VITO ontwikkelt voor afval- en grondstoffenbedrijf SUEZ een unieke, slimme karakterisatiemethode die een schijnbaar homogene afvalstroom ‘on the fly’ helemaal kan doorgronden. De technologie, die momenteel wordt opgeschaald naar industrieel niveau, laat toe om de laatste restanten van verbrandingsresidu’s (bodemassen) te valoriseren.
‘Het probleem met afvalstromen is dat we nog heel vaak niet weten wat er allemaal in zit’, zegt Karen De Boeck, business development director bij SUEZ Recycling & Recovery Belgium. ‘En wat we niet kennen, dat kunnen we er ook niet uithalen.’ Dat is zeker zo bij zogenaamde bodemassen, uiterlijk homogene residu’s die achterblijven na de verbranding van allerlei soorten afvalstromen, zowel huishoudelijk, industrieel als bouwafval.
Nochtans worden bodemassen al geruime tijd verwerkt tot granulaten in een proces waarbij metalen maximaal worden gerecupereerd. Oorspronkelijk gebeurde dat enkel voor de zeer grove fractie van de metalen. Vandaag worden ook waardevolle nonferrometalen zoals koper en aluminium met een korrelgrootte kleiner dan 20 millimeter gewonnen uit deze bodemassen.
In fijne bodemassen zitten nog meer bruikbare materialen zoals kostbare mineralen en metalen. SUEZ ontwikkelde de afgelopen jaren een technologie om zelfs deeltjes tot een tiende van een millimeter te recupereren. Maar zonder kennis van de precieze inhoud van de afvalstromen drijft de afvalverwerking in wezen op vakmanschap en ervaring. De Boeck: ‘We verwerken nu ultrafijne metaalstromen afkomstig uit bodemassen zonder dat we op voorhand exact weten wat erin zit. Het vergt dan ook veel expertise en kennis om een bruikbare grondstof te maken voor een eindverwerker. De afgelopen jaren is duidelijk geworden dat digitale technieken ons daarbij kunnen helpen.’
Al in 2014 ontstond het idee voor een technologie die een schijnbaar homogene (maar in realiteit zeer heterogene) afvalstroom in zijn geheel en in real time kan karakteriseren. En dit terwijl deze ongestoord in een verwerkingsinstallatie op een transportband voorbijglijdt – ‘on the fly’ in het jargon. Dat verschilt sterk met de huidige aanpak, waarbij staalafnames en -analyses veel tijd en geld kosten en bovendien beperkt representatief zijn voor de afvalstroom. Het idee werd in een project gegoten dat met Vlaamse middelen (afkomstig van het MIP, het Milieu- en energietechnologie Innovatie Platform binnen VLAIO) werd ondersteund en dat Characterise-to-Sort (CtS) werd gedoopt. In de jaren erna werd het als proof-of-concept (PoC) verder uitgewerkt in samenwerking met VITO, dat op het vlak van duurzaam materialenbeheer op rijke relevante expertise en kennis kan bogen.
Digital twin van de afvalstroom
Kris Broos was vanaf dag één bij het project betrokken. Hij bedacht samen met Roeland Geurts en andere VITO-onderzoekers de kern van de karakterisatietechnologie, waardoor die exact kan voorspellen wat in een afvalstroom zit. ‘We wilden een technologie die direct naar de volledige stroom kijkt, zonder die te verstoren en waarbij elk individueel deeltje wordt geïdentificeerd’, zegt Broos. ‘Zo kan ze kennis genereren die meteen beschikbaar is en dus niet te laat komt, zoals bij de traditionele staalafnames.’
Die kern bestaat uit drie verschillende beeldvormingstechnieken: een kleurencamera, een 3D-camera en een x-stralensensor – voor respectievelijk de bepaling van de kleur, de vorm en de interne chemische structuur van ieder afvaldeeltje. De partikels worden gekarakteriseerd aan de hand van honderden verschillende gemeten parameters waarvan natuurlijk de grootte, de vorm, de chemische structuur en de massa tot de belangrijkste behoren. De meetresultaten worden meteen geüpload in een computermodel dat er een zogeheten digital twin van de afvalstroom mee creëert. ‘Die virtuele representatie laat toe om virtueel te experimenteren met de afvalstroom. Bijkomend laten we AI-technieken zoals machine learning op de stroom los om zo nog betere voorspellingen te maken’, zegt Roeland Geurts. De digital twin neemt beslissingen die zo gefundeerd mogelijk zijn. ‘Zo kan het verwerkingsproces straks continu en automatisch worden bijgestuurd en gestroomlijnd. Later zal op basis van de digital twin ook de sortering autonoom kunnen gebeuren.’
Met zo’n ‘slimme’ afvalverwerking kunnen de eigenschappen van de uitstroom (de samenstelling en kwaliteit van de gerecupereerde materialen, enz.) van het proces continu worden voorspeld. Dat kan de recyclage van bodemassen en afgeleide stromen gevoelig verbeteren en het komt ook de kwaliteit van eventuele eindproducten ten goede. ‘Dit gaat eigenlijk om veel meer dan een karakterisatietechniek’, zegt Karen De Boeck. ‘We trekken de recyclage van bodemassen als het ware uit de duisternis. Straks moeten we niet meer blind verwerken en zullen we onze afnemers grondig kunnen informeren over de kwaliteit van de gerecupereerde materialen.’
Waardevolle materialen recupereren en minder energie verbruiken
‘Zes jaar geleden hadden we nooit kunnen vermoeden dat we dit uiteindelijk op het niveau van individuele deeltjes zouden gaan doen’, zegt Peter Segers, business development & innovation manager bij SUEZ Belgium. ‘Sensors om afval te karakteriseren worden al heel lang gebruikt. Maar de karakterisatie op basis van niet één, niet twee maar wel drie verschillende scantechnieken is de toekomst, zeker als je daarmee dwars door materialen heen kunt kijken en zelfs hun chemie kunt bepalen.’
Segers ziet in de ontwikkeling van de karakterisatietechnologie het resultaat van twee partijen die over hun eigen schaduw heen durfden te springen. ‘Door met ons rond de tafel te zitten heeft VITO nieuwe inzichten opgedaan over bijvoorbeeld het belang van de kennis van bepaalde parameters in de afvalverwerking. Ons heeft het dan weer doen nadenken over hoe we op basis van deze karakterisatie onze operationele procesvoering en eventueel zelfs onze commerciële activiteiten kunnen aanpassen.’
Zo zorgt het project langs beide kanten van de samenwerking voor een uitdieping van de expertise en de businessmogelijkheden – het initiatief groeide de afgelopen jaren overigens uit van een PoC tot een onderzoeksproject op laboschaal, genaamd INSTAnT, dat net als CtS door de Vlaamse overheid wordt ondersteund (via VLAIO binnen het ERA-MIN2-kader). Segers: ‘In ValoMET, ons Gentse center of excellence, zullen we de karakterisatietechnologie ook op andere materialenstromen kunnen gaan toepassen.’
Voor VITO kan de verdere ontwikkeling van de technologie dan weer leiden tot vermarkting in de vorm van een spin-off. Maar eerst en vooral wint het milieu. ‘Door end-of-life-afvalstromen alsnog te gaan 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 aan. ‘En daarbij komt dat je ook nog eens minder moet gaan storten. De milieuwinst is dus vier dubbelop’, aldus Broos.
De technologie opschalen in het project CHARAMBA
De afgelopen jaren hebben SUEZ en VITO bewezen dat de karakterisatietechnologie voor bodemassen wérkt. Nu komt het erop aan ze te gaan opschalen naar industrieel niveau. Of om in de wereld van de afvalverwerking te blijven: van het niveau van de afvalemmer naar dat van de afvaltruck. ‘De karakterisatie moet gebeuren op een transportband die aan reële, industriële snelheid rolt’, zegt Liesbet Van den Abeele van VITO. ‘De sensors moeten dus snel genoeg kunnen meten en de software en de algoritmes moeten alle metingen binnen enkele seconden kunnen verwerken. Bovendien moet de technologie kunnen ingepast worden in een industrieel proces dat non-stop en praktisch de klok rond draait.’
De opschaling kadert in een twee jaar durend project (genaamd CHARAMBA) dat deze keer met Europese middelen wordt ondersteund, vanuit de EIT Raw Materials. Dat is een onderdeel van het Europese innovatiebeleid dat technologie helpt de gevreesde ‘valley of death’ te overbruggen. Van den Abeele: ‘EIT Raw Materials wil met dit steunmechanisme goede ideeën en innovaties ondersteunen en naar de markt brengen. Om enkel de meest veelbelovende technieken te ondersteunen moeten bedrijven zelf ook een groot deel bijdragen aan de projectfinanciering.’ In CHARAMBA zijn behalve SUEZ en VITO ook nog de Universiteit Gent en materiaal- en recyclagebedrijf Umicore als partner betrokken.
