Transparente Rohstoffkreisläufe Digitales Ökosystem senkt Verbrauch von Rohstoffen

Im Rahmen eines Fraunhofer-Leitprojekts entwickeln Forschende ein digitales Ökosystem, das Daten entlang der Wertschöpfungskette von Rohstoffen sammelt – mit dem Ziel, eine nachhaltige und resiliente Versorgung sicherzustellen. Das ermöglicht, dass Werkstoffe mit möglichst wenigen Verlusten und energetisch effizient im Kreislauf geführt werden.

Das Wissen über Rohstoffkreisläufe ist ein entscheidender Faktor, wenn Unternehmen ihre Produktion nachhaltiger und resilienter gestalten wollen. Sechs Fraunhofer-Institute haben sich deshalb im Fraunhofer-Leitprojekt Ochester zusammengetan: Sie entwickeln ein digitales Ökosystem für die Industrie, das alle Daten zusammenführt, die entlang der Wertschöpfungskette entstehen – vom Abbau der Rohstoffe über die Lieferung und Verarbeitung der Materialien, die Herstellung des Endprodukts bis hin zu Entsorgung und Recycling. Diese Daten werden mit weiteren Informationen aus der Produktion wie etwa den Ergebnissen von Werkstoffprüfungen oder Sensordaten in einer Plattform integriert.

Das Zusammenspiel von Informationen und Daten aus unterschiedlichen Quellen macht die Rohstoffkreisläufe transparent. Das versetzt Unternehmen im Alltag in die Lage, die Versorgung mit Metallen wie den Seltenen Erden besser zu steuern und frühzeitig auf Schwankungen in den Lieferketten zu reagieren. Zugleich können sie die Daten nutzen, um Ressourcen zu schonen, CO₂-Emissionen zu senken und den Abbau und die Nutzung der Rohstoffe sozial nachhaltig zu realisieren.

Weniger Seltene Erden, mehr Altmetall nutzen

Dr. Dirk Helm vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM nennt drei konkrete Ziele im Bereich Produktion, die im Projekt anvisiert werden: "Wir wollen den Anteil von recycelten Materialien um mindestens 50 Prozent erhöhen, den Anteil der Seltenen Erden um mindestens 25 Prozent reduzieren und insgesamt die Auswahl an Werkstoffen, die sich für die Produktion eignen, verfünffachen."

Wie das im Projekt entwickelte digitale Ökosystem praktisch funktioniert, zeigen die Fraunhofer-Forschenden mit einem Demonstrator für die Wiederverwertung von leistungsfähigen Permanentmagneten aus Neodym, einem silberglänzenden Metall der Seltenen Erden. Diese werden beispielsweise in E-Motoren und Windkraftanlagen verwendet. Die Forschenden arbeiten daran, in der Herstellung den Anteil an Neodym durch Beimischung von Sekundärrohstoffen – beispielsweise Magneten aus Metallschrott – deutlich zu reduzieren.

Magnetpredictor kalkuliert die Mischung

Für die Kalkulation des dafür nötigen Mischungsverhältnisses haben die Fraunhofer-Forschenden das Simulationstool Magnetpredictor entwickelt. In der grafischen Bedienoberfläche geben Anwenderinnen und Anwender ein, welche Konzentrationen an Fremdelementen vorkommen, um Qualitätsmerkmale oder Eigenschaften des Produkts zu bestimmen. Dazu gehören die Sättigungsmagnetisierung und die Ausrichtung der Teilchen (Anisotropiefeld ) des Magneten. "Mithilfe dieser Angaben lässt sich bestimmen, wie hoch der Anteil an verunreinigtem Magnetschrott sein darf, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen – ohne dass die Qualität des Endprodukts darunter leidet. Auch Aspekte wie Kosten oder den ökologischen Fußabdruck berücksichtigt das Tool in seinen Berechnungen", erklärt Helm.

In einem weiteren Projektschritt erfolgt an der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS die Fertigung der Magnete mit der berechneten Mischung aus Altmetall und gegebenenfalls Primärrohstoffen wie Neodym. Dafür wird der Magnetschrott vorsortiert, mit Neodym und anderen Rohstoffen gemischt und geschmolzen. Es entstehen metallische Plättchen (Flakes), die mit Wasserstoff versprödet werden. Das nun vorliegende grobkörnige Pulver wird gemahlen, in eine Form gegeben und gepresst. Ein Magnetfeld sorgt während der Formgebung dafür, dass sich alle Körner entlang einer Achse ausrichten. Nach einer Wärmebehandlung in einem Ofen und der finalen Aufmagnetisierung ist der Magnet fertig.

Insgesamt werden im Leitprojekt Orchester drei Demonstratoren entwickelt: Neben dem Magnetpredictor unterstützt ein weiterer Demonstrator bei der Herstellung von Bipolarplatten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen beziehungsweise Wärmetauschern, mit dem Ziel, den Anteil von Nickel – einem kritischen Element mit hohem Versorgungsrisiko – zu reduzieren und die Kosten in der Fertigung zu senken. Der dritte Demonstrator dient dazu, den Sekundärmaterialanteil von Aluminium-Legierungen in Komponenten für Wasserstoffpipelines, Brennstoffzellen und Wärmepumpen zu erhöhen, um hier den energetischen Fußabdruck zu minimieren