1 Einleitung

Das von der Europäischen Union 2017 beschlossene Kreislaufwirtschaftspaket sieht mehrere Strategien zur nachhaltigen Nutzung von Ressourcen vor. Neben der nachhaltigen Produktgestaltung und Maßnahmen zur Verringerung des Abfallaufkommens, beispielsweise durch Förderung der Reparatur, ist eine Intensivierung der Verwertung und die Schließung von Stoffkreisläufen durch Verwertung von Abfällen ein wesentlicher Ansatz. Die Erhöhung der Recyclingziele wird insbesondere in ressourcenintensiven Branchen angestrebt, neben den Bereichen Kunststoffe, Textilien und dem Bauwesen spielt hier die Elektronikbranche eine wichtige Rolle. Bei der Verwertung von Elektroaltgeräten stellt die Sammelkategorie der Elektrokleingeräte eine besondere Herausforderung dar, diese Sammelkategorie ist heterogen, die einzelnen Gerätearten unterscheiden sich deutlich in ihrem Aufbau und ihrem Gehalt an Wertstoffen. Zusätzlich wird diese Gerätekategorie Bedeutung gewinnen, da sie einer der am schnellsten wachsenden Abfallströme in der EU ist. Die Verwertung besteht typischerweise aus Vorbehandlung (Demontage und Schadstoffentfrachtung, Zerkleinerung und Trennen von Materialströmen), Rückgewinnung von Sekundärressourcen in Form von Materialien (Eisen und Stahl, Nichteisenmetalle wie Aluminium und Kupfer) und Energie sowie der Entsorgung nicht verwertbarer Materialien. Die Verbesserung von Verfahren zur Aufbereitung und Verwertung von Elektroaltgeräten (EAG) erfordert umfassendere Methoden und Datengrundlagen zur Charakterisierung dieses heterogenen Abfallstroms. Der derzeitige Schwerpunkt der Beprobung von EAG basiert zumeist auf analytischen Verfahren von wertstoffreichen Bauteilen wie z. B. Leiterplatten. Die Zusammensetzung des Abfallstroms basierend auf den typischen Eigenschaften von Produktgruppen wurde bisher kaum untersucht.

Die stark unterschiedliche Charakteristik von Elektroaltgeräten nach Sammelkategorien ist eine große Herausforderung für die Optimierung von Aufbereitungs- und Verwertungsprozesse. Bezogen auf die Gesamtmasse sind Elektrogroßgeräte wie z. B. Waschmaschinen sehr relevant, während kleine IT-Geräte wie Personal Computer, Multifunktionsdrucker, Mobiltelefone und Receiver eine untergeordnete Rolle spielen. Im Gegensatz dazu zeigt der Fokus auf Leiterplatten und andere wertvolle Bauteile, dass der Beitrag von kleinen IT- und Telekomgeräten diesbezüglich deutlich höher als der von Elektrogroßgeräten ist. Eine Herausforderung besteht also darin, spezifische Aufbereitungsverfahren für unterschiedliche Sammelkategorien effizient umzusetzen. Weiters sollten die Unterschiede zwischen Gerätearten innerhalb einer Sammelkategorie nicht unterschätzt werden. Während der Massenanteil an Wertmetallen bei manchen Gerätearten niedrig und mangels Technologiesprüngen recht gleichmäßig ist, können Wertmetallanteile im Fall von Produkten mit kurzen Innovationszyklen und relativ kurzer Nutzungsdauer sehr stark variieren, z. B. bei kleinen, tragbaren, elektronischen Geräten.

Bisher beschränkten sich die Methoden zur Charakterisierung von EAG in Europa meist auf die Beprobung der Outputströme bei Vorbehandlungsanlagen. Da EAG-Sammelmengen anfangs betreffend Herkunft und Gerätearten undifferenziert verarbeitet wurden, bestand nur Erfahrungswissen über die Mischung dieser Sammelware. Im Zuge der Einführung der EAG-Richtlinie (EG 2002) sowie der Altfahrzeug-Richtlinie (EG 2000) wurden Batchversuche mit standardisierten Sammelkategorien eingeführt, um belastbare Erkenntnisse zu Recyclingquoten und zur Prozessoptimierung zu gewinnen. Die Inputströme der jeweiligen Batchversuche bezogen sich auf relativ breite Sammelkategorien (z. B. Altfahrzeuge, Elektrogroßgeräte, Elektrokleingeräte). Aktuelle Forschungsprojekte legen den Fokus auf kleinmaßstäbliche Batchversuche mit 2 bis 5 t Input mit definierten Gerätearten, z. B. kabelgebundene Telefone beim RePro-Projekt (Sander et al. 2014). Der aktuelle Trend geht in Richtung der weiteren Differenzierung nach Gerätearten, um die Rückgewinnungsquoten wertvoller Technologiemetalle in Kombination mit intensivierten Demontageschritten zu optimieren.

Ziel dieses Beitrags ist es, eine Vorgehensweise für eine genauere Charakterisierung von Elektrokleingeräten (EKG) zu beschreiben. Dabei werden innerhalb der EKG Gerätegruppen unterschieden, die unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweisen. Diese Differenzierung ist eine Voraussetzung für eine Optimierung der Aufbereitungsverfahren mit dem Ziel, höhere Recyclingquoten, aber auch die gezielte Rückgewinnung bestimmter Wertstoffe (z. B. Edelmetalle, Kupfer) zu erreichen. Neben der Methode werden ausgewählte Ergebnisse dargestellt.

2 Material und Methoden

Die hier vorgestellte Methodik zur Bestimmung der Materialzusammensetzung von Elektrokleingeräten baut darauf auf, dass sowohl inputseitig als auch für den Output von Aufbereitungsprozessen Daten vorliegen bzw. gewonnen werden können. Die Daten zur Zusammensetzung des Inputmaterials der Vorbehandlung wurden im Wesentlichen aus Demontageversuchen in Kombination mit Gerätezählungen gewonnen. Die Outputflüsse wurden bei einer Aufbereitungsanlage für EAG in Österreich untersucht. Die Aufbereitung selbst wird dabei als Black Box betrachtet. Im Rahmen von mehreren Batchversuchen mit unterschiedlichem Material wurden Input und Output mit einem stochastischen Modell abgeglichen. Es wurden 4 Batchversuche mit Sammelware aus dem Haushaltsbereich und 2 Versuche mit Elektrokleingeräten aus dem IT-Bereich durchgeführt. Pro Batchversuch wurden ca. 100 t Input an Elektrokleingeräten verarbeitet.

Abb. 1 zeigt die Vorgehensweise: Die Materialzusammensetzung nach Gerätearten wurde durch Demontageversuche bestimmt. Die Zusammensetzung der Inputmasse baut neben der Gerätezusammensetzung auf eine Bestimmung der Anteile der Gerätearten im Input (Gerätezählungen) auf. Auf der Outputseite werden die Materialströme verwogen und mittels Klaubung in ihrer Zusammensetzung untersucht. Diese Vorgehensweise wurde für Batchversuche mit unterschiedlicher Sammelware angewandt.

Abb. 1
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Vorgehensweise für die input- und outputbasierte Charakterisierung der Materialflüsse

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2.1 Charakterisierung Input

Den Ausgangspunkt für die Charakterisierung der Materialzusammensetzung von Elektrokleingeräten bildeten Demontageversuche sowie Gerätezählungen aus Vorprojekten, die vom Institut für Abfallwirtschaft (BOKU) in Kooperation mit Projektpartnern, insbesondere dem Demontage- und Recycling-Zentrum (DRZ), durchgeführt wurden (Grassl 2013; Meskers et al. 2009; Salhofer 2013). Da Gerätearten und Bauteile unterschiedlich klassifiziert werden, wurde eine Standardisierung und Konsolidierung der vorhandenen Daten vorgenommen.

In den letzten Jahren wurden auf nationaler und internationaler Ebene zahlreiche Klassifikationen für Elektroaltgeräte eingeführt und weiterentwickelt. Die Kataloge variieren sehr stark bezüglich der Ausrichtung auf gesetzliche Anforderungen (z. B. EAG-VO (BMLFUW 2014) oder ROHS-RL (EU 2011)), sammel- und verwertungsorientierte Aspekte sowie auch Herkunft. Daraus ergibt sich auch eine stark unterschiedliche Definition und somit Umfang der verwendeten Kategorien, die von z. B. sechs Sammelkategorien laut EAG-Richtlinie (EU 2012) über die erweiterten 17 Sammelkategorien laut WEEE Forum/UNU (Huisman 2014) bis zu 1062 Gerätearten laut Geräteliste des BMLFUW reichen kann (BMK 2020). Mit Blickrichtung auf die EAG-Verwertung wurde hier ein Katalog mit 216 Gerätearten verwendet, der auf den etablierten UNU Keys (Baldé et al. 2015) mit derzeit 54 Gerätegruppen aufbaut. In der entwickelten Geräteklassifikation wurden Gerätearten innerhalb der UNU Keys differenziert, die bezüglich Stückmasse und Zusammensetzung nach Materialien homogen sind. Als Beispiel für die verwendete Einteilung sind die Gerätetypen innerhalb der kleinen IT- und Telekom-Geräte lt EAG-RL 2012/19/EU in Tab. 1 aufgelistet.

Tab. 1 Verwendete Geräteklassifikation: Beispiel Kleine IT- und Telekommunikationsgeräte laut EAG-Richtlinie (EU 2012)
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In Hinblick auf eine verbesserte Abschätzung des Wertmetallgehalts in Elektrokleingeräten war es erforderlich, die zu diesem Zeitpunkt bestehenden Demontagedaten zu erweitern. Auf Basis einer Literaturauswertung wurden dazu Gerätegruppen mit wertstoffreichen Bauteilfraktionen identifiziert. Zur Ergänzung der bereits vorhandenen Datensätze wurde auf Basis des Leiterplattenanteils an der gesamten Gerätemasse, des Anteils am gesamten Gerätewarenkorb (auf Basis von mehreren Gerätezählungen) und der bisher zerlegten Geräteanzahl eine Auswahl der Gerätegruppen für die Demontagen getroffen. Grundlage für den Gerätewarenkorb waren Gerätezählungen der Sammelware von mehreren österreichischen Abfallwirtschaftsverbänden, wobei der erläuterte Katalog mit 216 Gerätearten verwendet wurde. Die Gewichtung berücksichtigte den Wertmetallgehalt auf Grundlage von Literaturdaten, wobei wie zu erwarten wertmetallreiche Geräte stärker repräsentiert waren.

In der Folge wurden jeweils 20 Geräte folgender Gerätearten demontiert: Audiogerät (klein) (z. B. MP3-Player, Walkman), Computerspielkonsole (z. B. Playstation), Diskman, Joystick, Laptop/Notebook (mit Akku), Lautsprecher (groß, mittel sowie klein), Maus, Mobiltelefon (mit Akku), Multifunktionsdrucker, PC, PC (Server), Receiver und Uhren.

Die Gerätedemontage inklusive Bauteilidentifikation erfolgte mithilfe verschiedener Schraubenzieher, Zangen, Seitenschneider, Hämmer und Magneten. Zusätzlich zur Verwiegung der Bauteile wurde, wenn möglich, eine Altersbestimmung der Geräte durchgeführt. Zuerst wurden, soweit vorhanden, alle Gehäuseschrauben gelöst, um das Gehäuse abzulösen. Im Inneren des Geräts befindliche Schrauben wurden ebenfalls gelöst, soweit dies zur Auftrennung in verschiedene Bauteile vonnöten war. Alle Kabel wurden von anderen Bauteilen getrennt.

Die Demontagetiefe wurde durch den Bauteilkatalog bestimmt: Die Zuteilung erfolgt zur detailliertest möglichen Ebene des Bauteilkatalogs. Wenn mit den zur Zerlegung verwendeten Werkzeugen eine weitere Fraktionierung nicht möglich war bzw. eine eindeutige Zuteilung zu einer eigenen Materialkategorie (z. B. PCBs) nicht möglich war, wurde das Bauteil als „komplexes Bauteil“ klassifiziert, z. B. Motoren (Cu-Fe-Verbund), Festplatte etc. Die gewonnenen Daten aus den Versuchszerlegungen werden in einer Datenbank verwaltet, die derzeit über 1100 Elektroaltgeräte aus 89 Gerätearten umfasst. Der Schwerpunkt liegt hierbei bei Elektrokleingeräten und Bildschirmgeräten (z. B. Laptops, FDP-Monitore). Die Masse der bisher demontierten ca. 18.500 Bauteile beträgt 3700 kg.

Parallel zu den Demontageaktivitäten durchgeführte Gerätezählungen dienen dem Zweck, die Verteilung der EAG-Sammelmengen nach Gerätearten zu erheben, um die Zusammensetzung von sogenannten EAG-Warenkörben nach Gerätearten sowie – statistisch abgeschätzt – nach Materialgruppen zu ermöglichen. Dabei werden Anzahl, Stückmasse, Zustand und je nach Fragestellung weitere Charakteristika nach Geräteart erhoben. Die vom Institut für Abfallwirtschaft durchgeführten Gerätezählungen zu unterschiedlichen Studien umfassen derzeit ca. 18.000 Geräte mit ca. 38 t Gesamtmasse.

Für die Abschätzung von Materialanteilen innerhalb von Warenkörben ist die Verschneidung von Demontage- und Zählungsdaten wesentlich. Damit kann der Wertstoffgehalt von Inputströmen ermittelt und mit den Outputströmen abgeglichen werden. Aus funktioneller Sicht ermöglicht die erstellte Datenbank diesen Abgleich unter Verwendung beliebiger Geräte- und Materialklassifikationen.

2.2 Aufbereitung von Elektrokleingeräten

Die Vorbehandlung in der untersuchten Behandlungsanlage besteht aus sieben Hauptbearbeitungsschritten, die mit A bis G gekennzeichnet sind (Abb. 2). Der Smasher (A) ist eine große rotierende Trommel, in deren Innerem die Geräte aufgebrochen werden. Anschließend werden freigesetzte Leiterplatten (PCBs), Batterien und Kondensatoren und andere schadstoffhaltige Bauteile manuell aussortiert. Das verbleibende Material wird mit einem Shredder zerkleinert (B), dabei entstehen drei Ausgangsströme, die Shredder-Grobfraktion, eine Shredder-Feinfraktion und eine eisenhaltige Ausgangsfraktion, die die Vorbehandlung verlässt. Die Shredder-Feinfraktion wird gesiebt (C) und die resultierende Feinfraktion wird einer Trockenaufbereitung zugeführt (D), wobei hauptsächlich Shredder-Feinfraktion anfällt. Die Grobfraktion aus der Siebung (C) wird in einem Schwimm-Sink-Verfahren nass aufbereitet (F), wobei hauptsächlich Kunststoffe als Ausgangsfraktionen anfallen. Die Shredder-Grobfraktion, die stückige und flache Teile enthält, wird ebenfalls gesiebt (E) und eisenhaltigeres Material sowie Kupfer werden ausgeschleust. Der Großteil des verbleibenden Materials wird in der Nassaufbereitung (G) weiterbehandelt, der massenrelevante Output ist Material für das Kunststoffrecycling. Eine kleine Menge des Outputs aus Prozess E wird in einem Trockenaufbereitungsschritt zusammen mit Material aus Prozess C weiterbehandelt. Es gibt eine Reihe zusätzlicher Prozessschritte, die als Teil der Vorbehandlung stattfinden, um die Qualität der einzelnen Ströme zu verbessern. Eine detailliertere Technologiebeschreibung ist in Höggerl (2015) zu finden; ein vereinfachter Prozess und die Massenströme sind in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2
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Schematische Prozesse und Massenströme bei der Vorbehandlung von Elektrokleingeräten in der untersuchten Vorbehandlung

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Von der 1 t WEEE-Input werden in der untersuchten Vorbehandlungsanlage 804,9 kg zur stofflichen Verwertung weitergegeben. Davon sind 410,4 kg für das Eisenmetallrecycling bestimmt, 213,5 kg werden im Kunststoffrecycling behandelt, 135,3 kg gehen ins Kupferrecycling und 42,9 kg ins Aluminiumrecycling. Die verbleibenden 2,9 kg stellen Batterien dar, die in einer Batterierecyclinganlage weiterverarbeitet werden. Insgesamt werden 192,7 kg in einer regionalen Müllverbrennungsanlage thermisch behandelt und 2,4 kg auf eine Deponie geleitet. Bei dem letztgenannten Anteil handelt es sich um inertes Material wie Glas, Beton oder Keramik.

2.3 Charakterisierung der Outputströme

Die outputseitige Materialcharakterisierung umfasst mehr als 50 einzelne Ausgangsströme der Vorbehandlungsanlage. Jeder dieser Materialströme wurde mittels Handklaubung in bis zu 24 Fraktionen getrennt, um die tatsächliche Materialzusammensetzung zu bestimmen. Dabei wurde der Anteil an recyclingrelevantem Material in jedem Outputstrom ermittelt. Recyclingrelevant bedeutet, dass dieses Material einer bestehenden Recyclingroute zugeordnet werden kann, in der dieses Material zurückgewonnen wird. Zur Ermittlung der Zusammensetzung von Leiterplatten wurden verschiedene Informationsquellen herangezogen. Leiterplatten werden während der Vorbehandlung in mehreren Stufen getrennt. Für diese Studie wurde davon ausgegangen, dass Leiterplatten die gleiche Zusammensetzung haben, und zwar unabhängig davon, in welcher Stufe des Prozesses sie aussortiert wurden. Diese Annahme basiert auf Untersuchungen, die im Rahmen des Projekts durchgeführt wurden und die zeigen, dass der Metallgehalt der Leiterplatten (und insbesondere des Edelmetalls) relativ unabhängig davon ist, wie viel Verarbeitung stattgefunden hat. Eine mögliche Erklärung ist, dass durch den mechanischen Abrieb einiger montierter Einheiten während der Verarbeitung ein Konzentrationseffekt eintritt (da weniger nicht wertvolles Material in 1 kg Leiterplatten enthalten ist), während es gleichzeitig auch Verluste an Edelmetallen durch Abrieb während der Verarbeitung gibt. Dies steht im Gegensatz zu Untersuchungen von Chancerel und Rotter (2009), die vermuten, dass eine stärkere Zerkleinerung der Leiterplatten, die aus einer steigenden Anzahl von Verarbeitungsschritten resultiert, die Konzentration von Edelmetallen in der resultierenden PCB-Fraktion zu senken scheint. Chancerel und Rotter (2009) weisen jedoch darauf hin, dass dies daran liegen könnte, dass vor dem Shreddern mehr edelmetallhaltige PCBs entnommen werden und somit Material, das geshreddert wird, von vornherein einen geringeren Edelmetallgehalt aufweist. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch beim Kupfergehalt. Die nach der Zerkleinerung entnommenen Leiterplatten (A) hatten typischerweise einen Kupfergehalt von 17 %, während die in einer späteren Verarbeitungsstufe entnommenen Leiterplatten einen Kupfergehalt von bis zu 30 % aufweisen. Dies dürfte auf den Massenverlust von Bauteilen, die auf der Leiterplatte montiert sind und keinen hohen Kupferanteil aufweisen, zurückzuführen sein. Durch die Zusammenführung dieser Informationen wurde eine typische Zusammensetzung pro kg PCB aus den Eingangs-Elektroaltgeräten abgeleitet und auf die PCB-Ausgangsströme angewendet.

3 Ergebnisse zur Zusammensetzung und Rückgewinnung

3.1 Modellbasierte Schätzung der Zusammensetzung

Für einzelne Materialströme wie Eisen und Stahl, Kunststoffe sowie Leiterplatten wurde mithilfe eines stochastischen Modells die modellbasierte Prognose des Outputs mit der tatsächlichen, vor Ort erhobenen Outputzusammensetzung validiert. Das erlaubt die Abschätzung des Anlagenoutputs auf Basis der Zusammensetzung der Sammelware (d. h. Mix nach Gerätearten) sowie der Gerätezusammensetzung. Beispielsweise wurde bei Sammelware aus dem IT-Bereich ein Leiterplattengehalt von 5,7 % prognostiziert und 5,2 % im Output wiedergefunden. Bei EKG aus Haushalten wurde ein Leiterplattenanteil von 2,9 % prognostiziert bzw. 2,5 % erhoben. Bei Eisen/Stahl sowie Kunststoffen wurden ebenfalls Ergebnisse mit zufriedenstellender Genauigkeit erzielt. Abb. 3 zeigt die Relationen von erhobenen und prognostizierten Materialanteilen des Anlagenoutputs, jeweils bezogen auf den tatsächlichen Materialanteil in EKG aus Haushalten (Index = 100). Dieser Abgleich ist allerdings noch nicht für alle Fraktionen möglich, insbesondere Materialien, die überwiegend im Verbund in komplexen Bauteilen eingesetzt sind (wie Al/Mg), erfordern noch detailliertere Untersuchungen.

Abb. 3
figure 3

Erhobene und prognostizierte Massenanteile im Output für Eisen/Stahl, Kunststoffe und Leiterplatten bezogen auf den jeweiligen Output der EKG-Aufbereitung aus Haushalten

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3.2 Materialanteile nach Gerätekategorien

Mithilfe der Demontagedatenbank können Gerätearten identifiziert werden, die höhere Anteile an relevanten Materialien aufweisen. Beispielhaft zeigt Abb. 4 die Anteile an Leiterplatten nach Gerätekategorien. Dabei wird der Anteil an LP in jeder Gerätekategorie gezeigt – für Leiterplatten zwischen 2 und 17 Gew.-%. In Verbindung mit den Warenkörben, die die Zusammensetzung der Sammelware nach Gerätekategorien widerspiegelt, kann damit auch der Beitrag jeder Gerätekategorie zu der in der Sammelware enthaltenen Wertstofffraktion (hier Leiterplatten) abgeschätzt werden.

Abb. 4
figure 4

Gehalt an Leiterplatten nach Gerätearten

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4 Schlussfolgerungen

Um die ambitionierten Ziele des Europäischen Kreislaufwirtschaftspakets umzusetzen, sind für den Umgang mit Elektroaltgeräten umfassende Maßnahmen notwendig. Sie erfordern auch eine Intensivierung der Sammlung von Elektroaltgeräten, beispielsweise durch eine intensivere Rücknahme durch den Handel, die Unterbindung illegaler Exporte, den verstärkter Einsatz von Anreizsystemen und die Förderung freiwilliger Initiativen (s. auch Unger et al. 2017).

Um Verluste in der Verwertung zu reduzieren und höhere Verwertungsquoten zu erreichen, sind mehrere Ansätze notwendig. Sie umfassen eine Verbesserung der Rückgewinnung, vor allem von Kunststoffen im Recycling, eine engere Kooperation und besseren Informationsaustausch entlang der Wertschöpfungskette, z. B. zwischen Produzenten, Aufbereitern und Verwertern, die Optimierung der Aufbereitungsprozesse durch Berücksichtigung der Charakteristik der Sammelware und die Schaffung von Anreizen zur Rückgewinnung speziell von kritischen Rohstoffen, um künftigen Versorgungsengpässen entgegenzuwirken.

Der vorliegende Beitrag zeigt auf, wie die Materialzusammensetzung von Elektrokleingeräten detaillierter ermittelt werden kann. Das angewandte Modell zeigt eine gute Übereinstimmung für Materialströme wie Eisen und Stahl, Kunststoffe oder Leiterplatten. Bei Materialverbunden ist es schwieriger, die Materialzusammensetzung zu bestimmen, hier sind weitere Analysen erforderlich. Mithilfe der gewonnen Informationen und der Demontagedatenbank können Geräte mit einer Zielfraktion identifiziert und die Aufbereitungsprozesse optimiert werden.