Scenario Based Dynamic Material Flow Analysis of Dutch Macro Infrastructure Stocks: Assessing Future Material Demand and Circularity Potentials

Technisches Resümee: Szenariobasierte dynamische Materialflussanalyse niederländischer Makro-Infrastruktur-Bestände

Problemstellung
Das Erreichen der Zirkularität in Infrastruktursystemen erfordert die effektive Rückgewinnung sekundärer Rohstoffe aus Beständen am Ende ihres Lebenszyklus (End-of-Life, EoL), um den zukünftigen Bedarf an Primärmaterialien auszugleichen. Während die Niederlande über einen gut entwickelten Infrastrukturbestand verfügen, der nun das Ende seiner geplanten Lebensdauer erreicht (primär gebaut in den 1960er- und 1970er-Jahren), besteht eine erhebliche Forschungslücke hinsichtlich der Quantifizierung des zukünftigen sekundären Materialangebots aus der Nicht-Gebäude-Makroinfrastruktur. Bestehende Studien konzentrieren sich oft auf Gebäude oder spezifische Sektoren wie die Mobilität und vernachlässigen dabei Wasser-, Versorgungs- und fossile Brennstoffinfrastrukturen. Zudem besteht ein kritischer Unterschied zwischen dem theoretischen Rückgewinnungspotenzial und der tatsächlichen „Closed-Loop“-Zirkularität, bei der Materialien ihre ursprüngliche Funktionalität und ihren Wert behalten. Ein Großteil der aktuellen Verwertung in den Niederlanden erfolgt durch Downcycling (z. B. Betonbruch als Straßenunterbau verwendet), was den Bedarf an Primärmaterial nicht effektiv senkt. Diese Studie adressiert die Notwendigkeit, den zukünftigen Materialbedarf und das Potenzial für Closed-Loop-Zirkularität für Stahl, Beton und Asphalt in der niederländischen Makro-Infrastruktur unter verschiedenen Übergangsszenarien zu quantifizieren.

Methodik
Die Studie verwendet ein auf Beständen basierendes Modell der dynamischen Materialflussanalyse (dMFA), das auf dem Framework von Müller (2006) basiert. Die Analyse umfasst die Makro-Infrastruktur (ausgenommen Gebäude) über fünf Kategorien hinweg: Autobahn & Schiene, Wasser, Öl & Gas, Elektrizität sowie Versorgung (Utility). Die drei untersuchten Massenmaterialien sind Stahl, Beton und Asphalt, die über 90 % des Materialverbrauchs nach Gewicht in diesen Sektoren ausmachen.

• Datenquellen: Historische Bestandsentwicklung, Materialintensität und durchschnittliche Lebensdauern (1950–2023) wurden aus der SUBLIME-Datenbank erhoben.
• Lebensdauer-Modellierung: Eine Weibull-Verteilungsfunktion wurde verwendet, um die Überlebenskurven der Infrastruktur-Lebensdauer zu modellieren, wie es für langlebige Vermögenswerte empfohlen wird.
• Szenarioentwicklung: Drei unterschiedliche Szenarien wurden entwickelt, um die zukünftige Unsicherheit abzubilden:
  • Referenzszenario: Entspricht den zentralen Projektionen der Anlagenbetreiber und aktuellen Trends.
  • Szenario mit geringer Nachfrage (Low-Demand): Geht von begrenzten regulatorischen Anreizen und einem langsamen technologischen Fortschritt aus.
  • Szenario mit hoher Nachfrage (High-Demand): Geht von einer ambitionierten Energiewende, starken politischen Interventionen (z. B. Rückgewinnungspflichten) und fortschrittlicher Recyclinginfrastruktur aus.
• Quantifizierung: Der zukünftige Materialbestand ($MS$) wurde mittels des Stock-Flow-Service-Nexus berechnet: $MS = Pop \times (S/Pop) \times (M/S)$, wobei $Pop$ die Bevölkerung, $S/Pop$ den Pro-Kopf-Infrastrukturbedarf und $M/S$ die Materialintensität darstellt.
• Zirkularitätsmetriken: Die Studie unterscheidet zwischen dem maximalen Angebotspotenzial (theoretischer Abfluss) und dem tatsächlichen Rückgewinnungspotenzial (unter Berücksichtigung systemischer Verluste). Entscheidend ist die Berechnung der Closed-Loop-Zirkularität (CLC), definiert als der Prozentsatz des gesamten Materialbedarfs, der durch Sekundärmaterialien gedeckt wird, die auf derselben Funktionsebene wiederverwendet werden, wobei Downcycling explizit ausgeschlossen wird.

Kernergebnisse
Die Analyse projiziert Materialflüsse von 2024 bis 2070 unter den drei Szenarien:

• Materialbedarfstrends:

  • Stahl: Der jährliche Bedarf wird bis 2070 voraussichtlich signifikant um 94–104 % gegenüber dem Niveau von 2024 steigen, primär getrieben durch den Ausbau der Energieinfrastruktur (Offshore-/Onshore-Wind, Solar).
  • Beton: Der Bedarf wird voraussichtlich um 58–94 % steigen, getrieben durch Versorgungsnetze und Fundamente für erneuerbare Energien.
  • Asphalt: Der Bedarf bleibt relativ stabil mit einem projizierten Anstieg von nur 1–2 %, da das Straßennetz ausgereift ist und der Bedarf eher durch Austausch als durch Expansion getrieben wird.

• Angebot und Rückgewinnungspotenzial:

  • Stahl: Das theoretische EoL-Angebot könnte den zukünftigen Bedarf zu 74–86 % decken. Aufgrund von Exportabhängigkeit, Kontamination (z. B. sechswertiges Chrom) und regulatorischen Barrieren (NEN-EN 1090) wird die realisierte Closed-Loop-Zirkularität jedoch auf 31–40 % geschätzt.
  • Beton: Das theoretische Angebot könnte 71–83 % des Bedarfs decken. Weit verbreitetes Downcycling in minderwertige Straßenunterbauten begrenzt die realisierte Closed-Loop-Zirkularität jedoch auf 3–23 %.
  • Asphalt: Das theoretische Angebot könnte 92–101 % des Bedarfs decken. Aufgrund ausgereifter Recycling-Rahmenbedingungen und eines hohen Anteils an aufbereitetem Asphalt (Reclaimed Asphalt Pavement, RAP) wird die realisierte Closed-Loop-Zirkularität auf 50–85 % geschätzt.

• Sektorale Verschiebungen: Bis 2070 wird die Energieinfrastruktur voraussichtlich den Großteil der Stahl- (50–60 %) und Betonbestände (42–56 %) sowie der Abflüsse ausmachen, was eine Verschiebung weg von der historischen Dominanz von Autobahnen und Versorgungsnetzen bedeutet.

Wesentliche Beiträge

1. Umfassender Umfang: Die Studie erweitert den Fokus der Materialflussanalyse über Gebäude und Mobilität hinaus auf Wasser-, Versorgungs- und Energieinfrastrukturen und bietet so eine ganzheitliche Sicht auf die niederländischen Makro-Infrastruktur-Bestände.
2. Differenzierung der Zirkularität: Sie quantifiziert explizit die Lücke zwischen theoretischer Rückgewinnung und Closed-Loop-Zirkularität und verdeutlicht, dass hohe Recyclingraten (z. B. 98 % für Bauabfälle) oft ein erhebliches Downcycling maskieren, das den Bedarf an Primärmaterialien nicht effektiv senkt.
3. Szenario-Sensitivität: Die Analyse zeigt, wie politische Ambition und technologischer Fortschritt (insbesondere im High-Szenario) die Zirkularitätsergebnisse signifikant verbessern können, wobei das High-Szenario eine bis zu 13–35 % höhere Zirkularität als das Referenzszenario erreicht.
4. Identifizierung von Engpässen: Die Studie identifiziert spezifische systemische Barrieren, darunter die mangelnde inländische Kapazität für Lichtbogenöfen (EAF) zur Herstellung von Strukturstahl, strenge Qualitätsstandards, die eine hochwertige Betonwiederverwendung verhindern, sowie die logistischen Herausforderungen bei der Lagerung von aufbereitetem Asphalt in urbanisierten Regionen.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren behaupten, dass diese Ergebnisse ein systemisches Verständnis des Potenzials der Materialzirkularität im niederländischen Makro-Infrastruktursektor liefern. Die Studie stellt fest, dass zwar das theoretische Potenzial besteht, einen Großteil des zukünftigen Materialbedarfs durch Sekundärressourcen zu decken, aktuelle systemische Ineffizienzen die tatsächliche Closed-Loop-Zirkularität jedoch auf einen Bruchteil dieses Potenzials begrenzen.

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass eine vollständige Rückgewinnung der EoL-Materialbestände den jährlichen Primärmaterialbedarf zwischen 2024 und 2070 um 16–49 % senken könnte. Diese Reduktion wird als entscheidender Bestandteil für das Erreichen des niederländischen Netto-Null-Emissionsziels bis 2050 präsentiert. Die Autoren betonen, dass die Realisierung dieses Potenzials einen synergetischen Ansatz erfordert, der Folgendes integriert:

• Technologische Innovation: Insbesondere hochwertiges Beton-Upcycling und die komponentenbasierte Wiederverwendung von Strukturstahl.
• Politische Intervention: Stärkere Rückgewinnungspflichten, Anreize für Sekundärmaterialien und aktualisierte regulatorische Rahmenbedingungen (z. B. über die NEN-EN 1090-Beschränkungen hinaus).
• Design-Interventionen: Priorisierung von Design-for-Disassembly, Modularität und Materialrückverfolgbarkeit.

Die Studie positioniert die Niederlande als repräsentatives Fallbeispiel für andere industrialisierte Nationen, die vor ähnlichen Herausforderungen durch alternde Infrastrukturen stehen, und bietet übertragbare Erkenntnisse für den Übergang zu einer infrastrukturellen Zirkularität.