Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Einhaltung von Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft

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Die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und das Erreichen von Nachhaltigkeitszielen wird immer komplexer und erfordert zuverlässige, umfassende Daten aus verschiedenen Perspektiven. Unternehmen benötigen genaue Tracking- und Berichtssysteme, die die Einhaltung sich ständig weiterentwickelnder Gesetze und Standards gewährleisten.

Gleichzeitig erfordert die Erreichung von Nachhaltigkeitszielen genaue Kenntnisse zu Materialeigenschaften, Recyclingfähigkeit und das Potenzial für die Wiederverwertung.

Umfassende Datenmanagement- und Integrationssysteme bilden die Grundlage für eine effektive Analyse dieser Faktoren und helfen Unternehmen dabei, ihre betrieblichen Abläufe sowohl an Nachhaltigkeitszielen als auch an gesetzlichen Vorschriften auszurichten.

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Die aktuelle Lage

Moderne Industrien sind auf kritische Rohstoffe wie Nickel, Magnesium und Seltenerdelemente angewiesen, um eine Vielzahl von Produkten herzustellen. Diese Rohstoffe sind häufig mit Schwachstellen in der Lieferkette konfrontiert, die durch globale Krisen wie Pandemien, geopolitische Spannungen oder ausgesetzte Handelsabkommen noch verschärft werden. Die Folge sind häufige Lieferengpässe, die die Produktion stören und die industrielle Nachhaltigkeit gefährden.

 Darüber hinaus trägt die Abhängigkeit von Primärquellen für diese Rohstoffe zu erheblichen Umwelt- und Ressourcenproblemen bei. Die langsame Einführung von Recyclingmethoden und die Unfähigkeit, Sekundärmaterialien effizient wiederzuverwenden, verschärfen diese Probleme noch. Das Fehlen standardisierter Methoden zur Bewertung der funktionalen Zuverlässigkeit von recycelten Materialien behindert den Übergang zu nachhaltigen Praktiken zusätzlich.

Die Industrie braucht einen Paradigmenwechsel, weg von der Abhängigkeit von zusammensetzungsbasierten Materialspezifikationen hin zu funktionsbasierten Spezifikationen, um diese Schwachstellen wirksam zu beheben. Auf diese Weise kann sie den Ersatz kritischer Materialien ermöglichen, recycelte Materialien nahtlos integrieren und eine nachhaltigere und widerstandsfähigere Lieferkette fördern.

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Project Example: ORCHESTER

Das Fraunhofer-Leitprojekt ORCHESTER wurde ins Leben gerufen, um diesen dringenden Herausforderungen zu begegnen. Es entwickelt ein digitales Ökosystem, das eine nachhaltige und widerstandsfähige Versorgung mit funktional zuverlässigen Materialien sicherstellen soll. ORCHESTER wurde im Januar 2024 gestartet und umfasst sechs Fraunhofer-Institute. Das Projekt verfolgt einen interdisziplinären Ansatz, um innovative Lösungen für das Management kritischer Materialien zu entwickeln.

 Das Projekt zielt darauf ab, das Spektrum der verwendbaren Materialien zu erweitern, den Anteil recycelter Inhaltsstoffe in Produktionsprozessen zu erhöhen und die Abhängigkeit von Seltenen Erden aus Primärquellen zu verringern. Im Mittelpunkt von ORCHESTER steht die Umstellung von traditionellen Materialspezifikationen auf der Grundlage der Zusammensetzung auf Spezifikationen auf der Grundlage funktioneller Eigenschaften, wodurch eine schnellere Substitution kritischer Materialien ermöglicht und die Widerstandsfähigkeit der Materialversorgung gefördert wird.

 

Kern-Demonstratoren:

  • Reduzierung des Nickelanteils in Bipolarplatten. ORCHESTER untersucht Methoden zur Reduzierung des Nickelanteils in Bipolarplatten, die in Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und Wärmetauschern verwendet werden: Komponenten, deren Kosten stark von Nickel beeinflusst werden, einem kritischen Element mit hohem Risiko. Durch die Beibehaltung der wesentlichen Funktionseigenschaften dieser Platten minimiert das Projekt die Abhängigkeit von Nickel, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.
  • Erhöhung des Recyclinganteils in Aluminiumlegierungen. Das Projekt zielt auf Kompressorräder für Wasserstoffpipelines, Brennstoffzellen und Wärmepumpen ab, um die Verwendung von Sekundäraluminiumlegierungen zu maximieren. Mit Hilfe von experimentellen und Simulationsmethoden mit hohem Durchsatz werden wirksame Legierungsvarianten identifiziert, um den Energieverbrauch zu senken und gleichzeitig die Materialintegrität zu gewährleisten.
  • Recycling von Permanentmagneten. Ein Schwerpunkt liegt auf der Wiederverwendung von Permanentmagneten aus Elektromotoren und Windkraftanlagen. ORCHESTER nutzt fortschrittliche Simulationsmodelle und maschinelle Lernverfahren, um die Auswirkungen von Verunreinigungen auf die magnetische Leistung vorherzusagen und optimale Legierungszusammensetzungen zu ermitteln.

Das Team Materialinformatik am Fraunhofer IWM leitet die Entwicklung des digitalen Ökosystems von ORCHESTER, das Daten entlang der gesamten Wertschöpfungskette integriert und vernetzt. Diese Plattform bietet Tools zur Erforschung und Erweiterung von Materialdaten, ermöglicht proaktive Entscheidungen durch Frühwarnungen zu Materialflüssen und Kritikalität und liefert datengestützte Empfehlungen auf Basis von KI-basierten Erkenntnissen.

 Das Institut spielt eine entscheidende Rolle in allen drei Demonstratoren, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Erhöhung des Recyclinganteils in Aluminiumlegierungen durch das Management von Verunreinigungen liegt. Das Fraunhofer IWM trägt auch zu Modellierungs- und Simulationsbemühungen für die Materialauswahl und -spezifikation sowie zu Kritikalitätsbewertungen für Permanentmagnete bei. Sowohl physikalische Modelle als auch KI-Methoden werden eingesetzt, um die Zuverlässigkeit von Materialeigenschaften und Prozessen zu verbessern.

Projektprofil ORCHESTER

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