Herausforderungen und Perspektiven der automatischen Zerlegung
Die Wasserstoffwirtschaft wird durch den wachsenden Anteil an Erneuerbaren Energien und die Elektrifizierung des Verkehrssektors vorangetrieben. Die wesentlichen Komponenten einer Wasserstoffwirtschaft sind Brennstoffzellen und Elektrolysesysteme. Die Knappheit der Ressourcen zur Herstellung dieser Komponenten und die negativen Umweltauswirkungen ihres Abbaus erfordern eine Kreislaufwirtschaft. Bei der Demontage ist aus wirtschaftlichen, ergonomischen und sicherheitstechnischen Gründen ein höherer Automatisierungsgrad erforderlich. Eine Untersuchung aus dem Institut für Produktionstechnik (WBK) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).
Diese Untersuchung skizziert die Herausforderungen und Perspektiven der automatisierten Demontage von Brennstoffzellenstapeln. Dazu werden der Stand der Technik bei der Demontage zusammengefasst und manuelle, zerstörungsfreie Demontageversuche an ausgedienten Brennstoffzellenstapeln durchgeführt. Darauf aufbauend wird eine chemische und mechanische Analyse der Brennstoffzellenkomponenten durchgeführt. Daraus wird ein Automatisierungspotenzial für die Demontageprozesse abgeleitet und mögliche Demontageprozessrouten modelliert. Darüber hinaus werden Empfehlungen für die Anforderungen an das Demontagesystem anhand eines morphologischen Kastens gegeben.
Die enorm hohe gravimetrische Energiedichte von Wasserstoff macht ihn zum bevorzugten Energieträger der Zukunft. Die Energiedichte von flüssigem Wasserstoff ist etwa dreimal so hoch wie die von Erdöl und Diesel. Aufgrund der schwankenden Energieversorgung durch erneuerbare Energien und der zunehmenden Elektrifizierung des Verkehrssektors werden neue Energieträger benötigt. Aus diesem Grund spielen Brennstoffzellensysteme und Elektrolyseure eine große Rolle in einer Wasserstoffwirtschaft. Mit Hilfe von Brennstoffzellen werden Wasserstoff H2 und Sauerstoff O2 in Wasser H2O umgewandelt, wobei während des Prozesses ein elektrischer Strom fließt (Züttel et al., 2010). Daher werden Brennstoffzellen in Kombination mit Gastanks und Elektromotoren als möglicher Antriebsstrang für die Elektrifizierung des Verkehrs- und Nichtverkehrssektors (z. B. Land- und Baumaschinen) in Betracht gezogen.
Weitere vielversprechende Anwendungen sind (Mikro-)Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK). In japanischen Haushalten wurden bereits über 100.000 solcher Anlagen installiert. Mit steigenden Produktionskapazitäten von Brennstoffzellen wird die Rückgewinnung der verwendeten Rohstoffe in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Die Kritikalität der Rohstoffe selbst und ein mit der Wasserstofftechnologie verbundener Nachhaltigkeitsanspruch sind Motivation für die Entwicklung einer angepassten Kreislaufwirtschaft. Die Demontage gilt als erster Schritt in der Prozesskette der verschiedenen Kreislaufwirtschaftsstrategien wie Recycling, Wiederaufbereitung oder Wiederverwendung. Um eine wirtschaftliche Kreislaufwirtschaft zu realisieren, muss die Demontage in Zukunft automatisiert werden. Die zu erwartenden und erforderlichen Prozessschritte/Werkzeuge und Herausforderungen bei der automatisierten Demontage von Brennstoffzellenstapeln müssen jedoch noch ausreichend diskutiert werden. Das bedeutet, dass ein qualitativer Überblick über den Produktzustand (z.B. Korrosion, Materialzustand und Fügetechniken) am Ende der Lebensdauer (EoL) durch manuelle Demontageversuche erarbeitet werden muss. Hierfür fehlt ein standardisiertes Schema zur Erfassung der (praktischen) Produktanforderungen für die Auslegung von Roboter-Demontagezellen. Die anschließende Untersuchung der Materialien hinsichtlich ihrer Zusammensetzung ist erforderlich, um den Aufwand für die Kreislauffähigkeit zu bewerten.
Der Beitrag ist wie folgt gegliedert: Im folgenden Abschnitt werden Hintergrundinformationen zur Brennstoffzellentechnologie und den damit verbundenen Rohstofffragen zusammengefasst (Abschnitt 2). Abschnitt 3 gibt einen Überblick über verwandte Arbeiten in Bezug auf Demontagearten und -techniken. In Abschnitt 4 werden die Materialien und Methoden der vorliegenden Arbeit erläutert. Anschließend werden in Abschnitt 5 die Ergebnisse der manuellen Demontage, der Bauteilanalyse und des Automatisierungskonzeptes vorgestellt. Die Diskussion unserer Arbeit wird in Abschnitt 6 dargelegt. Schließlich schließt Abschnitt 7 diese Arbeit ab und gibt einen kurzen Ausblick auf zukünftige Arbeiten auf diesem Gebiet….
->Quellen:
- publikationen.bibliothek.kit.edu/1000161538
- gesamte Originalpublikation: Al Assadi, Anwar; Goes, Dominik; Baazouzi, Sabri; Staudacher, Malena; Malczyk, Piotr; Kraus, Werner; Nägele, Frank; Huber, Marco F.; Fleischer, Jürgen; Peuker, Urs; Birke, Kai Peter: Challenges and prospects of automated disassembly of fuel cells for a circular economy (Herausforderungen und Perspektiven der automatischen Zerlegung von Brennstoffzellen für eine Kreislaufwirtschaft), in: ScienceDirect: „Resources, Conservation & Recycling Advances“, https://doi.org/10.1016/j.rcradv.2023.200172 – open access