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Industrielle Batteriedemontage macht E-Autos noch nachhaltiger
E-Autos boomen. Doch was passiert eigentlich mit den Unmengen ausgedienter Batterien? Das Fraunhofer IPA testete erfolgreich, wie die industrielle Batteriedemontage mithilfe des KR QUANTEC von KUKA funktioniert. Das Ziel: den Einsatz von Elektroautos noch nachhaltiger machen.
Immer mehr Elektroautos – Recycling von Batterien als Lösung?
Im März 2023 trafen die EU-Staaten eine Entscheidung von enormer Tragweite: Ab 2035 dürfen in Europa nur noch emissionsfreie Pkw und Kleintransporter neu zugelassen werden. Spätestens seit diesem Moment steht fest: Die Zukunft der Automobilbranche liegt in der E-Mobilität. Das zeigen auch die Prognosen: Fuhren 2022 weltweit rund 27,7 Millionen Elektrofahrzeuge herum, sollen es laut Internationaler Energieagentur (IEA) bis 2030 mehr als 226 Millionen sein. In Deutschland werden dann fast ein Viertel aller Pkw E-Autos sein – momentan sind es gerade zwei Prozent.
Im erfolgreichen Projekt „DeMoBat“ zur industriellen Batteriedemontage am Fraunhofer IPA in Stuttgart spielte Technologie von KUKA eine zentrale Rolle.
Industrieroboter ermöglicht das Recyceln wertvoller Rohstoffe
Es gibt nur ein Problem: Mit immer mehr E-Fahrzeugen wächst auch der Berg an ausgedienten Batterien. Denn diese haben aktuell nur eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa zehn Jahren. Gleichzeitig werden die Rohstoffe für ihre Produktion zunehmend knapper und teurer. Eine Lösung: Recyceln! Und hier kommen Industrieroboter von KUKA ins Spiel, genauer: der Industrieroboter KR QUANTEC. Mit dessen Hilfe hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart vorgemacht, wie es gehen kann – im Forschungsprojekt „DeMoBat – Industrielle Demontage von Batterien und E-Motoren“.
Das Fraunhofer IPA in Stuttgart und KUKA verbindet eine langjährige Partnerschaft.
Zwölf Partner forschten über mehrere Jahre im Verbund
Über mehrere Jahre untersuchten Expertinnen und Experten von zwölf Partnern, wie Batterien von E-Autos sowohl nachhaltig als auch wirtschaftlich sinnvoll wiederaufbereitet werden können. Insgesamt wurden in dem Projekt acht Anwendungen vollumfänglich als Demonstrations- und Erprobungswerkzeuge aufgebaut, die für den industriellen Dauerbetrieb einsetzbar wären. Im Fokus stand dabei die Demontage der E-Auto-Batterien. Denn die Voraussetzung für das Recycling der Komponenten, ist eine sortenreine Zerlegung in ihre Bestandteile – und die ist gar nicht so einfach.
Batteriedemontage: komplex und lebensgefährlich
„Die Demontage von Batterien bringt drei große Herausforderungen mit sich“, erklärt Anwar Al Assadi, Gruppenleiter am Fraunhofer IPA. „Erstens braucht man dafür speziell qualifizierte Fachkräfte, denn die Arbeit mit Hochvolttechnologien bedarf einer besonderen und oft zeitintensiven Ausbildung. Zweitens ist die manuelle Demontage wegen der hohen Spannung und gefährlicher Gase mit einem Gesundheitsrisiko verbunden, im schlimmsten Fall kann es zu Selbstzündungen kommen. Und drittens dauert die Zerlegung per Hand sehr lange und ist entsprechend kostenintensiv. Das lässt das Recycling aktuell oft noch unrentabel erscheinen.“
Der Industrieroboter geht bei der Batteriedemontage behutsam vor.
Automatisierungslösungen können eine entscheidende Rolle dabei spielen, um E-Mobilität noch nachhaltiger zu machen.
Automatisierte Demontage von Batterien schlägt drei Fliegen mit einer Klappe
Herausforderungen wie geschaffen für eine roboterbasierte Lösung. So wurde ein Montageroboter KR QUANTEC mit einer Traglast von 270 Kilogramm komplett durch die am Fraunhofer IPA entwickelte Software „pitasc“ betrieben sowie mittels KUKA.RobotSensorInterface gesteuert, was die Anbindung externer Sensoren erleichterte. „Auf diese Weise konnten wir wichtige Demontageschritte in Echtzeit regeln und damit diverse Vorgänge automatisieren, die bislang per Hand gemacht werden mussten.“ Damit hilft die Technologie von KUKA bei der Batteriedemontage dabei, drei Probleme auf einmal zu lösen: sie mindert den Fachkräftemangel, minimiert das Sicherheitsrisiko für die Mitarbeitenden und sorgt durch Effizienz dafür, dass sich das Batterierecycling auch wirtschaftlich lohnt.
Mit höchster Genauigkeit löst der 6-Achs-Knickarm-Roboter Schrauben oder Verklebungen.
Deutlich strengere EU-Batterieverordnung zwingt zum Handeln
Bewegen müssen sich die Hersteller bei diesem Thema ohnehin: Eine deutlich strengere EU-Batterieverordnung verpflichtet seit 2023 unter anderem dazu, dass neue Batterien einen erhöhten Anteil recycelter Materialien beinhalten – selbst, wenn diese nach Europa importiert wurden. Wie wertvoll dabei die technische Unterstützung von KUKA sein kann, zeigt eindrucksvoll das erfolgreiche Forschungs-Projekt in Stuttgart.
Die Automatisierung eröffnet beim Batterie-Recycling neue Möglichkeiten.
Hier führte der KR QUANTEC unterschiedlichste Arbeitsschritte durch: über das Lösen von Schrauben bis zum Öffnen von Dichtungsfugen oder das Trennen von Kabeln. „Das Komplexe ist, dass unglaublich viele unterschiedliche Batteriesysteme auf dem Markt sind“, erzählt Anwar Al Assadi. „Und jedes sieht innen anders aus.“ Teilweise würden die Hersteller den Aufbau der Batteriesysteme selbst innerhalb derselben Fahrzeugserie verändern.
Egal welche Batterie aus welchem E-Auto: Der KR QUANTEC weiß damit umzugehen
Als 6-Achs-Roboter ist der KR QUANTEC hier genau richtig: Mit seinen sechs Freiheitsgraden kann sich der Knickarmroboter optimal auf die unterschiedlichen Maße und Geometrien des Batteriesystems einstellen und wird durch seine Traglast auch der hohen Drehmomente Herr. Entsprechend brauche es eine Software wie die genannte „pitasc“-Lösung, die im Zusammenspiel mit der Hardware unabhängig vom jeweiligen Batteriemodell erkenne, was zu tun ist.
Der Projektaufbau des Fraunhofer IPA zeigt die Flexibilität des KUKA Roboters.
Unterstützende Bildverarbeitungssysteme zum automatischen Erkennen von Schrauben und anderen Komponenten machten das manuelle Anlernen des KR QUANTEC für jeden einzelnen Prozessschritt überflüssig. Um Kollisionen mit Bauteilen zu verhindern, erfolgte nach jedem Demontageschritt eine Erfolgskontrolle über Sensoren und 3D-Kamerasysteme. Anschließend wurden die Signale an die zentrale Prozesssteuerung übertragen und damit ein sicherer Prozessablauf gewährleistet.
Aufgrund seiner schlanken Geometrie und seines kleinen Footprints kann mit dem QUANTEC eine flexible und zukunftsorientierte Anlage gebaut werden.
Kompliziert sei, sagt Al Assadi, dass die Autobauer in den Batterien so viele Komponenten wie möglich auf engstem Raum unterbringen müssen. Das schränke den Bewegungsspielraum bei der Demontage extrem ein. Weitere Herausforderungen seien die variierende Lage von Kabeln oder die vielen Verklebungen einer Batterie, die sich viel schwerer automatisiert lösen lassen als Schrauben. „Aber auch hierfür haben wir Lösungen gefunden, die wir jetzt für den industriellen Einsatz weiterentwickeln möchten.“ Entscheidend sei es, flexible Anlagen zu bauen – nicht zuletzt, weil sich die Bauweise der Batterien etwa im Halbjahrestakt grundlegend ändere.
Die Projekt-Anlage des Fraunhofer IPA wäre für den industriellen Dauerbetrieb einsetzbar.
KR QUANTEC: attraktiv für vielfältige Einsatzgebiete
Hierfür ist die Vielseitigkeit einer der großen Vorzüge der KR QUANTEC Serie: „Aufgrund seiner schlanken Geometrie und seines kleinen Footprints kann mit dem QUANTEC eine flexible und zukunftsorientierte Anlage gebaut werden“, sagt Thomas Schmidberger, Global Business Development Manager Electronics bei KUKA. „Außerdem ist er wie alle KUKA Roboter standardmäßig ESD-zertifiziert, um einen sicheren Umgang mit elektrostatisch sensitiven Bauteilen zu gewährleisten.“
Jeder "Hand"-Griff sitzt beim KR QUANTEC.
Zudem überzeugt die neue Generation des Knickarmroboters KR QUANTEC dank standardmäßiger DC-Controller durch besondere Energieeffizienz: Sowohl in der Bewegung als auch im Standby-Betrieb konnte die Energieaufnahme signifikant reduziert werden. In der Produktionsbewegung verbrauchen die Sechsachser – unter anderem durch das Zurückgewinnen von Bremsenergie – rund 30 Prozent weniger Energie als das Vorgängermodell, beim Betriebszustand „Warten in der Regelung“ sind es gar 60 Prozent weniger.
Ein Industrieroboter, der noch mehr kann als automatisierte Demontage
Damit ist der 6-Achs-Roboter KR QUANTEC nicht nur für das Recycling von E-Auto-Batterien, sondern für diverse Einsatzgebiete attraktiv. Sein schlanker Baukasten verspricht zudem passgenaue Technologie und schnelle Lieferzeiten – und unterm Strich niedrige Total Cost of Ownership (TCO). Denn der Wartungsaufwand ist minimiert und die Anzahl an Ersatzteilen reduziert.
Hohe Flexibilität und eine niedrige TCO zeichnen den KR QUANTEC aus.
Mit 120 bis 300 Kilogramm zählen die Modelle der KR QUANTEC Serie zudem zur hohen Traglastklasse und verfügen in diesem Bereich über das größte Traglast- und Reichweiten-Portfolio auf dem Markt. Die Möglichkeit, die Traglast im Feld hochzurüsten, und die Motion Modes für hohe Prozessqualität machen sie zu einer ebenso sinnvollen wie sicheren Investition in die Zukunft jeder Produktion.
Marktvolumen steigt rasant
Das gilt auch für das Feld der Batterie-Demontage, zumal sich die Elektrofahrzeug-Industrie in den kommenden Jahren rasant entwickeln wird: Experten erwarten, dass das globale Marktvolumen für E-Fahrzeuge von knapp 420 Milliarden US-Dollar (2022) bis 2028 auf mehr als 770 Milliarden US-Dollar steigt. Wie sich dieses große Potenzial mit Blick auf das Batterierecycling von Auto OEMs (etwa mit EV-Recycling inhouse), Batterieproduzenten oder Recyclingfirmen nutzen lassen könnte, haben nun die Versuchsreihen des Projekts gezeigt. Interessierte Unternehmen können die Machbarkeit einer robotergestützten Demontage ihrer Produkte beim Fraunhofer IPA prüfen lassen. Zudem arbeitet das Institut daran, Produkte initial für die Demontage zu optimieren.
Mit seiner großen Flexibilität ist der KR QUANTEC ein essenzielles Element in der Versuchsanlage am Fraunhofer IPA.
Zusammenarbeit von KUKA und Wissenschaft hat sich bewährt
Die Projektarbeit war übrigens für alle Beteiligten keine neue Erfahrung: In der Entwicklung und Erprobung seiner Technologien arbeitet KUKA bereits seit Jahrzehnten vertrauensvoll mit dem Forschungsinstitut zusammen. So wurde vor etwa 20 Jahren gemeinsam der erste KUKA Reinraum-Roboter entwickelt, es folgten die ESD-Zertifizierungen dutzender KUKA Produkte und viele weitere Projekte.
Thomas Schmidberger von KUKA und Anwar Al Assadi, Projektleiter am Fraunhofer IPA, freuen sich über die gelungene Kooperation.
Ein Zusammenspiel von Industrie und Wissenschaft, das sich bei „DeMoBat“ einmal mehr bewährt hat: „Wir haben hier Europas größte Versuchsanlage für die Demontage von Batterien aufgebaut“, sagt Anwar Al Assadi nicht ohne Stolz. „Und wir haben damit gezeigt, wie Automatisierungslösungen eine entscheidende Rolle dabei spielen können, um E-Mobilität noch nachhaltiger zu machen.“
