Lo smaltimento industriale delle batterie rende le auto elettriche ancora più sostenibili

Le auto elettriche stanno vivendo un vero e proprio boom, ma che fine fa il gran numero di batterie dismesse? Il Fraunhofer IPA ha testato con esito positivo lo smaltimento industriale delle batterie con l’aiuto del KR QUANTEC di KUKA. L’obiettivo: rendere l’uso delle auto elettriche ancora più sostenibile.

Sempre più auto elettriche: la soluzione sta nel riciclo delle batterie?

Nel marzo 2023, gli Stati membri dell’UE hanno preso una decisione di enorme importanza: a partire dal 2035, in Europa potranno essere immatricolate esclusivamente auto e furgoni a emissioni zero. Una cosa è certa: il futuro dell’industria automobilistica è la mobilità elettrica. Se nel 2022 erano in circolazione circa 27,7 milioni di veicoli elettrici in tutto il mondo, secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia (AIE), nel 2030 saranno più di 226 milioni. In Germania, quasi un quarto di tutte le auto saranno elettriche – al momento siamo al due per cento.

Il robot industriale consente di riciclare preziose materie prime

C’è solo un problema: con un numero sempre maggiore di veicoli elettrici, cresce anche la montagna di batterie dismesse. Ciò è dovuto anche al fatto che, attualmente, la loro durata utile media ammonta a circa dieci anni. Allo stesso tempo, le materie prime per la loro produzione scarseggiano sempre più e aumentano di prezzo. Una soluzione: riciclare! Ed è qui che entrano in gioco i robot industriali di KUKA, più precisamente il robot industriale KR QUANTEC. Con il suo aiuto, il “Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA)” di Stoccarda ha mostrato come fare, nel corso del progetto di ricerca “DeMoBat – Industrielle Demontage von Batterien und E-Motoren” (Smaltimento industriale di batterie e motori elettrici).

L’IPA Fraunhofer di Stoccarda e KUKA collaborano da molto tempo.

Dodici partner hanno condotto ricerche insieme nell’arco di diversi anni

Per diversi anni, gli esperti di dodici partner hanno studiato come riciclare in modo sostenibile ed economicamente vantaggioso le batterie delle auto elettriche. Nell’ambito del progetto sono state sviluppate in totale otto applicazioni come strumenti dimostrativi e di prova, che potrebbero essere utilizzati in modo continuativo in ambito industriale. L’attenzione era rivolta allo smaltimento delle batterie delle auto elettriche. Infatti, il prerequisito per il riciclaggio dei componenti è la separazione delle parti che li compongono, un processo non affatto facile.

Lo smantellamento delle batterie: complesso e molto rischioso

“Lo smantellamento delle batterie pone tre sfide principali”, spiega Anwar Al Assadi, team leader presso il Fraunhofer IPA. “Innanzitutto servono tecnici con una specifica qualifica, perché lavorare con le tecnologie ad alta tensione richiede una formazione speciale e spesso lunga.In secondo luogo, lo smantellamento manuale è associato a un rischio per la salute, a causa dell’alta tensione e dei gas pericolosi; nel peggiore dei casi, possono verificarsi fenomeni di autocombustione. In terzo luogo, lo smantellamento manuale richiede tempi molto lunghi e, di conseguenza, costi elevati. Per questi motivi, il riciclaggio attualmente sembra essere ancora poco redditizio”.

Durante lo smontaggio di una batteria, il robot industriale procede con molta cautela.

Le soluzioni di automazione possono svolgere un ruolo decisivo nel rendere la mobilità elettrica ancora più sostenibile.

Anwar Al Assadi, team leader presso il Fraunhofer IPA

Lo smaltimento automatizzato delle batterie prende tre piccioni con una fava

La soluzione robotizzata è perfetta per affrontare i problemi elencati sopra. Ad esempio, un robot di assemblaggio KR QUANTEC, dotato di una capacità di carico di 270 kg, è stato gestito interamente dal software “pitasc”, sviluppato presso il Fraunhofer IPA e controllato tramite la KUKA.RobotSensorInterface, che ha facilitato il collegamento di sensori esterni. “In questo modo siamo riusciti a controllare in tempo reale importanti fasi di smantellamento e ad automatizzare vari processi, che prima dovevano essere eseguiti manualmente”. In questo modo, la tecnologia di smaltimento delle batterie di KUKA aiuta a risolvere tre problemi insieme: mitiga la carenza di manodopera specializzata, minimizza i rischi di sicurezza per i dipendenti e, grazie all’elevata efficienza, garantisce che il riciclaggio delle batterie sia anche economicamente vantaggioso.

Un robot a braccio articolato a 6 assi allenta viti o separa superfici incollate con la massima precisione.

Il sempre più stringente regolamento UE sulle batterie impone di adottare nuove misure

In ogni caso, i produttori devono prendere misure appropriate: infatti, dal 2023, la normativa europea sulle batterie molto più severa richiede, tra l’altro, che le nuove batterie contengano una percentuale maggiore di materiali riciclati, anche provenienti da paesi non europei.Il successo del progetto di ricerca a Stoccarda dimostra efficacemente quanto possa essere prezioso il supporto tecnico di KUKA.

L’automazione apre nuove possibilità nel riciclaggio delle batterie.

In questa occasione, il KR QUANTEC ha eseguito svariate operazioni: dallo svitamento delle viti all’apertura dei giunti di tenuta o allo scollegamento dei cavi. “La complessità nasce dal fatto che esiste un numero incredibile di sistemi di batterie diversi sul mercato”, afferma Anwar Al Assadi. “E, all’interno, ognuna è diversa”. In alcuni casi, i produttori modificano il design dei sistemi di batterie anche all’interno della stessa serie di veicoli.

I tipi di batteria e i modelli di auto elettriche sono quasi infiniti. Nessun problema per il KR QUANTEC

Con i suoi 6 assi, il KR QUANTEC è perfetto per questo lavoro: Con i suoi sei gradi di libertà, questo robot a braccio articolato può adattarsi in modo ottimale alle diverse dimensioni e geometrie del sistema della batteria e, grazie alla sua capacità di carico, può anche gestire coppie elevate. Era necessario anche un software, come la citata soluzione “pitasc” che, insieme all’hardware, fosse in grado di riconoscere il lavoro da svolgere, indipendentemente dal modello di batteria interessato.

La cella del progetto presso il Fraunhofer IPA dimostra la flessibilità del robot KUKA.

I sistemi di elaborazione delle immagini per il riconoscimento automatico di viti e altri componenti hanno reso superflua la programmazione manuale del KR QUANTEC per ogni singola fase del processo. Per evitare collisioni con i componenti, dopo ogni fase di smantellamento è stato effettuato un controllo successivo con l’utilizzo sensori e sistemi di telecamere 3D. Successivamente, i segnali sono stati trasmessi al sistema centrale di controllo del processo, garantendo così uno svolgimento sicuro del processo.

Grazie al suo design snello e all’ingombro ridotto, il QUANTEC può essere utilizzato per costruire un sistema flessibile e orientato al futuro.

Thomas Schmidberger, Global Business Development Manager Electronics

Sistemi flessibili gestiscono le batterie diverse

La complessità, afferma Al Assadi, nasce dal fatto che i produttori di auto devono inserire nelle batterie il maggior numero possibile di componenti nel minor spazio possibile. Ciò limita notevolmente gli spazi per i movimenti durante lo smantellamento. Tra le altre sfide vi sono la posizione variabile dei cavi o il gran numero di collegamenti di una batteria, che sono molto più difficili da staccare in modo automatizzato rispetto alle viti. “Ma abbiamo trovato soluzioni anche per questo, che ora vogliamo sviluppare ulteriormente per l’uso industriale”. È fondamentale costruire sistemi flessibili, anche perché il design delle batterie cambia radicalmente ogni sei mesi circa.

Il sistema del progetto Fraunhofer IPA può essere utilizzato in modo continuativo in ambito industriale.

Il KR QUANTEC: un robot interessante per un’ampia gamma di applicazioni

Infatti, uno dei grandi vantaggi della serie KR QUANTEC è la flessibilità: “Grazie al suo design snello e all’ingombro ridotto, il QUANTEC può essere utilizzato per costruire un sistema flessibile e orientato al futuro”, afferma Thomas Schmidberger, Global Business Development Manager Electronics di KUKA. “Inoltre, come tutti i robot KUKA, è dotato del certificato ESD di serie, per garantire una gestione sicura dei componenti sensibili alle scariche elettrostatiche”.

Il KR QUANTEC è in grado di svolgere qualsiasi lavoro senza problemi.

La nuova generazione del braccio articolato KR QUANTEC si distingue anche per la sua eccezionale efficienza energetica. Grazie al controller DC di serie, il consumo energetico è stato ridotto in modo significativo sia in movimento che in modalità standby. Durante i movimenti in fase di produzione, i robot a sei assi consumano circa il 30% di energia in meno rispetto al modello precedente – anche grazie al recupero dell’energia di frenata – e addirittura il 60% in meno nella modalità di funzionamento “Attesa nel controllo”.

Un robot industriale per lo smaltimento automatizzato ed altro ancora

Questo rende il robot KR QUANTEC a 6 assi interessante non solo per il riciclaggio delle batterie delle auto elettriche, ma anche per un’ampia gamma di altre applicazioni. Il suo sistema modulare con pochi componenti permette anche di personalizzare la tecnologia e di avere tempi di consegna rapidi, oltre a un basso Total Cost of Ownership (TCO). Questo perché presenta costi di manutenzione ridotti al minimo e un numero basso di pezzi di ricambio.

Il KR QUANTEC è caratterizzato da un’elevata flessibilità e da un basso TCO.

Inoltre, con una capacità di carico compresa tra i 120 e i 300 chilogrammi, i modelli della serie KR QUANTEC fanno parte della classe con carichi utili elevati, offrendo il più ampio portafoglio in fatto di carichi e raggi d’azione sul mercato in questa categoria. La possibilità di aumentare il carico utile direttamente in loco e i Motion Mode per un’elevata qualità di processo ne fanno un investimento intelligente e a prova di futuro in qualsiasi produzione.

Volume di mercato in rapida crescita

Questo vale anche per il settore dello smaltimento delle batterie, soprattutto perché l’industria dei veicoli elettrici è destinata a svilupparsi rapidamente nei prossimi anni: gli esperti prevedono che il volume del mercato globale dei veicoli elettrici aumenterà da poco meno di 420 miliardi di dollari (2022) a oltre 770 miliardi di dollari entro il 2028. Le serie di test di questo progetto hanno dimostrato come questo enorme potenziale possa essere sfruttato per il riciclaggio delle batterie da parte dei costruttori di automobili, dei produttori di batterie o delle società di riciclaggio. Le aziende interessate possono far testare dal Fraunhofer IPA la fattibilità dello smantellamento robotizzato dei loro prodotti. Inoltre, l’Istituto sta lavorando all’ottimizzazione iniziale dei prodotti che poi andranno smontati.

Grazie alla sua grande flessibilità, il KR QUANTEC è un elemento essenziale dell’impianto adibito ai test all’interno del Fraunhofer IPA.

La cooperazione tra KUKA e la ricerca

Tra l’altro, questo progetto non è stata un’esperienza nuova per nessuno dei partecipanti. Infatti, KUKA collabora strettamente
da decenni con l’istituto di ricerca per lo sviluppo e la sperimentazione delle sue tecnologie. Il primo robot KUKA per camera biancha è stato sviluppato congiuntamente circa 20 anni fa, seguito dalla certificazione ESD per decine di prodotti KUKA e da molti altri progetti.

Thomas Schmidberger di KUKA e Anwar Al Assadi, responsabile del progetto presso il Fraunhofer IPA, sono soddisfatti del successo della collaborazione.

Una cooperazione tra industria e ricerca, che ha dimostrato ancora una volta la sua utilità con “DeMoBat”: “Abbiamo costruito qui il più grande impianto di prova d’Europa per lo smantellamento delle batterie”, dichiara Anwar Al Assadi con orgoglio. “E abbiamo dimostrato come le soluzioni per l’automazione possano svolgere un ruolo decisivo, rendendo la mobilità elettrica ancora più sostenibile“.