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Aufbauend auf einer Analyse aktueller Studien und wissenschaftlicher Literatur zur Bewertung von Ver-sorgungsrisiken und Rohstoffkritikalität werden in der vorliegenden Arbeit systematisch Ansätze zur Ergänzung bestehender Bewertungsmethoden insbesondere bezüglich der dynamischen Betrachtung der Versorgungssysteme erarbeitet. Hierzu werden zunächst Methoden aus dem Bereich der Multivariaten Statistik als Ergänzung statischer Multiindikatoransätze zur Quantifizierung von Versorgungsrisiken aufgeführt. Weiterhin werden erste indikatorbasierte Ansätze zur dynamischen Betrachtung der Kritikalitätsbewertung erarbeitet und am Beispiel von Deutschland und Japan als industriell hoch spezialisierte Volkswirtschaften erprobt. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden rohstoffspezifische dynamische Materialflussmodelle auf globaler und regionaler Ebene, mit deren Hilfe für die ausgewählten Rohstoffe Kupfer, Kobalt sowie für die Seltenerdelemente Neodym und Dysprosium die Verwendungszyklen simuliert werden sowie Recyclingpotenziale und weitere Möglichkeiten zur Steigerung der Ressourceneffizienz und zur Minderung von Rohstoffabhängigkeiten aufgezeigt werden. Mit Hilfe der Stoffstrommodelle konnte gezeigt werden, dass Kupfer als klassisches Industriemetall bereits über ein vergleichsweise effizientes Kreislaufsystem mit Recyclingraten aus obsoleten Materialströmen von knapp 50 % auf globaler Ebene und über 60 % in Europa verfügt. Während Kobalt als Legierungselement in metallurgischen Anwendungen (z.B. in Hartmetallen wie Wolframcarbide für Bohr- und Schneide-werkzeuge) innerhalb der etablierten Recyclingsysteme mit hohen Rückgewinnungsraten von über 70 % effizient im Kreis geführt wird, besteht vor allem durch die verstärkte Verwendung von Kobalt als Kathodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkus für allgemeine Elektronikanwendungen seit der Jahrtausend-wende und die bisher wenig effiziente Sammlung und Verwertung der Altakkus erhebliches Verbesserungspotenzial, was mit den hier vorgestellten Modellen quantifiziert wurde und welches es in Europa in Zukunft besser auszuschöpfen gilt. Ähnliches gilt für die Wiederverwertung von NdFeB-Permanentmagneten (Neodym-Eisen-Bor), deren Verwendungsstrukturen hier auf globaler Ebene sowie für Deutschland untersucht wurden. Dabei wurde gezeigt, dass die Magnete im heutigen Schrottaufkommen hauptsächlich in Elektronikprodukten wie Festplatten, CD- und DVD-Playern enthalten sind, woraus eine Rückgewinnung aufgrund der starken Streuung und der geringen Magnetgröße wirtschaftlich kaum möglich erscheint und derzeit auch nicht praktiziert wird, während in Zukunft in obsoleten Produktströmen verstärkt mit größeren Magneten in elektrischen Synchron-Servomotoren aus dem Bereich allgemeiner Industrie- und Haushaltstechnik, aus elektrischen Kleinmotoren in konventionellen Pkw, aus den Traktionsmotoren von Hybrid- und Elektrofahrzeugen oder aus den Generatoren von Windkraftanlagen mit permanent-magnetischem Direktantrieb zu rechnen ist, für die in den kommenden Jahren ein geeignetes Sammel-system etabliert werden sollte. Basierend auf dem ``System-Dynamics-Ansatz'' wurden die Stoffstrommodelle auf globaler Ebene an-schließend um einfache dynamische Marktanpassungsmechanismen erweitert, wobei Rückkopplungs-effekte als Reaktionen auf vorübergehende Verknappung nach dem Prinzip des ``Regelkreises der Rohstoffversorgung'' sowohl auf Angebots- als auch auf Nachfrageseite berücksichtigt wurden. So wurde für Kupfer als Vertreter eines weitläufig genutzten Industriemetalls mit eigener Produktionsinfrastruktur ein einfaches dynamisches Marktmodell entwickelt, welches die grundlegenden Mechanismen am Weltmarkt abbildet und auf Basis von Einschätzungen zur zukünftigen Entwicklung der Weltwirtschaft eine Vorausschau des Kupfermarktes ermöglicht. Für die Technologiemetalle Kobalt sowie Neodym und Dysprosium wurde mit Hilfe der dynamischen Modelle die Auswirkung der Diffusion alternativer Antriebe in der Automobilindustrie auf die Nachfrage nach Kobalt als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien bzw. die Nachfrage nach Neodym und Dysprosium als Magnetmaterialien für elektrische Traktionsmotoren analysiert. Abschließend wird in dieser Arbeit erläutert, inwiefern derartige Rohstoffmodelle zu einem besseren Verständnis von Versorgungsrisiken und Kritikalitätsbewertungen beitragen können. Während die globalen Modelle in erster Linie als Werkzeug für erweiterte Szenarioanalysen verschiedener Marktentwicklungen geeignet sind, die eine Analyse der Widerstandsfähigkeit einzelner Rohstoffmärkte gegen Versorgungs-störungen beinhalten können, wird bezüglich der regionalen Stoffstrommodelle eine potenzielle Kopplung mit sektoralen ökonomischen Input-Output-Modellen diskutiert. ; Building upon a review and analysis of current studies and scientific literature about the assessment of supply risks and raw material criticality, this thesis systematically develops concepts to supplement current approaches of criticality determination especially regarding the step towards a more dynamic view on raw material markets and supply systems. Therefore, in a first step, different concepts from the field of multivariate statistics and an approach of criticality determination analyzing time dependent indicators as a supplement to static screening methods of criticality assessment are introduced and tested on the example of Germany and Japan. While the aforementioned screening methods are useful to analyze large numbers of raw materials and to identify those which are most critical for an economy, the key issue of this thesis is the development of dynamic global and regional material flow models for specific raw materials using a System Dynamics (SD) approach. Therefore, the anthropogenic material flows of copper, cobalt and the rare earth elements neodymium and dysprosium are analyzed. The dynamic material flow models for copper and cobalt were realized at the global and European level whereas the rare earth elements neodymium and dysprosium which are relevant for the production of NdFeB magnets (Neodymium-Iron-Boron) were examined at the global level and for Germany. As demonstrated with the dynamic material flow models, copper as a classical industrial metal has a relatively well established recycling system reaching an end-of-life recycling rate (EoL RR) of around 50 % at the global level and over 60 % within the European Union. While cobalt in the form of an alloying element for super alloys and hard metals (in aircraft turbines or cutting and drilling tools) is recycled with high efficiencies reaching more than 70 % of EoL RR, the material flow models show a considerable potential for cobalt recycling from cathode materials of end-of-life lithium-ion batteries. This is mainly due to the lack of efficient collection systems for end-of-life lithium-ion batteries and WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) in general. The same is true for the recycling of NdFeB magnets which currently mainly occur in electronic waste such as obsolete hard disk drives (HDD) or CD and DVD players from which the recovery is technically challenging due to the high dispersion of the small magnets and therefore is economically not feasible based on current price levels. However, as simulated with the material flow model, in the nearby future increasing amounts of larger NdFeB magnets from obsolete synchronous electric motors contained in industrial machinery, general household appliances such as washing machines or heating pumps, magnets from smaller electric motors in conventional vehicles or from electric traction motors in hybrid and battery electric vehicles and large magnets from the generators of direct drive wind turbines (mainly in offshore turbines) are expected to enter waste management, for which a suitable collection system needs to be established in the coming years. In a second step, the dynamic material flow models at the global level were supplemented by dynamic market behavior and feedback effects aiming at developing a tool for future scenario analysis taking into account both physical material flows and market dynamics. For copper as a classical industrial metal, a market tool was developed which is capable to roughly reproduce historic market developments and which particularly takes into account cyclical market behavior due to delayed adjustment of supply caused by long lead times for the construction and implementation of new mining capacities. On the basis of exogenous assumptions for global economic development, this model may be used as a forecasting tool for the copper market. Regarding the technology metals cobalt or neodymium and dysprosium respectively, the dynamic market models were used for analyzing the effect of the diffusion of alternative drives in the automotive market on the demand for these metals. Thereby, the demand development for cobalt as a cathode material for lithium-ion batteries as well as the demand for neodymium and dysprosium as magnet materials for electric traction motors were simulated. As shown with the models, the diffusion of alternative drives would particularly have a strong impact on the demand for dysprosium which is relevant for the heat resistance of NdFeB magnets and which is currently indispensable for the development of electro-mobility. Subsequently, the dynamic market models are applied for a scenario based resilience test analyzing the adaptive capacity of the respective raw material markets in the case of supply disruptions which is related to the static raw material criticality assessments forming the starting point of this thesis.

AbstractGlobal industrial metal markets have experienced a drastic price decline over the past years. In this paper we link the dynamics of raw material markets and commodity price fluctuations to a delayed adjustment of supply. Drawing on the classical cobweb theorem we show how the implementation of this theorem using system dynamics may yield a valuable explanation, not only for the recent price decline, but also for possible future price movements. Starting from a simple cobweb model of general industrial markets, we couple the price‐adjusting mechanics to the global copper market and demonstrate how a simple market model can be merged with a physical material flow model. This model captures both market dynamics and technical aspects of raw material processing, recycling and substitution and adds an explanation for the widely accepted fact that the cost structure of the copper industry cannot explain current price levels. Finally, we compare the system dynamics forecasting model with a traditional econometric forecasting method and found the system dynamics model to be more intuitive and better suited to capture and convey the structural market fundamentals. Copyright © 2017 System Dynamics Society

Die deutsche Industrie ist stark von Importen nichtenergetisch genutzter mineralischer Rohstoffe abhängig. Die angespannte Situation der internationalen Rohstoffmärkte, insbesondere der Anstieg der Rohstoffpreise, die steigende Konkurrenz um globale Rohstoffzugänge sowie die Konzentration der Förderung auf wenige, teils politisch instabile Länder sehen viele Akteure als Gefahren für die zukünftige Versorgungsstabilität. Dies führte dazu, dass die Rohstoffpolitik in den letzten Jahren an Bedeutung gewann. Der TAB-Bericht widmet sich den aktuellen Herausforderungen der deutschen Rohstoffpolitik, die sich vor allem aus dem technologischen Wandel ergeben. Die Diffusion neuer Technologien kann zu einer steigenden Rohstoffnachfrage führen. Aufgrund der geringen Anpassungsfähigkeit der Rohstoffmärkte können sich negative Rückwirkungen auf die Entwicklung und Produktion von Hochtechnologien ergeben, die Deutschland als Hochtechnologiestandort in besonderer Weise treffen würden. Deshalb wird der Analyse der Verwundbarkeit der deutschen Hochtechnologiesektoren gegenüber Rohstoffversorgungsrisiken besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Neben quantitativen makroökonomischen Analysen wird auch anhand von zwei Fallstudien die Betroffenheit einzelner Unternehmen aufgezeigt. Eine systematische Betrachtung der verschiedenen rohstoffpolitischen Steuerungsansätze soll der Weiterentwicklung der deutschen Rohstoffpolitik dienen. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 5 I. EINLEITUNG 19 II. ROHSTOFFPOLITIK: EIN POLITIKFELD IM WANDEL 23 1. Grundlegende Herausforderungen der Rohstoffpolitik 23 1.1 Anpassungsprozesse auf den Rohstoffmärkten 24 1.2 Grundlegende Probleme der Rohstoffmärkte 26 2. Das Spannungsfeld der Rohstoffpolitik 28 3. Die Rohstoffstrategie der Bundesregierung 32 4. Aktuelle gesellschaftliche Diskussion über rohstoffpolitische Ziele 34 4.1 Diskussion in den politischen Parteien 34 4.2 Diskussion in den Wirtschaftsverbänden 37 4.3 Diskussion in der Zivilgesellschaft 38 4.4 Fazit zur rohstoffpolitischen Zieldiskussion in Deutschland 40 ...

Die Bundesregierung verfolgt seit vielen Jahren mit ProgRess ein ressortübergreifendes Ressourceneffizienzprogramm. Der Fokus des bisher eingesetzten Policy-Mixes liegt weitgehend auf der Förderung von Forschung und Innovation sowie informatorischen und persuasiven Instrumenten. Im Ergebnis sind technische Lösungen sowie ressourceneffiziente Praktiken in vielen Bereichen bereits gut entwickelt bzw. bekannt. Eine ambitionierte Ressourcenpolitik müsste nun vermehrt die Nachfrage nach ressourceneffizienten Alternativen in der Breite fördern, um ihre Ziele mittel- und langfristig zu erreichen. Im Forschungsvorhaben "Analyse und Bewertung von Politikmaßnahmen und ökonomischen Instrumenten des Ressourcenschutzes für die Weiterentwicklung von ProgRess" (FKZ 3716 32 101 0) wurden sieben konkrete Optionen dafür detailliert untersucht: Primärbaustoffsteuer, Verfüllsteuer auf mineralische Bau-und Abbruchabfälle, Förderung des betrieblichen Ressourcenmanagements mittels steuerlicher Begünstigungen oder Förderprogrammen, Mehrwertsteuersenkung für ressourceneffiziente Produkte, Europäische Produktressourcensteuer und ein Pfandsystem auf Elektro- und Elektronikkleingeräte. Sie wurden ausgewählt, weil sie Handlungsfelder adressieren, die große Potenziale für Ressourceneffizienz bieten und in denen Hemmnisse bedeutend sind, die sich gut durch diese ökonomischen Instrumente adressieren lassen. Neben Aspekten der Ausgestaltung und Einbettung in flankierende Instrumente werden auch die Wirkungen der Instrumente analysiert, z. B. bzgl. Nachfrageänderungen und Änderungen in den öffentlichen Haushalten. Je nach Reifegrad des Instruments umfasst die Wirkungsanalyse auch eine quantitative Modellierung der ökonomischen Effekte. Abschließend werden Überlegungen zu einem effektiven Instrumenten-Mix und eine modellbasierte Politikfolgenabschätzung dieses Bündels angestellt.

Im Rahmen des Projekts "Politikszenarien ProgRess - Analyse und Bewertung von Politikmaßnahmen und ökonomischen Instrumenten des Ressourcenschutzes für die Weiterentwicklung von ProgRess" werden in diesem Teilbericht anhand einer umfassenden Literaturstudie 18 Handlungsfelder identifiziert, die Potenziale für eine Steigerung der Ressourceneffizienz bieten. Dabei werden zur Orientierung die im Ressourceneffizienzprogramm der Bundesregierung (ProgRess) gewählten Oberthemen herangezogen, wie bspw. "nachhaltige Rohstoffversorgung sichern". Von den 18 identifizierten Handlungsfeldern ausgehend wurden sechs priorisiert, bei denen es relevante Hemmnisse gibt, die mit ökonomischen Anreizen adressiert werden könnten. Hemmnisse beziehen sich dabei vor allem auf ökonomische und regulatorische, aber auch auf technologische und informatorische Hürden. Für die so ausgewählten sechs Handlungsfelder wurden im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes entsprechende ökonomische Politikinstrumente konzipiert und vertieft analysiert. Die Analyse zeigt im Kern, dass zwei Haupthemmnisse für Ressourceneffizienz bestehen: (1) Die Möglichkeiten zur Externalisierung von Kosten bei ressourcenintensiven Produkten und umgekehrt fehlende Preissignale für ressourceneffiziente Alternativen und (2) Informationsdefizite entlang der Wertschöpfungsketten. Die Analyse zeigt weiterhin, dass technische Lösungen sowie ressourceneffiziente Praktiken in vielen Bereichen bereits verfügbar sind. Eine ambitionierte Ressourcenpolitik müsste daher vermehrt die Nachfrage nach RE Alternativen in der Breite fördern und entsprechende Hemmnisse adressieren. Ökonomische Politikinstrumente könnten dazu an zwei zentralen Stellen ansetzten. Einerseits initiieren sie Suchprozesse, die Informationsdefizite abbauen helfen und andererseits setzten sie Preissignale zu Gunsten von RE Produkten und Praktiken.