Intelligente Mülltrennung mithilfe digitaler Wasserzeichen

Wie können Kunststoffverpackungen intelligent werden? Indem sie mit digitalen Wasserzeichen versehen werden, die von entsprechend ausgerüsteten Sortieranlagen gelesen werden können und so den Sortierprozess vereinfachen. Dass diese Technologie funktioniert, wurde in der wegweisenden Initiative HolyGrail 1.0 mit einem Proof of Concept (Machbarkeitsnachweis) demonstriert.

Nun geht das Projekt in die zweite Runde: Unter der Schirmherrschaft des europäischen Markenverbands AIM wurde die Markenartikel-Industrie aktiv, um die Technologie digitaler Wasserzeichen im industriellen Maßstab zu testen und hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit zu bewerten. Eva Schneider erklärt im Interview, welche Vorteile digitale Wasserzeichen der Industrie bieten und wie sie in Zukunft eingesetzt werden können.

Worum geht es bei der Initiative HolyGrail 2.0 und welche Ergebnisse erwarten Sie damit?

Eva Schneider: Eine der dringendsten Herausforderungen für das Erreichen einer Kreislaufwirtschaft bei Verpackungen besteht darin, einen Weg zu finden, Verpackungsmüll akkurat zu sortieren, was wiederum zu einem effizienteren und qualitativ hochwertigeren Recycling führt. Digitale Wasserzeichen auf Verpackungen haben das Potenzial, diesen Prozess zu revolutionieren und neue Möglichkeiten zu eröffnen, die mit bestehenden Technologien derzeit nicht realisierbar sind.

Digitale Wasserzeichen sind unsichtbare Codes in der Größe einer Briefmarke, die die gesamte Verpackungsoberfläche bedecken können und eine Vielzahl von Attributen beinhalten. Ziel ist es, dass nach Eingang der Verpackung in eine Abfallsortieranlage das digitale Wasserzeichen von einer hochauflösenden Kamera auf der Sortierlinie erkannt und entschlüsselt wird, die dann die Verpackung entsprechend akkurater sortieren kann. Dies führt zu besseren und genaueren Sortierströmen und damit zu hochwertigeren Rezyklaten, was der gesamten Verpackungs-Wertschöpfungskette zugutekäme.

Wie läuft das Projekt konkret ab?

Schneider: Das Projekt umfasst 3 verschiedene Phasen: 1. die Entwicklung des Prototyps einer Sortier- und Erkennungsanlage, die NIR-Erkennung und digitale Wasserzeichenerkennung kombiniert, 2. die halbindustrielle Erprobung und 3. die industrielle Testphase. Auf diese Weise befasst sich HolyGrail 2.0 mit der Skalierung der Technologie vom derzeitigen Technology Readiness Level TRL 6 (Technologie-Reifegrad: Prototyp in einer Einsatzumgebung) – bis TRL9 (qualifiziertes System mit Nachweis des erfolgreichen Einsatzes).

Das Projekt soll ferner den wirtschaftlichen Nutzen mit Blick auf Business Cases in großem Maßstab demonstrieren, mit dem Ziel, es zu einer automatischen Wahl mit hohem ROI für die Abfallwirtschaft zu machen, in die sie nach der Initiative investieren kann.

Die Ergebnisse, die im Rahmen der (halb-)industriellen Versuche erzielt und in einem abschließenden techno-ökonomischen Analysebericht veröffentlicht werden, sollen zeigen, ob die Verpackungswertschöpfungskette digitale Wasserzeichen auf Verpackungen für eine verbesserte Sortierung skalieren und diese Technologie tatsächlich dorthin bringen kann, wo sie benötigt wird. Eine erfolgreiche Demonstration der technischen und wirtschaftlichen Realisierbarkeit dieser Technologie würde mehr Länder und Entsorgungsunternehmen dazu bewegen, diese neue Sortiertechnologie umzusetzen.

Welche Erfolge konnten Sie bisher erzielen?

Schneider: Bisher hat der erste Prototyp, der von Pellenc ST und Digimarc entwickelt wurde, und die digitale Wasserzeichen-Technologie und NIR/VIS Infrarot-Spektroskopie zur Sortierung von Verpackungsabfall kombiniert, eine Auswurfrate von mehr als 95 Prozent erreicht. Dieser Prototyp wurde im Amager Resource Centre (ARC) in Kopenhagen für die halbindustrielle Testphase installiert. Vier Monate lang wurden in Kopenhagen Versuche und Vorführungen mit etwa 125.000 Verpackungen durchgeführt, die bis zu 260 verschiedenen Lagerhaltungseinheiten (SKUs) entsprechen, die alle von Mitgliedern der HolyGrail 2.0 Initiative vorbereitet wurden. Ingenieure testeten mehrere Parameter, darunter die Geschwindigkeit und Genauigkeit des Systems, um sicherzustellen, dass es den Belastungen eines industriellen Betriebs in vollem Umfang standhält. Anfang Februar 2022 wurde der Prototyp für die abschließenden Tests an die Hauptniederlassung von Pellenc ST in Frankreich zurückgeschickt.

Wie werden die digitalen Wasserzeichen auf die Produkte aufgebracht?

Schneider: Digitale Wasserzeichen können entweder auf die Verpackung gedruckt oder in Formen geprägt werden. Digitale Wasserzeichen für den Druck bestehen aus sich wiederholenden Signalkacheln, deren Teile miteinander kombiniert werden können, um einen Barcode zu erhalten, und die vom Kodierer mosaikartig aufgebracht werden. Um die Bildgestaltung mit digitalen Wasserzeichen zu bereichern, werden vorhandene Pixel verwendet. Daher sind kein speziellen Druckverfahren und auch keine spezielle Tinte erforderlich. Andererseits werden digitale Wasserzeichen für Stanzformen mit mikrotopologischen Variationen im Kunststoffsubstrat erzielt, wodurch Signalkacheln entstehen.

Wie funktioniert die Technik zum Auslesen und welche technischen Voraussetzungen müssen die Recycling-Unternehmen mitbringen?

Schneider: Digitale Wasserzeichen auf Verpackungen werden durch ein Zusatzmodul erkannt, das an bestehenden Erkennungssortiergeräten in Sortier- und Recyclinganlagen angebracht und in Kombination mit der vorhandenen NIR-Erkennung (Nahinfrarot) verwendet wird. Ziel ist es, dass die kodierte Verpackung einer Sortier- oder Recyclinganlage zugeführt wird, von einer hochauflösenden Kamera dieses Zusatzmoduls auf der Sortierlinie das digitale Wasserzeichen erkannt und entschlüsselt wird, die sie dann – je nach bestimmten Attributen (beispielsweise nach Lebensmitteln oder Non-Food Artikel) - in entsprechende Ströme sortiert.

Welche Vorteile ergeben sich für die Recycling-Unternehmen aus den in den Wasserzeichen enthaltenen Informationen?

Schneider: Abfallsortier- und Recyclinganlagen werden die Möglichkeit haben, Verpackungsabfälle in genauere Ströme zu sortieren, die derzeit mit bestehenden Technologien nicht realisierbar sind. Betreiber können damit eine allgemeine Steigerung der Produktqualität erwarten, beispielsweise durch die Identifizierung von PET-Schalen, die für das Recycling geeignet sind. Im Allgemeinen würden alle Arten des Recyclings (mechanisch, einschmelzen und chemisch durch Pyrolyse) von einem kontrollierten Ausgangsmaterial profitieren, um diese Recyclingprozesse noch weiter zu optimieren. Die digitalen Wasserzeichencodes werden während des Schredderns beim Recyclen entfernt, sodass sie problemlos für die ersten Sortierschritte in Sortier- und Recyclinganlagen verwendet werden können. Außerdem kann das recycelte Material in jeder neuen Anwendung wiederverwendet werden, und ein neuer digitaler Wasserzeichencode könnte auf die neue Verpackungsanwendung zugeschnitten werden.

Wie werden Ihrer Meinung nach solche digitalen Wasserzeichen in Zukunft verwendet?

Schneider: HolyGrail 2.0 hat das Potenzial, die Sortier- und Recyclingindustrie in Europa grundlegend zu verändern und eine echte Kreislaufwirtschaft im Bereich Verpackungen zu erzielen. Darüber hinaus bieten digitale Wasserzeichen neben der Kodierung eines "digitalen Recyclingpasses" auch die Möglichkeit, in anderen Bereichen wie Verbraucherbindung, Sichtbarkeit der Lieferkette und Einzelhandelsgeschäften eingesetzt zu werden.

Die Initiative HolyGrail 2.0 zielt darauf ab, eine betriebswirtschaftliche Erfolgsbeurteilung der Technologie in großem Umfang zu beweisen, mit dem Ziel, es zu einer automatischen Wahl mit hohem ROI für die Abfallwirtschaft zu machen, in die sie zukünftig investieren kann. Die Ergebnisse, die im Rahmen der (halb-)industriellen Versuche erzielt und in einem abschließenden techno-ökonomischen Analysebericht veröffentlicht werden, sollen zeigen, ob die Verpackungswertschöpfungskette digitale Wasserzeichen auf Verpackungen für eine verbesserte Sortierung skalieren und diese Technologie tatsächlich dorthin bringen kann, wo sie benötigt. Eine erfolgreiche Demonstration der technischen und wirtschaftlichen Realisierbarkeit dieser Technologie würde mehr Länder und Entsorgungsunternehmen dazu bewegen, diese neue Sortiertechnologie in der EU und möglicherweise darüber hinaus umzusetzen.