Bauschutt optisch sortiert

Im Zuge des Klimawandels überlegt Grönland in den Abbau mineralischer Rohstoffe für die Bauindustrie einzusteigen. Nicht erst die Studien des Umweltprogramms der Vereinten Nationen (UNEP) zur globalen Sandknappheit und den damit einhergehenden Umwelt- und Sozialproblemen aus 2014 und 2019 zeigen das Konfliktpotenzial auch bei scheinbar als selbstverständlich angenommenen Rohstoffen für Gebäude- und Infrastrukturbau. Die ökologischen und sozialen Herausforderungen der Gewinnung von Baurohstoffen rücken auch in Deutschland in den Fokus. 2017 wurden aus deutschen Lagerstätten 557 Mio. t mineralische Rohstoffe geförderte. Dies entspricht einer Entnahme von rund 7 t pro Kopf. Das Umweltbundesamt (UBA) geht davon aus, dass mittlerweile rund 317 Mio. t solcher Rohstoffe pro Kopf in unseren Gebäuden und Infrastrukturen stecken. Durch den Abriss dieser Bauwerke fallen jährlich circa 214 Mio. t Bauabfälle an, davon rund 58 Mio. t an Bauschutt. Bei dessen Aufbereitung durch mechanisches Sieben, Brechen und Waschen entstehen rund 5 Mio. t an Feinfraktionen kleiner als 2 mm. Weil diese heterogen zusammengesetzt sind, werden diese auch heute noch fast ausnahmslos deponiert.

Bestehende Anbauflächen zu erweitern oder neue zu beantragen, stößt auf Widerstand durch Anwohner, Naturschützer und Grundbesitzer. Aus Sicht des Flächenverbrauchs steuert Deutschland auf einen Konflikt zu, den die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) 2018 in dem Bericht „Sand – auch in Deutschland bald knapp?“ beschrieben hat. Und die Bundesregierung hat mit dem 30-Hektar-Ziel bis 2030 der Bundesregierung vorgegeben, die Flächeninanspruchnahme zu senken. Auch Deponiekapazitäten werden knapper. Und die Politik und die Gesellschaft fordern Kreislaufwirtschaft, Ressourceneffizienz, Einsatz von Sekundärrohstoffen und nachhaltiges Bauen ein. Andererseits führten bisherige Erfahrungswerte mit Baustoffen auf Recyclingbasis bei privaten Bauherren und Handwerksbetrieben zu Skepsis.

Dieser Skepsis will das Projekt „BauCycle“ etwas entgegensetzen. Die Fraunhofer-Institute für Bauphysik (IBP), für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht), für Materialfluss und Logistik (IML) und für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) haben Techniken zur Sortierung von Bauschutt erprobt sowie Anwendungsoptionen und Demonstrationsprodukte mit Sekundärrohstoffeinsatz entwickelt. Am Fraunhofer IBP und Fraunhofer Umsicht wurde Materialforschung für Geopolymere, Porenbeton, Akustikputzen sowie vertikaler Begrünung durchgeführt. Arbeiten zur Logistik und einer Marktplattform wurden durch das Fraunhofer IML koordiniert. Parallel wurde am Fraunhofer IOSB eine optische Sortiertechnik für Schüttgüter für den feingranularen Bauschuttbereich erprobt, um mit höherer Sortenreinheit die Voraussetzungen für qualitätsgesicherte Sekundärrohstoffe zu schaffen und Anwendungsmöglichkeiten im Hochbau zu eröffnen.

Optische Schüttgutsortierung

Bei der optischen Sortiertechnologie wird ein Materialstrom sensoriell erfasst und einzelne Partikel per Bildverarbeitung in Echtzeit detektiert und bewertet. Auf Basis der Bewertung werden unerwünschte Partikel pneumatisch aus dem Materialstrom ausgebracht. Eine hochwertige und wirtschaftliche Sortierung von feingranularen Schüttgütern erfordert ein abgestimmtes Zusammenwirken der verschiedenen Prozessschritte. Die Partnerinstitute lieferten hierzu ideale Bauschuttproben zur Anlernung des Systems und reale Bauschutte für die Prozessoptimierung. Für eine erfolgreiche pneumatische Separation muss der zu sortierende Bauschutt zuerst vereinzelt werden und eine stabile Transportgeschwindigkeit aufweisen. Hierfür wurden Transportkonzepte wie Förderband, Rutsche und Freifall mit verschiedenen Bauschuttmischungen getestet.

Im Ergebnis wurde für die Aufbereitung von feingranularem Bauschutt ein Konzept für einen Freifall-Sortierer entwickelt und als Funktionsdemonstrator im Labormaßstab umgesetzt. Die Materialseparation erfolgt dabei durch ansteuerbare Druckluftdüsen mit Schnellschaltventilen. Das entwickelte Transportkonzept eignet sich generell für die optische Sortierung feingranularer Schüttgüter und erlaubt eine einfache Skalierung für einen höheren Materialdurchsatz.

Die Bestandteile von Bauschutt sind mit herkömmlicher Farbkameratechnik nicht unterscheidbar. Für die optische Schüttgutsortierung wurden daher verschiedene spektroskopische Bildaufnahmetechnologien (engl.: Spectral Imaging) untersucht, die optische Spektroskopie mit ortsauflösender Bildgewinnung vereinen. So besitzt etwa ein hyperspektrales Bild eine große Zahl spektraler Kanäle eng benachbarter Wellenlängenbereiche, die sich über das elektromagnetische Spektrum vom ultravioletten Bereich bis zum langwelligen Infrarot erstrecken können. Anhand des wellenlängenabhängigen Reflexionsverhaltens eines Materials können mit dieser Bildaufnahmetechnologie bestimmte chemischen Eigenschaften ortsaufgelöst gemessen, ausgewertet und bildhaft dargestellt werden. In dem Projekt wurden dafür Verfahren aus den Bereichen Multispektral Imaging, Hyperspectral Imaging und materialspezifische Spektralfilter umgesetzt und bewertet. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf der Erkennung von Gips im Bauschuttmaterialstrom mittels einer möglichst kostengünstigen Sensorumsetzung. Als Ergebnis wurde eine Sensorkomponente bestehend aus einer bispektralen Kamera im kurzwelligen Infrarot sowie einer homogenen Zeilenbeleuchtung speziell für die optische Schüttgutsortierung entwickelt. Die Sensorumsetzung wurde in umfassenden Versuchsreihen mit unterschiedlichen Bauschuttzusammensetzungen getestet und bezüglich der optischen Detektionsrate evaluiert. Die entwickelte Sensorkomponente kann neben Bauschutt für zahlreiche Sortieraufgaben feingranularer Schüttgüter eingesetzt werden, für die Materialien anhand ihrer physikalisch-chemischen und/oder mineralogischen Eigenschaften unterschieden werden müssen.

Die Bildverarbeitung in optischen Sortiersystemen muss mit hoher Geschwindigkeit und in Echtzeit erfolgen, da für eine erfolgreiche Ausbringung einzelner Materialpartikel der Aktivierungszeitpunkt der entsprechenden Druckluftdüsen exakt eingehalten werden muss. Hierfür wurden mehrere Bildverarbeitungsalgorithmen hinsichtlich der Detektionsrate und des Berechnungsaufwandes evaluiert. Speziell für die Erkennung von Gips wurde eine echtzeitfähige Softwarekomponente für die Auswertung bispektraler Bilder entwickelt und erprobt. In Versuchsreihen konnte damit eine nahezu fehlerfreie optische Erkennung von Gipspartikeln in einem heterogenen Materialstrom erzielt werden.

Ausblick

Die optische Sortierung von Stoffströmen entwickelt sich zu einer Schlüsseltechnologie für das Aufbereiten und Wiederverwerten von Sekundärrohstoffen. Mit Bildaufnahmetechniken lassen sich Stoffe anhand ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften optisch unterscheiden und voneinander sortieren. Dies wird erfolgreich in der Sortierung von Kunststoffabfällen eingesetzt. Wie das Projekt BauCycle zeigt, lässt sich die optische Sortierung auch für das Recycling von Bauabbruch einsetzen. Die Bildaufnahmetechniken können also helfen, die benötigten Qualitäten zu sichern und die notwendige Akzeptanz für Recycling-Baustoffe zu schaffen.