Seltene Erden in der Elektromobilität

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Seltene Erden in der Elektromobilität

Preisexplosion für Seltene Erden erfordert ressourcenschonende Elektromotoren für eMobilität

In etlichen Hightech-Branchen, darunter energieeffiziente und kompakte Elektromotoren für Elektrofahrzeuge, sind Seltene Erden unentbehrlich. Die Reduzierung der Fördermengen und Exportquoten durch die VR China führte zu Preissteigerungen beispielsweise bei Magneten um bis zu 800 % und könnte den Vormarsch der Elektromobilität entscheidend verlangsamen. Alternative Quellen sind noch nicht verfügbar, daher sind innovative Technologien gefragt, die den Bedarf reduzieren.

Seltene Erden in der Elektromobilität
Im Bereich Elektromobilität werden Seltene Erden bei der Herstellung von Akkus, Elektromotoren und Generatoren verwendet. So beträgt der Neodym-Anteil von in Elektromotoren und Generatoren eingesetzten Hochleistungsmagneten über 25 %. Der Anteil aller Seltenen Erden in einem Hybrid-Fahrzeug wird auf insgesamt 20 kg geschätzt. Ohne deren Einsatz wären z.B. in Motoren und Generatoren höchste Wirkungsgrade von über 90 % nicht erreichbar, außerdem wären deutlich größere und schwerere Maschinen nötig, um die steigenden Leistungsanforderungen an Antriebsmoto- ren, Generatoren und Hilfsaggregate für Elektro- und Hybridfahrzeuge zu erfüllen. Im letzten Jahrzehnt verdreifachte sich der Bedarf an Seltenen Erden von 40.000 auf 120.000 Tonnen. Um das geplante Wachstum der sogenannten Green-Technologien bewahren zu können, steigt der globale Bedarf in den nächsten Jahren sogar auf 200.000 Tonnen. Die Rohstoffmengen sind grundsätzlich vorhanden, obgleich Teile davon noch unerschlossen sind, dennoch ist die Versorgungssituation kritisch.

Vorsorgungsengpässe
Entgegen der Bezeichnung sind die 17 Seltenen Erden tatsächlich nicht so selten. Lediglich wegen ihrer geochemischen Eigenschaften sind diese Elemente zumeist nur in kleinen Mengen, in sehr vielen, weit verstreut lagernden Mineralien sowie als Beimischungen in anderen Mineralien vorhanden. Daher geschieht die industrielle Gewinnung eher als Nebenprodukt bei der Gewinnung anderer, stärker konzentriert vorliegender Metalle aus deren Erzen, meist als Mischmetalle, weil die Ähnlichkeit ihrer chemischen Eigenschaften eine Trennung aufwändig und kostspielig macht. Während das gesamte globale Vorkommen der Seltenen Erden bei weitem ausreichend ist, um den weltweiten Bedarf abzudecken, werden die Rohstoffe nicht global verteilt aus dem Boden gewonnen. Heute kommen 97 % der weltweit geförderten Mengen aus China.

Jüngst wurde in den Medien über die Exportdrosselung der Seltenen Erden und die damit verbundene Existenzbedrohung des Hybridantriebs berichtet. Der Marktführer im Segment der Hybridfahrzeuge, der japanische Automobilkonzern Toyota, befürchtet starke Einschränkungen in den Expansionsmöglichkeiten seiner Technologie. Da einer der wesentlichen Erfolgsfaktoren für die Akzeptanz von Elektro- und Hybridfahrzeugen in einem wettbewerbsfähigen Preis zu Verbrennerfahrzeugen besteht, die Herstellkosten be- reits heute allerdings erheblich höher liegen, treffen diese Befürchtungen den gesamten Elektromobilitätssektor und könnten das aktuell zu beobachtende Wachstum erheblich verlangsamen. Daher werden zusätzliche Quellen oder alternative Materialien dringend benötigt, was allerdings noch einige Jahre in Anspruch nehmen wird.

Bereits erschlossene Vorkommen von Seltenen Erden befinden sich in Indien, Brasilien und in Malaysia. In West-Australien, Grönland und Kanada wurden weitere Vorkommen entdeckt, sowie größere Mengen Seltener Erden durch japanische Wissenschaftler Mitte 2011 im Pazifik. Nichtsdestotrotz muss man mit einigen Jahren rechnen, bevor diese Quellen die Industrie kosteneffizient beliefern können. Eine weitere Möglichkeit, um den Bedarf der Hightech-Industrien abzudecken, wäre eine zukunftsorientierte Recyclingstrategie für Hightech-Müll, womit solche Rohstoffe kosteneffizient aus dem Recycling gewonnen werden. Das gezielte Recycling von anderen wichtigen Rohstoffen, wie z.B. Gold, Gallium und Rhodium, ist der Bewies, dass dieses Konzept sich als rentables Geschäftsmodell realisieren lässt. Eine weitere Option ist die Suche nach alternativen Materialien. Leider begann diese in einigen Sektoren erst in der jüngsten Vergangenheit, sodass der Untersuchungsprozess und die entsprechende Realisierung brauchbarer Alternativen auch noch einige Zeit in Anspruch nehmen wird.

Innovation reduziert den Bedarf
Vor diesem Hintergrund gewinnt der Einsatz innovativer und besonders ressourcenschonender Technologien zunehmend an Bedeutung. Im Bereich der Elektromotoren und Generatoren kann die Wirkung von Magneten durch innovatives und energieeffizientes Design optimiert, und hierdurch der Einsatz der Rohstoffe entscheidend gesenkt werden. So hat sich beispielsweise die CPM Compact Power Motors GmbH aus Unterföhring bei München auf die Entwicklung und Fertigung von Motoren und Generatoren für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen spezialisiert, die durch ihr neuartiges Design eine vielfache Leistungsausbeute und damit erhebliche Größen- und Gewichtsreduzierung ermöglichen. Hierdurch lässt sich z.B. im Vergleich zu chinesischen Radnabenmotoren für Elektroroller der Einsatz von Elektromagneten auf bis zu ein Fünftel senken. Damit sind die entsprechenden Elektromotoren sowohl kostengünstiger als auch ressourcenschonender in der Herstellung. Zudem sind sie leichter und kompakter, was zusätzlich einen Beitrag zum Thema Energieeffizienz und eine erhöhte Flexibilität bei Einsatz und Design mit sich bringt.

Fazit
Seltene Erden sind bereits heute ein wesentlicher Kostentreiber in Elektro- und Hybridfahrzeugen, die zunehmende Verknappung und Verteuerung aufgrund der aktuellen Rohstoffpolitik Chinas gefährdet das schnelle Wachstum der Elektromobilität und die Erfolgsaussichten der Technologieträger in Europa und Amerika. Nur durch eine Kombination aus Erschließung neuer Quellen, Entwicklung alternativer Materialien und innovative Technologien zur Reduzierung des Bedarfs kann die High-Tech-Industrie den Lieferengpässen effektiv entgegenwirken. Neuartige Elektromotoren wie von CPM, die maximale Leistung aus den eingesetzten Magneten erzielen, leisten hierfür einen wesentlichen Beitrag.

Dr. Gregory Flinn, Chefredakteur von Laser+Photonik
Nico Windecker und Dr. Thomas Leiber, Geschäftsführer der CPM Compact Power Motors GmbH
www.cpmotors.eu