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Einsatz von System Dynamics zur Modellierung des globalen Kupfersystems : Das Modell SysCu

Gröticke, Isabelle


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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-105223
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2014/10522/

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Kupfer , System Dynamics , Modell , Urban Mining
Freie Schlagwörter (Englisch): copper , System Dynamics , model , Urban Mining
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung II
Fachgebiet: Agrarwissenschaften, Ökotrophologie und Umweltmanagement fachübergreifend
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.12.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 08.01.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Kupfer (Cu) ist ein Basismetall, welches im Alltag mit großer ökonomischer Bedeutung eine breite Anwendung findet. Kupfer wird aus Kupfererzen extrahiert. In den vergangenen Jahrzehnten ist die weltweite Kupfernachfrage stark angestiegen. Immer geringere Erzkonzentrationen im Ausgangsgestein gelten als abbauwürdig. Die globalen geogenen Kupfervorkommen werden zunehmend abgeschürft, so dass Kupfer immer knapper wird. Aufgrund seiner einzigartigen chemisch-physikalischen Eigenschaften ist Kupfer in vielen Produkten wie der Energie- und Technologieübertragung, im Automobilsektor, bei stationären Motoren, in der Architektur oder Wasserinstallation ein häufig verwendeter und essentieller Rohstoff. Kupfer gilt als sehr gut rezyklierbar und kann ohne Qualitätseinbußen wiederverwertet werden. Diese Merkmale werden derzeit im globalen Maßstab nur unzureichend genutzt. Das in dieser Arbeit entwickelte System Dynamics-Modell SysCu (System Kupfer) greift diesen Aspekt auf.
Ziel ist die Entwicklung eines computergestützten Modells zur Beschreibung des globalen Rohstoffsystems Kupfer. Die verwendete System Dynamics-Methodik ermöglicht eine ganzheitliche Analyse und Simulation komplexer und dynamischer Systeme. Durch die mathematisch-analytische Modellierung können Systemzusammenhänge abgebildet und erklärt werden. Das Systemverständnis und die Interaktionen innerhalb des Rohstoffsystems Kupfer stehen in der vorliegenden Arbeit im Fokus. Das entwickelte Modell SysCu betrachtet neben dem primären Stoffkreislauf (dem Kupferabbau geogener Minen) besonders den sekundären Stoffkreislauf. Dieser ist einerseits durch die Anteile der unterschiedlichen Kupferanwendungen charakterisiert, andererseits von deren Nutzungsdauern und Sammelquoten. In der Vergangenheit bis heute werden viele Produkte nicht oder nur in geringem Umfang recycelt; vielmehr lagern sie ungenutzt als sogenannte Stille Reserve beispielsweise auf Deponien.
Der globale Kupferkonsum steht im engen Zusammenhang mit der Entwicklung der Weltwirtschaft und den Bevölkerungszahlen. Diese Aspekte fließen ebenso in das Modell SysCu mit ein wie das primäre und sekundäre Kupferangebot. Durch diese umfassende globale Betrachtungsebene ist es möglich, ein simplifiziertes umfängliches Verständnis des weltweit agierenden Rohstoffsystems Kupfer zu erhalten. Mithilfe der fünf Szenarien Baserun, Hohes Wachstum, Globale Nachhaltigkeit, Pluralismus und Balance können zukünftige Prognosen abgebildet und Aussagen abgeleitet werden.
Die Untersuchungen zeigen, dass zwischen 2045 bis 2068 die primären globalen Kupferreserven erschöpft sein werden. Die Menge an nicht verwendetem abgelagertem Kupfer aus den verschiedenen Kupferanwendungen ist hingegen erheblich. Durch die Nutzung der Stillen Reserve könnte eine weltweite Rohstoffsicherung von Kupfer erreicht werden. Diese Möglichkeit wird unter dem Begriff des Urban bzw. Landfill Minings subsumiert. Neben der ökonomischen Bedeutung kann der Gebrauch von sekundärem Kupfer aus Schrott einen erheblichen Beitrag zur globalen Nachhaltigkeit leisten. Durch die Verwendung sekundärer Rohstoffe werden Ressourcen wie Wasser, Luft oder Landschaft erheblich geschützt und somit können die Umweltauswirkungen minimiert werden.
Mithilfe des Modells SysCu ist es möglich, Abschätzungen bezüglich der globalen Rohstoffverknappung zu treffen und Alternativen wie eine Erhöhung der Recyclingquoten oder die Ausweitung der Produktlebenszyklen aufzuzeigen. Durch die simplifizierte Modellierung kann das Modell SysCu auch ohne einen wesentlichen Mehraufwand für andere Basismetalle umfunktioniert werden.
Kurzfassung auf Englisch: Copper (Cu) is a base metal which can be widely used in everyday life and is of considerable economic importance. Copper is extracted from copper ore. In the past decades the worldwide demand for copper has strongly risen. Increasingly fewer ore concentrates in parent rock material are considered mineable and profitable. The global geogenic copper deposits are being recovered more and more progressively, so that copper is becoming increasingly scarce. Due to its unique physicochemical characteristics, copper is a frequently used and essential basic commodity in many products such as energy and technology transmission, the automotive sector, stationary motors, architecture or water installations. Copper is considered easily recyclable and can be re-used without any loss in quality. Seen on a global scale, at present these features are being insufficiently applied. The Systems Dynamics model SysCu (System Copper) developed in this paper takes up this issue.
The aim is to develop a computer supported model for the purpose of describing the global commodity system of copper. The applied System Dynamics method enables a comprehensive analysis and simulation of complex and dynamic systems. By means of the mathematically analytic modelling system, correlations can be identified and explained. The understanding of the system and the interaction within the basic commodity system of copper are focussed in the paper on hand. As well as the primary cycle of materials, the developed model SysCu also considers the copper mining of geogenic mines, especially the secondary cycle of materials. This is characterised on the one hand by the share of diverse copper applications, and on the other by their service life and collection rate. In the past and still today, many products are not, or are only recycled to a small extent. They would rather be stored unused as so-called secret reserves at, for example, storage sites.
The global consumption of copper is closely connected with the development of the global economy and the population. These aspects are also incorporated in the model SysCu, as is the primary and secondary availability of copper. By means of this extensive worldwide level of observation, it is possible to obtain a simplified, comprehensive understanding of the globally operating commodity system of copper. With the help of the five scenarios—base run, high growth, global sustainability, pluralism and balance—future forecasts can be represented and conclusions derived.
Studies have shown that between 2045 and 2068 the primary global copper reserves will be exhausted. The amount of unused copper deposits from diverse copper applications is, in contrast, substantial. By using the secret reserves a worldwide mineral planning of copper could be achieved. The possibility is subsumed under the term Urban and/or Landfill Mining. Apart from the economic importance, the use of secondary copper from scrap can contribute substantially to global sustainability. By utilising secondary commodities, resources such as water, air and landscape can be significantly protected and thus lead to minimising environmental consequences.
With the help of SysCu it is possible to carry out estimations of global commodity shortages and to identify alternatives such as increasing the recycling rate, or the expansion of product life cycles. By means of the simplified modelling the model SysCu can be converted for other base metals without any substantial additional work or expense.
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