Van afval tot grondstof dankzij karakterisatie van afvalstromen

Afvalrecyclage is vandaag hightech én broodnodig. Een slimme karakteriseringstechnologie maakt het nu mogelijk om op industrieel niveau een schijnbaar homogene afvalstroom on the fly tot in detail te doorgronden.

De Universiteit Gent en VITO zetten de volgende stap naar een efficiënte karakterisering van afvalstoffen, ook voor metaalrecyclage. Deze Characterize-to-Sort-technologie laat toe om met sensoren automatisch belangrijke fysieke parameters van alle afvaldeeltjes (niet alleen deelmonsters) te bepalen. Op die manier wordt de schijnbaar homogene afvalstroom on the fly tot op partikelniveau gescand en geclassificeerd. Het innovatieve technologieconcept werd door VITO bedacht en vanaf het begin in nauwe samenwerking met de UGent ontwikkeld. Nu sluiten beide onderzoekspartners succesvol een tweejarig samenwerkingsproject af. Met de steun van EIT Raw Materials hebben ze tijdens deze periode samen met twee industriële partners, Suez en Umicore, de technologie verder ontwikkeld en opgeschaald. Het resultaat is een multimodale, op sensoren gebaseerde oplossing die wordt aangedreven door kunstmatige intelligentie. Het team is erin geslaagd om voor twee diverse afvalstromen on the fly een voor de industrie relevante throughput van complexe afvalstromen te realiseren. Voor VITO is dit een belangrijke mijlpaal om de technologie op de markt te brengen.

Afval als grondstof
‘We noemen het afval, maar, eerlijk waar, eigenlijk is dit materiaal dat we tot op het laatste grammetje maximaal kunnen inzetten. We zullen elke gram grondstof nodig hebben, zeker als het gaat om waardevolle metalen,’ aldus Kris Broos van VITO. ‘En het is tout court een valabele vraag van bedrijven: zit er nog iets van waarde in mijn afvalstroom? Want er zit van alles in: wat koper, wat metaal, kostbare mineralen… maar eigenlijk weet je vaak niet wat er allemaal in zit. Bijgevolg kan je er ook geen waarde op plakken,’ vertelt Kris Broos verder. In de sector van metaal recyclage bijvoorbeeld, zijn arbeidsintensieve staalafnames en daaropvolgende dure chemische analyses de belangrijkste knelpunten. Die leiden tot lange wachttijden (vaak enkele weken) en financiële onzekerheid bij de recyclagebedrijven. Om dit tegen te gaan, ontwikkelde VITO een slimme karakteriseringstechnologie. Deze ‘Characterize-to-Sort’-technologie maakt het mogelijk om te weten te komen welke grondstoffen de laatste restanten van verbrandingsresidu’s (bodemassen) bevatten, en de waarde van die afvalstromen te bepalen. ‘We wilden direct de volledige stroom onderzoeken, waarbij elk individueel deeltje wordt geïdentificeerd’, vertelt Broos. ‘Zo genereren we kennis die we meteen kunnen toepassen, in tegenstelling tot traditionele staalafnames. In samenwerking met UGent spin-off XRE werkten we een eerste prototype uit van een transportband, waarop drie sensoren – een kleurencamera, een 3D-camera en een x-stralensensor – de kleur, de vorm en de interne chemische structuur van ieder afvaldeeltje capteren. Door de signalen van die drie sensoren te koppelen aan een groot AI-brein kun je van elk partikel verschillende belangrijke fysieke parameters gaan meten en voorspellen: grootte, massa, vorm, materiaal, textuur, enz.’ ‘Doordat je na verloop van tijd zo danig veel parameters in kaart brengt – ca. 300 per deeltje – kan je een digital twin creëren van je afvalstroom. Die info kun je gebruiken om experimenten uit te voeren in de digitale wereld. Zo krijg je niet alleen inzicht in de materialen die zich in jouw afvalstroom bevinden, maar kan je ook de waarde en de kwaliteit van het afval bepalen en nieuwe recyclageprocessen simuleren.’

Succesvolle opschaling van de technologie
‘Waar we in eerste instantie konden bewijzen dat de karakterisatietechnologie voor bodemassen wérkt, kwam het er nu op aan ze op te schalen naar industrieel niveau.’ Of om in de wereld van afvalverwerking te blijven: van het niveau van de afvalemmer naar dat van de afvaltruck. Om deze opschaling te realiseren, werkte VITO de afgelopen twee jaar samen met de Universiteit Gent en twee industriële partners, Suez en Umicore, in CHARAMBA. Dit project is ondersteund door Europese middelen van EIT Raw Materials. Dit onderdeel van het Europese innovatiebeleid ondersteunt goede ideeën en innovaties om ze op de markt te brengen en zo de zogenaamde ‘valley of death’ te overbruggen. ‘Van bij het begin van het project werkten we nauw samen met de UGent. Zo werkten we voor de bouw van het prototype samen met UGent spin-off XRE en de Gentse onderzoeksgroep UGCT (Centre for X-ray Tomography) gaf ons inzicht in de interactie tussen afval en x-stralen. Maar ook in deze opschalingsfase bood de QUASAR-technologie van de UGent een grote meerwaarde. De karakterisatie moet namelijk gebeuren op een transportband die aan reële, industriële snelheid rolt. De sensors moeten dus snel genoeg de afvalstromen kunnen analyseren, net als de software en de algoritmes, die alle metingen binnen enkele seconden moeten kunnen verwerken. Hoe sneller je data kan verwerken, hoe meer afval je op korte tijd kunt karakteriseren. Sneller werken betekent ook sneller rekenen, en dus moesten we de verwerkingssnelheid van de algoritmes optimaliseren.’ ‘Door het kritieke deel van de verwerkingsketen op GPU te laden, een grafische verwerkingseenheid, loopt de verwerking 133 maal sneller in vergelijking met een implementatie met alleen CPU, een centrale verwerkingseenheid. Door deze snelheid kan de transportband in wezen op een veel hogere snelheid lopen, waardoor er tijd en energie bespaard wordt met behoud van hetzelfde hoge niveau van karakteriseringsprestaties,’ vertelt professor Bart Goossens, uitvinder van QUASAR en samen met professor Wilfried Philips UGent-teamleider van de onderzoeksgroep Beeldverwerking en interpretatie. ‘Tegelijk hebben we de techniek geoptimaliseerd om verschillende partikels om van elkaar te kunnen scheiden op basis van beelden van een x-stralensensor. De moeilijkheid daarbij is dat partikels kunnen overlappen, waardoor het moeilijker is om ze van elkaar te scheiden. Met AI konden we objecten lokaliseren en van elkaar onderscheiden, waardoor het systeem nu heel duidelijk kan aangeven welke materialen je afval bevat.’ Twee grootschalige demo-evenementen toonden onlangs aan dat de technologie succesvol is opgeschaald van ‘scan-the-bucket’ naar ‘scan-the-truck’. Voor verschillende metaalrijke materiaalstromen kon VITO de industriële relevantie van de nieuwe karakteriseringstechnologie aantonen. Na afronding van het project wil VITO de innovatieve technologie as a service op de markt brengen en vervolgens een spin-off lanceren dat op maat gemaakte in-line karakteriseringsapparatuur verkoopt aan verschillende spelers in de metaalrecyclingmarkt. ‘Door end-of-life-afvalstromen te valoriseren worden niet alleen waardevolle materialen gerecupereerd en wordt er waarde gecreëerd, maar verkleinen we ook onze afhankelijkheid in Europa van primaire grondstoffen’, aldus Broos. ‘Als je bovendien weet dat voor de recuperatie van bijvoorbeeld aluminium 95% minder energie nodig is dan voor de primaire productie uit bauxiet, dan is elke kilo gewonnen’, vult Karen De Boeck van SUEZ aan. ‘En daarbij komt dat je ook nog eens minder moet gaan storten,’ aldus Broos. Het milieu is dus de grote winnaar. 

Meer informatie