[vc_row][vc_column][vc_custom_heading text=“Sauber getrennt ist halb verwertet“ font_container=“tag:h1|font_size:48|text_align:left“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1676647396740{margin-top: -25px !important;}“][vc_custom_heading text=“Recycling mittels KI“ font_container=“tag:h2|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1676647405757{padding-bottom: 10px !important;}“][vc_column_text]Wolfgang Irrek, Uwe Handmann, Hochschule Ruhr West

(Titelbild: © AdobeStock | 556124768 | Fox)[/vc_column_text][ultimate_spacer height=“15″ height_on_tabs=“15″ height_on_tabs_portrait=“15″ height_on_mob_landscape=“15″ height_on_mob=“15″][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_custom_heading text=“Kurz und Bündig“ font_container=“tag:h2|font_size:34|text_align:left“ use_theme_fonts=“yes“ css=“.vc_custom_1661761237969{margin-top: -25px !important;}“ el_class=“box-headline“][vc_row_inner el_class=“box-content-wrapper“][vc_column_inner][vc_column_text]Zirkuläre Ansätze bieten Lösungen zum Umgang mit zeitweise knappen Rohstoffen und reduzieren die Abhängigkeit von Preisschwankungen und Lieferengpässen. Die Nutzung von Sekundärrohstoffen ist dabei wesentlich. Zur Erhaltung des Materialwertes beim Recycling kommt es unter anderem auf eine möglichst sortenreine Trennung an. Innovative digitale Möglichkeiten der Objekterkennung können hier gewinnbringend eingesetzt werden.[/vc_column_text][/vc_column_inner][/vc_row_inner][/vc_column][/vc_row][vc_row css=“.vc_custom_1519752670572{margin-top: -10px !important;}“][vc_column][ultimate_spacer height=“30″ height_on_tabs=“15″ height_on_tabs_portrait=“15″ height_on_mob_landscape=“15″ height_on_mob=“15″][vc_column_text]Rohstoffe sind in der Regel nicht absolut, sondern nur zeitweise beziehungsweise relativ knapp. Diese zeitweise Knappheit kann substanzielle wirtschaftliche Auswirkungen wie Rohstoffpreisschwankungen und Lieferengpässe haben. Daher gilt es zu untersuchen, welche Möglichkeiten es gibt, die Abhängigkeit von Primärrohstoffen zu reduzieren. Hierfür ist es unter anderem notwendig, die Chancen des Einsatzes von Digitalisierung und Künstlicher Intelligenz (KI) und deren Einfluss auf die Nutzbarkeit von sekundären Rohstoffen zu beleuchten.[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text]Schwankende Rohstoffpreise und Lieferengpässe bei Materialien und Komponenten waren in den letzten Jahren eine große Herausforderung für viele Betriebe. In diesem Zusammenhang wurde oft von der Knappheit der Ressourcen gesprochen. Doch sind Ressourcen tatsächlich absolut knapp und das Hauptargument, weshalb wir auf ein zirkuläres Wertschöpfen mit möglichst vollständiger Kreislaufführung von Materialien umsteigen müssen?

Rohstoffknappheit, das heißt eine Knappheit in der aktuellen Versorgung mit geförderten Reserven, bedeutet noch nicht, dass nachgewiesene wirtschaftlich gewinnbare Reserven und darüber hinausgehende Ressourcen knapp sind.

Mit Blick auf eine wachsende Weltbevölkerung hat bereits Thomas Robert Malthus Ende des 18. Jahrhunderts Knappheiten in der Lebensmittelversorgung prophezeit, die zu Krankheiten, Hunger und Tod führen würden [1]. Der Club of Rome malte 1972 mit den Grenzen des Wachstums ein katastrophales Bild von der zukünftigen Entwicklung der Menschheit aufgrund von Reserven- und Ressourcenknappheit bei stark wachsender Weltbevölkerung [2]. Glücklicherweise sind diese Szenarien nicht eingetroffen, weil die industrielle Revolution für Wohlstandssteigerungen gesorgt hat.
Bei knappen Rohstoffen denken wir an Öl, Erdgas, begrenzte Flächen, seltene Erden oder andere Primärrohstoffe, über die Deutschland nur begrenzt verfügt. Wenn es auf sie ankäme, sähe es für die Wohlstandsentwicklung Deutschlands düster aus. Häring ist daher 2012 zur Erkenntnis gekommen, dass die wichtigste Ressource der deutschen Volkswirtschaft die Fähigkeit sei, seine Bevölkerung in Arbeit zu bringen und dabei Werte zu schaffen und diese gerecht zu verteilen [3]. Das Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie hat zudem deutlich gemacht, dass nicht das Aufbrauchen knapper Rohstoffe der zentrale Engpass ist, sondern dass wir an die Grenzen der Tragfähigkeit unseres Planeten Erde stoßen [4]. Unsere Wirtschaftsweise zerstört grundlegende Erdsystemprozesse mit gravierenden Auswirkungen auf den Menschen und seine Umwelt, wie wir es am Beispiel des Klimawandels bereits sehen.[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Wirtschaftliche Auswirkungen der derzeitigen Rohstoffversorgung“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Zeitweise Knappheiten können aber zu unerwünschten Rohstoffpreisschwankungen und Lieferengpässen führen und große Probleme für Betriebe verursachen, bis hin zur Insolvenz, auch wenn die Preisschwankungen oft nur vorübergehend sind (Abbildung 1). Auf lange Sicht sind die Preise von nicht-erneuerbaren Rohstoffen nämlich konstant [5].
Da die Herausforderungen zeitweise knapper Primärrohstoffe aber gravierend sein können, sollten Betriebe ihre Rohstoff- und Komponenten-Abhängigkeiten analysieren und deren mögliche Preis- und Mengenentwicklung antizipieren. Eine Risikoreduktion ist zum einen mithilfe eines Portfoliomanagements möglich. Darüber hinaus sollten Substitutionsalternativen frühzeitig identifiziert oder selbst entwickelt werden.

Der Staat kann Betriebe dabei unterstützen, Zugangsmöglichkeiten zu potenziellen Rohstofflieferländern zu schaffen. Vor allem aber kann er durch entsprechende Rahmenbedingungen und Förderinstrumente zirkuläre Ansätze stärken. Gerade kleinere und mittlere Unternehmen benötigen Unterstützung dabei, zirkuläre Lösungsansätze in ihren Wertschöpfungsnetzwerken zu entwickeln, die ihren Kund:innen helfen, Materialien und Komponenten länger zu nutzen und Primärrohstoffe durch Rezyklate zu ersetzen. Dies zeigen Projekte wie das vom Ministerium für Wirtschaft, Klimaschutz, Industrie und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen geförderte Projekt „Prosperkolleg – Transformationsforschung zur zirkulären Wertschöpfung“, in dessen Rahmen Werkzeuge und Vorgehensweise zur Unterstützung von Betrieben entwickelt, erprobt und evaluiert wurden [6].[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Zirkuläre Lösungsansätze“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Zirkuläre Ansätze bieten Lösungen zum Umgang mit zeitweise knappen Rohstoffen und reduzieren die Abhängigkeit von Rohstoffpreisschwankungen und Lieferengpässen. Potting et al. grenzen zehn sogenannte „R-Strategien“ voneinander ab, die Unternehmen helfen, den Weg zur zirkulären Wertschöpfung zu beschreiten [7], [8]. Dazu gehören High Level-Strategien wie Rohstoffeffizienzsteigerungen in der Produktion oder die Wieder- und Weiternutzung von Produkten und Komponenten, aber auch Low Level-Strategien wie das Recycling, das die Nutzung von Sekundärrohstoffen ermöglicht.

Der Ressourcenbericht für Deutschland 2022 des Umweltbundesamtes zeigt auf, dass Deutschland zwischen 2010 und 2019 auf nahezu unverändert hohem Niveau Primärrohstoffe einsetzt. Beispielsweise sind von 14,2 Mio. t Kunststoff, die in Deutschland 2019 importiert oder produziert wurden, nur 2,0 Mio. t Rezyklate (Sekundärkunststoff). Gleichzeitig exportierte Deutschland 1,1 Mio. t Kunststoffabfälle. Zudem wurden 53 Prozent der Kunststoffabfälle verbrannt, anstatt sie werkstofflich oder rohstofflich zu verwerten [9]. Bei den für Elektrogeräte bedeutsamen Metallen, von denen Teile nur in kleinen Mengen verstreut vorkommen und daher als seltene Erden bezeichnet werden, ist die Wiedergewinnung strategisch wertvoller Metalle aus den geschredderten oder zermahlenen Komponenten sehr aufwendig und mit Umweltproblemen verbunden. Daher passiert dies in der Praxis meistens nicht oder nur für wenige Stoffe, und die Teile landen geschreddert im Stahlschrottrecycling oder im Restmüll und dissipieren entsprechend, obwohl ihr Recyclingpotenzial sehr hoch ist [10].

Das anthropogene Lager an Materialien in der Bundesrepublik Deutschland war im Jahr 2010 52 Mrd. t groß und wächst jährlich um rund 820 Mio. t beziehungsweise 10 t je Bundesbürger:in [9]. Die Frage stellt sich, wie dieses Material genutzt und in den Stoffkreislauf wieder hineingebracht werden kann, wenn es für seinen ursprünglichen Zweck nicht mehr benötigt wird. Recycling ist dabei eine wesentliche Strategie, aber nur, wenn sie nicht zu einem „Downcycling“ führt.[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Das Circular Digital Economy Lab“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Zirkuläre Ansätze bieten Lösungen zum Umgang mit zeitweise knappen Rohstoffen und reduzieren die Abhängigkeit von Rohstoffpreisschwankungen und Lieferengpässen. Potting et al. grenzen zehn sogenannte „R-Strategien“ voneinander ab, die Unternehmen helfen, den Weg zur zirkulären Wertschöpfung zu beschreiten [7], [8]. Dazu gehören High Level-Strategien wie Rohstoffeffizienzsteigerungen in der Produktion oder die Wieder- und Weiternutzung von Produkten und Komponenten, aber auch Low Level-Strategien wie das Recycling, das die Nutzung von Sekundärrohstoffen ermöglicht.

Der Ressourcenbericht für Deutschland 2022 des Umweltbundesamtes zeigt auf, dass Deutschland zwischen 2010 und 2019 auf nahezu unverändert hohem Niveau Primärrohstoffe einsetzt. Beispielsweise sind von 14,2 Mio. t Kunststoff, die in Deutschland 2019 importiert oder produziert wurden, nur 2,0 Mio. t Rezyklate (Sekundärkunststoff). Gleichzeitig exportierte Deutschland 1,1 Mio. t Kunststoffabfälle. Zudem wurden 53 Prozent der Kunststoffabfälle verbrannt, anstatt sie werkstofflich oder rohstofflich zu verwerten [9]. Bei den für Elektrogeräte bedeutsamen Metallen, von denen Teile nur in kleinen Mengen verstreut vorkommen und daher als seltene Erden bezeichnet werden, ist die Wiedergewinnung strategisch wertvoller Metalle aus den geschredderten oder zermahlenen Komponenten sehr aufwendig und mit Umweltproblemen verbunden. Daher passiert dies in der Praxis meistens nicht oder nur für wenige Stoffe, und die Teile landen geschreddert im Stahlschrottrecycling oder im Restmüll und dissipieren entsprechend, obwohl ihr Recyclingpotenzial sehr hoch ist [10].

Das anthropogene Lager an Materialien in der Bundesrepublik Deutschland war im Jahr 2010 52 Mrd. t groß und wächst jährlich um rund 820 Mio. t beziehungsweise 10 t je Bundesbürger:in [9]. Die Frage stellt sich, wie dieses Material genutzt und in den Stoffkreislauf wieder hineingebracht werden kann, wenn es für seinen ursprünglichen Zweck nicht mehr benötigt wird. Recycling ist dabei eine wesentliche Strategie, aber nur, wenn sie nicht zu einem „Downcycling“ führt.[/vc_column_text][vc_single_image image=“32392″ img_size=“large“ title=“Abbildung 1: Rohstoffpreisschwankungen im Zeitverlauf am Beispiel von Indizes ausgewählter Rohstoffkurse `{`05.02.2012 = 100`}` (logarithmisierte Darstellung). © Hochschule Ruhr-West, auf Basis historischer Rohstoffkurse von finanzen.net GmbH `{`08.01.2023`}`.“][vc_custom_heading text=“Objekterkennung und -klassifizierung beim Recycling
“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Innovative digitale Möglichkeiten der Objekterkennung und -klassifizierung mit KI-basierten Methoden sind eine wesentliche Voraussetzung für die werterhaltende Kreislaufführung von Materialien, insbesondere beim Elektroschrott-Recycling.
Die genaue Sortierung eines Abfallstroms innerhalb eines kurzen Zeitraums kann mit-
hilfe der Digitalisierung, vor allem unter Anwendung KI-basierter Methoden, anstelle von traditionellen, insbesondere händischen Methoden erfolgen. Die automatisierte Behandlung von Elektroschrott (E-Waste) ist dabei von besonderer Bedeutung, da dessen stetige globale Zunahme (2014 44,4 Mio. t, 2019 53,6 Mio. t, Prognose 2030 74,7 Mio. t) [12] eine besondere Herausforderung für eine Sortierung und möglichst sortenreine Extraktion von Sekundärrohstoffen ist.

Der Einsatz von Digitalisierung und KI als interdisziplinäre Erweiterungen klassischer Verwertungsverfahren im Bereich der Recyclingwirtschaft kann viele Prozessschritte geeignet unterstützen und damit das intelligente Recycling von Rohstoffen verbessern. Insbesondere der zunehmende Bedarf an automatisiertem Elektroschrott-Recycling als wesentliche Voraussetzung für die Bewältigung des schnell wachsenden Elektroschrott-Stroms kann mit KI-basierten Methoden unterstützt werden [13]. Durch intelligente Klassifizierung von Geräten wie beispielsweise von Smartphones können Elektrokleingeräte geeignet sortiert und einer produktspezifischen Verwertung zugeführt werden.

In einer im Circular Digital Economy Lab durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass eine spezielle Technik der KI, das sogenannte Transfer-Lernen, Elektrokleingeräte geeignet klassifizieren kann [14]. Bei dieser Methode werden Künstliche Neuronale Netze (KNN) trainiert und zur sensordatenbasierten Klassifikation von Gegenständen verwendet. Dieser Ansatz benötigt typischerweise große Datenmengen, um die Variabilität vorhandener Daten abbilden zu können. Dieser große Datenhunger kann beispielsweise durch Web-Crawler Technologien unterstützt werden. Ein Web-Crawler durchforstet automatisiert das Internet und sucht nach geeigneten Daten, welche das Training der KNN für eine automatisierte Objektklassifikation unterstützen [14]. Bei einem Ansatz auf Basis von Transfer-Lernen wird alternativ auf vorhandenen vortrainierten KNN aufgebaut und ein Training neuer Objektklassen auch mit kleinen Datenmengen ermöglicht, ohne die Güte bei der Klassifizierung einzelner Bestandteile im Elektroschrott, wie beispielsweise Smartphones, signifikant zu verringern [15]. Diese Technologie kann einerseits genutzt werden, um die automatisierte Klassifizierung von anderen Gerätetypen zu unterstützen [16]. Andererseits kann Transfer-Lernen auch genutzt werden, um Sensordaten anderer Sensoren in den Objektklassifikator zu integrieren, um gegebenenfalls nichtdestruktiv Bauteile innerhalb eines Elektrokleingeräts zu erkennen [16] oder diese spezifischer zu annotieren. Auf dem European Symposium on Artificial Neural Networks wurde beispielsweise eine Studie vorgestellt [17], welche das Potenzial des Transfer-Lernens bei der Vorhersage aufzeigt, ob in einem Röntgenbild eine Batterie erkennbar ist. Darüber hinaus wird gegebenenfalls die Position der Batterie innerhalb des Bildes lokalisiert und zusätzlich die Identifizierung von drei Batterietypen (prismatische, beutelartige und zylindrische Lithium-Ionen-Batterien) ermöglicht.[/vc_column_text][vc_custom_heading text=“Fazit“ font_container=“tag:h3|font_size:28|text_align:left|color:%23676b6d“][vc_column_text]Die beschriebenen Ansätze aus dem Themenfeld Digitalisierung und KI-basierter Methoden unterstützen das Ziel, beim Recycling zunehmend Rohstoffe aus Elektroschrott möglichst sortenrein zu extrahieren und als Sekundärrohstoffe dem Rohstoffkreislauf wieder zur Verfügung zu stellen. Mithilfe der beschriebenen Methoden kann das automatisierte Recycling unterstützt werden und so dem immer stärkeren Wachstum von Elektroschrott Rechnung getragen und können vorhandene Roh- beziehungsweise Wertstoffe in den Kreislauf geeignet zurückgeführt werden. Die Abhängigkeit von Preisschwankungen und Lieferengpässen zeitweise knapper Rohstoffe wird hierdurch verringert.[/vc_column_text][ult_createlink title=“Zu den Literaturangaben“ btn_link=“url:%20https%3A%2F%2Fbit.ly%2F3GCMlJG|target:_blank“][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][ult_dualbutton btn_hover_style=“Style 2″ btn_border_style=“solid“ btn_color_border=“#ffffff“ btn_border_size=“2″ btn_alignment=“left“ dual_resp=“off“ button1_text=“Einzelheft kaufen“ icon_link=“url:https%3A%2F%2Fwww.im-io.de%2Fproduct%2Fmetaverse%2F|title:Metaverse%2C%20NFTs%20%26%20Cryptos|target:_blank“ btn1_background_color=“#f3f3f3″ btn1_bghovercolor=“#f07d00″ icon=“Defaults-book“ icon_size=“22″ icon_color=“#f07d00″ icon_hover_color=“#ffffff“ button2_text=“Jetzt abonnieren“ btn_icon_link=“url:https%3A%2F%2Fwww.aws-institut.de%2Fim-io%2Fabo%2F|title:Abo||“ btn2_background_color=“#f3f3f3″ btn2_bghovercolor=“#f07d00″ btn_icon=“Defaults-chevron-right“ btn_icon_size=“22″ btn_icon_color=“#f07d00″ btn_iconhover_color=“#ffffff“ divider_text=“oder“ divider_text_color=“#f07d00″ divider_bg_color=“#ffffff“ btn1_text_color=“#f07d00″ btn1_text_hovercolor=“#ffffff“ btn2_text_color=“#f07d00″ btn2_text_hovercolor=“#ffffff“ title_font_size=“desktop:20px;“ btn_border_radius=“30″ title_line_ht=“desktop:22px;“ btn_width=“280″][/vc_column][/vc_row]