Stoffflüsse und Kritische Rohstoffe

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1 Stoffflüsse und Kritische Rohstoffe Forum Produktion 2017, Wien: Digitalisierte Produktion - Schlüsseltechnologien für eine intelligente Sachgüterproduktion Prof. Dr. Liselotte Schebek Institut Technische Universität Darmstadt Quelle: Zepf, Universität Augsburg

2 Wirtschaft, Umwelt, Stoffflüsse Biosphäre Rohstoffe Technosphäre Produkte Emissionen (Luft, Wasser) Abfälle Lagerbildung Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 2

3 Globaler Verbrauch von Rohstoffen Great Acceleration The second half of the 20th Century is unique in the history of human existence. Many human activites. sharply accelerated towards the end of the century. Quelle: Quelle: er/global_de.jpg Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 3

4 Industriegüter und chemische Elemente Quelle: Reller, Zepf, Achzet, Rennie (2011) Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 4

5 Technologische Treiber der Materialvielfalt Quelle: Achzet / Reller, Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 5

6 Beispiel: Halbleiterindustrie Quelle: nach Theis, Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 6

7 Wirtschaft, Umwelt, Stoffflüsse 3 Gründe, um über Stoffströme zu sprechen: Ökonomische Verfügbarkeit Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 7

8 Ökonomische Verfügbarkeit Beispiel: Versorgungsrisiko durch Konzentration der Förderung Quelle: Europäische Kommission Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 8

9 Wirtschaft, Umwelt, Stoffflüsse 3 Gründe, um über Stoffströme zu sprechen: Ökonomische Verfügbarkeit Tragfähigkeit der Umwelt Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 9

10 Tragfähigkeit der Umwelt Beispiel: Klimawandel Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 10

11 Wirtschaft, Umwelt, Stoffflüsse 3 Gründe, um über Stoffströme zu sprechen: Ökonomische Verfügbarkeit Tragfähigkeit der Umwelt Gerechtigkeit Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 11

12 Gerechtigkeit Beispiel: Ökologischer Fußabdruck Die Fläche eines jeden Staates entspricht dem Ökologischen Fußabdruck seiner Bewohner. Quelle: Abbildung: Copyright 2006 SASI Group (University of Sheffield) and Mark Newman (University of Michigan), entnommen: Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 12

13 Was sind kritische Rohstoffe? Materialspezifische 2-Faktoren-Matrix Klassischer Ansatz der Kritikalitätsbewertung, Anwendung u.a. durch die EU European Commission (EC): Critical raw materials for the EU. Report of the Ad-hoc Working Group on defining critical raw materials. Brüssel, Belgien, EC, 2010 Wirtschaftliche Bedeutung Beitrag des Rohstoffs zum EU-BIP Wirtschaftliches Risiko eines Versorgungsausfalls Versorgungsrisiko World Governance Indicators (WGI) gewichtet anhand relativer Fördermengen abzüglich Quelle: Sievers 2012 Substitutions- und Recyclingpotenzialen geopolitisches Risiko Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 13

14 Kritische Rohstoffe auf Basis EU-Ansatz Quelle: Report of the Ad hoc Working Group on defining critical raw materials May 2014, EC Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 14

15 Von einer rein materialbezogenen Bewertung zur Integration von Umwelteffekten Graedel et al. (2012) Integration von Umweltwirkungen: Einbeziehung von Umweltwirkungskategorien auf Basis des Life Cycle Assessment Gleichgewertete Bewertung mit Versorgungsrisiko und Vulnerabilität Quelle: Graedel et al Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 15

16 Von einer rein materialbezogenen Bewertung zu einer regionalisierten Betrachtung Gemechu, Sonnemann et al. (2015) regionalisierte Wirkungsabschätzung der Materialkritikalität Regionalisierung wird durch einen Perspektivwechsel (von global zu länderspezifisch) umgesetzt) länderspezifische Importquoten als Gewichtungskriterien für Indikatoren, die Materialkritikalität ausdrücken Quelle: Europäische Kommission Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 16

17 Kritikalität als Multi-Kriterien-Ansatz Bedeutung von Kritikalität Ökotoxologie Dissipationsfähigkeit Stoffkreislauffähigkeit Kontrollierbarkeit Bioaktivität Ressourcenverfügbarkeit Gesellschaftliche Akzeptanz Reintegrierbarkeit Effiziente Produktion Zukunftsfähigkeit CSR Quelle: Reller, Lehrstuhl für Ressourcenstrategie / Universität Augsburg Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 17

18 Wirtschaft, Umwelt, Stoffflüsse Was wir wissen sollten: Forschungsfragen und -methoden Wo sind die Stoffe? Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 18

19 Wo sind die Stoffe? Prospektion des anthropogenen Lagers Urban Mining : strategischer Ansatz des Stoffstrommanagements, reicht vom Aufsuchen (Prospektion), der Erkundung (Exploration), der Erschließung und der Ausbeutung anthropogener Lagerstätten bis zur Aufbereitung der gewonnenen Sekundärrohstoffe. Quelle: Untersuchung des Gesamtbestands an langlebigen Gütern, um möglichst früh künftige Stoffströme prognostizieren zu können und bestmögliche Verwertungswege abzuleiten Quelle: Umweltbundesamt Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 19

20 Beispiel: Das anthropogene Lager in Deutschland Quelle: Schiller et al Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 20

21 Was wir über Stoffströme wissen sollten: Wo sind die Stoffe? Wodurch werden Stoffflüsse gesteuert? Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 21

22 Wodurch werden Stoffflüsse gesteuert? Stoffstromanalyse Stoffstromanalyse/Materialflussanalyse (Material Flow Analysis): Methode zur Erfassung, Beschreibung und Bewertung von Materialflüssen und lagern innerhalb von zeitlichen und räumlichen Systemgrenzen. (Baccini und Bader 1996; Brunner und Rechberger 2004) Gewinnung/Produktion Herstellung von Produkten Nutzung Entsorgung Erze Umwelt Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 22

23 Beispiel: Globale Stoffflüsse von Lithium Globaler Lithium-Kreislauf 2007 Salzseen Spodumen Lepidolith Petalit 17,920 7, ,750 Gewinnung/Produktion 11,588 Li-carbonat 5,665 Li-min.konz. 3,605 Li-hydroxid 1,288 Butyl-Li 1,030 Li-Metall 1,030 Li-chlorid 1,545 Andere Li-Verb. Herstellung von Produkten 5,189 5,405 1, ,130 4,108 3, Batterien Glas & Keramik Klimaanlagen Aluminiumherstellung Chemikalien Unbekannt Legierungen & Andere Schmiermittel Pharmazeutika Nutzung < 5,189 < 5,405 < 1,297 < 865 < 865 < 4,130 < 4,108 Lithium-Recycling Entsorgung sehr gering >3,892 Erze Umwelt And. Nutzung (Datenquellen: RMG 2009, Miller 2008, USGS 2008) Lithiumstoffströme in Tonnen Lithiumgehalt pro Jahr dissipative Anwendungen Annahmen Nach: Ziemann, S.; Weil, M.; Schebek, L.; Tracing the fate of lithium the development of a material flow model.; Zeitschriftenbeitrag; Resources, Conservation and Recycling 63 (2012), pp Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 23

24 Was wir über Stoffströme wissen sollten: Wo sind die Stoffe? Wodurch werden Stoffflüsse gesteuert? Welche Effekte haben Stoffflüsse auf die (natürliche) Umwelt? Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 24

25 Welche Effekte haben Stoffflüsse auf die (natürliche) Umwelt? Ökobilanz/Life Cycle Assessment Life Cycle Assessment (LCA) according to ISO 14040/14044 Life Cycle Assessment (LCA, Ökobilanz) nach ISO 14040/14044 Comprehensive compilation of Vollständige Erfassung life cycle of products from cradle to grave des Lebenszyklus von Produkten von der Wiege bis zur Bahre all relevant environmental impacts aller relevanten Umweltwirkungen => Bezogen auf den Nutzen von produkten oder Dienstleistungen ( Funktionelle Einheit ) Quelle: : Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 25

26 Beispiel: LCA neuer Photovoltaik-Materialien Perowskit Solarzellen Organische Photovoltaik (OPV) Quellen: mawi.tu-darmstadt.de images.nrel.gov S. Weyand, L. Schebek: Emerging photovoltaic technologies: Life Cycle Assessment of Organic Photovoltaics and Perovskite Solar Cells Platform Presentation, EcoBalance 2016, October 3-6, Kyoto, Japan Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 26

27 Schlussfolgerungen Rohstoffe sind sowohl aus ökonomischen Gründen als auch wegen der begrenzten Tragfähigkeit der Umwelt für die Aufnahme von Stoffen aus der Technosphäre knappe Güter, die gerecht verteilt werden müssen. Strategien für das Management von Stoffströmen: Dematerialisierung, Decoupling, Erhöhung der Ressourceneffizienz Nutzung von Sekundärrohstoffen und Wertstoffkreisläufe Substitution kritischer Rohstoffe Notwendige Wissensgrundlagen für das Stoffstrommanagement Prospektion des Anthropogenen Lagers Systemverständnis der Technosphäre Identifikation von Umwelteffekten Forum Produktion 2017 Wien TU Darmstadt Institut IWAR Prof. Liselotte Schebek 27

28 Danke für die Aufmerksamkeit! Prof. Dr. rer. nat. Liselotte Schebek Technische Universität Darmstadt Institut Fachgebiet Stoffstrommanagement und Ressourcenwirtschaft Web: