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Do, 13.10.2011 10:25
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pts20111013007 Forschung/Technologie, Auto/Verkehr
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Seltene Erden verteuern Elektromotoren

Preisexplosion erfordert ressourcenschonende Elektromotoren für eMobility
Globale Lieferung von Seltenen Erden (c) Wikipedia
Globale Lieferung von Seltenen Erden (c) Wikipedia

Unterföhring (pts007/13.10.2011/10:25) - 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 beispielweise 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.

Dr. Gregory Flinn, Nico Windecker, Dr. Thomas Leiber

Lanthan, Europium, Neodym und 14 weitere Metalle sind bekannt als die Seltenen Erden und stellen einen kritischen Bestandteil einiger Hightech-Industrien dar. Die Automotive-Industrie verbraucht beispielsweise etliche 10.000 Tonnen dieser Rohstoffe jedes Jahr. Hightech-Entwicklungen in militärischen und optischen Sektoren, auch sogenannte Green-Technologien im Energie-Sektor, sind auf den Einsatz dieser begehrten Rohstoffe angewiesen, da diese Elemente technologieintensiven Materialien und -komponenten wie z.B. optischen Gläsern und Dauermagneten kritische Eigenschaften verleihen, die die Performance, und daher auch die Konkurrenzfähigkeit der Hightech- Produkte maßgeblich verbessern.
Seltene Erden in der Elektromobilität

Im Bereich der Elektromobilität werden Seltene Erden bei der Herstellung von Akkus, Elektromotoren und Generatoren verwendet [1]. So beträgt der Neodym-Anteil (als Werkstoff NdFeB) von in Elektromotoren und Generatoren eingesetzten Hochleistungsmagneten über 25%. Der Anteil aller Seltenen Erden in einem Hybrid-Fahrzeug wird auf insgesamt 20kg 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 Antriebsmotoren, Generatoren und Hilfsaggregate für Elektro- und Hybridfahrzeuge zu erfüllen.

Die Abhängigkeit ist so groß, dass deren Ausbreitung durch bevorstehende Rohstoffengpässe unter Umständen bedroht ist [3]. 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, steige der globalen 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 durch die VR China

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 [2].

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. Bis in die 1990er Jahre hinein waren die USA das Hauptförderland. Die chinesischen Fördermethoden im Bergbau sind jedoch ungleich kostengünstiger, da in diesem Bereich häufig noch sehr niedrige Umweltstandards gelten. Dementsprechend war es den chinesischen Produzenten möglich, die Weltmarktpreise zu drücken und die restliche Konkurrenz allmählich aus dem Geschäft zu drängen. Somit wurde die Gewinnung an anderen Orten unrentabel und daher eingestellt, z.B. in den USA [2], was dazu führte, dass die VR China in den letzten Jahren bis auf 97% der weltweit geförderten Mengen lieferte.

Obwohl die VR China selbst über zum Teil gigantische Rohstoffvorkommen verfügt, reichen diese nicht mehr überall aus, um den Bedarf des Wirtschaftswachstums des Landes zu stillen. Daher sah sich das Land gezwungen, die eigenen Rohstoffvorkommen zu schützen, um den Eigenbedarf für die Zukunft zu sichern. Aus diesem Grund und zur Stärkung des Umweltschutzes wurden im vergangenen Jahr drei besonders umweltschädliche der insgesamt fünf Minen geschlossen und somit die weltweite Förderung erheblich reduziert. Außerdem drosselte die VR China in den letzten Jahren den Export drastisch und vervielfachte gleichzeitig die Ausfuhrzölle und droht seit einigen Wochen mit weiteren Exporteinschränkungen auf etwa ein Viertel des globalen Bedarfs. Für einige Metallerze soll ein komplettes Exportverbot gelten (Yttrium, Thulium und Terbium) und für Neodym, Lanthan, Cerium und Europium eine Exportquote von 35.000 Tonnen.

Durch das Drosseln dieser Rohstoffe, solle die Produktion von Schlüsseltechnologien im eigenen Land stattfinden - der Grund dafür ist nachvollziehbar. China konzentriert sich selbst auf die Produktion technologieintensiver Produkte und verzeichnet damit auch einen stetig wachsenden Eigenbedarf. Noch assoziiert man mit dem Begriff "Made in China" massenweise produzierte Billigwaren, langfristig möchte man allerdings mit qualitativ hochwertigeren Produkten auf die Märkte der Welt drängen.

Aufgrund dieser Maßnahmen übersteigt die internationale Nachfrage nach Seltenen Erden zunehmend das vorhandene Angebot mit der Folge von Preissteigerungen von bis zu 1000% in den vergangenen 18 Monaten, außerdem ist die Versorgung von Zukunftstechnologien mit den nötigen Rohstoffen nicht mehr gewährleistet.

Alternative Quellen, alternative Materialien nicht zeitnah verfügbar

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 bereits 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 vielleicht als rentables Geschäftsmodell realisieren lässt [4]. Die nüchterne Tatsache ist dennoch, laut einer neuen Studie der Unep, der Umweltbehörde der Vereinten Nationen, dass die Recyclingrate für 32 von 37 Spezialmetallen beinahe bei Null liegt.

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

Letztendlich bleibt eine weitere Verknappung und Erhöhung der Preise dieser Ressourcen quasi unausweichlich und die Reduzierung des Bedarfs durch den Einsatz innovativer und besonders ressorcenschonender Technologien gewinnt 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 Firma 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 der VR China 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.

Literatur

1 Global supply of rare earth elements could be wiped out by 2012, Adams, M.: http://www.naturalnews.com/028028_rare_earth_elements_mining.html
2 Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Metalle_der_Seltenen_Erden
3 Rohstoffe für Zukunftstechnologien; Angerer, G., Erdmann, L., Marscheider-Weidemann, F., Scharp, M., Lüllmann, A.,Handke, V. & Marwede, M.:Studie des BMWi, Berliner IZT & Fraunhofer ISI, Fraunhofer IRB Verlag, 2009, 383 pp.
4 Schätze aus dem Shredder, Jung. A: Der Spiegel 23/2011 http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-78832449.html

Autoren

Dr. Gregory Flinn ist Chefredakteur von Laser+Photonik, eine internationale Zeitschrift zum Thema Laser, Optik & Photonik.
Nico Windecker und Dr. Thomas Leiber sind Geschäftsführer der CPM Compact Power Motors GmbH in Unterföhring bei München.

(Ende)

Aussender: CPM Compact Power Motors GmbH
Ansprechpartner: Friedrich Zellner
Tel.: +49 (0)89 748561-20
E-Mail:
Website: www.cpmotors.eu/
CPM Compact Power Motors GmbH
   
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