A desmontagem industrial de baterias torna os carros elétricos ainda mais sustentáveis

Carros elétricos estão em alta – mas o que acontece com as grandes quantidades de baterias obsoletas? O Fraunhofer IPA testou com sucesso como a desmontagem industrial de baterias funciona com a ajuda de um KR QUANTEC da KUKA. O objetivo: tornar o uso de carros elétricos ainda mais sustentável.

Cada vez mais carros elétricos – Reciclagem de baterias como solução?

Em março de 2023, os Estados-Membros da UE tomaram uma decisão de grande alcance: a partir de 2035, somente serão permitidos veículos de passageiros e furgões de pequeno porte novos emplacados com emissões zero na Europa. O mais tardar a partir dessa data uma coisa é certa: o futuro do ramo automotivo está na eletromobilidade. Isso também é confirmado pelos prognósticos: se em 2022 rodavam cerca de 27,7 milhões de carros elétricos, segundo a Agência Internacional da Energia (AIE), até 2030 serão mais de 226 milhões. Na Alemanha, quase um quarto de todos os carros de passeio serão carros elétricos – atualmente são apenas dois por cento.

Robô industrial permite a reciclagem de matérias-primas valiosas

Só há um problema: com cada vez mais veículos elétricos cresce também o grande volume de baterias obsoletas. Pois, atualmente, elas têm uma vida útil média de cerca de dez anos. Ao mesmo tempo, as matérias-primas tornam-se cada vez mais escassas e caras para a sua produção. Uma solução: reciclar! E aqui entram em jogo os robôs industriais da KUKA, mais precisamente: o robô industrial KR QUANTEC. Com a sua ajuda, o Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Produção e Automação IPA, em Stuttgart, mostrou como isso funciona – no projeto de pesquisa "DeMoBat – Desmontagem industrial de baterias e motores elétricos".

Entre o Fraunhofer IPA em Stuttgart e a KUKA existe uma parceria de muitos anos.

Doze parceiros pesquisaram em conjunto ao longo de vários anos

Durante vários anos especialistas de doze parceiros estudaram como as baterias de carros elétricos podem ser recicladas de forma sustentável e também econômica. Ao todo foram estabelecidas oito aplicações no projeto, que poderiam ser usadas plenamente como ferramentas de demonstração e de teste para a operação industrial contínua. Aqui o foco se concentrava na desmontagem das baterias de carros elétricos. Pois o pré-requisito para a reciclagem dos componentes é uma desmontagem seletiva em suas partes integrantes – e isso não é tão simples assim.

Desmontagem de baterias: complexa e com perigo de vida

"A desmontagem de baterias traz consigo três grandes desafios", explica Anwar Al Assadi, Chefe de Equipe no Fraunhofer IPA. "Em primeiro lugar, para isso são necessários profissionais especialmente qualificados, pois trabalhar com tecnologias de alta tensão requer uma formação especial e, muitas vezes, demorada. Em segundo lugar, devido à elevada tensão e gases perigosos, a desmontagem manual está associada a um risco para a saúde, podendo, no pior dos casos, ocorrer uma auto-ignição. E, em terceiro lugar, a desmontagem manual é muito demorada e, consequentemente, dispendiosa. Isso faz com que a reciclagem pareça ainda não rentável no momento."

O robô industrial procede com cautela na desmontagem de baterias.

As soluções de automação podem desempenhar um papel determinante para tornar a eletromobilidade ainda mais sustentável.

Anwar Al Assadi, Chefe de Equipe no Fraunhofer IPA

A desmontagem automatizada de baterias mata três moscas de uma só vez

Desafios predestinados para uma solução baseada em robô. Assim, um robô de montagem KR QUANTEC, com uma capacidade de carga de 270 quilogramas, foi totalmente operado pelo software "pitasc" desenvolvido no Fraunhofer IPA, bem como através da KUKA.RobotSensorInterface, o que facilitou a vinculação de sensores externos. "Dessa forma pudemos regular importantes passos de desmontagem em tempo real e, consequentemente, automatizar diversos procedimentos, que até então tinham que ser feitos manualmente." Com isso a tecnologia da KUKA ajuda a solucionar três problemas de uma vez: ela reduz a escassez de mão de obra, minimiza o risco de segurança para os colaboradores e faz com que através da eficiência a reciclagem de baterias também compense do ponto de vista econômico.

Com máxima precisão o robô de braço articulado de 6 eixos solta parafusos ou colagens.

Diretiva de Baterias da UE, consideravelmente mais rigorosa, obriga à adoção de medidas

De qualquer forma, os fabricantes devem abordar este tema: uma Diretiva de Baterias da UE significativamente mais rigorosa exige, desde 2023, que as novas baterias incluam um aumento da parcela de materiais reciclados, mesmo que estes tenham sido importados para a Europa. O sucesso do projeto de pesquisa em Stuttgart mostra de forma impressionante o quão valioso pode ser o suporte técnico da KUKA.

A automação abre novas possibilidades na reciclagem de baterias.

Aqui o KR QUANTEC realizou os mais diferentes passos de trabalho: desde soltar parafusos até a abertura de juntas de vedação ou o corte de cabos. "O complicado é que incrivelmente existem muitos sistemas de baterias diferentes no mercado", diz Anwar Al Assadi. "E cada um é diferente por dentro." Em parte, os fabricantes mudam a estrutura dos sistemas de baterias até mesmo dentro da mesma série de veículos.

Não importa qual bateria de qual carro elétrico: O KR QUANTEC sabe lidar com isso

Como robô de 6 eixos o KR QUANTEC é o certo aqui: com os seus seis graus de liberdade, o robô de braço articulado pode se ajustar de forma ideal às diferentes medidas e geometrias do sistema de baterias e, graças à sua capacidade de carga, também domina os elevados torques. É necessário um software como a chamada solução "pitasc", que em interação com o hardware reconheça o que deve ser feito, independente do respectivo modelo de bateria.

A estrutura de projeto do Fraunhofer IPA mostra a flexibilidade do robô KUKA.

Suporte de sistemas de processamento de imagens para a detecção automática de parafusos e outros componentes, tornam desnecessária a aprendizagem manual do KR QUANTEC para cada passo de processo. Para evitar colisões com componentes, após cada passo de desmontagem ocorreu um controle dos resultados através de sensores e sistemas de câmera 3D. Em seguida, os sinais foram transmitidos ao controle de processo central e, com isso, foi assegurado um fluxo de processo seguro.

Devido à sua geometria esguia e seu pequeno footprint, é possível construir uma instalação flexível e orientada ao futuro com o QUANTEC.

Thomas Schmidberger, Global Business Development Manager Electronics

Instalações flexíveis dominam baterias dos mais diferentes modos de construção

Segundo Al Assadi, o complicado é que os fabricantes automotivos precisam colocar nas baterias o máximo de componentes possível em espaços apertados. Isso restringe extremamente o espaço de movimento na desmontagem. Outros desafios são a posição variável de cabos ou as muitas colagens de uma bateria, que são muito mais difíceis de remover de forma automatizada do que parafusos. "Mas também para isso encontramos soluções que queremos aprimorar agora para o uso industrial." O essencial é construir instalações flexíveis – até porque o design das baterias mudou radicalmente num intervalo de seis meses.

A instalação de projeto do Fraunhofer IPA poderia ser usada para a operação industrial contínua.

KR QUANTEC: atraente para inúmeras áreas de aplicação

Para isso a versatilidade é uma das grandes vantagens da série KR QUANTEC: "Devido à sua geometria esguia e seu pequeno footprint, é possível construir uma instalação flexível e orientada ao futuro com o QUANTEC", diz Thomas Schmidberger, Global Business Development Manager Electronics na KUKA. "Além disso, como todos os robôs KUKA, ele possui a certificação ESD, para garantir um manuseio seguro com componentes sensíveis à eletrostática."

Cada pegada de "mão" é perfeita no KR QUANTEC.

Além disso, a nova geração do robô de braço articulado KR QUANTEC convence através da eficiência energética especial, graças ao controlador DC padrão: tanto no movimento como também no modo standby foi possível reduzir significativamente o consumo de energia. No movimento de produção os robôs de seis eixos – entre outros, através da recuperação de energia de frenagem – demandam cerca de 30 por cento menos energia do que o modelo anterior e, no estado de operação "Aguardar no controle servo", chega a ser 60 por cento menos.

Um robô industrial que consegue fazer ainda mais do que a desmontagem automatizada

Assim, o robô KR QUANTEC de 6 eixos não é apenas atraente para a reciclagem de baterias de carros elétricos, mas também para diversas áreas de aplicação. O seu sistema modular esguio promete, além disso, tecnologia sob medida e rápidos prazos de entrega – e, em última análise, um baixo Total Cost of Ownership (TCO). Pois o custo de manutenção é minimizado e a quantidade de peças de reposição é reduzida.

A alta flexibilidade e um TCO baixo destacam o KR QUANTEC.

Com 120 até 300 quilogramas os modelos da série KR QUANTEC também fazem parte da alta classe de carga e nesta área possuem o maior portfólio de capacidades de carga e raios de alcance do mercado. A possibilidade de aumentar a capacidade de carga no campo, e os Motion Modes para a alta qualidade de processo, os tornam um investimento tão útil quanto o investimento seguro no futuro de qualquer produção.

O volume de mercado cresce rapidamente

Isso também se aplica ao campo da desmontagem de baterias, até porque a indústria de carros elétricos se desenvolverá rapidamente nos próximos anos: especialistas esperam que o volume do mercado global de veículos elétricos passe de quase US$ 420 bilhões (2022) para mais de US$ 770 bilhões até 2028. Como este grande potencial poderia ser explorado, no que diz respeito ao recycling de baterias da Auto OEMS (por exemplo, com EV-Recycling inhouse), fabricantes de baterias ou empresas de reciclagem, mostrou-se agora pelas séries de testes do projeto. Empresas interessadas podem solicitar a verificação da viabilidade de uma desmontagem apoiada por robô dos seus produtos no Fraunhofer IPA. Além disso, o instituto está trabalhando para otimizar inicialmente os produtos para a desmontagem.

Com a sua grande flexibilidade o KR QUANTEC é um elemento essencial na instalação experimental no Fraunhofer IPA.

A cooperação entre a KUKA e a ciência deu provas da sua eficácia

Aliás, o trabalho do projeto não foi uma experiência nova para todos os envolvidos: no desenvolvimento e teste de suas tecnologias a KUKA trabalha há décadas em cooperação de confiança com o instituto de pesquisa. Assim, há cerca de 20 anos, foi desenvolvido em conjunto o primeiro robô de sala limpa da KUKA, em seguida vieram as certificações ESD de dezenas de produtos KUKA e muitos outros projetos.

Thomas Schmidberger da KUKA e Anwar Al Assadi, Gerente de Projeto no Fraunhofer IPA, se alegram pela cooperação bem-sucedida.

Uma interação entre a indústria e ciência, que mais uma vez se comprovou no "DeMoBat": "Construímos aqui a maior instalação experimental da Europa para a desmontagem de baterias", diz Anwar Al Assadi orgulhosamente. "Com isso mostramos como as soluções de automação podem desempenhar um papel determinante para tornar a eletromobilidade ainda mais sustentável."