Der Ausbau der Elektromobilität ist ein wichtiger Schritt der Energiewende und soll dabei helfen, die CO2-Emmissionen langfristig zu senken. Nach den Plänen der Bundesregierung sollen etwa bis 2030 sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeuge zugelassen werden. Das bedeutet allerdings auch, dass immer mehr Elektromotoren und die für ihre Funktion essenziellen Hochleistungs-Permanentmagneten benötigt werden. Sie machen etwa die Hälfte der Motorkosten aus und enthalten unter anderem Seltenerdmetalle wie Neodym oder Dysprosium. Die Förderung dieser Seltenen Erden findet hauptsächlich in China statt und setzt unter anderem giftige Nebenprodukte frei, die das Grundwasser verunreinigen und damit Mensch und Natur schaden können.
Ist das Magnet oder kann das weg?
Doch obwohl die Magneten unter solch teuren und umweltschädlichen Bedingungen produziert werden, existieren bisher keine nachhaltigen Recyclingprozesse. Stattdessen landen die ausgedienten Magneten meist auf dem Schrottplatz und werden dort mit anderem Restmetall wieder eingeschmolzen. Das wollen nun Materialwissenschaftler Konrad Opelt und sein Team vom Fraunhofer-Institut für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategien in Hanau ändern. Um nachzuweisen, dass Elektromotoren mit recycelten Altmagneten dieselbe Leistung erbringen können wie mit Neumagneten, schafften die Wissenschaftler zunächst ein E-Bike, einen E-Scooter und ein Hoverboard an.
„Bei allen neuen Fahrzeugen haben wir zunächst ausführlich den Motor charakterisiert, um relevante Kennwerte zu erhalten, mit denen wir dann später die Leistung der Motoren mit den recycelten Magneten vergleichen können“, berichtet Opelt. Die Altmagneten für ihr Recyclingverfahren erhielten sie von verschiedenen Industriepartnern, dadurch unterschieden sich diese in Leistung, Form und Beschaffenheit deutlich – damit wollen Opelt und sein Team möglichst nah an der Realität bleiben und zeigen, dass der Recyclingprozess auch mit ganz unterschiedlichem Ausgangsmaterial funktionieren kann.
Aus alt mach neu
Beim Recycling der Altmagneten wird deren Material zerkleinert und einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt. Der eindringende Wasserstoff lässt das Material zu einem Granulat zerfallen, das mit einer Strahlmühle noch weiter zerkleinert wird. Dieses Pulver kann anschließend in eine Pressform gegeben und zum neuen Magneten „gebacken“ werden. Der entscheidende Vorteil dabei: Während bei der Neuherstellung von Magneten das Ausgangsmaterial unter großem Energieverbrauch eingeschmolzen werden muss, ist das bei den Altmagneten nicht mehr nötig. Das bloße Zerkleinern reicht. „Den umweltbelastenden Abbau der Rohstoffe und das energieintensive Aufschmelzen können wir so einfach überspringen“, erklärt Opelt.
Theoretisch können bei diesem Recyclingprozess tausende Magneten gleichzeitig verarbeitet werden. Allerdings lasse es sich dabei kaum verhindern, dass die Magnete in Kontakt mit etwas Sauerstoff kommen, was die Leistung leicht verringert. „Hier können wir aber gezielt entgegensteuern, indem wir beispielsweise zehn bis zwanzig Prozent neues Material hinzugeben oder die Mikrostruktur der Magnete noch weiter bearbeiten“, sagt Opelt. Die Leistung der Magneten lässt sich dann am fertigen Endprodukt oder auch schon im Pulverstadium bestimmen. Derzeit sind die Forschenden noch dabei, den Aufbereitungsprozess während des Recyclingvorgangs weiter zu optimieren. Konrad Opelt ist aber zuversichtlich, dass sie die recycelten Magnete schon bald in die E-Motoren einbauen können.
Recycling wird individuell
In der Zukunft wollen die Forschenden auch anwendungsspezifische Recycling-Varianten ermöglichen, indem sie aus ihren Analysen der recycelten Magneten ein Eigenschafts-Portfolio ableiten. Dies soll zukünftigen Anwendern dabei helfen, die Recyclingprozesse so an ihre Bedürfnisse anpassen zu können, dass je nach Materialzusammensetzung bestimmte Magneteigenschaften erreicht werden können. Wenn das Recycling von Altmetallen tatsächlich in großem Maße Anwendung findet, wäre das ein entscheidender Schritt im Aufbau einer Wertschöpfungskette, die nicht nur nachhaltig ist, sondern die Elektromobilität auch weniger abhängig von Ressourcen macht. Opelt hofft, dass Hersteller zukünftig schon bei der Produktion von Elektromotoren gezielt darauf achten, dass sich die Magnete gut aus- und wieder einbauen lassen – und somit Recycling möglich machen.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategien IWKS
