Title: Material Flow Analyses of Steel and Mercury - Differences and implications of data availability
Other Titles: Stoffflussanalysen von Stahl und Quecksilber - Unterschiede von Datenverfügbarkeit und deren Auswirkungen
Language: English
Authors: Dworak, Sabine 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Rechberger, Helmut  
Issue Date: 2021
Citation: 
Dworak, S. (2021). Material Flow Analyses of Steel and Mercury - Differences and implications of data availability [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.98041
Number of Pages: 100
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Stoffflussanalysen sind eine bekannte und weit verbreitete Methode, um Flüsse, Quellen undSenken von Ressourcen oder Schadstoffen in einem bestimmten System zu untersuchen und zu verstehen. Auf regionaler, nationaler oder globaler Ebene wird die Quantifizierung der Ströme häufig durch die unzureichende Verfügbarkeit von Daten erschwert. Die Datenverfügbarkeit für branchenweite Analysen ist meist besser. Stoffstromanalyse auf Unternehmensebene ist vergleichsweise einfach durchzuführen, da alle erforderlichen Daten gemessen werden können, falls sie nicht verfügbar sind. In der vorliegenden Arbeit wurden die Flüsse von zwei Materialien mit Hilfe der Stoffflussanalyse eingehend untersucht. Bei dem einen handelt es sich um einen der weltweit am meisten verwendeten Rohstoffe, Stahl. Der andere ist das Spurenmetall Quecksilber, das aufgrund seiner toxischen Eigenschaften strengen Restriktionen unterliegt. Sowohl für Quecksilber als auch für Stahl werden die Vorgehensweise bei der Erstellung einer Stoffstromanalyse sowie die Ergebnisse der Analyse detailliert untersucht und diskutiert. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Datenverfügbarkeit für beide Materialien und der Notwendigkeit einer Unsicherheitsbewertung in beiden Bereichen.Während die weltweite Stahlproduktion in den letzten Jahrzehnten enorm gestiegen ist (von 0,9Mrd. Tonnen im Jahr 2000 auf 1,9 Mrd. Tonnen im Jahr 2020), ist in industrialisierten Ländern eine Sättigung des Stahlmarktes eingetreten, die sich durch Stagnation der Rohstahlproduktion und einem höheren Anteil an Altschrottarten äußert. Diese Entwicklung würde es ermöglichen,einen höheren Anteil des Stahls aus Schrott zu erzeugen. Aus veröffentlichten Statistiken geht jedoch hervor, dass die Stahlproduktion aus Sekundärrohstoffen in vielen dieser Region stagniert und ein erheblicher Anteil des Schrotts exportiert wird, während diese Länder gleichzeitig große Mengen an Eisenerz einführen. Ein limitierender Faktor für die schrottbasierte Stahlproduktion ist der Gehalt von unerwünschten Begleitelementen im Schrott. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Qualitätsbewertung von Stahl und Stahlschrott anhand des Gesamtgehalts von fünf relevanten Begleitelementen, nämlich Cu, Sn, Cr, Ni und Mo, durchgeführt. Insbesondere wurde der europäische Stahlhaushalt quantitativ und qualitativ mittels Stoffstromanalyse modelliert.Für die historische Analyse (1946 - 2017) wurde eine retrospektive mehrjährige Stoffflussanalyse durchgeführt, während für die Prognose der zukünftigen Stahl- und Stahlschrottströme eine dynamische Stoffsflussanalyse für den Zeitraum 1910 bis 2050 durchgeführt wurde. Da detaillierte Informationen über den Gehalt der fünf Begleitelemente in den verschiedenen Stahlprodukten und Stahlschrotten kaum verfügbar waren, wurden vier Kategorien (Stahlqualitätsklassen) fürden Gehalt an Begleitelementen eingeführt. Die so modellierten Schrottmengen und -qualitäten wurden anschließend mit den erforderlichen Toleranzwerten für Begleitelemente in verschiedenen Stahlprodukten verglichen. Eine Material-Pinch-Analyse wurde für den Vergleich zwischen der Schrottverfügbarkeit und der Stahlnachfrage durchgeführt. Diese Methode berücksichtigt, dass Materialien mit geringer Verunreinigung (z.B. geringer Gehalt an unerwünschten Begleitelementen) auch für Produkte verwendet werden können, die höhere Verunreinigungsgrade zulassen (z.B.hoher Gehalt an unerwünschten Begleitelementen), aber nicht umgekehrt. Die Materialflussanalyse des europäischen Stahlschrotts und der Stahlnachfrage zeigt seit Mitte der 1990er Jahre einen zunehmenden Überschuss an Ressourcen mit niedrigem Reinheitsgrad (Schrott mit niedrigem Reinheitsgrad), der ohne weitere Maßnahmen (z. B. Verdünnung mit Stahlquellen mit hohem Reinheitsgrad, verbesserte Sortierung oder technologische Eingriffe bei der Stahlerzeugung) nicht genutzt werden kann.Es wird prognostiziert, dass die Menge an Schrott mit niedrigem Reinheitsgrad in der EU von 20 Mio. t/Jahr heute auf 43 Mio. t/Jahr im Jahr 2050 weiter ansteigen wird, wenn keine Maßnahmen zur Verbesserung der Verwertbarkeit des Schrotts ergriffen werden. Das Verdünnungspotenzial (Verdünnung von Schrott mit niedrigem Reinheitsgrad durch Ressourcen mit hohem Reinheitsgrad) würde bis 2040 erschöpft sein, wenn das derzeitige Schrottsammelsystem beibehalten wird. Ein Vergleich der aktuellen Handelsdaten für Altschrott mit dem modellierten Überschuss an Schrott mit niedrigem Reinheitsgrad zeigt, dass der Überschuss an Stahlschrott mit niedrigem Reinheitsgrad mit hoher Wahrscheinlichkeit aus der EU exportiert wird, da die Daten nahezu übereinstimmen. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass derzeit keine nennenswerten Anstrengungen unternommen werden, um die schrottbasierte Stahlproduktion durch fortschrittliche Schrottverarbeitungsmethoden zu steigern.In einer weiteren Fallstudie wurde der Quecksilber-Durchsatz der österreichischen verarbeitenden Industrie untersucht. Es ist die erste Studie, die versucht, eine mehrjährige Materialflussanalyse zu Quecksilber für die gesamte verarbeitende Industrie eines Landes zu erstellen. Dafür wurden die Daten hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit, Qualität und deren Mangel bewertet. Die verfügbaren Daten wurden zu einer mehrjährigen Materialflussanalyse kombiniert, in der die Inputs (primäre und sekundäre Ressourcen und Brennstoffe, Wasserversorgung) und die Outputs(Emissionen in Luft und Wasser, Produkte) quantitativ und mit der entsprechenden Unsicherheit definiert sind. Die entsprechenden Abfälle aus den einzelnen Sektoren wurden bilanziert und die zugehörigen Unsicherheiten durch Fehlerfortpflanzung ermittelt. Die Berechnung ergibt einen Quecksilber-Durchsatz für den Zeitraum 2005 bis 2016 zwischen 3,4 t/Jahr pm25% bis 4 t/Jahr pm 25%. Der größte Teil des Quecksilbers wurde über primäre Roh- und Brennstoffe importiert(75%), etwa 25% über sekundäre Roh- und Brennstoffe. Der Quecksilber-Export über Produkte wurde auf 35% bis 40% geschätzt, jener über Emissionen in die Luft auf 20% bis 25% und über Abfälle auf 40% bis 45%.Stahl ist eine der ersten Waren deren Produktion und Verbrauch systematisch erfasst wurden.Daten über Stahlflüsse werden seit vielen Jahrzehnten dokumentiert und veröffentlicht, wennauch in unterschiedlicher Auflösung. Bestehende Datenlücken können meist durch Interpolation geschlossen werden. Allerdings liegen die Datensätze in der Regel nicht in einem maschinenlesbaren Format vor und müssen aufbereitet werden. Daten über die Mengen von Spurenelementen sind dagegen eher spärlich. Quecksilber-Konzentrationen für die meisten Güter sind verfügbar,aber oft von geringer Qualität (unvollständig, teilweise nicht repräsentativ) wobei Daten über Warenmengen meist verfügbar sind, insbesondere für Primärrohstoffe und Produktmengen. Die öffentlich verfügbaren Daten unterscheiden sich jedoch stark von Sektor zu Sektor und innerhalb der Sektoren. Die verfügbaren Daten erlauben daher eine Bilanzierung, allerdings nur mit hohen Unsicherheiten und unerfassten Flüssen.

Material flow analysis is a well known and widely used method to investigate and understand flows, sources and sinks of resources or pollutants in a defined system. On regional, national or global level, the quantification of flows is often challenged by unsatisfactory data availability.Data availability for industry wide commodities is generally better. Material flow analysis at company level is comparably easy to be accomplished, as all necessary data can be measured if not available.In the present thesis the flows of two materials were investigated thoroughly by means of material flow analysis. One represents one of the most used commodities worldwide, steel. The other one is the trace metal mercury, which is to be phased out from our economy due to its toxic characteristics. For both, mercury and steel, the procedure to set up a material flow analysisas well as the results of the analysis are discussed in detail. An additional part of this thesis discusses the data availability for both materials and the need for uncertainty assessment within both areas.Where as the global steel production grew immensely during the last decades (from 0.9 billiontonnes in 2000 to 1.9 billion tonnes in 2020), affluent countries have experienced a saturation of the steel market, indicated by stagnant crude steel production rates and higher post-consumerscrap rates. This development would allow a higher share of steel to be produced from scrap.However, reporting data shows that the rate of steel production from secondary resources in many affluent countries or economic areas is stagnant and a significant share of scrap is exported,where as at the same time these countries import massive quantities of iron ore. One limiting factor for scrap based steel production is the content of tramp elements present in scrap. Hence, in the frame of this thesis a quality assessment of steel and steel scrap was conducted using information about the total content of five relevant tramp elements, namely Cu, Sn, Cr, Ni and Mo. Inparticular, the European steel household was modelled in a quantitative and qualitative wayusing material flow analysis. For the historical analysis (1946 – 2017) retrospective multi-annual material flow analysis was conducted, where as for the prognosis of future steel and steel scrapflows a dynamic material flow analysis, covering the period 1910 to 2050, was conducted. Since detailed information about the content of the five tramp elements in the different steel products and steel scraps was hardly available, four categories (steel quality classes) for content of trampelements were introduced. The so modelled scrap quantities and qualities were subsequently compared to the tolerance levels of tramp elements in different steel products demanded. For the comparison between scrap availability and steel demand, material pinch analysis was used. This method considers, that materials of low impurity (e.g., low content of tramp elements) can alsobe used for products which allow higher impurity levels (e.g., high content of tramp elements), but not the other way around. The material pinch analysis of the European steel scrap andsteel demand shows an increasing surplus of low purity resources (low purity scrap) since the middle of the 1990s, which cannot be used without further interventions (e.g. dilution with high purity steel sources, enhanced sorting or technological interventions during steel production). Forthe future situation, it is predicted that the amount of low purity scrap in Europe will further increase from today’s 20 Mt/yr to 43 Mt/yr in 2050, if no measures are put in place to improves crap usability. The dilution potential (dilution of low purity scrap with high purity resources) would be exhausted by 2040 if the current scrap collection scheme is upheld. When comparing current trade data on post-consumer scrap with the modelled surplus of low purity scrap, it is shown that the surplus of low purity steel scrap is most likely exported out of the EU, as both data match quite well. This leads to the conclusion, that currently there is no significant effortto increase the scrap-based steel production by advanced scrap treating methods.In a further case study, the Mercury-through put of the Austrian manufacturing industry was investigated. It is the first study to attempt to put together a multi-annual material flowanalysis on Mercury covering the whole manufacturing industry of a country. Therefore, data was assessed regarding its availability, quality and lack there of. The data available was combinedto a multi-annual material flow analysis where inputs (primary and secondary resources and fuels, water supply) and outputs (emissions to air and water, products) are defined in their amount and according uncertainty. The corresponding waste from each sector was balanced and the according uncertainty was determined with error propagation. The model estimates the Hg-throughput over the period 2005 to 2016 between 3.4 t/yr ±25% to 4 t/yr ±25%. Most mercury was imported via primary raw materials and fuels (75%), and about 25% was imported via secondary raw materials and fuels. Hg export via products was estimated at 35% to 40%, via emissions to air at 20% to 25% and via waste at 40% to 45%.Steel is one of the first commodities which was reported in a systemic way. Data on steel flows have been documented and made publicly available for many decades, even though in different resolution. Existing gaps can mostly be filled via interpolation. Still, the data sets are usuallynot available in a machine-readable format and needs to be processed. Data on amounts of trampelements, on the other hand, are rather scarce. Hg concentrations for most goods are available,but often of low quality (incomplete, partly non-representative). Data for quantities of goods are mostly available, especially for primary raw materials and production numbers. Nevertheless,publicly available data differs strongly from sector to sector and within sectors. Therefore, thedata available allows a balance, but only with high uncertainties and unconsidered flows.
Keywords: Stoffflussanalysen; Stahl; Quecksilber; Datenverfügbarkeit
Material Flow Analyses; Steel; Mercury; data availability
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.98041
http://hdl.handle.net/20.500.12708/19236
DOI: 10.34726/hss.2021.98041
Library ID: AC16411313
Organisation: E226 - Institut für Wassergüte und Ressourcenmanagement 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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