Entwicklung systemdynamischer Stoffstrommodelle zur Simulation von regionalen Kupferkreisläufen

Soulier, Marcel

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 zwi-schen 1990 und 2014 simuliert werden. Stoffstrombetrachtungen sind ein wesentlicher Bestandteil im Themenfeld der „Industrial Ecolo-gy“, 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 analy-siert, angefangen bei den Prozessen zur Extraktion von Primärmaterial und Herstellung von rei-nem Kupfer, über die verschiedenen Halbzeuge und kupferhaltigen Endprodukte, bis hin zu kup-ferhaltigen Schrotten und deren Aufbereitung im Rahmen des Recyclings. Aufgrund der regiona-len 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 anderer-seits, widerspiegeln. Nach Modellierung der Kreisläufe in der Software Vensim® erfolgt die Vor-stellung der Simulationsergebnisse für die fünf Regionen. Dabei sind für jede Region spezifische Charakteristika erkennbar. So zeigt sich der Kupferkreislauf der EU verhältnismäßig ausgegli-chen 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 Kupferre-cycling 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 roh-stoffarmes, aber hoch entwickeltes Industrieland zeigen sich auch in seinen Kupferflüssen. Hei-mischer Kupferbergbau wird nicht mehr betrieben, dennoch gibt es eine bedeutende Raffinade-produktion 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 Modellerwei-terung, 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.

In the presented work, five individual models have been developed to simulate the copper cycles for the world regions EU 28, North America, Latin America, China and Japan between 1990 and 2014. Material flow considerations are an essential component in the field of "Industrial Ecology", which has a common origin with the "System Dynamics" modeling methodology. For this reason, System Dynamics is particularly suitable for material flow models and was chosen as a modeling approach. Before developing the models, a detailed understanding of the copper cycle is required. Therefore, each stage of the copper cycle is analyzed at first, starting with the processes for the extraction of primary material and the production of copper metal, through the various semi-finished and copper-containing end-use products, to copper scrap and its processing at the recycling stage. As different world regions are modeled, imports and exports of copper at each stage of the cycle must also be taken into account, for which trade codes of 366 copper containing products are identified. Furthermore, suitable recycling indicators are defined which reflect both the efficiency of the recycling system and the use of secondary materials in copper production on the basis of material flows. After modelling the cycles using the software Vensim®, the simulation results for the five regions are presented. Specific characteristics can be identified for each region. The copper cycle in the EU is comparatively balanced with a functioning value chain for copper. In 2014, almost 2 million tons of primary copper were processed, of which about two thirds came from foreign sources. As a large producer of semi-finished products, Europe is a net exporter at this stage of the cycle. Furthermore, the recycling of copper-containing scrap, which is essential for the supply of copper in Europe, contributes to the value chain. Copper recycling is less pronounced in North America, where the mining of primary copper dominates as a supply source with 2 million tons, of which around one third is exported. The imports of 1.8 million tonnes of copper in end-use products, on the other hand, are considerable as they account for around two-thirds of North American consumption. In addition, high losses of 1.6 million tonnes during scrap collection are calculated for North America. It can be assumed, however, that a large proportion of these will not be lost but will be shipped to China without appearing in official trade statistics. The dominant position as a mining area for copper is evident in the Latin American cycle. Compared to the 8 million tonnes of copper mined, most of which are exported as concentrates (4.4 million tonnes) or refined copper (3.5 million tonnes), the other copper flows play only an insignificant role. As the largest producer of copper-containing end-use products, China's copper cycle is characterized by high imports of raw materials, i.e. 3.8 million tonnes of concentrates, 3.6 million tonnes of refined copper and 1.4 million tons scrap in the year 2014. Moreover, 1.6 million tons of primary copper and 1.9 million tons of recycled secondary copper from domestic sources also contribute to China's supply. About one third of the copper-containing end-use products manufactured in China are exported. The copper cycle for Japan reflects the country's position as a highly developed industrial country with few raw materials. Domestic copper mining is not conducted anymore, but there is nevertheless a significant refinery production of around 1.6 million tons and a semi-finished product production on a similar level. The material sources are mainly concentrate imports and domestic secondary material, the latter consisting of 0.3 million tonnes of recycled old scrap and 0.4 million tonnes of new scrap in 2014. The model results are then evaluated in sensitivity analyses for each region followed by two possibilities for extending the models, which are discussed in the last section of the work. The first possibility is to extend the demand for end-use products, copper stocks and scrap flows until 2050. On this basis, a material model extension is then being carried out, investigating the availability of the copper by-product tellurium with regard to a possible future use in thin-film photovoltaic cells.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Soulier, Marcel: Entwicklung systemdynamischer Stoffstrommodelle zur Simulation von regionalen Kupferkreisläufen. 2018.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export