James McKenzie ist sich bewusst, dass wir viele Magnete brauchen werden, wenn wir die Wirtschaft grün machen wollen
Ich war kürzlich in Newcastle, um daran teilzunehmen PEMD2022 – die 11. internationale Konferenz zu Leistungselektronik, Maschinen und Antrieben. Was mich beeindruckt hat, waren nicht nur die enormen Leistungsverbesserungen, die bei Elektromotoren und Generatoren erzielt wurden, sondern auch, wie weit wir noch gehen müssen, um den Transport vollständig kohlenstofffrei zu machen.
Der weltweite Absatz von Elektroautos (einschließlich vollständig batteriebetriebener, Brennstoffzellen- und Plug-in-Hybriden) verdoppelte sich im Jahr 2021 auf ein Allzeithoch von 6.6 Millionen. Mittlerweile machen sie 5–6 % des Fahrzeugabsatzes aus, wobei jede Woche mehr verkauft wird als im gesamten Jahr 2012, heißt es Globaler Ausblick auf Elektrofahrzeuge 2022 berichten.
Jedes neue Elektrofahrzeug benötigt mindestens einen leistungsstarken Elektromotor.
Die Prognosen variieren, laut einem Marktforschungsunternehmen wird jedoch erwartet, dass der Jahresabsatz bis 65 weltweit auf 2030 Millionen Elektrofahrzeuge steigen wird IHS Markit. Der jährliche Absatz von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor wird hingegen von 68 Millionen Einheiten im Jahr 2021 auf 38 Millionen Einheiten im Jahr 2030 zurückgehen.
Klar ist, dass jedes neue Elektrofahrzeug mindestens einen leistungsstarken Elektromotor benötigt. Fast alle (etwa 85 %) dieser Fahrzeuge verwenden derzeit Motoren mit Permanentmagneten (PMs), da diese am effizientesten sind (der Rekord liegt bei 98.8 %). Einige wenige verwenden Wechselstrom-Induktionsmotoren und -Generatoren, aber sie sind 4–8 % weniger effizient als PM-Motoren, bis zu 60 % schwerer und bis zu 70 % größer.
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Dennoch eignen sich diese Nicht-PM-Motoren und -Generatoren beispielsweise perfekt für Lastkraftwagen, Schiffe und Windturbinengeneratoren. Sie lassen sich auch leicht recyceln, da sie im Prinzip aus einem Material (z. B. Aluminium) hergestellt und am Ende ihrer Lebensdauer eingeschmolzen werden können. Einige Firmen, wie Tesla Motors, kombinieren sogar die PM- und elektromagnetischen Ansätze in immer komplexeren Designs, um Leistung und Reichweite zu optimieren. Keiner der Fortschritte bei Elektrofahrzeugen wäre jedoch ohne die enormen Fortschritte bei der Festkörper-Leistungselektronik möglich.
Magnetische Anziehungskraft
Magnete haben einen langen Weg zurückgelegt, seit ein Hirte in Magnesia in Nordgriechenland bemerkte, dass die Nägel in seinem Schuh und die Metallspitze seines Stabes fest an einem magnetischen Stein befestigt waren (so heißt es zumindest). Diese „Magnetsteine“ wurden jahrtausendelang in Kompassen zur Navigation verwendet, doch erst im frühen 1800. Jahrhundert entdeckte Hans Christian Ørsted, dass ein elektrischer Strom eine Kompassnadel beeinflussen kann.
Die erste Demonstration eines Motors mit Drehbewegung erfolgte im Jahr 1821, als Michael Faraday einen frei hängenden Draht in ein Quecksilberbecken tauchte, auf dem ein PM platziert wurde. Der erste Gleichstrom-Elektromotor, der Maschinen antreiben konnte, wurde von einem britischen Wissenschaftler entwickelt William Stör im Jahr 1832. Etwa zur gleichen Zeit bauten die US-amerikanischen Erfinder Thomas und Emily Davenport den ersten praktischen batteriebetriebenen Gleichstrom-Elektromotor.
Mit diesen Motoren wurden Werkzeugmaschinen und eine Druckmaschine angetrieben. Da der Batteriestrom jedoch so teuer war, waren die Motoren kommerziell erfolglos und die Davenports gingen bankrott. Auch andere Erfinder, die versuchten, batteriebetriebene Gleichstrommotoren zu entwickeln, hatten mit den Kosten der Stromquelle zu kämpfen. In den 1880er Jahren wandte man sich schließlich den Wechselstrommotoren zu, die sich die Tatsache zunutze machten, dass Wechselstrom mit hoher Spannung über große Entfernungen transportiert werden kann.
Der erste Wechselstrom-„Induktionsmotor“ wurde 1885 vom italienischen Physiker Galileo Ferraris erfunden, wobei der elektrische Strom zum Antrieb des Motors durch elektromagnetische Induktion aus dem Magnetfeld der Statorwicklung gewonnen wurde. Das Schöne an diesem Gerät ist, dass es ohne elektrische Verbindungen zum Rotor hergestellt werden kann – eine kommerzielle Chance, die Nikola Tesla genutzt hat. Nachdem er 1887 unabhängig seinen eigenen Induktionsmotor erfunden hatte, patentierte er im folgenden Jahr den Wechselstrommotor.
Viele Jahre lang hatten PMs jedoch Felder, die nicht höher waren als die von natürlich vorkommendem Magnetit (etwa 0.005 T). Erst mit der Entwicklung von Alnico (Legierungen hauptsächlich aus Aluminium, Nickel und Kobalt) in den 1930er Jahren wurden praktisch nützliche PM-Gleichstrommotoren und -Generatoren möglich. In den 1950er Jahren kamen kostengünstige PMs aus Ferrit (Keramik) auf den Markt, in den 1960er Jahren folgten Samarium- und Kobaltmagnete, die wieder stärker waren.
Doch der eigentliche Wendepunkt kam in den 1980er Jahren mit der Erfindung der Neodym-PMs, die Neodym, Eisen und Bor enthalten. Heutzutage hat die N42-Qualität von Neodym-PMs eine Festigkeit von etwa 1.3 T, obwohl dies nicht die einzige wichtige Kennzahl ist, wenn es um Magnet- und Motordesign geht: Auch die Betriebstemperatur ist entscheidend.
Die Preise für einige Seltenerdmaterialien sind in die Höhe geschossen, was zu umfangreichen Forschungsarbeiten zu neuen Magnetzusammensetzungen geführt hat.
Das liegt daran, dass die Leistung von PMs beim Aufwärmen abnimmt und sobald sie den „Curie-Punkt“ (ca. 320 °C für Neodym-Magnete) überschreiten, entmagnetisieren sie sich vollständig und machen den Motor unbrauchbar. Ein weiterer wichtiger Aspekt aller Seltenerdmagnete, einschließlich Neodym, Kobalt und Samarium, ist, dass sie eine hohe Koerzitivfeldstärke haben, was bedeutet, dass sie sich im Betrieb nicht so leicht entmagnetisieren. Um Magnete mit der höchsten Koerzitivfeldstärke und der besten Temperaturleistung herzustellen, benötigen Sie auch kleine Mengen anderer schwerer seltener Erden wie Dysprosium, Terbium und Praseodym.
Eine Frage der Versorgung
Das Problem ist, dass Seltenerdelemente Mangelware sind. Das liegt nicht daran, dass sie an sich selten sind, sondern ihr Name kommt einfach von ihrer Position im Periodensystem. Laut einem Bericht vom letzten Jahr von Magnetics & Materials LLCBis 2030 wird die Welt 55,000 Tonnen mehr Neodym-Magnete benötigen, als voraussichtlich verfügbar sind, wobei 40 % des Gesamtbedarfs voraussichtlich auf Elektrofahrzeuge und 11 % auf Windkraftanlagen entfallen.
China stellt derzeit 90 % aller Neodym-Magnete weltweit her, weshalb die USA, die EU und andere versuchen, ihre Fähigkeiten in der Lieferkette auszubauen, um nicht benachteiligt zu werden. Die Preise für einige Seltenerdmaterialien sind in die Höhe geschossen, was zu umfangreichen Forschungsarbeiten zu neuen Magnetzusammensetzungen, zum Recycling vorhandener Magnete und zu fortschrittlichen Wechselstrom-Induktionsmotoren geführt hat.
Wie man es auch betrachtet, wir werden viele Magnete brauchen, wenn wir die Wirtschaft umweltfreundlicher machen wollen.
