Díky průmyslovému rozebírání baterií jsou elektromobily ještě udržitelnější

Elektromobily zažívají boom – ale co se vlastně stane s obrovským množstvím použitých baterií? Ústav Fraunhofer IPA úspěšně otestoval způsob fungování průmyslového rozebírání baterií pomocí robotů KR QUANTEC od společnosti KUKA. Cílem bylo učinit používání elektromobilů ještě udržitelnějším.

Stále více elektromobilů – recyklace baterií jako řešení?

V březnu 2023 přijaly státy EU rozhodnutí s dalekosáhlými důsledky: Od roku 2035 bude možné v Evropě registrovat pouze automobily a malé dodávky s nulovými emisemi. Nejpozději od tohoto okamžiku je jasné: Budoucnost automobilového průmyslu spočívá v e-mobilitě. To ukazují i prognózy: Zatímco v roce 2022 jezdilo po světě asi 27,7 milionu elektrických vozidel, podle Mezinárodní energetické agentury (IEA) to bude v roce 2030 více než 226 milionů. V Německu budou téměř čtvrtina všech aut tvořit elektromobily – v současnosti jsou to jen dvě procenta.

Průmyslové roboty umožňují recyklaci cenných surovin

Je tu ovšem jeden problém: Se stále větším počtem elektromobilů roste také množství použitých baterií. V současnosti mají totiž baterie průměrnou životnost kolem deseti let. Suroviny na jejich výrobu jsou přitom stále vzácnější a dražší. Řešení: Recyklace! A zde vstupují do hry průmyslové roboty od společnosti KUKA, přesněji: průmyslový robot KR QUANTEC. S jeho pomocí Fraunhoferův ústav pro výrobní techniku a automatizaci IPA ve Stuttgartu předvedl, jak to lze provést – a to v rámci výzkumného projektu „DeMoBat – Průmyslové rozebírání baterií a elektromotorů“.

Ústav Fraunhofer IPA ve Stuttgartu a společnost KUKA spojuje dlouhodobé partnerství.

Dvanáct partnerů zkoumalo společně pod dobu několika let

Během několika let odborníci z dvanácti partnerských společností zkoumali, jak lze baterie z elektromobilů znovu recyklovat způsobem, který by byl trvale udržitelný a ekonomicky životaschopný. Celkem bylo v projektu plně vyvinuto osm aplikací jako demonstrační a testovací nástroje, které lze použít pro nepřetržitý průmyslový provoz. Důraz byl při tom kladen na rozebírání baterií elektromobilů. Předpokladem pro recyklaci součástí je třídění na jednotlivé součástky – a to není tak snadné.

Rozebírání baterií: složitá a životu nebezpečná

„Rozebírání baterií představuje tři hlavní výzvy,“ vysvětluje Anwar Al Assadi, vedoucí projektu v ústavu Fraunhofer IPA. „Za prvé potřebujete speciálně kvalifikované odborníky, protože práce s vysokonapěťovými technologiemi vyžaduje speciální a často časově náročné školení. Za druhé, ruční rozebírání je spojena se zdravotním rizikem kvůli vysokému napětí a nebezpečným plynům, v nejhorším případě může dojít k samovznícení. A za třetí, ruční rozebírání trvá velmi dlouho a je patřičně nákladná. To často způsobuje, že se recyklace v současnosti zdá stále ještě nerentabilní.“

Průmyslový robot postupuje při rozebírání baterií velmi opatrně.

Automatizační řešení mohou hrát klíčovou roli v tom, aby byla e-mobilita ještě udržitelnější.

Anwar Al Assadi, vedoucí projektu v ústavu Fraunhofer IPA

Automatizované rozebírání baterií zabíjí tři mouchy jednou ranou

Výzvy jako stvořené pro robotické řešení. A tak byl montážní robot KR QUANTEC s užitečným zatížením 270 kg uveden do provozu se softwarem „pitasc“, který byl vyvinut v ústavu Fraunhofer IPA a vybaven řídicí jednotkou s rozhraním KUKA.RobotSensorInterface, což usnadnilo připojení externích snímačů. „Tímto způsobem jsme byli schopni řídit důležité kroky rozebírání v reálném čase, a tím automatizovat různé procesy, které bylo dříve nutné provádět ručně.“ To znamená, že technologie KUKA při rozebírání baterií pomáhá vyřešit tři problémy najednou: snižuje nedostatek kvalifikovaných pracovníků, minimalizuje bezpečnostní riziko pro zaměstnance a díky své efektivitě zajišťuje, že recyklace baterií se vyplatí i ekonomicky.

6osý robot s kloubovým ramenem uvolňuje šrouby nebo spoje s nejvyšší přesností.

Výrazně přísnější nařízení EU o bateriích nutí k jednání

Výrobci se stejně musí v této otázce posunout dále: Od roku 2023 výrazně přísnější nařízení EU o bateriích mimo jiné vyžaduje, aby nové baterie obsahovaly zvýšený podíl recyklovaných materiálů – i když byly do Evropy dovezeny. Úspěšný výzkumný projekt ve Stuttgartu působivě ukazuje, jak cenná může být technická podpora společnosti KUKA.

Automatizace otevírá zcela nové možnosti v oblasti recyklaci baterií.

Robot KR QUANTEC prováděl širokou škálu pracovních kroků: od povolování šroubů po otevírání těsnících spojů nebo oddělování kabelů. „Problémem je, že na trhu existuje neuvěřitelné množství různých bateriových systémů,“ vysvětluje Anwar Al Assadi. „A každý vypadá uvnitř jinak.“ V některých případech výrobci upravili strukturu bateriových systémů i v rámci stejné řady vozidel.

Bez ohledu na to, která baterie z kterého elektromobilu: KR QUANTEC ví, jak si s tím poradit

Ve verzi 6osého robota je KR QUANTEC na správném místě: Díky svým šesti stupňům volnosti se kloubový robot dokáže optimálně přizpůsobit různým rozměrům a geometriím bateriového systému a jeho užitečné zatížení znamená, že zvládne i vysoké krouticí momenty. Proto je potřeba software, jako je zmíněné řešení „pitasc“, které ve spojení s hardwarem rozpozná, co je třeba udělat, bez ohledu na příslušný model baterie.

Struktura projektu ústavu Fraunhofer IPA ukazuje flexibilitu robota KUKA.

Podpůrné systémy zpracování obrazu pro automatické rozpoznání šroubů a dalších součástí způsobily, že ruční školení robota KR QUANTEC nebylo nutné pro každý jednotlivý krok procesu. Aby se předešlo kolizím se součástmi, byla po každém kroku rozebírání provedena kontrola úspěšnosti pomocí snímačů a 3D kamerových systémů. Signály byly poté přeneseny do centrálního řízení procesu, čímž byl zajištěn bezpečný průběh procesu.

Díky štíhlé geometrii a malému půdorysu lze na základě modelu QUANTEC vybudovat flexibilní a na budoucnost zaměřený systém.

Thomas Schmidberger, Global Business Development Manager Electronics

Flexibilní systémy si poradí s bateriemi různých provedení

Co je složité, říká Al Assadi, je to, že výrobci automobilů musí umístit co nejvíce komponentů na velmi malý prostor v bateriích. To extrémně omezuje volnost pohybu při rozebírání. Mezi další problémy patří různé polohy kabelů nebo mnoho adhezních bodů na baterii, které je mnohem obtížnější odstranit automaticky než šrouby. „Ale i pro tento problém jsme našli řešení, která nyní chceme dále vyvíjet pro průmyslové využití. Je zásadní vybudovat flexibilní systémy – v neposlední řadě proto, že provedení baterií se každých šest měsíců zásadně mění.“

Projektový systém ústavu Fraunhofer IPA by mohl být použit pro nepřetržitý průmyslový provoz.

KR QUANTEC: atraktivní pro širokou škálu aplikací

Všestrannost je v tomto kontextu jednou z velkých výhod řady robotů KR QUANTEC: „Díky štíhlé geometrii a malému půdorysu lze na základě modelu QUANTEC vybudovat flexibilní a na budoucnost zaměřený systém,“ říká Thomas Schmidberger, Global Business Development Manager Electronics ve společnosti KUKA. „Stejně jako všechny ostatní roboty KUKA má také standardně certifikaci ESD, která zajišťuje bezpečnou manipulaci s elektrostaticky citlivými součástmi.“

Nová generace robota s kloubovým ramenem KR QUANTEC navíc zaujme zvláštní energetickou účinností díky standardnímu DC ovladači: Spotřeba energie byla výrazně snížena jak v pohybu, tak v pohotovostním režimu. Během výroby spotřebuje 6osý robot asi o 30 procent méně energie než předchozí model – částečně rekuperací brzdné energie – a v provozním stavu „Čekat v regulaci“ je to dokonce o 60 procent méně.

Průmyslový robot, který umí ještě víc než jen automatizované rozebírání

Díky tomu je 6osý robot KR QUANTEC atraktivní nejen pro recyklaci baterií elektromobilů, ale také pro různé oblasti použití. Jeho tenký modulární systém také slibuje technologii přizpůsobenou na míru a rychlé dodací lhůty – a konečným výsledkem jsou nízké celkové náklady na vlastnictví (TCO). Náklady na údržbu jsou totiž minimalizovány a počet náhradních dílů je snížen.

KR QUANTEC se vyznačuje vysokou flexibilitou a nízkými TCO.

Se 120 až 300 kilogramy patří modely řady KR QUANTEC kromě toho do třídy vysokého zatížení a mají v této oblasti největší portfolio zatížení a dosahu na trhu. Možnost upgradovat nosnost v terénu a režimy Motion pro vysokou kvalitu procesu z něj činí rozumnou a bezpečnou investici do budoucnosti jakékoli výroby.

Objem trhu rychle roste

To platí také pro oblast rozebírání baterií, zejména proto, že se průmysl elektromobilů bude v následujících letech rychle rozvíjet: Odborníci očekávají, že se celosvětový objem trhu s elektromobily do roku 2028 zvýší z necelých 420 miliard USD (2022) na více než 770 miliard USD. Série testů v rámci projektu nyní ukázala, jak by tento velký potenciál mohli využít výrobci originálních dílů automobilů (např. vlastní recyklací elektromobilů), výrobci baterií nebo recyklační společnosti. Společnosti, které projeví zájem, si mohou nechat ověřit proveditelnost robotického rozebírání svých výrobků v ústavu Fraunhofer IPA. Ústav také pracuje na prvotní optimalizaci produktů pro účely rozebírání.

Díky své velké flexibilitě je KR QUANTEC základním prvkem v testovacím zařízení v ústavu Fraunhofer IPA.

Spolupráce mezi společností KUKA a vědou se osvědčila

Mimochodem, práce na projektu nebyla pro nikoho ze zúčastněných nová zkušenost: Společnost KUKA již desítky let úzce spolupracuje s výzkumným ústavem na vývoji a testování svých technologií. První robot pro čisté prostory KUKA byl společně vyvinut asi před 20 lety, následovala certifikace ESD desítek produktů KUKA a mnoho dalších projektů.

Thomas Schmidberger ze společnosti KUKA a Anwar Al Assadi, vedoucí projektu v ústavu Fraunhofer IPA, mají radost z úspěšné spolupráce.

Interakce mezi průmyslem a vědou, která se opět osvědčila v projektu „DeMoBat“: „Vybudovali jsme zde největší evropské testovací zařízení pro rozebírání baterií,“ říká Anwar Al Assadi s patřičnou hrdostí. „A tím jsme také ukázali, jak mohou automatizační řešení hrát rozhodující roli při vytváření e-mobility ještě udržitelnější.“