive trade network analysis is conducted to link the regional models and analyze the interdependencies of the regions. The global and regional models are constructed to be consistent and mass balanced, forming an overall framework that allows for the simulation of material flows and stocks. Appropriate recycling indicators are defined and calculated to evaluate the performance of global and regional recycling systems and their development over time. Third, future demand scenarios until 2050 are implemented at the global level, and the modeling frame-work is extended by a prospective module quantifying the availability of secondary zinc resources and the required zinc mining to fulfill societal needs for materials. Finally, in both the consumption and recycling of zinc, there is a strong connection to the steel cycle, via the application of coating steel components with a layer of zinc. In order to account for the interconnected material cycles, the European zinc model is linked to a European steel MFA model, which is co-developed within this thesis. Through this linkage of the MFA models, zinc flow associated with steel flows are quan-tified, and the fate of zinc within the steel industry is analyzed.
The global model reveals significant challenges to the circularity of zinc. The main reasons for this are the use of zinc in a number of dissipative applications, the multi-step recycling pathways that involve other material systems, poor focus on zinc within recycling systems, the high chemical re-activity of zinc, and the partially low concentration of zinc in secondary raw material flows. How-ever, many opportunities towards more zinc recycling are identified within this dissertation, which lie in particular in the recycling of zinc-containing steelmaking dust. The regionalization of the MFA model reveals the heterogeneous nature of the regional zinc cycles. Stock dynamics exhibit consid-erable differences, as evidenced by the contrasting trends observed in North America, where zinc stocks have declined recently, and China, where a significant increase in zinc demand and growth in the anthropogenic zinc stock have been identified. Furthermore, recycling systems vary in their level of development. While Europe demonstrates good recycling practices and circularity perfor-mance, in the remaining world regions, there is considerable potential for recycling that remains unexploited. The prospective global model shows that high ambitions can significantly increase the recycling input of zinc production. However, secondary production will not be able to meet the projected demand, leading to a continued importance of primary production. This dissertation demonstrates the added value of the approach of linking two comprehensive MFA models covering individual metal cycles. A higher level of granularity of zinc flows in the steel industry is achieved. The results show that there is significant potential for zinc recovery from specific low zinc containing steelmaking dusts and that the transition to decarbonized steelmaking pos-es further challenges for zinc recovery. Overall, this dissertation contributes to a better under-standing of the anthropo-genic zinc cycle.

Die Nachfrage nach Rohstoffen zur Erfüllung gesellschaftlicher Bedürfnisse ist in der Vergangenheit kontinuierlich gestiegen und wird voraussichtlich weiter zunehmen. Der größte Teil dieser Nach-frage wird durch die Gewinnung und Verarbeitung von mineralischen Rohstoffen gedeckt, was mit erheblichen Umweltbelastungen verbunden ist und Fragen der kurz- und langfristigen Versorgungssicherheit aufwirft. Konzepte wie die Kreislaufwirtschaft und die Kritikalität haben sich her-ausgebildet, um diese Nachhaltigkeitsherausforderungen zu analysieren und in Angriff zu nehmen. Diese Konzepte haben einen hohen Bedarf an Daten über das Angebot und die Verwendung von Rohstoffen in der Wirtschaft. Politische Entscheidungsträger sind auf Systemanalysen und regelmäßiges Monitoring angewiesen, um realistische und ehrgeizige Ziele zu definieren und geeignete Maßnahmen zu entwickeln. Die Industrie benötigt die Quantifizierung von Stoffkreisläufen, um relevante und vielversprechende Handlungsfelder zu identifizieren. Um einen Beitrag zu einer nachhaltigeren Nutzung mineralischer Ressourcen zu leisten, wendet diese Arbeit die dynamische Materialflussanalyse (MFA) an, um den globalen Kreislauf von Zink, einem für unser tägliches Leben unverzichtbaren Metall, zu quantifizieren.
Während viele Materialien weitreichend untersucht wurden, fehlt ein umfassendes und aktuelles systemisches Verständnis der globalen und regionalen Zinkkreisläufe. Die in dieser Arbeit vorgenommene Quantifizierung deckt alle Lebenszyklusphasen vom Abbau primärer Ressourcen bis zum Recycling sowie das gesamte Anwendungsspektrum von Zink ab. Zunächst wird ein globales retrospektives MFA-Modell entwickelt, um die Stoffflüsse und Bestände des Zinkkreislaufs zu quantifizieren. Zweitens werden auf der Grundlage des globalen Modells regionale retrospektive MFA-Modelle implementiert, die die Weltregionen China, Europa, Nordamerika, Lateinamerika und Asien abdecken. Um die regionalen Modelle miteinander zu verknüpfen und die gegenseitigen Abhängigkeiten der Regionen zu analysieren, wird eine umfassende Handelsnetzanalyse durchgeführt. Die globalen und regionalen Modelle werden so entworfen, dass sie konsistent und massenbilanziert sind und einen Modellsystem bilden, das die Simulation von zusammenhängenden Stoffströmen und Beständen ermöglicht. Geeignete Recyclingindikatoren werden definiert und berechnet, um globale und regionale Recyclingsysteme und ihre Entwicklung im Laufe der Zeit zu bewerten. Drittens werden Nachfrageszenarien bis 2050 auf globaler Ebene implementiert, und das globale Modell wird durch ein prospektives Modul erweitert, das die zukünftige Verfügbarkeit von sekundären Zinkressourcen und den erforderlichen Zinkabbau zur Deckung des gesellschaftlichen Bedarfs an Materialien quantifiziert. Schließlich besteht sowohl beim Verbrauch als auch beim Recycling von Zink eine enge Verbindung zum Stahlkreislauf, und zwar durch die Beschichtung von Stahlgütern mit einer Zinkschicht. Um den miteinander verbundenen Materialkreisläufen Rechnung zu tragen, wird das europäische Zinkmodell mit einem europäischen MFA-Modell für Stahl verbunden, das im Rahmen dieser Arbeit mitentwickelt wurde. Durch diese Verknüpfung der MFA-Modelle werden die mit den Stahlflüssen verbundenen Zinkflüsse quantifiziert und der Verbleib von Zink innerhalb der Stahlindustrie analysiert.
Das globale Modell zeigt, dass die Kreislaufführung von Zink mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist. Die Hauptgründe dafür sind die Verwendung von Zink in einer Reihe von dissipativen Anwendungen, die mehrstufigen Recyclingpfade, welche andere Materialsysteme einbeziehen, der geringe Fokus auf Zink innerhalb der Recyclingsysteme, die hohe chemische Reaktivität von Zink und die teilweise geringe Konzentration von Zink in sekundären Materialflüssen. Dennoch werden in dieser Dissertation viele Möglichkeiten für mehr Zinkrecycling aufgezeigt, die insbesondere im Recycling von zinkhaltigen Stahlwerksstäuben liegen. Die Regionalisierung des MFA-Modells zeigt die Heterogenität der regionalen Zinkkreisläufe. Die Dynamik des anthropogenen Zinkbestands weist erhebliche regionale Unterschiede auf, wie die gegensätzlichen Trends in Nordamerika, wo die Zinkbestände in letzter Zeit zurückgegangen sind, und in China, wo ein erheblicher Anstieg der Zinknachfrage und eine Zunahme der anthropogenen Zinkbestände festgestellt wurden, zeigen. Außerdem sind die Recyclingsysteme unterschiedlich weit entwickelt. Während Europa gute Recyclingpraktiken und eine gute Kreislaufwirtschaft aufweist, gibt es in den übrigen Weltregionen ein erhebliches Recyclingpotenzial, das noch nicht ausgeschöpft ist. Das prospektive globale Modell zeigt, dass hohe Ambitionen den Recyclinganteil in der Zinkproduktion erheblich steigern können. Die Sekundärproduktion wird jedoch nicht in der Lage sein, die prognostizierte Nachfrage zu decken, was dazu führt, dass die Primärproduktion weiterhin eine wichtige Rolle spielt. Diese Dissertation zeigt den Mehrwert des Ansatzes, zwei umfassende MFA-Modelle, die einzelne Metallkreisläufe abdecken, zu verknüpfen. Es wird eine höhere Granularität der quantifizierten Zinkströme in der Stahlindustrie erreicht. Die Ergebnisse zeigen, dass es ein erhebliches Potenzial für die Rückgewinnung von Zink aus zinkarmen Stahlwerksstäuben gibt und dass der Übergang zur dekarbonisierten Stahlerzeugung weitere Herausforderungen für die Zinkrückgewinnung mit sich bringt. Ins-gesamt trägt diese Dissertation zu einem besseren Verständnis des anthropogenen Zinkkreislaufs bei.