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.
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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.

Building upon a review and analysis of current studies and scientific literature about the assessment of supply risks and raw material criticality, this thesis systematically develops concepts to supplement current approaches of criticality determination especially regarding the step towards a more dynamic view on raw material markets and supply systems. Therefore, in a first step, different concepts from the field of multivariate statistics and an approach of criticality determination analyzing time dependent indicators as a supplement to static screening methods of criticality assessment are introduced and tested on the example of Germany and Japan.
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While the aforementioned screening methods are useful to analyze large numbers of raw materials and to identify those which are most critical for an economy, the key issue of this thesis is the development of dynamic global and regional material flow models for specific raw materials using a System Dynamics (SD) approach. Therefore, the anthropogenic material flows of copper, cobalt and the rare earth elements neodymium and dysprosium are analyzed.
The dynamic material flow models for copper and cobalt were realized at the global and European level whereas the rare earth elements neodymium and dysprosium which are relevant for the production of NdFeB magnets (Neodymium-Iron-Boron) were examined at the global level and for Germany. As demonstrated with the dynamic material flow models, copper as a classical industrial metal has a relatively well established recycling system reaching an end-of-life recycling rate (EoL RR) of around 50 % at the global level and over 60 % within the European Union. While cobalt in the form of an alloying element for super alloys and hard metals (in aircraft turbines or cutting and drilling tools) is recycled with high efficiencies reaching more than 70 % of EoL RR, the material flow models show a considerable potential for cobalt recycling from cathode materials of end-of-life lithium-ion batteries. This is mainly due to the lack of efficient collection systems for end-of-life lithium-ion batteries and WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) in general. The same is true for the recycling of NdFeB magnets which currently mainly occur in electronic waste such as obsolete hard disk drives (HDD) or CD and DVD players from which the recovery is technically challenging due to the high dispersion of the small magnets and therefore is economically not feasible based on current price levels. However, as simulated with the material flow model, in the nearby future increasing amounts of larger NdFeB magnets from obsolete synchronous electric motors contained in industrial machinery, general household appliances such as washing machines or heating pumps, magnets from smaller electric motors in conventional vehicles or from electric traction motors in hybrid and battery electric vehicles and large magnets from the generators of direct drive wind turbines (mainly in offshore turbines) are expected to enter waste management, for which a suitable collection system needs to be established in the coming years.
In a second step, the dynamic material flow models at the global level were supplemented by dynamic market behavior and feedback effects aiming at developing a tool for future scenario analysis taking into account both physical material flows and market dynamics. For copper as a classical industrial metal, a market tool was developed which is capable to roughly reproduce historic market developments and which particularly takes into account cyclical market behavior due to delayed adjustment of supply caused by long lead times for the construction and implementation of new mining capacities. On the basis of exogenous assumptions for global economic development, this model may be used as a forecasting tool for the copper market. Regarding the technology metals cobalt or neodymium and dysprosium respectively, the dynamic market models were used for analyzing the effect of the diffusion of alternative drives in the automotive market on the demand for these metals. Thereby, the demand development for cobalt as a cathode material for lithium-ion batteries as well as the demand for neodymium and dysprosium as magnet materials for electric traction motors were simulated. As shown with the models, the diffusion of alternative drives would particularly have a strong impact on the demand for dysprosium which is relevant for the heat resistance of NdFeB magnets and which is currently indispensable for the development of electro-mobility.
Subsequently, the dynamic market models are applied for a scenario based resilience test analyzing the adaptive capacity of the respective raw material markets in the case of supply disruptions which is related to the static raw material criticality assessments forming the starting point of this Thesis.