Elektromobilität: Belgier entwickeln Motoren ohne Seltene Erden
Die Bayan Obo Mine in der Mongolei ist eines der größten Vorkommen an "seltenen Erden". An diesem Begriff stimmt eigentlich nichts: Erstens handelt sich um Metalle und zweitens finden die sich fast überall in der Erdkruste. Selten sind jedoch wirtschaftlich auszubeutende Vorkommen, bei denen die Konzentration über einem Prozent liegt. Es gibt 15 Seltene Erden oder Lanthanoide, die auf der Periodentabelle der Chemiker die Nummern 57 bis 71 tragen. Der Markt für seltene Erden ist allein in den Jahren von 1997 bis 2007 um das 20-fache gewachsen. Bislang kommt der Nachschub fast ausschließlich aus China, das heute mehr als 95 Prozent des Weltmarkts an Seltenen Erden bedient und dieses Quasi-Monopol weiter ausbaut. Das könnte in der Zukunft zu Problemen führen, denn ohne diese Metalle geht in den High-Tech-Industrien der Weltwirtschaft gar nichts, Foto: Google
Lanthanum ist Teil von Energiesparlampen und Batterien von Hybrid- oder Elektrofahrzeugen. In deren Akkus stecken nämlich bis zu 15 Kilogramm Lanthan plus ein Kilogramm Neodym, Foto: dpa
Cerium steckt in Zündern, ebenso als Oxid in selbstreinigenden Öfen, es dient als Katalysator beim Cracken von Mineralöl und zum Polieren von Glas. Lutetium dient ebenfalls als Katalysator beim Cracken – einem Verfahren bei dem lange Kohlenwasserstoffketten aufgespalten werden, Foto: dpa
Terbium wird als Lasermaterial und für Magneten eingesetzt , Foto: rtr
Neodym wird in Feststofflasern an Stelle von Rubinen eingesetzt sowie in starken permanenten Magneten, die im Automobilbau, in der Audio- und Videotechnik und in Windkraftanlagen benutzt werden, Foto: dpa
Promethium dient als Wärmequelle in Satelliten und Raumsonden, Foto: dpa
Samarium findet als Permanentmagnet Anwendung, zum Beispiel in Kopfhörern, Foto: AP
Gadolinium findet sich in Bildschirmen als Aktivator der grünen Leuchtstoffe. Auch Europium aktiviert Leuchtstoffe in Bildschirmen und Fernsehgeräten – allerdings die roten. Zudem dient das Material als Neutronenabsorber in Kernkraftreaktoren. Yttrium steckt in LED-Technologie und Bildröhren, Foto: AP
Dysprosium ist als Neutronenabsorber in Kernkraftreaktoren zu finden und für temperaturbeständige Super-Magneten. Auch Tulium ist ein Neutronenabsorber in Kernkraftwerken, Foto: AP
Holmium ist nur in Legierungen anzutreffen. Das gilt generell für die Lanthanoiden, sie machen beispielsweise Stahl leichter verarbeitbar, Foto: AP
Erbium ist in fotografischen Filtern und Glasfaserkabeln enthalten, Foto: Fotolia
Ytterbium erzeugt Röntgenstrahlen ohne Elektrizität, beispielsweise in tragbaren Röntgenapparaten.
Praseodym findet sich in gelbem Glas, zum Beispiel in Schweißerschutzbrillen, in Legierungen als Antikorrosionsmittel, Foto: dpa
EU-Verkehrskommissar Siim Kallas hat eine Vision: Bis 2050 will er benzin- und dieselgetriebene Autos von Europas Straßen verbannen. Der Este schwärmt von der hohen Lebensqualität, die dann erreicht würde: Er sieht Städte mit sauberer Luft und ohne Lärm vor sich. Doch bis dahin ist es noch ein langer Weg. Gerade 12.000 Elektroautos sind auf Europas Straßen unterwegs. Die Hersteller hängen bei der Einführung von Serienmodellen ihren Plänen weit hinterher.
Um das Geschäft endlich in Gang zu bringen, startet Kallas gerade eine Initiative, die mehr Ladestationen für Elektroautos schaffen soll. Doch elektrisch getriebene Vehikel haben ein schlechtes Image: Die Reichweite von gängigen Modellen liegt im Schnitt nur bei etwa 150 Kilometer. Zudem sind für Batterie, Elektromotoren und die Batterie-Autos erforderlichen Steuergeräte immer noch sehr teuer.
Ohne Seltene Erden -
Inverto-Forschungschef und sein neuer Elektro-Motor
Das könnte sich bald ändern. Im flämischen Evergem, knapp eine Autostunde westlich vom Amtssitz des rührigen Brüsseler Kommissars, arbeitet ein kleines Team von Ingenieuren um John De Clercq an einem Motor, der die Zukunft der E-Mobilität stärker prägen könnte als alle Hilfsversuche der Politik.
De Clercq und sein Team beim Technikspezialisten Inverto haben einen Elektromotor für Hybridfahrzeuge und E-Autos entwickelt, der - anders als bisher dominante Antriebe, die mit Dauermagneten arbeiten – deutlich billiger ist. Denn der sogenannte Reluktanzmotor der Belgier kommt ohne Dauermagnete aus, in denen teure Seltenen Erden stecken.
Der bewegliche Rotor - das Herzstück des Elektromotors - besteht bei den Belgiern aus Eisen. Angetrieben wird er nicht von Dauermagneten, sondern von Spulen, die nur magnetisch werden, wenn Strom durch sie fließt. Damit ist der neue Motor nicht nur billiger, sondern verbraucht auch weniger Energie und erhöht zudem den Fahrspaß, weil höhere Drehzahlen schnittiges Überholen möglich machen sollen.
Die Motoren werden immer sparsamer: Im vergangenen Jahr konnten die 20 größten Autobauer der Welt den Verbrauch ihrer Autos durch neue Antriebstechnologien um 17,3 Prozent senken. Auch für das laufende Jahr wird mit einer Verbrauchsreduzierung um 17 Prozent gerechnet. In den Vorjahren erreichten die großen Automobilhersteller durch verbesserte Technologien Senkungen von 15,5 Prozent (2010) und 12,4 Prozent (2009). Die Autobauer, die die innovativsten Antriebstechnologien verwenden, sind....
Platz zehn: Fiat
Fiat liegt auf Platz zehn der innovationsstärken Automobilhersteller im Antriebsbereich. Während in der öffentlichen Wahrnehmung allerdings überwiegend alternative Antriebe wie Hybrid und Elektromotoren im Fokus stehen, kamen im letzten Jahr rund 70 Prozent aller Neuerungen aus dem Bereich der konventionellen Antriebe. Insgesamt waren das 266 Innovationen bei Diesel- und Benzinmotoren und 100 registrierte Neuerungen bei den alternativen Antrieben. Bei letzteren sind weiterhin die Hybrid-Technologien mit rund 16 Prozent führend.
Platz neun: Renault
Noch immer sind die Einsparungen durch verbesserte alternative Antriebe höher als bei Innovationen im konventionellen Bereich. Elektro- und Hybridtechnologien haben allerdings beim Verbraucher - preis- und infrastrukturbedingt - ein Imageproblem. Die Autos sind zu teuer, die Tankstellen für E-Autos sind noch nicht flächendeckend vorhanden. Die Kunden wollen deshalb lieber sparsame Dieselfahrzeuge und Benziner. Dementsprechend erklärt sich die geringere Quote an Innovationen im Bereich des Elektroantrieb. Im Jahr 2011 belief sich dessen Anteil auf knapp 11 Prozent an allen Antriebsinnovationen.
Auch die Franzosen bemühen sich um möglichst spritsparende und umweltschonende Antriebstechnologien. Der Autobauer Renault hat es im Ranking auf den neunten Platz geschafft.
Platz acht: PSA
Die Autoren der Studie "Automotive Innovation 2012" rechnen bis zum Jahr 2020 mit Effizienzverbesserungen von bis zu 25 Prozent bei konventionellen Benzin- und Dieselantrieben. Das Einsparpotenzial sei gerade bei konventionellen Verbrennungsmotoren bei Weitem noch nicht erschöpft. Die Experten vom Center of Automotive Management setzen besonders auf Kombinationen von Start-Stopp-Systemen und Bremsenergierückgewinnungssystemen.
Der französische Hersteller PSA (Peugeot Société Anonyme) mit den Marken Peugeot und Citroën setzt bei seinen Fahrzeugen sowohl auf konventionelle als auch alternative Antriebe. Für die Verwendung von mehr als 30 Innovationen im Jahr 2011 gab es im Ranking den achten Platz.
Platz sieben: Toyota
Der japanische Automobilkonzern Toyota konnte sich im Ranking sogar verbessern. Im Jahr 2010 belegte das Unternehmen in puncto Innovationen bei der Antriebstechnologie noch den zehnten Rang, im Jahr 2011 hat sich der Autobauer auf den siebten Platz hochgearbeitet. So weist die Fahrzeugflotte von Toyota mit 129 Gramm pro Kilometer die mit Abstand die niedrigsten C02-Emissionen auf. Bei den großen Hersteller sind die CO2-Emissionen der Neuzulassungen zwischen 2009 und dem ersten Halbjahr 2012 im Mittel um sieben Prozent gesunken.
Platz sechs: Hyundai
Der asiatische Automobilkonzern Hyundai hat sich dagegen um zwei Plätze verschlechtert. Von Rang vier im Jahr 2010 ging es runter auf Platz sechs.
Bei den allgemeinen Trends in der Antriebstechnologie prognostiziert das Center of Automotive Management einen kontinuierlichen Wandel über den Zeitraum der nächsten zehn bis 15 Jahre. Die Experten gehen davon aus, dass sich der Anteil der konventionellen Benzin- und Dieselfahrzeuge bis zum Jahr 2025 auf 75 Prozent reduziert haben wird.
Platz fünf: Ford
Im letzten Jahr erreichte der Ford-Konzern nur Platz elf im Ranking. Dieses Jahr schafft der Autobauer es auf den fünften Platz. Von wegen Zukunft verpennt: Auch was das Ansehen der Marke in puncto Innovationen anbelangt schafft es der Autobauer durch erhebliche Steigerungen von Anzahl und Qualität der Innovationen vom verschlafenen Rang zwölf auf den dritten Platz unter 55 Automobilmarken.
Platz vier: GM
Noch einen Platz vor Ford hat es die amerikanische Opel-Mutter General Motors gebracht. Nachdem der Konzern im Jahr 2010 noch auf Platz drei stand, ist dies allerdings ein leichter Rückschlag.
Platz drei: Daimler
Den dritten Platz im diesjährigen Ranking hat Daimler dem US-Konzern GM abgeluchst. Der Autobauer konnte durch innovative Antriebstechnologien den Verbrauch seiner Fahrzeuge um überdurchschnittliche 22,9 Prozent senken. Studienleiter Stefan Bratzel sagt dazu: "Die deutschen Automobilhersteller gehören im Antriebsbereich zwar zu den Top-Innovatoren. Im Bereich der alternativen Antriebe gibt es jedoch noch deutlichen Nachholbedarf. Insbesondere die Plug-in Hybridtechnologie wird in Zukunft wichtiger."
Platz zwei: BMW
Die Silbermedaille geht an den bayerischen Autobauer BMW-Konzern, der im letzten Jahr noch den fünften Platz belegt hatte. Durch eine deutliche Steigerung der Innovationen im Antriebsbereich konnte der Konzern den Konkurrenten Daimler (2010: 2) auf den dritten Rang verdrängen. BMW muss es sich allerdings gefallen lassen, sich von Audi bei den CO2-Emissionen überholen zu lassen. Während die Neuzulassungen von BMW im Schnitt 145,4 Gramm pro Kilometer ausstoßen, sind es bei der Konkurrenz nur 144,5 Gramm pro Kilometer.
Platz eins: Volkswagen
Wie auch im letzten Jahr belegt der Wolfsburger Autobauer Volkswagen den ersten Platz unter den innovationsstärksten Automobilkonzernen im Bereich der Antriebstechnologien. Und das obwohl VW 2011 mit rund 65 Neuerungen deutlich weniger Innovationen bei seinen Motoren nutzte, als noch im Jahr 2010. Dafür konnte VW seinen CO2-Emissionen bei Neuwagen um durchschnittlich 18,5 Prozent senken.
Übrigens haben die deutschen Autobauer nicht nur bei den tatsächlichen Innovationen die Nase vorn, auch aus Markensicht sind die Deutschen gut aufgestellt. BMW und Mercedes gelten als die innovativsten Autobauer.
Inverto, als Ausgründung der Universität Gent gestartet, ist nicht das einzige Unternehmen, das an solchen Reluktanzmotoren arbeitet. Doch die Belgier sind laut Experten am weitesten. "In der zweiten Jahreshälfte testen wir die Motoren auf der Straße", kündigt De Clercq an.
Brandgefahr bei Ladekabeln: TÜV-Experten gehen davon aus, dass noch elf Millionen deutsche Haushalte ein Stromnetz aus den 60er-Jahren haben. Mit einer maximalen Absicherung von zwölf Ampere. Ein übliches Serienelektroauto wie der Opel Ampera zieht aber für eine Ladung mehrere Stunden lang rund 16 Ampere Strom wie etwa der Opel Ampera.
Einfach die Verlängerungsschnur auszurollen und an der Steckdose aufzuladen, kann also gefährlich werden, da sich Leitungen und Dosen schnell erwärmen können. In einem Test von Eon und TÜV zeigte eine Wärmebildkamera, dass eine Steckdose nach 15 Minuten Ladevorgang 81 Grad Celsius erreichte. Ruth Werhahn, Chefin der E-Mobilität bei Eon: "Wir haben die Versuche abgebrochen."
Bremsklotz Dienstwagenbesteuerung: Weil Elektrofahrzeuge in den kommenden Jahren gegenüber vergleichbaren konventionellen Fahrzeugen einen höheren Bruttolistenpreis aufweisen, führt die Anwendung der Ein-Prozent-Regel dazu, dass Nutzer elektrischer Dienstwagen einen deutlich höheren geldwerten Vorteil zu versteuern haben – obwohl der Nutzwert wegen der begrenzten Reichweite deutlich eingeschränkt ist.
„Dies verhindert die vollständige Erschließung des Marktpotenzials bei gewerblichen Kunden, da sich eine Vielzahl von potenziellen Dienstwagennutzern bei bestehendem finanziellem Nachteil gegen elektrische Fahrzeuge entscheiden wird“, heißt es dazu in dem Zweiten Bericht der Nationalen Plattform Elektromobilität.
Aktuell laufen zwei Motoren auf dem Prüfstand. Und im April will das Unternehmen einen Land Rover Evoque mit dem neuen Elektromotor vorstellen. Der Wagen ist Teil eines bis zum Jahr 2014 laufenden europäischen Forschungsprojekts namens E-Vectoorc, an dem neben Jaguar und Land Rover auch Skoda beteiligt ist.
Auch Zulieferer wie DriveXpert, Melexis, Magnetworld, Mahle Filtersysteme sowie die Universität Ilmenau setzen auf die neuartigen Antriebe: Sie entwickeln in dem Verbundprojekt Ferema kleinere Motoren, die bald in herkömmlichen Autos Lüfter und Pumpen antreiben sollen.
Deutsche Autohersteller sehen den Reluktanzmotor indes skeptisch. Volkswagen hat schon vor zehn Jahren damit experimentiert, setzt heute aber auf Dauermagneten. Wie auch BMW beklagt Volkswagen den niedrigeren Wirkungsgrad der Motoren ohne Seltene Erden.
Experte Rik De Doncker von der RWTH Aachen widerspricht: Der Wirkungsgrad sei nur bei niedrigen Geschwindigkeiten geringer. "Wenn man den geschalteten Reluktanzmotor über den gesamten Fahrzyklus betrachtet, dann schneidet er genauso gut oder sogar besser ab." De Doncker hält es für einen strategischen Fehler, sich auf Motoren mit Permanentmagneten zu fokussieren: "Der Preis von Permanentmagneten ist so beunruhigend, dass ich Zweifel habe, ob damit jemals Elektrofahrzeuge in die Massenproduktion gehen werden."
Der Grund: China kontrolliert einen großen Teil der Reserven an Seltenen Erden und begrenzt die Ausfuhren. Das treibt den Preis. "Ein Kilo Magneten kostet aktuell 300 Euro", sagt De Clercq. "Vor einem halben Jahr waren sie noch für 280 zu haben."
RWTH-Professor De Doncker schätzt, dass die Seltenen Erden derzeit ein Viertel der Kosten eines Elektromotors mit Permanentmagneten ausmachen. Schraubt China die Preise weiter hoch, verteuert das die Elektromobilität erheblich. Inverto dagegen profitiert von der Kostenexplosion. "Wir benötigen kein Material, das mehr als fünf Euro je Kilo kostet", sagt De Clercq.
Die Renaissance des Antriebs, mehr als 100 Jahre nach seiner Erfindung, verdankt der magnetfreie Motor dem Preisverfall elektronischer Komponenten. Je günstiger Steuerungselektronik wird, desto interessanter werden die Motoren ohne Seltene Erden auch für andere Einsatzgebiete, etwa Haushaltsgeräte. Dyson beispielsweise hat einen Staubsauger mit der Technologie auf den Markt gebracht. Und all das, so De Clercq, sei erst der Anfang.
