Mit dem Digital Waste Research Lab konnte eine neue Forschungsinfrastruktur in Betrieb genommen werden. Die innovative Versuchsanlage für großtechnische experimentelle Forschung im Bereich digitaler Abfallanalytik und -behandlung ist modular aufgebaut und besteht grundsätzlich aus förder- und verfahrenstechnischen Aggregaten, verschiedenen Sensoren, einer Sortiereinheit und einer digitalen Datenmanagementplattform. Die Anlage ist mit folgenden Sensoren zur Partikel- und Stoffstromcharakterisierung ausgestattet: Eine Nahinfrarot-Kamera ermöglicht die Erfassung von Materialarten und eine RGB-Zeilenkamera dient zur farblichen Charakterisierung von Objekten. Mit der Technologie der 3D-Lasertriangulation werden Volumeninformationen detektiert und zur Erkennung von metallischen Objekten ist eine Induktionsleiste installiert. (Semi-)mobile Förder- und Maschinentechnik ermöglichen neben der internen Kreislaufführung auch eine Linienschaltung der Anlage, um diverse Aufbereitungsaggregate im Verfahrensprozess der Sortieranlage vor- bzw. nachzuschalten. In der Anlage wurden bereits erste Untersuchungen durchgeführt, um diese für die Online-Ontime-Qualitätssicherung zu kalibrieren. Zusätzlich wurde das mobile Modul Nahinfrarot-Sensor in einer realen mechanischen Abfallaufbereitungsanlage installiert, um Materialdaten an unterschiedlichen Positionen in der Anlage während des üblichen Betriebs zu messen. Dabei wurden umfangreiche Daten gewonnen, mit denen der digitale Grundstein gelegt wurde, das Prozessverhalten in der Anlage zu beschreiben. Dies ist unter anderem auch Ziel der Forschungsvision „Smart Waste Factory“ für nicht gefährliche gemischte Abfälle, in der unter anderem die gleichzeitige Überwachung der Materialqualität und der Maschinenperformance sowie daraus resultierende dynamische Maschinensteuerung und optimale Abfallbehandlung einen wichtigen Stellenwert haben.
Hinweise
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung
Auch in der Abfallwirtschaft geht seit den letzten Jahren ein Trend in Richtung Digitalisierung (Curtis et al. 2021; Khodier et al. 2019; Kroell et al. 2022a; Sarc et al. 2019), welche unter anderem auch dazu beitragen soll, die ambitionierten Ziele der gesetzlich vorgegebenen Recyclingquoten (European Commission 2018) in den nächsten Jahren zu erfüllen. Einhergehend mit der Digitalisierung sind Daten über Materialien, Maschinen und Prozesse. Wie auch in anderen Industriesparten sind auch im Bereich der Abfallwirtschaft diese Daten ein relevanter Grundstein, um dynamische Betriebslösungen in einem Abfallbehandlungsprozess entwickeln und umsetzen zu können (Curtis and Sarc 2021; Khodier et al. 2021, 2019; Khodier and Sarc 2021; Küppers et al. 2022). Neben der Möglichkeit, die notwendigen Daten experimentell in repräsentativer großtechnischer Menge zu gewinnen, fehlen oft auch digitale Infrastruktur, Algorithmen sowie der klar definierte wirtschaftliche Nutzen bzw. „Return-on-Investment“ (ROI) für Anlagenbetreiber, was eine Investition in potenzielle Technologien zusätzlich erschwert. Der Lehrstuhl für Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft (AVAW) der Montanuniversität Leoben hat in Sankt Michael in der Obersteiermark die Forschungsanlage Digital Waste Research Lab (DWRL) zur Charakterisierung und Sortierung von Schüttgütern in Betrieb genommen (vgl. Abb. 1). Diese soll unter anderem in den Bereichen digitale Partikel- und Materialcharakterisierung, verfahrenstechnische Maschinenoptimierung und -weiterentwicklung sowie digitale Vernetzung und datenbasierte dynamische Steuerung für die großtechnische experimentelle Forschung in Richtung einer Smart Waste Factory eine wichtige Rolle übernehmen und gleichzeitig auch ermöglichen, zukunftsweisende Synergien zwischen Wissenschaft und Wirtschaft zu stärken. Besonders durch die Weiterentwicklung der Kooperationen zwischen verschiedenen Technologieunternehmen entlang der gesamten Kreislaufwirtschaftskette und dem AVAW werden gemeinsam neue Technologien, Produkte und Lösungen in der neuen Forschungsanlage entwickelt, welche die zukünftigen Anforderungen der modernen Kreislaufwirtschaft erfüllen.
Im Bereich der digitalen Abfallanalytik werden in der Anlage unter anderem Grundlagen geschaffen und repräsentative Methoden entwickelt. Basierend auf Sensordaten und Maschineneinstellungen wird an der Entwicklung eines definierten Verfahrens zur Bestimmung von diversen Qualitätskriterien eines Materialstroms gearbeitet, um zukünftig gewisse manuelle Analysen (Siebung, Sortierung) sowie Laboranalysen zum Bestimmen von chemischen Parametern zu ergänzen und teilweise zu ersetzen.
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Die modulare, mobile Sensorik des DWRL steht auch für den Einsatz in großtechnischen Anlagen zur Verfügung und ermöglicht, dass gewisse Untersuchungen unter Realbedingungen vor Ort – durch Nachrüsten der geeigneten Sensorik – durchgeführt werden können. Diese Möglichkeit soll die teilweise aufwendige Probenahme vor Ort mit anschließender Analyse obsolet machen. Zusätzlich werden diese Untersuchungen auch Grundlage für die Bewertung der Leistungsfähigkeit gewisser Maschinen in der Anlage liefern und Aufschluss über Maschinen- und Anlageneffizienz bzw. deren optimalen Betriebsbereich geben.
Neben den bereits etablierten sensorischen Möglichkeiten in der Abfallwirtschaft – Nahinfrarottechnologie zur Materialstromüberwachung bzw. -charakterisierung zur anschließenden Sortierung, Farbzeilenkameras zur Detektion/Unterscheidung von farbigen Objekten etc. – sollen in der Versuchsanlage auch neue Sensoren eingesetzt und somit das Themengebiet „sensorische Erweiterung“ und „Sensorfusion“ behandelt werden. Beispielhaft kann hier der Einsatz von Technologien mit dem Messprinzip der Radiofrequenz-Identifikation (RFID) genannt werden. Erste Untersuchungen in der Abfallwirtschaft hinsichtlich Verweilzeiten und Partikelverfolgung wurden in großtechnischem Maßstab bereits durchgeführt und zeigen Potenzial (Rizvan et al. 2023).
2 Hard‑, Software und Betriebsmodi
Die folgenden Abschnitte zeigen die hard- und softwaretechnische Ausstattung sowie die möglichen Betriebsmodi der Versuchsanlage.
2.1 Mechanisches Layout der Versuchsanlage
Der schematische Aufbau der Forschungsanlage ist in Abb. 2 dargestellt. Dieser besteht aus einem horizontalen Aufgabebereich, regelbaren Dosiereinrichtungen sowie Bandstrecken und einer pneumatischen Ausschleuseeinrichtung mit der Möglichkeit der (internen) Kreislaufführung. (Semi‑)Mobile Fördertechnik und die umfangreiche Ausführung der elektrotechnischen Verschaltung mit mehreren Anschlussmöglichkeiten (sogenannten „docking stations“) erlauben neben einer Kreislaufführung und einem Linienbetrieb („Basisbetrieb“) auch das Integrieren von externen Aggregaten („erweiterter Betrieb“ durch vor- und/oder nachgeschaltete Aggregate, Details siehe Abschn. 2.4) unterschiedlicher Projektpartner für spezielle Fragestellungen. Nachfolgend sind die Komponenten der Fördertechnik sowie der Austragseinheit näher dargestellt.
Abb. 2
Schematische Darstellung der Versuchsanlage Digital Waste Research Lab
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2.1.1 Steigband
Die Beschickung der Anlage erfolgt durch ein Steigband, welches als Knickband mit schwarzem Gurt ausgeführt ist. Die nutzbare Bandlänge beträgt ca. 10 m, wobei der waagrechte Teil am Anfang des Steigbandes ca. 2 m lang und der um ca. 30° geneigte Teil ca. 8 m lang ist. Das Förderband (Fa. Kraus Betriebsausstattung und Fördertechnik GmbH) hat eine Arbeitsbreite von ca. 0,6 m und ist mit ca. 50 mm hohen Mitnehmern ausgestattet. Die Seitenwände des Förderers sind 0,36 m hoch und ermöglichen so den Transport von Materialschüttungen in einer einstellbaren Geschwindigkeit. Da das Förderband für manche Anwendungen positionsflexibel sein muss, ist die Unterkonstruktion des Bands auf Rollen fixiert und kann dadurch händisch innerhalb der Halle verschoben werden.
2.1.2 Vibrorinne
Die Vibrationsrinne der Firma IFE Aufbereitungstechnik GmbH dient als Dosierungs- bzw. Vereinzelungsaggregat und vereinzelt das vom Steigband kommende Material für das Beschleunigungsband. Die Vibrationsrinne hat eine förderwirksame Breite von ca. 0,9 m und durch die schräge Abwurfkante aufgrund der 90°-Stellung zum Beschleunigungsband eine mittlere Länge von ca. 2,7 m. In der Rinne ist ein Verteilerhut angebracht, der das Material auf die gesamte Breite der Rinne verteilt. Die Schwingintensität der Vibrationsrinne kann mittels Frequenzumrichter verändert werden.
2.1.3 Beschleunigungsband
Das Beschleunigungsband (Fa. Stadler Anlagenbau GmbH) – auch Analyseband genannt – hat eine Arbeitsbreite von 0,94 m und eine nutzbare Länge von ca. 7,5 m. Die Geschwindigkeit kann von 0,2 bis 3,7 m/s eingestellt werden. Am hinteren Teil des Bands sind mehrere Sensoren über/unter dem Band montiert (vgl. Abschn. 2.2), welche zur Materialcharakterisierung dienen.
2.1.4 Expansionshaube und Sortiereinheit
Um Partikel aus einem Materialstrom auszuschleusen, ist die Forschungsanlage mit einer pneumatischen Düsenleiste ausgestattet, welche auf einer Breite von 1 m 80 individuell ansteuerbare Düsen zur Verfügung stellt. Zur Druckluftversorgung wurde ein Schraubenverdichter (Fa. Gross GmbH) mit einem Nenndruck von 11 bar und einem Druckbehälter mit 1000 l Fassungsvermögen installiert. Die Expansionshaube (Fa. Stadler Anlagenbau GmbH) wurde mit Fenstern und Türen aus Plexiglas sowie einem verstellbaren Trennscheitel ausgestattet.
2.1.5 Austragsbänder
In der Anlage sind zwei semi-mobile Austragsbänder (Reject-Band: für Material, welches nicht pneumatisch ausgetragen wird; Eject-Band: für Material, welches pneumatisch ausgetragen wird) installiert. Die Bänder (Fa. Kraus Betriebsausstattung und Fördertechnik GmbH) sind unterhalb der Expansionshaube montiert, haben einen dunkelgrünen Gurt und eine Arbeitsbreite von 0,77 m. Durch die Montage der Bänder auf einem Schienen‑/Rollensystem ist es möglich, die Abwurfposition am Ende der beiden ca. 3 m langen Austragsbänder unabhängig voneinander zu verändern. Die Geschwindigkeit der beiden Bänder kann zwischen 0,03 und 0,65 m/s verändert werden.
2.2 Sensorik
Die Anlage ist mit versetzbaren und semi-mobilen Messbrücken auf dem Beschleunigungsband ausgestattet, die flexibel verschiedenste Sensoren und Messsysteme für die Ontime- und Online-Analyse von Abfallschüttgütern sowie einzelnen Abfallobjekten/Partikeln aufnehmen können. Eine detailliertere Auflistung der einzelnen Sensoren mit deren Spezifikationen ist in den nachfolgenden Abschnitten gegeben.
2.2.1 Nahinfrarot Kamera
Zur Aufzeichnung von spektralen Daten im NIR-Bereich wurde eine Kamera im Wellenlängenbereich 900–1700 nm gewählt. Das hyperspektrale Bildgebungssystem zeichnet an jedem der 320 Ortspixel ein komplettes NIR-Spektrum mit einer Auflösung von 9 nm und einer Abtastrate von bis zu 446 Hz auf (EVK 2020a). Als Emitter dient eine InfraRed Illumination-Halogen-Beleuchtungseinheit (Kerschhaggl 2020), welche in der Versuchsanlage dimmbar ausgeführt wurde.
2.2.2 RGB-Zeilenkamera
Für das Erfassen von RGB-Daten wurde eine Zeilenkamera installiert (Teledyne Dalsa 2016). Der Sensor hat eine Auflösung von 4096 * 2 Pixeln. Zur Beleuchtung werden zwei LED-Leisten (MTD GmbH 2021) verwendet, die speziell für Zeilenkameras entwickelt und in der Versuchsanlage dimmbar ausgeführt wurden.
2.2.3 Laser-Triangulationssensorik
Zur Bestimmung von Volumeninformationen wurde ein Messsystem nach dem Prinzip der 3D-Lasertriangulation (3DLT) installiert. Zur Abdeckung der gesamten Förderbandbreite wurden zwei baugleiche Sensoren (Automation Technology 2021) verwendet.
2.2.4 Induktionsleiste
Zur Detektion von Metallen ist eine Induktionsleiste eingebaut. Diese hat eine Arbeitsbreite von 1 m mit einem Rasterabstand von 25 mm und ist im dafür vorgesehen Schacht direkt unter dem Beschleunigungsband angebracht (EVK 2020b).
2.2.5 RFID-Sensoren
Für die Messtechnologie der Radiofrequenz-Identifikation ist Hardware (Reader: Type SIMATIC RF650R, Antenne: Type SIMATIC RF660A) für sechs individuelle Messpositionen verfügbar (Siemens 2021). Die Montage der Antennen kann an beliebigen Positionen über den Förderbändern erfolgen.
2.3 Software und Datenauswertung
Die soeben genannten Sensoren ermöglichen eine Datengewinnung. Je nach Lieferanten sind für die Auswertung der Daten unterschiedliche Softwarelösungen vorhanden. Die Spektraldaten im NIR-Bereich werden über die Software des Sensorherstellers (EVK 2023) verarbeitet (vgl. Abb. 3). Für die RGB-Kamera steht ebenso ein eigenes Programm zur Verarbeitung zur Verfügung (EVK 2022) (vgl. Abb. 4). Die Ansteuerung der Düsen zur Sortierung (ausgenommen ist das 3D-Lasertriangulationsmesssystem) erfolgt über ein Sorting-Engine-Modul gemeinsam mit dem Sensor-Interface GigE Vision (vgl. Abb. 5). Zur Sortierung können Daten des NIR- und RGB-Sensors sowie jene der Induktionsleiste herangezogen werden. Zusätzlich steht in der Forschungsanlage die mit Siemens Österreich AG gemeinsam entwickelte „Recycling Analysis Platform“ zur Verfügung, welche die Daten aller Sensoren lokal aufzeichnet, teilweise bereits zur Vor-Ort-Analyse statistisch auswertet und grafisch darstellt (vgl. Abb. 6) und dem User zum späteren Download für Auswertungen zur Verfügung stellt. Mit diesen Systemen steht im DWRL eine pneumatische Sortierung sowie eine umfangreiche Charakterisierung von diversen Schüttgütern auf physikalischer und chemischer („chemical imaging“) Ebene zur Verfügung.
Abb. 3
Ausschnitt aus Software „SQALAR“ zur Verwertung der NIR-Daten
Abb. 4
Ausschnitt aus Software „EVK TeachIn“ zur Verarbeitung der RGB-Daten
Abb. 5
Ausschnitt aus Software FusioSort MMI zur Einstellung/Auswahl des Sortierrezeptes
Abb. 6
Ausschnitt aus der Recycling Analysis Platform zur Darstellung und Aufzeichnung der Sensordaten
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2.4 Betriebsmodi
Die positionsflexible Ausführung der Förderbänder am Austrag sowie des Steigbandes ermöglicht unterschiedliche Betriebsmodi der Anlage. Allgemein können die Betriebsarten Basisbetrieb und erweiterter Betrieb unterschieden werden, wobei man vom Basisbetrieb spricht, wenn zu den in Abschn. 2.1 genannten Aggregaten keine zusätzliche Fördertechnik verwendet wird. Alle Adaptierungen, die dem nicht entsprechen, werden als „erweiterter Betrieb“ verstanden. Eine Gliederung der Betriebsmodi ist in Abb. 7 dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.
Abb. 7
Gliederung der Betriebsmodi in der Versuchsanlage Digital Waste Research Lab
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2.4.1 Basisbetrieb
Je nachdem, wie die Materialströme im Basisbetrieb über die Anlage geleitet werden, unterscheidet man zwischen Kreislauf- und Linienbetrieb. Der Kreislaufbetrieb ist durch eine einmalige Aufgabe der Probe definiert, wobei mindestens ein Teilstrom im Kreis gefahren – also erneut dem Steigband zugeführt – wird. Im vollständigen Kreislauf werden beide Output-Ströme zurückgeführt (vgl. Abb. 8a). Sobald ein Teilstrom nach der Sortierung aus der Anlage ausgetragen wird, spricht man – abhängig davon, welcher Strom im Kreis geführt wird – von einem Reject-Kreislauf (vgl. Abb. 8b) oder einem Eject-Kreislauf (vgl. Abb. 8c). Im Linienbetrieb erfolgt keine Rückführung der Materialströme auf das Steigband (vgl. Abb. 8d). Das bedeutet, dass sowohl der Reject- als auch der Eject-Strom dem Kreislauf und der Anlage entzogen und in einem separaten Behälter gesammelt werden.
Abb. 8
Schematische Darstellung der unterschiedlichen Betriebsmodi in der Versuchsanlage Digital Waste Research Lab
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2.4.2 Erweiterter Betrieb
Durch Zuschaltung weiterer Aggregate vor oder nach der Sortieranlage kann die gesamte Anlage erweitert werden (vgl. Abb. 8e). Man unterscheidet dabei drei Fälle: Erweiterung des Input-Stroms, Erweiterung des Output-Stroms sowie eine Kombination dieser beiden. Die dabei entstehenden verfahrenstechnischen Linien können sowohl im Kreislauf als auch in einer Linie betrieben werden. Im Falle einer sogenannten Linie-IN-Erweiterung wird dem Steigförderer bzw. gegebenenfalls direkt der Vibrorinne mindestens ein Aggregat vorgeschaltet. Der Output erfolgt dabei unverändert über die beiden Austragsbänder. Bei der Linie-OUT-Erweiterung wird die bestehende Infrastruktur an den Austragsbändern erweitert, wobei die Gutaufgabe in gewöhnlicher Form über den Steigbandförderer ohne vorgeschaltete Aggregate erfolgt. Als grundlegende Optionen für den erweiterten Betrieb sind folgende Aggregate zu nennen: Zerkleinerungsaggregate, Siebe, Windsichter, Metallabscheider (Eisen, Nicht-Eisen), Ballistischer Separator, Förderbänder usw. Die bereits beschriebenen Erweiterungen können ebenso in kombinierter Form erfolgen, was unter IN & OUT-Erweiterung verstanden wird. Für den erweiterten Betrieb kann das auf Rollen montierte Steigband in eine alternative Position zur Materialaufnahme eines vorgeschalteten Aggregats bzw. Materialabtransport zu einem Nachfolgeaggregat gebracht werden.
3 Einsatzmöglichkeiten der Anlage
Die Flexibilität und Modularität der Anlage ermöglicht unterschiedliche Einsatzgebiete in der Anwendung. Beispielshaft werden in den folgenden Abschnitten zwei konkrete Einsatzgebiete und erste Erkenntnisse beschrieben, wo im ersten Fall Überlegungen und erste Ansätze zur Entwicklung einer Methode zur Echtzeitqualitätssicherung im DWRL umgesetzt, und im zweiten Fall Teile der Sensorik des DWRL als mobile Einheit in einer mechanischen Aufbereitungsanlage eingesetzt worden sind. Beide Anwendungen sind notwendige Untersuchungen, um eine digitale Materialanalyse im DWRL zu ermöglichen.
3.1 DWRL zur stationären Qualitätssicherung
Mechanische Abfallaufbereitungsanlagen für gemischte Abfälle verarbeiten keine qualitätsgesicherten, klar spezifizierten Rohstoffe, sondern Abfälle mit stark schwankenden Eigenschaften. Trotzdem werden diese Materialien teilweise zu qualitätsgesicherten Konzentraten, zum Beispiel für den Einsatz in Recyclinganlagen oder als Brennstoff in Zementwerken weiterverarbeitet. Üblicherweise werden Qualitätskontrollen mithilfe von Laboranalysen durchgeführt, wobei repräsentative Proben der fertigen Ersatzbrennstoffe entnommen werden (Aldrian et al. 2016). Aufwand und Kosten für Laboranalysen sind ein relevanter Anreiz für ein System zur sensorischen Echtzeitqualitätssicherung. Damit das effektiv und effizient funktioniert, müssen sich Anlagen dorthin entwickeln, Abfälle auf Partikelebene zu charakterisieren (z. B. Korngrößenbestimmung nach Kandlbauer et al. (2021), Massenvorhersage von Partikeln nach Kroell et al. (2021) bzw. Vorhersage von Elementgehalten nach Viczek et al. (2021)), autonom in Echtzeit auf sie zu reagieren und produzierte Qualitäten und auftretende Abweichungen frühzeitig zu erkennen und zu beeinflussen. Um im ersten Schritt Materialqualitäten an gewissen Kriterien zu definieren, wird im DWRL an der Methodenentwicklung zur Echtzeitqualitätssicherung gearbeitet. NIR-Sensoren erfassen Informationen an der Materialoberfläche, daher ist die Vereinzelung der Partikel während des Messvorgangs ein wesentlicher Punkt, welcher in ersten praktischen Untersuchungen im Fokus stand.
Der Kreislaufbetrieb ermöglicht die wiederholte Charakterisierung desselben Materials auf dem Beschleunigungsband, da das Material von den Austragsbändern automatisch wieder auf das Steigförderband gefördert wird (vgl. Abschn. 2.4.1). In den praktischen Versuchen wurden die Informationen des NIR-Sensors zur Bewertung der Vereinzelung des Materialstroms verwendet. Vorzerkleinerte Proben gemischten Gewerbeabfalls (max. 400 mm) wurden gesiebt, und Siebschnitte der Kornklassen 40–60 mm, 60–80 mm und 80–100 mm wurden für die Versuche verwendet. Zusätzlich wurde eine Mischprobe hergestellt, die die Kornklassen zwischen 40 und 100 mm in einem Massenverhältnis von gemischtem Gewerbeabfall enthält. Alle Proben hatten ein Volumen zwischen 0,5 und 0,6 m3. Verschiedene Proben- und Korngrößen wurden mit unterschiedlichen Maschineneinstellungen und Transportgeschwindigkeiten im DWRL kombiniert, um Einflüsse auf die Vereinzelung des Materialstroms zu untersuchen. Da Voruntersuchungen den signifikanten Einfluss des Steigbands und der Vibrorinne auf die Materialverteilung zeigen, wurden bei den verschiedenen Versuchsdurchläufen die Geschwindigkeit des Steigbands und die Intensität der Vibrorinne verändert. Literaturwerte deuten auf einen konstanten Vereinzelungsgrad bei einer Bandbelegung zwischen 10 und 20 % hin (Kroell et al. 2022b), weshalb dieser Wert angestrebt wurde. Die Proben wurden der Maschine chargenweise zugeführt. Die Zeitdauer für einen Durchlauf wurde manuell gemessen, indem mehrere einzelne Partikel im Materialstrom über mehrere Runden beobachtet und die Zeit für einen Durchlauf gestoppt wurde. Zusätzlich wurde der mittlere Durchsatz gemessen, indem der fallende Materialstrom am Austragsband manuell entnommen und anschließend mit dem abgeschätzten Volumen im Auffangbehälter mit bekannten Abmessungen und kombiniertem Wiegen notiert wurde. Erste Ergebnisse zeigen Auswertungen an einer Probe im Korngrößenbereich 40–60 mm (38 kg, ca. 0,5 m3). Auf der Grundlage der NIR-Daten wurde die Bandbelegung über die Zeit für drei Maschineneinstellungen1 berechnet. Es wurde festgestellt, dass eine zu niedrige Geschwindigkeit des Zuführbands (5 %) keine Vergleichmäßigung des Materials ermöglicht, selbst nach ca. 30 min ist die Materialhäufung in jeder Runde in den Daten noch sichtbar (vgl. Abb. 9a). Eine höhere Bandgeschwindigkeit (50 %) führt zu einer Anhäufung des Materials auf dem Analyseband und führt dadurch zu einer nicht erwünschten Überbelegung (vgl. Abb. 9b). Bei einer Geschwindigkeit des Steigbands von 18 % konnte eine Vergleichmäßigung des Materials nach ca. 14 min erreicht werden. Außerdem konnte die gewünschte Bandbelegung von 10 bis 20 % in fast 75 % der Zeit erreicht werden. Nur 6 % der Werte lagen über dem angestrebten Bereich. Für die Einstellungen konnte eine durchschnittliche Rundendauer in der Anlage von ca. 70 s ermittelt werden (vgl. Abb. 9c). Bei dieser Einstellung wurde eine mittlere Durchsatzleistung von ca. 2 t/h und 28 m3/h gemessen (Radkohl 2023).
Abb. 9
Darstellung der Bandbelegung der Probe in der Kornklasse 40–60 mm. Es gelten folgende Geschwindigkeiten/Intensitäten im DWRL: a 5 % Steigband, 93 % Vibrorinne; b 50 % Steigband, 80 % Vibrorinne; c 18 % Steigband, 77 % Vibrorinne. Die strichlierten horizontalen Linien stellen den gewünschten Zielbereich zwischen 10 und 20 % dar. Prozentwerte der Geschwindigkeitseinstellung beziehen sich auf 213 min−1 für den Antrieb des Zuführbandes und 96 min−1 für den Antrieb der Vibrorinne
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3.2 Sensorik als mobile Einheit in einer realen Aufbereitungsanlage
Für die Echtzeitcharakterisierung von Abfallströmen wurde ein Prototyp eines „Waste Scanners“ entwickelt und in einer realen mechanischen Abfallaufbereitungsanlage in der Steiermark an unterschiedlichen Positionen installiert. Je nach Aufgabenstellung kamen dafür verschiedene Sensoren – Farbkameras, NIR-Sensoren, Volumenstromsensoren – parallel zum Einsatz, um unterschiedliche Materialcharakteristika zu erfassen. Um die Wirkung einzelner Aggregate im Normalbetrieb der Anlage zu bewerten, wurden zeitgleich sowohl der Input- als auch die beiden Outputströme eines Aggregats (Bsp: Input, Eject und Reject einer Sortiermaschine) sensorisch aufgezeichnet. Für den Waste Scanner wurde die NIR-Kamera inkl. Beleuchtungseinheit des DWRL verwendet. Ein mechanischer Aufbau der Sensorikeinheit auf Profilschienen ermöglicht eine einfache und positionsflexible Montage über dem Förderband und kann dadurch an unterschiedliche Förderbandbreiten angepasst werden. Der Einsatz des Waste Scanners in der Aufbereitungsanlage ist in Abb. 10 dargestellt. Ein Ausschnitt der aufgezeichneten Materialdaten des NIR-Sensors ist in Abb. 11 dargestellt.
Abb. 10
Einsatz des Waste Scanners in einer mechanischen Aufbereitungsanlage
Abb. 11
Beispieldaten des NIR-Sensors aus der Anlage. Die unterschiedlichen Farben stellen die verschiedenen Materialien dar
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4 Erweiterungsmöglichkeiten und Ausblick
Ausgehend von den soeben beschriebenen Betriebsmodi und Einsatzmöglichkeiten der Forschungsanlage, werden aktuell mehrere Ansätze im DWRL geplant und geprüft. Im Rahmen der sogenannten „sensorischen Erweiterung“ ist die Einbindung zusätzlicher Sensoren und die Untersuchung der Sensorfusion geplant. Neben zusätzlichen Videokameras zur Gewinnung von Bildmaterial, wird auch die Installation von Infrarotsensoren, welche in anderen Wellenlängenbereichen als übliche NIR-Sensoren zur Materialcharakterisierung im Abfallbereich arbeiten, angestrebt. Fokus dieser Aufgabenstellung ist die Untersuchung der Detektionsmöglichkeiten spezieller Materialfraktionen (z. B. PVC) im Bereich der Materialstromüberwachung.
Zusätzlich wird auf Softwareentwicklungsebene daran gearbeitet, jegliche Sensordaten aus der Anlage zu fusionieren. Dies soll eine verbesserte Materialcharakterisierung ermöglichen, indem man Informationen der unterschiedlichen Sensoren für ein konkretes Objekt gleichzeitig betrachtet (konkretes Beispiel: Signal von NIR ergibt Material „PET“, Signal von RGB ergibt „grün“, Signal von 3DLT ergibt „30 cm Länge“). Hier ist besonders der zeitliche Abgleich der unterschiedlichen Sensordaten aufgrund der zeitlich versetzten Messung am Förderband ein kritischer Punkt sowie die unterschiedliche Auflösung (Pixelgröße) der diversen Sensoren.
Im Rahmen großtechnischer Versuche wird für Herbst 2023 sowie Frühjahr 2024 die Einbindung des DWRL in ein verfahrenstechnisches Gesamtkonzept geplant. Die unter dem Namen „ReWaste Prototype“ stattfindenden Versuche werden zum einen den erweiterten Betrieb (siehe Abschn. 2.4.2) des DWRL mit mehreren vorgeschalteten Aggregaten testen, wobei konkret die Aufbereitungsaggregate Zerkleinerer und ein Ballistischer Separator der Versuchsanlage vorgeschalten werden. Zusätzlich stehen bei diesem Großversuch die Einbindung und Verschaltung von Maschinen unterschiedlicher Hersteller im Fokus, wobei der Standard Module Type Package (MTP) verwendet wird. Die Daten werden Basis zur Entwicklung einer digitalen Plattform sein, welche herstellerunabhängig Informationen unterschiedlicher Maschinen miteinander verknüpft. Um die gesamte Aufbereitungslinie mit Daten zu beschreiben, werden mehrere Sensoren an unterschiedlichen Positionen installiert. Aktuell vorgesehen sind die zusätzliche Installation von jeweils fünf RGB-Kameras und Volumenstromsensoren, jeweils sechs NIR-Kameras und RFID-Messstellen sowie einem kombiniertem Volumen- und Massenstrommessgerät. Im Rahmen dieser Versuche wird die daten- und verfahrenstechnische Verschaltung ums DWRL großtechnisch über einen längeren Zeitraum experimentell getestet. Auch das zeitliche Abgleichen der Sensordaten für den gesamten Prozess steht im Fokus, um Datensätze an einem bestimmten Speicherort als modellierungstechnische Basis für intelligente Regelungen zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich werden die gesammelten Daten im Weiteren auch als Trainingsdaten für Machine-Learning-Algorithmen genutzt werden. Die Versuchsreihe wird damit die Entwicklung einer Smart Waste Factory – also einer intelligenten, autonomen Anlage – vorantreiben und das Konzept eines ersten Prototyps einer solchen großtechnisch untersuchen.
Im Rahmen der „ReWaste Prototype“-Versuche werden auch die Untersuchungen im Bereich digitaler Abfall- bzw. Materialanalytik (vgl. Abschn. 3.1) weiterverfolgt, welche das Ziel haben, definierte und einheitliche Bedingungen zur Qualitätsbestimmung von diversen Qualitätsparametern festzulegen, um langfristig händische Analysen sowie Laboranalysen bis zu einem gewissen Grad zu ersetzen.
Großtechnische experimentelle Infrastruktur ermöglicht praxisnahe kooperative Forschung und verbindet somit neben Theorie und Praxis auch Wissenschaft und Wirtschaft. Die neue großtechnische Versuchsanlage Digital Waste Research Lab ermöglicht zukunftsorientierte Forschung im Bereich der partikel-, sensor- und datenbasierten Abfall‑, Recycling- und Umwelttechnik sowie im Bereich der Digitalisierung. Des Weiteren steht die neue Infrastruktur Studierenden der Montanuniversität Leoben als Methodenwerkzeug zur praxisnahen Ausbildung von Ingenieur:innen im Bereich Umwelt, Recycling, Abfall und Kreislaufwirtschaft – getreu nach dem Universitätsmotto: Wo aus Forschung Zukunft wird! – zur Verfügung.
Danksagung
Das COMET-Projekt Recycling and Recovery of Waste for Future – ReWaste F – (882512) wird im Rahmen von COMET – Competence Centers for Excellent Technologies durch BMK, BMAW und Land Steiermark gefördert. COMET wird durch die FFG abgewickelt.
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