Recycling von Feuerfestmaterialien vermeidet 800 000 t CO₂

Im Europäischen Forschungsprojekt ReSoURCE arbeiten Expertinnen und
Experten aus neun unterschiedlichen Unternehmen und Instituten zusammen,
um gemeinsam nachhaltige Lösungen für das Recycling von
Feuerfestmaterialien zu entwickeln. Die deutschen Projektpartner liefern
vor allem Laser-Know-how.

Feuerfestmaterialien halten hohen Temperaturen jenseits von 1500 °C stand.
Sie sind unverzichtbar für Industrieöfen mit denen z. B. Glas oder
Keramik, Leichtmetalle und Stähle produziert werden. Die Einsatzdauer für
feuerfeste Produkte reicht von wenigen Tagen bis zu vielen Jahren –
abhängig von den Materialien, der Temperatur im Prozessgefäß und anderen
Betriebsparametern. So fallen weltweit jährlich etwa 32 Millionen Tonnen
gebrauchte Feuerfestmaterialien an, von denen nur ein Bruchteil recycelt
wird.

Die Herstellung feuerfester Werkstoffe aus Primärrohstoffen verursacht
erhebliche Mengen CO2, vor allem, weil den anorganischen,
nichtmetallischen Materialien Kohlendioxid entzogen werden muss. Zudem
werden die Rohstoffe zum großen Teil nach Europa importiert. Darin sind
auch kritische Rohstoffe mit risikobehafteten Lieferketten enthalten.
Genug Gründe, genutzte Feuerfestmaterialien wieder aufzubereiten und einer
Kreislaufwirtschaft zuzuführen, denn es gibt derzeit keine nennenswerten
Alternativen zu diesen Rohstoffen.

Automatische Sortieranlage mithilfe von Lasertechnik

»Feuerfestprodukte werden exakt an die Anforderungen der Kundinnen und
Kunden angepasst«, erklärt ReSoURCE-Projektkoordinator Alexander Leitner
von RHI Magnesita. Die optimale Zusammensetzung der
hochtemperaturbeständigen Materialien hängt vom geplanten Anwendungszweck
ab, von den Herstellungsprozessen, den chemischen Eigenschaften der
Medien. »Das bedeutet, dass unsere Produkte sehr unterschiedliche
Zusammensetzungen haben. Vor dem Recyceln müssen wir sie daher möglichst
genau voneinander trennen«, so Leitner weiter.

Im Zentrum des Projektes steht daher eine automatische Sortieranlage für
gebrauchte Feuerfestmaterialien. Eine Lasereinheit soll die Inhaltsstoffe
des gebrauchten Materials auf einem Förderband berührungslos bestimmen.
Die Lasertechnik kommt von dem mittelständischen Unternehmen Laser
Analytical Systems & Automation GmbH (LSA) aus Aachen, einem Spin-off des
Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Das Fraunhofer ILT ist ein
Pionier in der Erschließung neuartiger Anwendungen für die
Laserspektroskopie, unter anderem zur sortenreinen Trennung im
werkstofflichen Recycling mit Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS).

»Wir haben am Fraunhofer ILT bereits eine Inline-Messtechnik entwickelt,
die eine Direktanalyse von Metallschrotten auf einem Förderband durchführt
und die Zusammensetzung jedes Schrottstücks erkennt«, erläutert Dr. Cord
Fricke-Begemann, Leiter Materialanalytik am Fraunhofer ILT. »Mit dieser
Multielementanalyse erkennen wir eine große Anzahl von Legierungen. Die
Erkenntnisse übertragen wir nun auf die Feuerfestmaterialien.«

Datenanalyse mit künstlicher Intelligenz

LSA hat sich auf die Entwicklung und Produktion echtzeitfähiger
Laseranalysesysteme für Industrieanwendungen spezialisiert. Die Systeme
nutzen gepulste Laserstrahlung, um berührungslos über Abstände von bis zu
einem Meter chemische Informationen in Bruchteilen einer Sekunde zu
gewinnen. »Unsere Laseranalysesysteme sind unmittelbar an den
Verarbeitungslinien im Einsatz – wir bringen die Messtechnik zum Produkt
und nicht das Produkt zum Labor. Per Lichtblitz messen wir am bewegten
Produkt dessen chemische Zusammensetzung. Unser Tempo ist die
Lichtgeschwindigkeit«, so der Geschäftsführer der LSA, Dr. Joachim Makowe.

Die Firma InnoLas Laser GmbH aus Krailling in Deutschland entwickelt im
Verbundprojekt die Laserstrahlquelle, die spezielle Pulsgruppen emittiert,
um nicht-repräsentative Oberflächenschichten auf den gebrauchten
Feuerfeststeinen schnell zu durchdringen. Erst damit ist es möglich, das
darunter liegende Material zu analysieren. »Die Laserquelle für das
ReSoURCE Projekt wird gezielt für LIBS entwickelt. Fragen und
Herausforderungen, die dabei entstehen, werden wir in enger Zusammenarbeit
mit LSA und Fraunhofer ILT bearbeiten«, erklärt Dorian-David Percheron von
Innolas Laser.

LSA integriert die optische Messtechnik mit der Materialhandhabung zu
einem industrietauglichen Gesamtsystem. Das Fraunhofer ILT wertet die
Daten des LIBS-Systems aus. Dafür werden die gemessenen Spektren mit den
chemischen Informationen mit weiteren optischen Sensordaten kombiniert und
mit Hilfe künstlicher Intelligenz analysiert. So ermittelt das System die
genaue Zusammensetzung der Feuerfestprodukte und sortiert die einzelnen
gebrauchten Feuerfeststeine in verschiedene Materialklassen.

Die Forschungspartner gehen davon aus, durch die Projektergebnisse die
Grundlage dafür zu schaffen, den möglichen Recyclinganteil der Branche von
bislang 7–30 Prozent auf 90 Prozent steigern zu können. „Wir verbinden
neueste Analysetechnik mit State-of-the-Art Software, um ein aktuelles
gesellschaftliches Problem zu lösen. Vermutlich können wir damit die
europäischen CO2-Emissionen um bis zu 800 000 Tonnen pro Jahr reduzieren«,
sagt Cord Fricke-Begemann. »Das ist ein wunderbares Beispiel, wie Technik
und Innovationen und ein Gemeinschaftsprojekt im Kampf gegen den
Klimawandel helfen können.«

Um einen möglichst transparenten Zugang zu schaffen, kann die
Öffentlichkeit die Forschungen aus nächster Nähe in einem
Wissenschaftsblog verfolgen, das auf der Website des Projekts zu finden
ist: https://www.project-resource.eu.

Hintergrundinformationen

Das Projektziel von ReSoURCE ist die Entwicklung eines effizienten,
sensorbasierten Systems zur Sortierung von feuerfesten Abfällen und zum
Umgang mit kleinkörnigen Feuerfestsubstanzen. Wenn das Projekt erfolgreich
ist, wird es die Konstruktion einer automatisierten Sortieranlage
ermöglichen, die das Recycling von feuerfestem Ausbruchmaterial von
derzeit 7–30 Prozent (plus 10 Prozent Downcycling) auf insgesamt 90
Prozent steigern wird. Bei global jährlich etwa 32 Millionen Tonnen
erzeugten Feuerfestmaterialien ist der ökologische und gesellschaftliche
Nutzen beträchtlich.

Das Projekt wird von der European Health and Digital Executive Agency
(HaDEA) im Rahmenprogramm Horizon Europe (HORIZON) unter der
Förderungsnummer 101058310 gefördert. Das Gesamtbudget beträgt 8,5
Millionen Euro. Sechs Millionen Euro werden von der EU finanziert, eine
Million Euro vom Vereinigten Königreich. Die Projektlaufzeit ist von Juni
2022 bis November 2025 (42 Monate). Das Konsortium besteht aus neun
Mitgliedern (vier Forschung und fünf Industrie). Partner kommen aus
Österreich, England, Deutschland, Irland und Norwegen. Das Projekt wird
von RHI Magnesita geleitet. Weitere am Projekt beteiligte Partner sind LSA
GmbH (D), Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT (D), SINTEF (NOR),
Montanuniversität Leoben (AT), Innolas Laser GmbH (D), NEO (NOR), CPI (UK)
und Crowdhelix (IRE).