Motor der Zukunft: ohne Seltene Erden

Was der Verbrennungsmotor für die Mobilität des 19. und vor allem des 20. Jahrhunderts war, ist der Elektromotor für die Mobilität von heute und morgen. Nach Schätzungen der Internationalen Energieagentur (IEA) in ihrem „Global EV Outlook 2023“ wird der Anteil von Elektrofahrzeugen im Jahr 2030 weltweit die 35-Prozent-Marke erreichen. Sind beim Verbrenner vor allem die durch den Treibstoff verursachten Emissionen problematisch, gelten beim E-Motor die zumeist darin eingesetzten Permanentmagnete als dessen Achillesferse. Diese Magnete enthalten große Mengen der sogenannten Seltenerdmetalle Neodym, Praseodym und Dysprosium, die sehr aufwändig gewonnen werden. Im elektrischen Antriebsstrang eines Personenwagens stecken bis zu fünf Kilogramm dieser Metalle, im Generator einer Windkraftturbine sind es sogar zwischen 300 und 550 Kilogramm.

Zur Gruppe der Seltenerdmetalle, kurz: Seltene Erden, zählen insgesamt 17 Metalle. Zwar sind diese Metalle grundsätzlich in großer Menge vorhanden, jedoch lohnt sich ein Abbau erst, wenn das Erz im Boden einen ausreichend hohen Gehalt an Seltenerdmetallen enthält. Deshalb sind die heute bekannten und erschlossenen Vorkommen auf wenige Regionen der Welt verteilt. Derzeit fördert China zwischen 70 und 80 Prozent aller Seltenen Erden für den Weltmarkt. Dieser Umstand schafft für alle Abnehmer eine starke Abhängigkeit und birgt das Risiko von Handelsbarrieren. Wie bei anderen Rohmaterialketten, ist auch bei den Seltenerdmetallen die Überwachung von Arbeitssicherheit und menschenrechtlicher Sorgfalt herausfordernd. Dazu kommt, dass die Gewinnung von Seltenerdmetallen in Minen gewaltige Erdbewegungen erfordert. Auch birgt der notwendige Einsatz giftiger Chemikalien die Gefahr, Böden und Wasser zu verschmutzen.

Aus dem bisher Gesagten ergeben sich für ZF drei Verpflichtungen zum Handeln: So ist dafür zu sorgen, dass die beispielsweise in den E-Motoren verwendeten Seltenen Erden ethisch wie ökologisch einwandfrei produziert wurden. Ebenso wichtig ist, das Recycling bei diesen wertvollen Materialien zu forcieren. Der beste Weg und damit das Ziel von ZF ist der Verzicht auf Seltenerdmetalle in den eigenen Produkten. An deren Stelle treten neue technische Lösungen.

Kommen wir zu Punkt eins, zur verantwortungsbewussten Beschaffung von Seltenerdmetallen. ZF kauft diese nicht in Rohform ein, sondern bereits verarbeitet zu Vorprodukten, vor allem als Permanentmagnete für Elektromotoren. Die Produkte kommen aus verschiedenen Ländern, hauptsächlich aus China und Japan. „Wie bei allen Produkten, die wir zukaufen, verpflichten sich auch unsere Lieferanten von Produkten, die Seltenen Erden enthalten, dass sie sich an die von ZF definierten Standards für Umweltschutz und Menschenrechte halten. Wir bewerten die Nachhaltigkeitsleistung unserer Lieferanten und unterstützen sie auf ihrem Weg dorthin“, sagt Olga Schick-Scheider, Head of Supply Chain Sustainability. Darüber hinaus bedient sich der Konzern verschiedener Tools, um die Nachhaltigkeits-Performance seiner Lieferanten zu bewerten.

Das Recycling Seltener Erden steht vor einem großen Aufschwung. Initiativen, die dieses Recycling fördern, sind daher weltweit gefragt. Ein von der EU gefördertes Forschungsprojekt, SUSMAGPRO, steht für „Sustainable Recovery, Reprocessing and Reuse of Rare Earth Magnets in a European Circular Economy“. Gemäß SUSMAGPRO liegt die Recyclingquote für Seltenerdmetalle derzeit weltweit bei weniger als einem Prozent. Bis zum Jahr 2027 sollen es in Europa 25 Prozent sein. Eines der Projektziele ist der Aufbau einer Recycling-Lieferkette für Seltenerdmagnete in Europa. Dafür haben sich 19 Unternehmen aus unterschiedlichen Branchen zusammengeschlossen, darunter auch ZF.

Ein Aspekt, mit dem sich ZF bei SUSMAGPRO befasst, ist die Frage, wie sich Produkte entwickeln so lassen, um eine effiziente Demontage am Ende der Produktlebensdauer zu ermöglichen. „Designs zu optimieren, um kritische Seltenerdmaterialien bestmöglich zu nutzen, magnetfreie Designs zu nutzen, wo sie sinnvoll sind und sicherzustellen, dass Seltenerdmetalle am Ende der Lebensdauer eines Produkts nicht verloren gehen, tragen zu einer nachhaltigen Zukunft bei“, sagt Dr. David Moule. Er ist Technischer Spezialist für elektrische Antriebe im ZF-Kompetenzzentrum Servoantriebe.

Die Erkenntnisse der ZF-Konstrukteure von SUSMAGPRO fließen in die Neukonstruktion von Motoren ein. Dabei geht es vor allem um deren verbesserte Recyclingfähigkeit, was wiederum die Nachhaltigkeitsstrategie von ZF unterstützt.

Auch ohne Permanentmagnete hat dieser Motor also eine extreme Leistungs- sowie Drehmomentdichte und ist dabei noch ungewöhnlich klein. „Dieser einzigartig kompakte Elektromotor ohne Magnete ist ein eindrucksvoller Beleg für unsere Strategie, E-Antriebe vor allem durch Effizienzsteigerungen ressourcenschonender und nachhaltiger zu machen“, sagt Stephan von Schuckmann. Er verantwortet im ZF-Vorstand die elektrifizierten Antriebslösungen. In Zahlen ausgedrückt, bedeutet ressourcenschonender, dass ZF beim I2SM den CO2-Footprint in der Produktion massiv senkt: um bis zu 50 Prozent im Vergleich zum klassischen E-Motor mit Seltenerdmagneten. Dies ist nur ein Beispiel für die Anstrengungen und die damit verbundenen Investitionen des Technologiekonzerns in nachhaltige technische Lösungen, um die Mobilität klimafreundlicher zu gestalten.