Fraunhofer-Institut: E-Mobilität mit Magnetrecycling nachhaltig gestalten

Ein wichtiges Element in Elektromotoren und somit für die gesamte Elektromobilität sind Hochleistungsmagneten. Sie stellen die derzeit leistungsstärksten Magneten am Markt dar und kosten etwa halb so viel wie der gesamte Motor, berichtet das Hanauer IWKS in seiner Pressemeldung. Und mit den Maßnahmen für die Energiewende und der Förderung von E-Mobilität wächst auch deren politische Bedeutung: Die Bundesregierung plant für Deutschland die Zulassung von sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeugen bis 2030. Diese benötigen, um überhaupt funktionieren zu können, einen Neodym-Eisen-Bor-Hochleistungspermanentmagneten und enthalten somit auch Seltene Erden wie Neodym oder Dysprosium.

Recyceln statt einschmelzen

Trotz der zunehmenden Nutzung von Elektrofahrzeugen jedoch würden die schon recht weit entwickelten Magnetrecyclingmethoden kaum Betracht gezogen, um die wertvollen Materialien weiterzuverwenden, so die Meldung; und so kommen die Magnete nach ihrer Nutzung immer noch auf den Schrottplatz und werden dort eingeschmolzen. Das wollen Forscher der Fraunhofer-Einrichtung IWKS ändern und in ihrem Projekt „Funmag“ (Funktionelles Magnetrecycling für eine nachhaltige E-Mobilität) zeigen, dass sich recycelte Magnete für die Verwendung in E-Fahrzeugen aufbereiten lassen.

Giftige Nebenprodukte

Für die unabdingbaren Seltenen Erden stellt China den Hauptlieferanten dar: Von dort kommen mehr als 90 Prozent des weltweiten Bedarfs. Der teure und aufwendige Abbau jedoch hat auch problematische Nebeneffekte, da während der Förderung giftige Beiprodukte freigesetzt werden, die bei mangelnder Vorsicht auch im Grundwasser landen und der Umwelt schaden können.

Bis jetzt kommen die unter so problematischen Bedingungen hergestellten Magnete jedoch nach Nutzungsende in der Regel auf den Schrottplatz, wo sie zusammen mit dem Alteisen eingeschmolzen werden. Dabei, so die Forschungsgesellschaft, gebe es bereits jetzt Recyclingmethoden für Magnete, die „erwiesenermaßen funktionieren“.

Magnetrecycling kommerzialisieren

Diese Lösungen will das IWKS nun mit seinem Projekt „Funmag“ fruchtbar machen. Das Vorhaben wird von der Wirtschaftsförderungsgesellschaft „Hessen Agentur“ gefördert, die nach eigenen Angaben „die nicht-monetäre Wirtschaftsförderung des Landes“ (Hessen) koordiniert und organisiert. Ziel der Aktion:

„Das Forscherteam will nachweisen, dass Elektromotoren mit recycelten Altmagneten dieselbe Leistung erbringen können wie mit ihren ursprünglichen Neumagneten und es sich daher lohnt, kommerzielles Magnetrecycling im großen Maßstab durchzuführen.“

Kleinfahrzeuge als Projektgerüst

Im ersten Teil des Plans werden jedoch zumindest zunächst noch keine Bauteile aus automobilen E-Fahrzeugen unter die Lupe genommen, sondern diejenigen kleinerer Gefährte. Laut Meldung haben sich die Forscher der Fraunhofer-Gesellschaft dazu „unter anderem“ ein E-Bike, einen E-Scooter und ein Hoverboard ausgesucht. Konrad Opelt, Leiter des Projekts und studierter Materialwissenschaftler:

„Bei allen neuen Fahrzeugen haben wir zunächst ausführlich den Motor charakterisiert, um relevante Kennwerte zu erhalten.“

Diese Ergebnisse dienten dann als Grundlage, um später die Motorleistung mit den recycelten Magneten zu vergleichen. Dabei bilden die untersuchten Elektrofahrzeuge quasi nur „den Rahmen“ des Projekts. 

Magnete im Fokus

Die Hauptarbeit des Teams jedoch hat mit der Arbeit direkt an den Magneten zu tun. Entsprechendes Material in der erforderlichen Menge („im Tonnenmaßstab“) konnten die Forscher über „bestehende Kontakte mit Industriepartnern“ beziehen. Die Bestandteile sind in dieser Form zwar sehr inhomogen und unterscheiden sich stark in Leistung, Form und Beschaffenheit – genau so aber ist ja auch die Situation unter realen Bedingungen. Opelt:

„Uns war es enorm wichtig, den realistischen Fall abzubilden. Wenn sich ein Schrotthändler dazu entschließt, die Magnete aus seinen deponierten Altmotoren zu separieren, wird das in der Regel ein bunter Blumenstrauß von unterschiedlichsten Magneten sein, deren genaue Eigenschaften niemand kennt.“

Es sei aber Teil des Projekts zu zeigen, dass der Recyclingprozess auch bei solch undefiniertem Ausgangsmaterial funktioniere – „und das hat vor uns noch niemand gemacht“, so Opelt weiter.

Erneuern – ohne umweltschädlichen Rohstoffabbau

Recycling, aber auch die Herstellung von Magneten ist beim Fraunhofer IWKS schon seit Jahren ein Thema. Das Institut verfügt über entsprechende Räumlichkeiten und Geräte, die den „kompletten Herstellungsprozess im Technikumsmaßstab nachbilden“ können. Für die Herstellung eines neuen Magneten, so wird der Ablauf beschrieben, wird das Ausgangsmaterial (der Magnetschrott), bei etwa 1.400 Grad Celsius geschmolzen und dann abgeschreckt – dabei entstehen „metallische Flakes“.

Wird dieses Material dann „einer Wasserstoffatmosphäre“ ausgesetzt, zerfällt es in ein Granulat. Dann folgt zur weiteren Zerkleinerung die Behandlung in einer Strahlmühle. Das daraus entstandene metallische „Mehl“ kann dann in Pressformen gegeben und gesintert beziehungsweise „zum Magneten gebacken“ werden. Zudem lässt sich durch diese Behandlung ein Teil an energieintensiven und giftigen Arbeitsprozessen einsparen:

„Um einen Magneten zu recyceln“, heißt es, „reicht es aus, den Altmagneten mit der Wasserstoffatmosphäre in Verbindung zu bringen und die nachfolgenden Prozessschritte zu durchlaufen. Den umweltbelastenden Abbau der Rohstoffe und das energieintensive Aufschmelzen können wir so einfach überspringen“,

erklärt Opelt. In dem Verfahren könnten zwar einerseits tausende Magnete zugleich verarbeitet werden, dennoch ergebe sich ein kleiner Nachteil dadurch, dass die nicht zu verhindernde, wenn auch geringe Aufnahme von Sauerstoff während des Behandlungsprozesses zu kleinen Qualitätseinbußen führt.

Dieser Wirkung ließe sich jedoch gezielt entgegensteuern: Entweder indem zehn bis 20 Prozent an neuem Material hinzugefügt werden oder durch Weiterbearbeitung der „Mikrostruktur“ der Magnete, so Opelt weiter. Die Leistung der recycelten Magnete sei dann am fertigen Endprodukt zu bestimmen, aber bereits auch schon im „Pulverstadium“ messbar.

Handlungsempfehlungen zur gezielten Modifizierung

Laut Angaben des Instituts will man aus den Ergebnissen ein „Eigenschaftsportfolio“ mit Handlungsempfehlungen für zukünftige Anwender erstellen damit diese, je nachdem welche Zieleigenschaften der Magnete gewünscht sind, ihren Recyclingprozess entsprechend anpassen können.