Dynamic material flow modelling as a strategic resource management tool for Austrian aluminium flows

Abstract

Ein fortwährender Anstieg des Rohstoffbedarfs über die vergangenen Jahrzehnte resultiert in einem beträchtlichen Aufbau anthropogener Lager. In Kombination mit einem begrenzten Vorkommen und einer eingeschränkten Nutzung von Primärressourcen in bestimmten Weltregionen (z.B. Europa), führt dies zu einem stetig steigenden Interesse an sekundären Rohstoffen. Bei den mengenmäßig und wirtschaftlich wichtigen Nichteisenmetallen Aluminium (Al) und Kupfer liegt der Anteil der Sekundärproduktion an der globalen Gesamtproduktion bereits bei 15% bzw. 30%. Der zunehmende Einsatz von Sekundärrohstoffen macht daher Informationen und eine Datenbasis bezüglich historischer, aktueller und zukünftiger Materialflüsse und Lager unabdingbar für ein wissensbasiertes, zukunftsorientiertes Ressourcenmanagement. Als primäres Ziel dieser Arbeit wurde ein statisches und ein dynamisches Stoffflussmodel der Österreichischen Al-Flüsse entwickelt. Das statische Stoffflussmodell (Paper 1) gibt einen detaillierten Einblick in das nationale Al-Stoffflusssystem für 2010. Dabei wird im Speziellen die Abfallwirtschaft sowie der nationale Schrottmarkt im Detail betrachtet. Dem statischen Modell folgend, ergibt sich für das Bilanzjahr 2010 ein Anstieg des nationalen Nutzlagers von 92 kt (11 kg/Pers.) sowie ein Altschrottanfall von 59 kt (7 kg/Pers.). Der Schrottanteil in der nationalen Sekundärproduktion beträgt ca. 80%, mit einem kalkulatorischen Altschrottanteil zwischen 0% und 66%. Im dynamischen Stoffflussmodel (Paper 2) werden datenbasiert die historischen Al-Flüsse untersucht, um daraus auf die derzeit im Nutzlager befindliche Al-Menge sowie auf die Entwicklung der Altschrottflüsse schließen zu können. Aus diesem Modell ergibt sich ein nationales Gesamtlager von ca. 3,1 Mt (360 kg/Pers.) für das Jahr 2012. Dies entspricht einem Anstieg um den Faktor 3,8 in den letzten 30 Jahren. Die beiden wichtigsten Sektoren in Bezug auf das nationale Al-Lager sind der Gebäude- und Infrastruktursektor sowie der Transportsektor. Diese beiden Sektoren zusammen repräsentieren ca. zwei Drittel des anthropogenen Al-Lagers in Österreich. Der Altschrottanfall ist im selben Zeitraum um einen Faktor 3,4 gestiegen und beträgt derzeit ca. 130 kt (14 kg/Pers.) inkl. Sammel- und Recyclingverlusten sowie Fahrzeug-Exporten. Um die zukünftige Entwicklung der sektorspezifischen Lager und Altschrottflüsse abschätzen zu können, wird das entwickelte Al-Modell (zeitlich diskretisiertes Al-Lager) mit Prognosen über den zukünftigen Al-Verbrauch erweitert (Paper 3). Für die Sektoren Transport, Gebäude und Infrastruktur sowie Elektrische Anlagen wird dafür ein lagerbasierter Ansatz verwendet. Die Sektoren Maschinenbau, Konsumgüter und Verpackungen werden mittels eines verbrauchsbasierten Ansatzes modelliert. Aus diesen Berechnungen ist abzuleiten, dass das Gesamtlager bis 2050 auf 530 kg/Pers. ansteigen wird. Der Gesamt-Altschrottanfall steigt im selben Zeitraum auf ca. 31 kg/Pers. Aus dem Vergleich des zukünftigen Schrottanfalls mit dem zukünftigen industriellen Al- Bedarf, wie auch mit dem zukünftigen Endverbrauch an Al, lässt sich der theoretische Selbstversorgungsgrad (Unabhängigkeit von Al-Importen) ermitteln. In Bezug auf den industriellen Al-Bedarf ist zu erwarten, dass der Selbstversorgungsgrad bis 2050 nicht über 12% steigen wird. Bezogen auf den Al-Endverbrauch ergibt sich ein rechnerischer Selbstversorgungsgrad von ca. 40% im Jahr 2050. Verstärktes Recycling von Altschrott könnte den Selbstversorgungsgrad in Bezug auf den industriellen Al-Bedarf sowie bezogen auf den Al-Endverbrauch potenziell um weitere 8% bzw. 27% anheben. Abschließend erfolgt eine Betrachtung des Selbstversorgungsgrades mit einer Differenzierung nach Guß- und Knetlegierungen unter Berücksichtigung der aktuellen Recyclingpraxis. Dabei zeigen die Ergebnisse, dass die derzeit generierte Menge an Al-Mischschrotten den nationalen Endverbrauch an Gußlegierungen bereits übersteigt. Die breitere Anwendung von Sortiertechnologien erscheint daher notwendig und sinnvoll, um dem spezifischen Bedarf an Al-Legierungen besser gerecht zu werden. Vor allem in Anbetracht einer zukünftig potenziell vermehrten Anwendung von Knetlegierungen in Strukturbauteilen von Fahrzeugen erscheint eine verbesserte Schrottsortierung unabdingbar. Obwohl der nationale Anfall an gemischten Al-Schrotten den Endverbrauch an Gußlegierungen übersteigt, liegt dieser dennoch deutlich unter dem industriellen Bedarf an Gußlegierungen. In diesem Zusammenhang werden am Ende dieser Arbeit ökologische Aspekte sowie Fragen des Ressourcenmanagements in Bezug auf ein optimales Al-Recycling diskutiert.

Constantly increasing demand for raw materials has been going along with a build-up of anthropogenic material stocks. In combination with limited access and utilisation of primary resources in some world regions (e.g. European Union), the availability of secondary raw materials has become a common interest. Regarding two of the quantitatively most important non-ferrous metals (aluminium (Al) and copper), the global secondary production already contributes 15% and 30% to the total global production. Knowledge about historical, current and future material stocks and flows in society are therefore of crucial importance for a knowledge based future resource management. In this thesis a static and a dynamic material flows model of Austrian Al flows is developed. The static material flow model (Paper 1) gives a detailed insight in the national system of Al flows in 2010, including a detailed view on the waste management process as well as on the scrap market. From this model a total in-use stock increase of 92 kt (11 kg/cap.) and a total old scrap generation of 59 kt (7 kg/cap.) is calculated. The total scrap share in national secondary production is around 80%, with a calculatory old scrap share between 0% and 66%. The dynamic material flow model (Paper 2) evaluates historical Al flows in order to estimate current in-use stocks as wells as trends in old scrap generation. From this model a current total in-use stock of around 3.1 Mt (360 kg/cap.) is estimated for 2012, which corresponds to an increase of by a factor of 3.8 over the past thirty years. Approximately two-thirds of total in-use stocks are present in the Building and Infrastructure as well as in the Transport sector. Total old scrap generation increased by a factor of 3.4 in the same period and is currently around 130 kt (14 kg/cap.) including collection and recycling losses as well as vehicle exports. In order to estimate future development of in-use stocks and old scrap generation the data from the historical (data based) dynamic material flow model (timely resolved in-use stocks) are combined with forecasts on future Al consumption (Paper 3). For the Transport, the Buildings and Infrastructure and the Electrical Engineering sector a stock-driven approach is used and for the Mechanical Engineering, Consumer and Packaging sector an input-driven approach is used for modelling future Al flows. Total in-use stock and total old scrap generation are expected to increase to 530 kg/cap. and 31 kg/cap. respectively by 2050. By comparing future old scrap generation with future industrial Al demand as well as with final Al demand, the future self-supply potential (independence from Al imports) is calculated. From an industry perspective self-supply from secondary Al sources is not expected to rise above 12% and from a final demand perspective self-supply is not expected to rise above 40%. Enhanced recycling of Al old scrap could increase self-supply by another 8% and 27% respectively. Finally future self-supply is evaluated under the current recycling practice with respect to wrought and cast alloys. Results indicate that the current supply from mixed old Al scrap is already exceeding national final demand of cast alloys and sorting technologies are required in order prevent a surplus of mixed old Al scrap over final cast Al demand in future. Sorting technologies become even more relevant when Al is going to be used more intensively for structural components in cars in the future (light-weight constructions). Even though generation of mixed Al scrap exceeds national final cast Al demand, it will mostly like remain beneath national foundry casting demand. Environmental and resource management aspects of the current recycling practice are briefly discussed at the end of this thesis.