Aus Schrott wird nachhaltiges Blech: Eine 2-Millionen-Dollar-Initiative zur Modernisierung des Automobilrecyclings

Der weltweite Trend zu fortschrittlichen Materialien und Elektroantrieben erfordert eine Neubewertung der Art und Weise, wie wir Fahrzeuge recyceln.

Geschrieben von: Jim Lynch

20. April 2021

EXPERTE

Auf dem Weg zu einem saubereren Transportsektor zielt ein neues 2-Millionen-Dollar-Projekt an der University of Michigan darauf ab, einfachere und kostengünstigere Möglichkeiten zur Herstellung recycelbarer, leichter Automobilbleche zu entwickeln.

Das Projekt ist eine Schlüsselinitiative, da große Automobilhersteller auf leichte leichte Nutzfahrzeuge setzen und von Verbrennungsmotoren auf Elektroautos umsteigen, die leichtere Komponenten benötigen, um die Fahrzeugreichweite zu erhöhen.

Das Projekt mit dem Namen „The Clean Sheet Project“ zielt darauf ab, neue Designwerkzeuge zu entwickeln und Best Practices für Materialhersteller und Automobilhersteller zu etablieren, wobei der Schwerpunkt auf dem Recycling von Anfang bis Ende in der Produktion liegt. Während der Schwerpunkt der Gruppe zunächst auf energieintensivem Aluminium und hochfesten Automobilblechen aus hochfestem Stahl liegen wird, könnte sie schließlich Richtlinien für alle Arten von Materialien umfassen, einschließlich Kunststoffen, Polymeren und Batterien für Elektrofahrzeuge bzw. Elektrofahrzeuge.

„Wir müssen die Umweltauswirkungen der Fahrzeugproduktion in Zukunft reduzieren, und eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Produktion dieser leichten Bleche aus recycelten Materialien zu steigern“, sagte Daniel Cooper, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der UM Hauptforscher des Projekts. „Das wird nicht nur die Emissionen aus dem Automobilproduktionsprozess reduzieren, sondern auch dazu beitragen, den zerstörerischen Rohstoffabbau einzuschränken.“

„Wir recyceln bereits viele der Materialien, die in diese neuen Fahrzeuge fließen, aber wir machen es nicht gut“, sagte Cooper. „Dazu müssen Stahl und Aluminium in Lichtbogen- oder Gasöfen gegeben und dann neues Metall gegossen werden.“

Die recycelten Metallprodukte sind nicht von hoher Qualität, da es heute schwierig, wenn nicht unmöglich ist, reines Ausgangsmaterial zum Einschmelzen zu erhalten. Und in den USA besteht kaum Nachfrage nach diesen kontaminierten Altmetallen, weshalb die Materialien oft in andere Länder verschifft werden, wo sie von schlecht bezahlten Arbeitern von Hand sortiert werden.

Am Ende der Lebensdauer eines Fahrzeugs versuchen Recycler mit mechanischen Scheren, die verschiedenen Metalle auseinanderzubrechen und anzuhäufen, um sie getrennt den Öfen zuzuführen. Aber Fahrzeuge enthalten viele verschiedene Metalllegierungen, die beim Aufbrechen miteinander vermischt werden, und Aluminium-Autopaneele haben oft Stahlnieten, die selbst mit Magneten schwer zu entfernen sind.

Diese Aufgabe der Metalltrennung wird immer schwieriger. Elektrofahrzeuge verwenden beispielsweise noch mehr Kupferkabel in ihrer Elektronik und recycelter Stahl kann bei der Herstellung reißen, wenn er nur 0,1 % Kupfer enthält.

Typischerweise wird das recycelte Metall an Orten mit geringen Leistungsanforderungen verwendet, beispielsweise bei Aluminiumgussteilen in Motorblöcken und Stahlverstärkungen.

„Wir sehen enorme Chancen für eine verstärkte Wiederverwendung und Wiederverwertung von Materialien, wenn Fahrzeugdesigns eine einfache Demontage, eine verbesserte Materialtrennung und eine branchenweite Vereinheitlichung beinhalten“, sagte George Luckey, Manager für Stanz- und Legierungsentwicklung bei Ford Research and Advances Engineering. Ford ist einer von mehreren privaten Finanzierungspartnern, die an den Bemühungen beteiligt sind.

„Das Clean Sheet Project wird diese Erkenntnisse liefern und wir freuen uns, gemeinsam mit der University of Michigan und anderen Partnern daran teilzunehmen“, sagte Luckey. „Diese Arbeit unterstützt nachdrücklich Fords Engagement für die Reduzierung der CO2-Emissionen, die Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft und eine CO2-neutrale Zukunft.“

Zwei wichtige Faktoren deuten darauf hin, dass es jetzt an der Zeit ist, herauszufinden, wie nachhaltigere Praktiken alltäglich werden können.

Das erste ist, dass große Automobilhersteller im Jahr 2021 regelmäßig neue Zusagen für die Herstellung von Elektrofahrzeugen machen, und dieser Trend wird sich wahrscheinlich fortsetzen. Anfang des Monats schätzte die UBS Investment Bank, dass Elektrofahrzeuge bis zum Ende des Jahrzehnts 40 % aller Neuwagenverkäufe ausmachen würden. Der zweite Faktor ist, dass in den nächsten Jahren eine Welle aluminiumblechintensiver Fahrzeuge das Ende ihrer Lebensdauer erreichen und auf Schrottplätzen landen wird, wie Coopers frühere Untersuchungen gezeigt haben.

Aluminium hat sich zu einem der beliebtesten Materialien für Elektrofahrzeuge entwickelt, was zum Teil auf seine geringe Dichte zurückzuführen ist, die dazu beiträgt, das Fahrzeuggewicht niedrig zu halten.

„Dies erfordert eine Neuerfindung der Art und Weise, wie solche hochwertigen Materialien recycelt oder für die Herstellung neuer Fahrzeuge neu hergestellt werden können“, sagte Cooper. „Aluminium ist dafür bekannt, dass es schwierig ist, es ohne Leistungseinbußen zu recyceln, und Sie können sehen, warum einige Leute nervös werden, wohin wir gehen. Wenn wir auf Elektrofahrzeuge umsteigen, bedeutet das wahrscheinlich eine noch größere Nachfrage nach hochwertigem Aluminium.“ und ein Verlust des Marktes für Verbrennungsmotoren, der derzeit viel minderwertiges recyceltes Metall verwendet.“

Der integrierte Ansatz des Clean Sheet Project

Frühere Bemühungen, Komponenten von Elektrofahrzeugen leichter recycelbar zu machen, waren zwar erfolgreich, aber das Fehlen eines integrierten Ansatzes in der gesamten Branche, von Materialherstellern und Recyclern bis hin zu Automobilherstellern und Schrottverarbeitern, hat den Bemühungen geschadet.

„Hoffentlich könnte unsere Methodik einen Durchbruch auf ganzer Linie bringen“, sagte Cooper.

Diese Methodik umfasst einen Computermodellierungsansatz, der als „Integrated Computational Materials Engineering“ bekannt ist und bestimmt, wie gut gemischte Metalle recycelt werden können. Diese Modelle können Forschern dabei helfen, neue Materialien zu entdecken, die recyclingfreundlicher sind, und zu bestimmen, wie mehr recycelte Materialien in hochwertigen Komponenten wie Aluminiumkarosserien verwendet werden können. Durch zusätzliche Modellierungen werden Optionen für das Fahrzeugdesign bewertet, z. B. welche Materialien und wo verwendet werden.

Darüber hinaus werden die Forscher neue Technologien zur Entsorgung alter Fahrzeuge und zur Trennung der Materialien analysieren. Das Projekt wird eine neue Suite von Designs für Recyclingwerkzeuge und Technologie-Roadmaps für die gesamte Branche liefern.

Das Clean Sheet-Team organisiert derzeit einen branchenübergreifenden Workshop zu Design, Produktion, Herstellung und Recycling von Automobilblechen, um von Branchenexperten über die Möglichkeiten zur Steigerung des hochwertigen Blechrecyclings zu lernen.

Etwa die Hälfte der Projektfinanzierung kommt vom REMADE Institute des US-Energieministeriums – einer öffentlich-privaten Partnerschaft, die die Einführung nachhaltiger Technologien in der Industrie fördert. Weitere Finanzierungspartner sind neben Ford: Novelis, The Institute of Scrap Recycling Industries, The Aluminium Association, Light Metal Consultants und Argonne National Laboratories.

James Lynch

Forschungsnachrichten- und Feature-Autor

(734) 763-1652

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