Seltene Erden sind Bestandteil vieler Hightech-Produkte und gehören zu den strategisch wichtigsten Rohstoffen für die deutsche Industrie. Acht Fraunhofer-Institute haben in einem Gemeinschaftsprojekt neue Lösungen für mehr Effizienz entwickelt. Die Ergebnisse sollen nun mit Unternehmen in den Markt gebracht werden.
Zu den Ergebnissen der Forscher gehören optimierte Fertigungsverfahren, Ansätze für Recycling und neue Materialien, die Seltene Erden ersetzen können. Die Fraunhofer-Experten zeigen am Beispiel von Elektromotoren, dass sich der Bedarf an Seltenen Erden auf ein Fünftel des heutigen Wertes senken lässt.
Versorgungssicherheit nicht gegeben
Auslöser für das Projekt „Kritikalität Seltener Erden“ war ein Preisschock: China, wo rund 90 Prozent der Seltenen Erden für den Weltmarkt gefördert werden, verhängte damals einen Exportstopp, die Preise schnellten in die Höhe und die Verwundbarkeit der deutschen Industrie im Hinblick auf die Versorgungssicherheit mit diesen Rohstoffen wurde offensichtlich. Deshalb zielten die Forscher darauf ab, die verfügbaren Seltenen Erden effizienter zu nutzen und Ersatzmaterialien zu suchen.
Im Fokus der Wissenschaftler standen vor allem die Elemente Dysprosium und Neodym. Diese werden etwa für Magnete benötigt, wie sie in Elektromotoren zum Einsatz kommen. Als Referenz wählte das Fraunhofer-Team deshalb zwei E-Motoren, einen Kleinantrieb sowie einen Traktionsantrieb. Kombiniert man alle im Projekt entwickelten Möglichkeiten, Seltene Erden einzusparen oder zu ersetzen, lässt sich der Bedarf an Dysprosium und Neodym in diesen Motoren laut den Forschern auf bis zu 20 Prozent der ursprünglich benötigten Mengen senken.
„Unser Ziel war, den Bedarf an Seltenen Erden an diesen Benchmark-Motoren zu halbieren. Das haben wir deutlich übertroffen, indem wir verschiedene technische Ansätze kombiniert haben“, so Ralf B. Wehrspohn vom Fraunhofer-Institut IMWS. Er betont die Relevanz der gewählten Beispiele: „In einem durchschnittlichen Auto sind heute Dutzende solcher Motoren enthalten, die Fensterheber, Scheibenwischer oder Ölpumpe bewegen. Sehr viele dieser Motoren funktionieren mit Permanentmagneten, in denen Seltene Erden stecken. Durch immer neue Assistenzsysteme und nicht zuletzt durch den Trend zur Elektromobilität wird ihre Zahl künftig deutlich steigen. All das zeigt, wie wichtig ein effizienter Umgang mit diesen wertvollen Rohstoffen ist.“
Weniger Ausschuss & besseres Recycling
Neben einer Analyse der Rohstoffmärkte für Seltene Erden haben die Fraunhofer-Partner Konzepte entwickelt, wie bereits beim Design von Elektromotoren die spätere Wiederverwendung oder das Recycling von Seltenen Erden mitgedacht werden kann. Sie setzten zudem bei den Herstellungsprozessen von Magneten an und erarbeiteten Lösungen, die weniger Ausschuss erzeugen.
In einem Teilprojekt wurde ein Verfahren entwickelt, um Permanentmagnete aus Elektroschrott, Windrädern oder Autos wiederverwerten zu können. Sie zerfallen dabei durch die Behandlung mit reinem Wasserstoff in kleinste Partikel und werden dann erneut gegossen oder gesintert. Die recycelten Magnete sollen 96 Prozent der Leistungsfähigkeit von neuen Magneten erreichen.
Auch das Design der Referenz-Elektromotoren wurde von den Fraunhofer-Instituten optimiert: Wenn die Motoren im Betrieb weniger heiß werden, können Magnete mit geringerer Temperaturstabilität und damit mit geringerem Dysprosium-Anteil eingesetzt werden. Zudem wurden Materialien gefunden, die ebenfalls als Magnete dienen können, aber keine Seltenen Erden enthalten.
:) meint
Die Verluste im Antriebssystem sind durchaus nicht zu vernachlässigen. Gerade bei steilen Anstiegen am Berg, beim Rekuperieren und die Verluste die mit dem Anfahren einher gehen. Wenn der Motor ein Prozentpunkt effizienter wird, können bei einem Akku von 300 Kg Zellgewicht ganze 3 Kg Material eingespart werden. Zusätzlich gibt es weniger Wärme die vom Motor abgeführt werden muss.
Peter W meint
Leider ist es bisher ein Geheimnis, wieviel Neodym im neu entwickelten Reluktanzmotor des Model 3 steckt. Normalerweise braucht ein Reluktanzmotor keine Magnete und hat einen besseren Wirkungsgrad als der Asyncronmotor.
Siemens hat den Reluktanzmotor für die Industrie perfektioniert, und Tesla hat es vielleicht fürs Auto geschafft. Leider ist noch wenig durchgesickert, und man muss noch spekulieren wie gut der Model 3 Motor ist. Ob das Andere auch hinbekommen?
Utx meint
Dass fremderregte Motoren keine permanetmagnete besitzen und daher keine seltenen Erden enthalten, ist an den Fraunhofer-Forschern wohl vorbeigegangen. Diese werden z.B. von Renault als Antriebsmotoren verbaut.
Davon abgesehen, dass der größte Teil der weltweit geförderten seltenen Erden in der Erdölindustrie verbraucht wird. Die Bayernoil-Raffinerie, die letztens hochgegangen ist, hat z.B. jedes Jahr zwischen 3000 und 4000 t seltene Erden als Katalysatoren für die Raffinierung von Benzin und Diesel verbraucht.
Jörg meint
Die Marktmacht Chinas (aktuell wohl über 90% der weltweiten Gewinnung seltener Erden) liegt nicht an der globalen Verteilung sondern ausschließlich daran, dass die anderen Fördergebiete nicht erschlossen werden (USA, Canada, Australien – alles westliche Demokratien).
Ich sehe da kein wirkliches Versorgungsproblem dieser „seltenen“ Metalle.
Aber natürlich ist es immer wünschenswert, bei der Herstellung ressourcenschonend vorzugehen und zu gucken, wo etwas eingespart werden kann.
Leotronik meint
Die Raffinerien sind reinste Ressourcenschleudern. Und die nachgeschalteten Verbraucher (Verbrennungsmotoren) geben uns den Rest. Wer am Weiterbestand beharrt ist ein Menschenfeind. Die Alternative ist vorhanden.
Fritz! meint
Leider scheint es aber so, daß die Asynchron-Motoren (komplett ohne seltene Erden) nicht ganz so effektiv wie Synchron-Motoren sind. Siehe Tesla Model S (asyncron) und Model 3 (synchron). Wäre sicherlich lohnenswert, sich mal intensiver mit den Asynchron-Moteren zu beschäftigen, um deren Effektivität auf ein höheres Niveau zu heben.
Remo meint
Die Asynchronmotoren sind von der Technik her 190 Jahre alt. Ich glaube nicht, dass da noch viel Steigerung der Effizienz drin ist.
Martin meint
Efficienz Betrachtungen sind in diesem Fall nicht nur bei den Motoren sonder auch bei den Umrichtern zu machen. Jedoch liegen die größten potentielle nicht dort sondern bei der Aerodynamik und Endgeschwindigkeit usw.
Peter W meint
Bei den Motoren geht es lediglich um 2 oder 3% die man einsparen kann. Man muss hier also gar nicht „das große Fass aufmachen“. Wie Martin schreibt, ist die Aerodanamik der Schlüssel zur Sparsamkeit. Ganz wichtig wäre es auch noch die Ladeverluste zu minimieren. Hier liegen wir bei 15%! Anstatt noch das eine oder andere Prozent am Motor zu optimieren, wäre es sinnvoller die Ladeverluste zu halbieren. Die etwas geringere Leistungsumsetzung beim Motor ohne Magnete, könnte man mit Sicherheit an anderer Stelle mehr als ausgleichen.