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NEOdymium-Iron-Boron base materials, fabrication techniques and recycling solutions to HIghly REduce the consumption of Rare Earths in Permanent Magnets for Wind Energy Application

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Neuartige Techniken und Konzepte zum Umgang mit den Grenzen von Windkraftanlagengeneratoren

Dank der Permanentmagnettechnologie bieten große Windkraftanlagengeneratoren Energieeffizienz sowie eine Energiequalität und Instandhaltungskosten, die auf dem Markt standhalten. Ungeachtet der Effizienz und Zuverlässigkeit müssen im Bereich der Permanentmagnettechnologie noch einige große Hindernisse überwunden werden.

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Je mehr magnetische Energie in einem Magneten gespeichert ist, desto leichter kann elektrische Energie aus einer an den Permanentmagnetgenerator angeschlossenen Windkraftanlage gewonnen werden. „Wertmäßig wird der Markt für Permanentmagneten zu zwei Dritteln von Magneten dominiert, die Seltenerdelemente enthalten“, sagt José Manuel Martín, Koordinator des EU-finanzierten Projekts NEOHIRE. „In den letzten zehn Jahren sind erhebliche Forschungsanstrengungen unternommen worden, um hocheffiziente und zuverlässige Windkraftanlagen mit Permanentmagneten zu entwickeln und so drei Haupthindernisse zu überwinden.“ Das erste Hindernis ist die starke Abhängigkeit von China für die Versorgung und dessen hohe Preise für Seltenerdelemente, das zweite die enormen Schwierigkeiten beim Ersetzen der Seltenerdelemente in den Permanentmagneten. Schließlich birgt die Umsetzung eines wirtschaftlich rentablen großmaßstäblichen Recyclings der Seltenerdelemente einige Herausforderungen.

Neue Permanentmagnetgeneratoren mit verbesserter Leistung

Ziel von NEOHIRE war es, die Verwendung von Seltenerdelementen und anderen kritischen Rohstoffen wie Kobalt und Gallium für Permanentmagneten für Windkraftanlagengeneratoren zu reduzieren. Projektpartner entwickelten ein neues Konzept für gebundene Neodym-Eisen-Bor-Magnete, welche die derzeitigen hochmodernen gesinterten Magneten für Windkraftanlagen ersetzen können. Sie erarbeiteten außerdem neue Recyclingtechniken für kritische Rohstoffe aus aktuellen und zukünftigen Permanentmagnetabfällen. „Dadurch kann die externe Nachfrage der EU nach Seltenerdelementen und kritischen Rohstoffen für Permanentmagnete in Windkraftanlagengeneratoren möglicherweise um 30 % reduziert werden“, erklärt Martín. „Dies rührt daher, dass für die Fertigung der NEOHIRE-Permanentmagneten für Windkraftanlagen die Verwendung des Seltenerdelements Neodym stark reduziert wurde und das Seltenerdelement Dysprosium sowie Kobalt und Gallium gänzlich nicht mehr benötigt werden.“ Das Team von NEOHIRE gewann ein anisotropes Pulver aus einem isotropen gasatomisierten Vorläuferpulver. Das neue Pulver enthält in seiner Zusammensetzung weder schwere Seltene Erden noch Kobalt oder Gallium. Beim direkten Recycling von gesinterten Magneten am Ende der Lebensdauer entsteht ein anisotropes Pulver, dessen Eigenschaften denen kommerzieller isotroper Pulver ähnlich sind. Die Forschenden stellten 5 kg des durch Hydrierung-Disproportionierung-Desorption-Rekombination recycelten Pulvers sowie einen Prototyp zur Validierung des Projektansatzes her. Sie entwickelten einen alternativen Aufbau für Windkraftanlagengeneratoren mit hoher Drehzahl. Die gesinterten N40TH-Magneten im Originalaufbau wurden durch gebundene NEOHIRE-Magneten ersetzt. So konnte die Verwendung von Neodym-Eisen-Bor für Windkraftanlagengeneratoren um 30 % reduziert werden. Durch die neuartige Form der Permanentmagneten und den neuen elektromagnetischen Aufbau der Windkraftanlagengeneratoren konnte die lieferbare elektrische Leistung der Neodym-Eisen-Bor-Windkraftanlagengeneratoren für 1 t Neodym von 2,74 MW auf 3,56 MW gesteigert werden.

Gebundene Magneten der nächsten Generation

Außerdem entwickelte das Team eine Recyclingmethode sowohl für harzgebundene Neodym-Eisen-Bor-Magneten als auch gesinterte Magnete. Eine auf Nachhaltigkeit ausgerichtete Lebenszyklusanalyse zeigte, dass die Umweltbelastung des Recyclings und der Herstellung der NEOHIRE-Magneten geringer ist als die der aktuell verwendeten gesinterten Magneten. Zudem sind die NEOHIRE-Magneten ermüdungsfeste Komponenten. „NEOHIRE trägt dazu bei, zukünftige Engpässe in der Materiallieferkette zu vermeiden“, schließt Martín. „Die Abhängigkeit der EU von externen Anbietern für kritische Rohstoffe wie Dysprosium, Neodym, Kobalt und Gallium wird verringert.“ Das stärkt die Wettbewerbsfähigkeit und Nachhaltigkeit des europäischen Windenergiesektors und schafft Arbeitsplätze. Das Projekt wird außerdem einen Einfluss auf andere Sektoren haben, in denen Neodym-Eisen-Bor-Magneten verwendet werden, wie den Automobil-, den Luftfahrt-, den Medizinprodukte- und den Metallrecyclingsektor.

Schlüsselbegriffe

NEOHIRE, Magnet, Permanentmagnet, Seltenerdelement, Windkraftanlagengenerator, Neodym-Eisen-Bor, Neodym

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