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Die deutsche Wirtschaft ist bei kritischen Rohstoffen wie Lithium und seltenen Erden massiv von Importen abhängig. Forschende des Zukunftslabors Circular Economy zeigen am Beispiel von Windturbinen und Platinen, wie digitale Produktpässe und Zwillinge Ressourcen im Land halten und eine souveräne Kreislaufwirtschaft ermöglichen.
Wie können kritische Rohstoffe wie Lithium, Kobalt und seltene Erden möglichst lange im Wirtschaftskreislauf gehalten werden? Das Forschungsprojekt „Zukunftslabor Circular Economy“ entwickelt am Beispiel von Windturbinen und Platinen digitale Zwillinge und Produktpässe, um den gesamten Lebenszyklus von Investitionsgütern transparent zu machen. Durch diese digitale Abbildung werden Nutzungsphasen und Rückführungspotenziale präzise analysiert, was die unverzichtbare Grundlage für Urban Mining und eine nationale Versorgungssicherheit schafft. Erfahren Sie, wie Forschende in Oldenburg und Clausthal-Zellerfeld die technologische Basis für eine resiliente Kreislaufwirtschaft legen.
Die strategische Notwendigkeit der Kreislaufwirtschaft
Die Sicherung kritischer Rohstoffe für Deutschland hat oberste Priorität gewonnen. Materialien wie Lithium, Kobalt, Nickel und seltene Erden (etwa Neodym) sind das Rückgrat moderner Technologien, vom Elektroauto bis zur Windkraftanlage. Da Deutschland über keine nennenswerten eigenen Vorkommen dieser Stoffe verfügt, ist die Volkswirtschaft massiv von Importen abhängig. Diese Abhängigkeit erweist sich in Zeiten globaler Handelskonflikte als strategische Schwachstelle.
Das Forschungsprojekt „Zukunftslabor Circular Economy“, mit Standorten in Oldenburg und Clausthal-Zellerfeld, adressiert genau dieses Problem. Die zentrale Forschungsfrage lautet: Wie lässt sich der lineare Verbrauch („Take-Make-Waste“) in ein zirkuläres System überführen, in dem Rohstoffe nicht entsorgt, sondern als wertvolle Ressourcen dauerhaft im Kreislauf verbleiben? Die Antwort der Forschenden liegt in der Digitalisierung.
Urban Mining: Der anthropogene Lagerbestand als Ressource
Ein wesentlicher Pfeiler des Projekts ist das Konzept des Urban Mining. Dieser Ansatz betrachtet die gesamte bebaute Umwelt, also Gebäude, Infrastrukturen und langlebige Konsumgüter, als ein riesiges Rohstofflager, den sogenannten anthropogenen Lagerbestand. Ziel ist es, diese bereits verbauten Materialien nach ihrer Nutzungsphase systematisch zurückzugewinnen.
Um Urban Mining effektiv betreiben zu können, müssen drei Kernfragen beantwortet werden, die bisher oft an fehlender Datentransparenz scheiterten:
- Bestandsaufnahme: Welche exakten Mengen welcher Rohstoffe sind aktuell in welchen Produkten im Umlauf?
- Zeitpunkt der Rückführung: Wann endet die erste Nutzungsphase, sodass die Rückgewinnungsprozesse (Recycling oder Refurbishment) eingeleitet werden können?
- Methodik: Welche technologischen Verfahren sind am besten geeignet, um einen qualitativ hochwertigen Anteil der Stoffe zurückzugewinnen?
Die Beantwortung dieser Fragen erfordert eine lückenlose Dokumentation, die über den gesamten Lebenszyklus eines Produkts hinweg Bestand hat. Hier kommen die digitalen Ansätze des Zukunftslabors ins Spiel.
Digitale Zwillinge: Präzision in der Abbildung
Die Forschenden nutzen Digitale Zwillinge (Digital Twins), um komplexe Produkte wie Windturbinen und elektronische Platinen virtuell abzubilden. Ein digitaler Zwilling ist weit mehr als nur ein CAD-Modell; er ist ein lebendiges Datenabbild eines realen Objekts, das Informationen über dessen Zusammensetzung, Zustand und Funktionsweise bündelt.
„Digitale Zwillinge sind digitale Abbildungen realweltlicher Objekte. Ziel ist es, die Objekte so detailliert wie möglich zu beschreiben: Welche Rohstoffe sind enthalten? In welchem Zusammenhang stehen einzelne Bauteile? Welche Informationen sind relevant, um Urban Mining zu ermöglichen? Je detaillierter die Beschreibung ist, desto besser können Möglichkeiten zur Rohstoffverwertung ermittelt werden.“
Prof. Dr. Benjamin Leiding vom Institute for Software and Systems Engineering der Technischen Universität Clausthal
Am Beispiel von Windturbinen wird die Relevanz deutlich: Deutschland betreibt zehntausende Anlagen. Diese enthalten in ihren Permanentmagneten beträchtliche Mengen an Neodym und anderen seltenen Erden. Bisher fehlen jedoch oft die standardisierten Prozesse, um diese wertvollen Komponenten nach dem Rückbau der Anlagen (Repowering) gezielt zu identifizieren und stofflich zu verwerten. Der digitale Zwilling macht sichtbar, wo genau im Turm oder in der Gondel welche Legierungen verbaut sind.
Der Digitale Produktpass: Der Zeitstrahl der Nachhaltigkeit
Ergänzend zum digitalen Zwilling entwickelt das Forschungsteam den Digitalen Produktpass (DPP). Während der digitale Zwilling den strukturellen Aufbau fokussiert, dokumentiert der Produktpass die Historie. Er fungiert als digitaler Lebenslauf, der Informationen von der Rohstoffgewinnung über die Produktion und Nutzung bis hin zur Entsorgung speichert.
Hintergrund dieser Entwicklung ist auch die europäische Gesetzgebung, insbesondere die Ecodesign for Sustainable Products Regulation (ESPR) der EU. Diese sieht vor, dass für eine Vielzahl von Produktgruppen künftig digitale Pässe verpflichtend werden, um die Transparenz und Reparierbarkeit zu erhöhen. Im Zukunftslabor wird untersucht, wie diese Pässe technisch so gestaltet werden können, dass sie für alle Akteure der Wertschöpfungskette, vom Hersteller bis zum Entsorger, nutzbar sind.
Bei Platinen, die beispielsweise in Pedelecs oder Industriemotoren verbaut sind, enthalten die Produktpässe Informationen über Zinn, Kupfer und Kobalt. Da elektronische Bauteile oft sehr kleinteilig und komplex verbaut sind, ist dieses Wissen entscheidend für automatisierte Sortier- und Recyclinganlagen, die den Materialstrom effizient trennen müssen.
Die Hürde der Datenverfügbarkeit
Trotz der technologischen Fortschritte stößt das Projekt auf eine signifikante Barriere: den Mangel an validen Daten. Die Forschenden stellen fest, dass Informationen über Materialzusammensetzungen oft als Betriebsgeheimnisse behandelt werden oder schlichtweg nicht digital vorliegen. Prof. Dr. Benjamin Leiding beschreibt das aktuelle Informationsdefizit: „Es gestaltet sich schwierig, die benötigten Daten zu erhalten. Derzeit zeichnet sich eine Landkarte unvollständiger Produktinformationen ab. Sollte sich dieses Informationsdefizit bei weiterer Recherche nicht bessern, wäre auch das eine wichtige Erkenntnis: aufzuzeigen, welche Informationen fehlen, um das Urban Mining sinnvoll vorantreiben zu können.“
Diese Erkenntnis ist von politischer Tragweite. Sie zeigt auf, dass für eine funktionierende Circular Economy nicht nur technische Lösungen, sondern auch regulatorische Rahmenbedingungen nötig sind, die den Datenaustausch zwischen Herstellern und Recyclingunternehmen forcieren.
Sozio-ökonomische Faktoren und Rückgabemotivation
Ein weiterer innovativer Aspekt des Zukunftslabors Circular Economy ist die Untersuchung menschlicher Verhaltensweisen. Die beste Rückgewinnungstechnologie ist wirkungslos, wenn defekte oder veraltete Produkte in Kellern lagern oder über unsachgemäße Kanäle entsorgt werden.
In den kommenden Forschungsjahren untersuchen die Experten, welche Anreizsysteme und Strukturen Nutzer dazu bewegen, Produkte mit kritischen Rohstoffen aktiv in den Kreislauf zurückzuführen. Hierbei spielen digitale Systeme, etwa Apps zur einfachen Registrierung von Altgeräten oder automatisierte Pfandsysteme, eine zentrale Rolle. Es geht darum, die Rückgabe so einfach und lohnenswert wie möglich zu gestalten.
Politischer Kontext: Der EU Critical Raw Materials Act
Die Arbeit des Zukunftslabors fügt sich nahtlos in die Ziele des EU Critical Raw Materials Act (CRMA) ein. Dieses Gesetz sieht vor, dass bis 2030 mindestens 25 % des jährlichen Verbrauchs der EU an strategischen Rohstoffen aus heimischem Recycling stammen sollen. Um diese ehrgeizigen Quoten zu erreichen, ist die präzise Kenntnis über den anthropogenen Lagerbestand, wie sie durch digitale Zwillinge und Produktpässe ermöglicht wird, technisch alternativlos.
