Wertvolle Metalle mit laserbasierter Sensortechnik recyceln

Um die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie in puncto Rohstoffversorgung zu stärken, haben ein Fraunhofer-Institut und ein Industrieunternehmen ein laserbasiertes Sortierverfahren für Metallschrott entwickelt. Der unökologische Abbau von Bodenschätzen kann dadurch entfallen.

Die Weiterentwicklung von laserbasierter Sensortechnik bietet große Chancen, das zukünftige Metall-Recycling deutlich zu verbessern. Ein Ziel dabei ist die Steigerung der Ressourceneffizienz von Unternehmen.

Foto: Cronimet Ferroleg.

Ein neuer Sensor macht das Recycling metallischer Rohstoffe dabei um ein Vielfaches effizienter, als es bislang möglich war. Die Kooperationspartner, das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen und die Firma Cronimet Ferroleg. aus Karlsruhe haben das Verfahren im BMBF-geförderten Projekt „PLUS“ (Pilotanlage zur lasergestützten Sortierung von Sonderlegierungen) gemeinschaftlich entwickelt. Einen Schritt weiter geht jetzt das daran anschließende EU-Projekt „REVaMP“. Darin bringen die Experten des Fraunhofer ILT ihre Expertise im Bereich der Materialanalytik nun auch auf europäischer Ebene ein. Zahlreiche Partnerfirmen und -institute aus verschiedenen Ländern Europas unterstützen die Forschungen seit 2020 mit ihre Expertise. Damit leisten sie einen wichtigen internationalen Beitrag zur langfristigen Sicherung einer ressourceneffizienten Rohstoffversorgung.

Rohstoffe sind knapp, aber elementar wichtig für die Industrie

Der Produktionsstandort Deutschland und damit auch der gesellschaftliche Wohlstand hierzulande hängen in hohem Maß von der Verfügbarkeit metallischer Rohstoffe wie Chrom, Nickel, Kupfer oder Kobalt ab. Beispielsweise die Branche der Präzisionswerkzeuge – ein wichtiger Eckpfeiler der deutschen Industrie, der eine hohe Produktivität in zahlreichen weiteren Industriezweigen sicherstellt – ist auf diverse seltene Rohstoffe angewiesen. Aufgrund der weltweit steigenden Nachfrage sowie wirtschaftspolitischer Unwägbarkeiten in einigen Förderländern sind diese allerdings zunehmend schwierig zu bekommen.

Eine entscheidende Rolle kommt deshalb inzwischen dem Materialrecycling zu. Aufgrund des Mangels an Bodenschätzen handelt es sich dabei um die wichtigste Bezugsquelle für metallische Rohstoffe in Deutschland und Europa.

Eine bessere Bilanz erzielen – ökologisch und auch ökonomisch

Einer der großen Vorteile des Materialrecyclings ist: Gebrauchte, nicht mehr verwendbare Metallschrotte wie Rohre, Bleche, Werkzeuge, Altkabel, Elektro- und Elektronikschrott sowie sogar alte Teile aus Haushalt oder Abbruch können sortenrein – nahezu ohne Qualitätsverlust – eingeschmolzen und wiederverwendet werden.

Mit einem laserbasierten Sortierverfahren, das im BMBF-gewförderten Projekt „PLUS“ entwickel wurde, lassen sich wertvolle Legierungen aus Metallschrott effizient zurückgewinnen.

Foto: Cronimet Ferroleg.

Das Verfahren trägt sich aufgrund des hohen Wertes der Materialien im Idealfall von allein. Es produziert dabei deutlich weniger CO₂ als der Primärprozess. Die teure, weil technisch aufwendige Förderung von Bodenschätzen, die unter teilweise äußerst kritischen Rahmenbedingungen abläuft, sowie deren Transport an Bestimmungsorte rund um den Globus entfällt.

Jedoch gibt es auch eine „Krux“ dabei: Sowohl der Preis und die Verfügbarkeit von Metallschrotten als auch deren Recyclingquote ist von zahlreichen Faktoren abhängig, die sich gegenseitig bedingen. Dazu gehören schwankende Preise am Primärmarkt, der Lebenszyklus von Produkten und deren Sammelquote, Verluste im Prozess, die technische Recyclingfähigkeit sowie die Wertigkeit der jeweiligen Legierung. Entsprechend volatil sind die globalen Märkte. Steigt der Preis für Primärmetalle, sinkt die Verfügbarkeit von Schrotten und anders herum. Das birgt für Unternehmen hohe Risiken.

Lasereinsatz optimiert das Erkennen und Sortieren

Vor diesem Hintergrund hat das Fraunhofer ILT gemeinsam mit der Cronimet Ferroleg. GmbH ein neuartiges laserbasiertes Sortierverfahren entwickelt. Die in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts PLUS entstandene Sensortechnik macht das Erkennen und Sortieren von Legierungen in Metallschrotten deutlich schneller und genauer. 2020 wurde die Pilotanlage am Cronimet-Ferroleg-Standort in Karlsruhe in Betrieb genommen und hat sich seitdem gut bewährt. Sie ist unter anderem auf die Verarbeitung von Schnellarbeitsstählen (HSS – High Speed Steel) ausgelegt, ein häufig genutzter Werkstoff u.a. bei Zerspanwerkzeugen.

„HSS-Stähle enthalten wertvolle Legierungselemente wie Kobalt und sind neben dem Einsatz in der Industrie auch in jedem Baumarkt zu finden. Zum Beispiel sind sie in Bohrern oder Fräsköpfen enthalten“, sagt Dr. Cord Fricke-Begemann, der am Fraunhofer ILT den Bereich Materialanalytik verantwortet. Unterstützt wird er dabei vom Doktoranden Fredrik Schreckenberg, das Projekt PLUS leitete.

Übliche Verfahren sind auf die mühsame manuelle Messung nur weniger Legierungen beschränkt. Mit der Laser-Emissionsspektroskopie (LIBS) hingegen nutzt das Fraunhofer ILT eine Technologie, die selbst in kleinen Schrottteilen mehr als 20 Sonderlegierungen identifizieren kann – automatisch, schnell und berührungslos. „In kürzerer Zeit können wir so mehr Schrotte verarbeiten und eine höhere Sortenreinheit erzielen“, sagt Fricke-Begemann. „Damit bauen wir eine wichtige Brücke zwischen Forschung und Industrie.“

Zukunftstechnologien für Europa gemeinsam entwickeln

Das 2020 gestartete EU-Projekt, mit dem das Fraunhofer ILT die Arbeiten fortsetzt, heißt „Retrofitting Equipment for Efficient Use of Variable Feedstock in Metal Making Processes“ (REVaMP). Getragen wird das auf eine Laufzeit von dreieinhalb Jahren ausgelegte Vorhaben von einem internationalen Zusammenschluss von Unternehmen und Forschungseinrichtungen, die aus Spanien, Polen und Deutschland stammen. „Das Ziel ist, die im Projekt PLUS gesammelten Erkenntnisse auf eine universelle Basis zu stellen, unabhängig von den jeweiligen Legierungen. Dazu wollen wir einen Sensor bauen, der sich in bestehende Industrieanlagen einbauen lässt, um den Recycling-Prozess grundsätzlich effizienter zu machen“, erläutert Fricke-Begemann.

Die Pilotanlage für das laserbasierte Recycling, die sich in der Anwendung bereits gut bewährt, eignet sich zum Beispiel für die automatische Verarbeitung von Schnellarbeitsstählen.

Foto: Cronimet Ferroleg.

Welche Zusammensetzung und Eigenschaften haben die zu recycelnden Legierungen? Wie viel Blei enthält das angelieferte Material? Wann wird ein Stoff schmelzflüssig und wie viel Energie muss zugeführt werden? Diese Fragen stehen bei REVaMP im Fokus und sollen künftig genauer beantwortet werden. Ein erfolgreicher Abschluss des Projekts würde einen bedeutsamen Beitrag liefern, um Europa unabhängiger von den globalen Rohstoffmärkten zu machen. Zugleich ließe sich die Ressourceneffizienz von Unternehmen maßgeblich verbessern.

Die Partner im neuen Projekt

Das Projekt REVaMP – Retrofitting Equipment for Efficient Use of Variable Feedstock in Metal Making Processes – hat eine Laufzeit vom 1. Januar 2020 bis zum 30. Juni 2023. Es wird im Rahmen des „Horizon 2020“-Programms durch die Europäische Union gefördert. Das deutsche Portal zu Horizont Europa ist seit Kurzem online (https://www.horizont2020.de): Auf den Seiten des Portals finden interessierte Unternehmen und Institute wichtige Informationen zur Förderung durch das „9. Rahmenprogramm für Forschung und Innovation“ für die Programmlaufzeit von 2021 – 2027. Außerdem können sie sich hier über das Beratungs- und Schulungsangebot informieren.

Das Projekt REVaMP ist ein gutes Beispiel für die europäische Zusammenarbeit. Projektpartner sind in diesem Fall: