ReCircE - Digital Lifecycle Record for the Circular Economy

Abstract

Ursprüngliche Aufgabenstellung: Das Projekt ReCircE zielte ab auf die Verbesserung der Ressourceneffizienz von Stoffkreisläufen durch die Integration einer digitalen Beschreibung von Produkten (inkl. Informationen zu deren gesamtem Lebenszyklus) in einer digitalen Lebenszyklusakte (Digital Lifecycle Passport). Durch eine solche digitale Lebenszyklusakte sollte der Informationsfluss zwischen den Stakeholdern der Kreislaufwirtschaft verbessert werden. Aus der Lebenszyklusakte werden Daten bezogen, mit Hilfe derer durch maschinelle Lernverfahren und sensorgestützte Sortierung eine Verbesserung von Recyclingprozessen erreicht wird. Dadurch können höhere Anteile kostbarer Materialien zurückgewonnen und zu hochwertigeren Produkten aus Sekundärrohstoffen verarbeitet werden. Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde: Zu Projektbeginn existierten bereits Informationen über Produkte in verschiedenen Datenbanken für unterschiedliche Stakeholder, die allerdings verteilt und ohne eine vereinheitlichte, konsistente Zugriffsmöglichkeit bei einzelnen Stakeholdern lagen. Es gab schon KI-basierte Sortierverfahren, allerdings kein Verfahren, das Machine Learning mit explizit modelliertem Wissen kombinierte. Ablauf des Vorhabens: Es wurde zunächst eine Anforderungsanalyse für die digitale Lebenszyklusakte und die dazugehörige Cloud-Plattform zum Hosting durchgeführt mit unterschiedlichen Stakeholdern. Dabei wurde festgestellt, dass das Konzept des digitalen Produktpasses, das sich gerade herausbildete, sehr ähnlich der Idee der digitalen Lebenszyklusakte ist. Daher wurde beschlossen, sich bei der Entwicklung an den Entwicklungen im Bereich des digitalen Produktpasses zu orientieren und die digitale Lebenszyklusakte als eine mögliche Umsetzung des Produktpasskonzeptes zu betrachten. Sodann wurden die Lebenszyklusakte und die Plattform konzipiert und umgesetzt. Hierbei wurde sich für die Asset Administration Shell (AAS) als technologische Basis für die digitale Lebenszyklusakte entschieden. Es wurden verschiedene digitale Lebenszyklusakten für Produkte (z.B. Smartphone) modelliert, um einen konkreten Use-Case an der Sortieranlage des Fraunhofer IWKS umsetzen zu können: die Sortierung von Elektro(nik)altgeräten mittels KI und der digitalen Lebenszyklusakte. Hierfür wurden auch mehrere unterschiedliche Machine-Learning-Sensorfusionsalgorithmen umgesetzt und verglichen. Dieser Sortier-Use-Case wurde als Proof-of-Concept an der Sortieranlage umgesetzt, wobei sich besonders die notwendige Echtzeitfähigkeit als Herausforderung erwies. Die Cloud-Plattform wurde mit 20 Personen mit einem ingenieurwissenschaftlichen Hintergrund im Hinblick auf Benutzerfreundlichkeit evaluiert. Wesentliche Ergebnisse: Im ReCircE-Projekt wurden aus Sicht des Fraunhofer IWKS folgende Hauptergebnisse erzielt: Definition von Anwendungsfällen für eine digitale Lebenszyklusakte und Charakterisierung von Sortierproblematiken o Charakterisierung von Sortierproblemen für Anwendungsfälle unterschiedlicher Komplexität o Aufzeigen von Verbesserungspotentialen durch den Einsatz KI-basierter und Produktpass-gestützter Verfahren Weiterentwicklung der sensorbasierten Sortierung für komplexe Sortieraufgaben o Demonstration der Modifikation einer kommerziell eingesetzten Sortiermaschine für den Zugriff auf Sensor-Rohdaten o Implementierung von KI-basierter Objekterkennung o Ausweitung der Anwendungsfälle auf durch klassische Sensorik nicht unterscheidbare Objekte (z.B. unterschiedliche Displaygeräte) o Verknüpfung von Objektklassifikation mit Daten aus der digitalen Lebenszyklusakte o Praktische Validierung der Sortierung komplexer Geräte auf Basis von Daten aus einem Digitalen Produktpass o Erweiterung der Fähigkeiten sensorbasierter Sortierverfahren auf den Bereich von Sortieraufgaben, welche Expertenwissens voraussetzen und damit bislang manueller Arbeit vorbehalten waren Wirtschaftlichkeitsbetrachtung von Recyclingoptionen für Smartphones o Vergleich des Status Quo des direkten Einschmelzens mit manueller Zerlegung und mechanischer Aufbereitung o Ermittlung des Einflusses von Effizienz der Aufbereitung, Lohnkosten und Arbeitsaufwand Definition von Handlungsempfehlungen für Entwickler und potenzielle Anwender des neu entwickelten Sortierverfahrens o Gestaltungsempfehlungen für die Entwicklung von KI-gestützten Sensorsortiermaschinen o Empfehlung zum Einsatz von KI- und Produktpass-gestützter Sortierung zur Vorsortierung von Elektro(nik)-Altgeräten Das ReCircE-Projekt war ein Vorreiter- und Leuchtturmprojekt in der Konzeption, Umsetzung und Erprobung digitaler Produktpässe und ihrer Anwendung in der Abfallsortierung. Der Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik, den das Projekt erzielen konnte, ist durch zahlreiche Veröffentlichungen auf Konferenzen sowie in wissenschaftlichen und populärwissenschaftlichen Zeitschriften (von denen einige bereits vielfach zitiert wurden), Podcasts, Vorträgen und Keynotes ersichtlich. Die Ergebnisse des ReCircE-Projekts bilden somit eine Basis zur weiteren Detaillierung und Erprobung von Produktpass-Konzepten und darauf aufbauender Anwendungen im Bereich Nachhaltigkeitsbewertung sowie zur Erforschung hybrider KI-Verfahren in der Abfallsortierung.