effizienz und Substitution
3.1.2 Elektrische Traktionsmotoren für Kraftfahrzeuge
3.1.2.1 Technologiebeschreibung
Basierend auf den Szenarien zu zukünftigen Fahrzeugverkäufen und Flottenanteilen der elek-trischen Antriebskonzepte (Kapitel 1.3) werden in dieser Technologiesynopse die Materialbedarfe für elektrische Traktionsmotoren analysiert. Es werden nur Pkw, keine Nutzfahrzeuge, Züge und Busse betrachtet.
Anforderungen an Traktionsmotoren für E-Pkw
Generell ist der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz das wichtigste Qualitätsmerkmal eines Motors.
In Kraftfahrzeugen sollte eine hohe Effizienz des Motors über eine große Bandbreite von Geschwin-digkeiten und Drehmomenten gewährleistet sein.
Für die Gesamteffizienz des Fahrzeugs ist außer-dem wichtig, dass der Traktionsmotor möglichst wenig Platz einnimmt und möglichst wenig zur Gesamtmasse beiträgt. Ein wesentliches Krite-rium ist daher eine hohe Leistungs- und Drehmo-mentsdichte des Motors. Zudem zählen ein gerin-ger Wartungsaufwand, eine hohe Verlässlichkeit und geringe Lärmbelastung zu den Grundanfor-derungen. Auch die Konkurrenzfähigkeit der Kos-ten und die Verfügbarkeit der Werkstoffe müssen bei der Motorwahl berücksichtigt werden (brAd
-shAW et al. 2013b; chAu & li 2014a).
Arten von Traktionsmotoren für E-Pkw
In der Vergangenheit wurden Gleichstrommoto-ren in Elektrofahrzeugen eingesetzt, da es sich um eine einfache und ausgereifte Technologie handelte. Ihr größter Nachteil ist jedoch der war-tungs- und abnutzungsintensive Gleichrichter, der außerdem Kohlenstaub verursacht (brAdshAW et al. 2013b). In Zukunft werden Gleichstrommo-toren daher höchstens in stark auf Einfachheit abzielenden Kraftfahrzeugkonzepten Verwen-dung finden (chAu & li 2014a). Dominierend wer-den Drehstrommaschinen sein. Hierbei kommen Synchron- und Asynchronmotoren sowie geschal-tete Reluktanzmotoren in Elektrofahrzeugen zum Einsatz.
Synchron- und Asynchronmotoren arbeiten nach dem Prinzip der Lorenzkraft. Kupferspulen am Stator erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, so dass der Rotor, an welchem ebenfalls ein Mag-netfeld anliegt oder induziert wird, in Bewegung versetzt wird. Rotiert er synchron mit dem Mag-netfeld des Stators, handelt es sich um einen Synchronmotor. Dreht sich der Rotor langsamer, spricht man von einem Asynchronmotor.
Asynchronmotoren (ASM) werden auch als Induktionsmotoren bezeichnet. Ihr Rotor („Kurz-schlussläufer“ oder „Käfigläufer“) besteht meis-tens aus einem in Eisenblech eingebetteten, kurz-geschlossenen Käfig aus Aluminium oder Kupfer (s. Kapitel 4.6). Hauptvorteil der Asynchronmo-toren sind ihre geringen Kosten. Darüber hinaus sind sie wartungsarm, effizient und technologisch ausgereift. Hauptnachteil ist, dass Masse und Volumen im Vergleich zu anderen Motortypen bei gleicher Leistung groß ausfallen (brAdshAW et al.
2013a; chAu & li 2014b).
Das Magnetfeld am Rotor eines Synchronmotors kann durch Permanentmagneten erzeugt oder durch Kupferspulen elektrisch induziert werden.
Auch eine Kombination aus beidem ist denkbar (burKhArdt et al. 2014). Die Permanentmagnete können an der Oberfläche montiert (SPM) oder integriert (IPM) eingebaut werden. Elektrisch erregte Synchronmotoren (ESM) sind mit gerin-geren Kosten verbunden, haben gegenüber per-manentmagnetisch erregten Synchronmotoren aber auch einen geringeren Wirkungsgrad und sind bei gleicher Leistung größer und schwerer.
Permanentmagnetisch erregte Synchronmoto
ren (PSM) zeichnen sich durch die größte Leis-tungsdichte aus und sind zudem wartungsarm und sehr effizient. Die eingesetzten Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB-Magnete, vgl. Kapitel 3.3.9) verursachen allerdings hohe Kosten aufgrund der enthaltenen Seltenerdelemente Neodym und Dysprosium. Außerdem lassen sich PSM nicht abschalten, sondern rekuperieren immer, wenn sie die Achse nicht antreiben. Die Rekuperation ist aber nur beim Bremsen gewünscht, nicht z. B.
beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit auf der Autobahn, wenn gerade weder gebremst noch beschleunigt wird. Daher kann insbesondere bei häufigen Langstreckenfahrten der ASM vorteilhaft sein (oPPenheiMer 2020).
Reluktanzmotoren basieren auf der durch mag-netischen Widerstand (Reluktanz) verursachten Ausrichtung eines ferromagnetischen Rotors im Magnetfeld des Stators. Als Traktionsmotoren in elektrischen Kraftfahrzeugen kommen geschal-tete Reluktanzmotoren (Switched Reluctance, SR) zum Einsatz, bei denen am Stator durch Ein- und Ausschalten von Kupferspulen ein rotierendes Magnetfeld entsteht. Geschaltete Reluktanzmoto-ren sind wartungsarm, effizient und mit niedrigen Kosten verbunden, haben jedoch eine geringere Leistungsdichte als permanentmagnetisch erregte Synchronmotoren. Ein wesentlicher Nachteil ist ihre hohe Lautstärke (chAu & li 2014a). Entschei-dend für ihre zukünftige Marktdurchdringung wird daher sein, inwieweit diese Lautstärke in der Wei-terentwicklung der relativ neuen Technologie noch reduziert werden kann.
Sogenannte Hybridmotoren (HSM) kombinie-ren das Reluktanzprinzip mit dem Einsatz von Permanentmagneten. Die Magnete befinden sich allerdings am Stator. Gegenüber den PSM haben diese Motoren den Vorteil, dass sie abgeschal-tet werden können und somit keine ungewollte Rekuperation verursachen (MerWerth 2014). Ihre Leistungsdichte und Effizienz ist höher als die von ASM und ESM (MerWerth 2014; KAne 2020).
3.1.2.2 Rohstoffinhalt
Der spezifische Materialbedarf des Traktions-motors eines Kraftfahrzeugs hängt stark von der Motorgröße ab, die wiederum vom Segment (Klein- bis Oberklassewagen) und der
Antriebs-technologie (HEV, PHEV, BEV, FCEV, REEV) beeinflusst wird. Außerdem unterscheidet sich der Rohstoffbedarf der verschiedenen Motortypen.
In konventionell mit Verbrennungsmotor angetrie-benen Kraftfahrzeugen werden kleinere Mengen Kupfer für Anlasser und Generator benötigt. Dem-gegenüber erzeugen elektrische Traktionsmotoren einen deutlichen Mehrbedarf an Kupfer. Kupfer-spulen werden zur Erzeugung von Magnetfeldern am Stator eines Elektromotors, bei elektrisch erregten Synchronmotoren auch am Rotor einge-setzt. Der Kurzschlussläufer am Rotor der Asyn-chronmotoren besteht aus Kupfer oder Aluminium.
In permanentmagnetisch erregten Synchron-motoren und HybridSynchron-motoren werden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB-Magnete) verwendet, welche das Seltenerdelement Neodym (Nd) ent-halten. Zur Optimierung der Magneteigenschaften (s. Kapitel 3.3.9) wird ein Teil des Neodyms durch das Seltenerdelement Dysprosium (Dy) substitu-iert.
Aktuelle Angaben zur Magnetmasse pro Trakti-onsmotor schwanken zwischen 1,2 – 3 kg. Tab. 3.2 gibt eine Übersicht der eingesetzten Magnetmas-sen nach Fahrzeugsegment und Antriebstechno-logie basierend auf glöser-chAhoud & tercero
esPinozA (2015). Zugrunde liegt der nicht lineare Zusammenhang zwischen Motorleistung und Magnetmasse.
Angaben zum Dysprosiumanteil sind zum Teil sehr unterschiedlich, liegen jedoch meist zwi-schen 6,6 % und 12 % Dysprosium. Es wird von dem in glöser-chAhoud & tercero esPinozA
(2015) berechneten Mittelwert von 8,3 % Dy aus-gegangen, woraus sich (bei insgesamt 32 %
Sel-Tab. 3.2: Magnetmasse pro Motor in kg bei verschiedenen Antriebstechnologien und Fahrzeugsegmenten
(Quelle: glöSeR-ChahOud & teRCeRO
eSpiNOza 2015)
HEV PHEV BEV/FCEV
Mini 1,2 1,7 1,7
Kompakt 1,5 2,3 2,5
Oberklasse 2,0 2,8 3,0
tenerdelementen) 23,7 % Nd ergeben. Möglich ist eine teilweise Substitution von Nd und Dy durch Praseodym (Pr) und Terbium (Tb), was in Kapitel 3.3.9 näher diskutiert wird.
3.1.2.3 Foresight Industrielle Nutzung
Die Anzahl der im Jahr 2040 verkauften xEV wird direkt aus den Rahmenszenarien Elektromobili-tät entnommen. Für den entsprechenden Bedarf an den Seltenen Erden Nd/Pr und Dy/Tb ist aus-schlaggebend, wie stark sich die verschiedenen Motorkonzepte für Traktionsmotoren durchsetzen.
Anhaltspunkte dafür liefern die derzeit eingesetz-ten Motorkonzepte und die Marktpositionen der dahinterstehenden Unternehmen, die im Folgen-den betrachtet werFolgen-den.
Relevante Hersteller
Die Hersteller mit den höchsten Marktanteilen im Bereich PHEV und BEV in 2020 sind (Pontes
2021):
– Tesla, Inc.
– SAIC Motor Co Ltd (zuvor Shanghai Auto-motive),
– Volkswagen AG,
– Renault SA – Nissan Motor Co., Ltd., – BYD Co Ltd,
– BMW AG.
Weitere Hersteller mit relevanten Absatzzah-len von xEV sind Hyundai, Audi, Volvo, Chery, Wuling, BAIC (Beijing Automotive) und Great Wall Automotive. Auffällig ist die hohe Anzahl chi-nesischer Automobilunternehmen (SAIC, BYD, Wuling, Great Wall Automotive, Chery). Auch andere asiatische Länder wie Indien, Indonesien, Thailand und Vietnam haben eine zunehmend relevante Automobilproduktion; Unternehmen wie SAIC und Hyundai planen größere Investitionen in Indien (Mordor intelligence 2020b). Weltweit werden die meisten Autos in China produziert, die ansässigen Automobilunternehmen fokussie-ren auf eine zunehmende Produktion und einen zunehmenden Verkauf von xEV im eigenen Land (Mordor intelligence 2020b). Viele chinesische Unternehmen haben Joint Ventures oder Partner-schaften mit ausländischen Unternehmen, z. B:
– Volkswagen/General Motors – SAIC/Wuling, – BMW – Great Wall Automotive,
– Daimler – BYD, – Daimler – BAIC,
– Jaguar Land Rover – Chery, – Volvo – Geely.
Tesla ist das einzige ausländische Unternehmen, welches in China xEV vertreibt, ohne ein Joint Venture mit einem chinesischen Unternehmen zu haben. Dafür hat Tesla selbst große Produktions-anlagen in China. Insgesamt kann davon ausge-gangen werden, dass die in China produzierten xEV ähnliche Technologien verwenden wie die ausländischen Unternehmen.
Aktuelle Technologiewahl
Aktuell kommen folgende Varianten in markt-üblichen xEV zum Einsatz (technische Details s. Technologiebeschreibung):
– permanentmagnetisch erregte Synchronmoto-ren (PSM),
– induktiv erregte Synchronmotoren (ESM), – elektrisch erregte Asynchronmotoren (ASM), – Hybridmotoren (HSM), welche mit
Perma-nentmagneten am Stator nach dem Reluk-tanzprinzip funktionieren.
ESM kommen aufgrund ihrer geringeren Kosten, aber Nachteilen bzgl. extremer Fahrleistungen eher im preissensiblen Segment, also bei Klein-wagen wie Renault Zoe und Smart zum Einsatz (oPPenheiMer 2020).
PSM werden aufgrund ihrer Vorteile bei Effizienz und Leistungsdichte in nahezu allen Hybridautos verwendet (oPPenheiMer 2020). Auch für vollelek-trische Pkw verwenden viele Hersteller diese leis-tungsstarken, aber vergleichsweise teuren Moto-ren; so fahren bspw. Nissan Leaf, Hyundai Ioniq, Hyundai Kona, BYD Qin, BYD e6, BYD F3DM, JAC iEV6E, SAIC Roewe E50 mit PSM.
ASM kommen aufgrund ihrer Vorteile bei Lang-streckenfahrten vor allem im Hochpreissegment zum Einsatz, z. B. beim Audi e-tron. Ebenfalls beliebt in Hochpreissegment sind Kombinationen von PSM und ASM, durch welche die jeweiligen Vorteile beider Konzepte optimal ausgenutzt wer-den sollen (lAng 2019; oPPenheiMer 2020).
BMW setzte 2013 als erstes Unternehmen serien-reife HSM ein (MerWerth 2014), die im Modell BMW i3 eine marktrelevante Verbreitung fanden.
Tesla setzte in der Vergangenheit prinzipiell auf Asynchronmotoren, der Name des Unternehmens ehrt den Erfinder des Asynchronmotors. Seit 2019 wird aber auch die Hybridmotortechnologie genutzt. Die neueren Modelle haben jeweils einen Motor auf der Vorderachse und 1 bis 2 Motoren auf der Hinterachse. Dafür kommen ASM und HSM zum Einsatz (lAMbert 2018; KAne 2020).
Szenarien zur zukünftigen industriellen Nutzung
Bei den Annahmen zur zukünftigen Nutzung ver-schiedener Motorkonzepte (Tab. 3.3) für BEV wer-den die Stärken und Schwächen der verschiede-nen Konzepte hinsichtlich der unterschiedlichen Preissegmente berücksichtigt. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass die vergleichs-weise neuen Konzepte der Hybridmotoren und der Kombination verschiedener Motoren in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Für HEV und PHEV wird hingegen angenommen, dass die PSM-Technolo-gie hier zu 100 % zum Einsatz kommt. In diesen Fahrzeugen müssen ein elektrischer und ein kon-ventioneller Antriebsmotor Platz finden, so dass die Vorteile des PSM hinsichtlich Leistungsdichte und Effizienz klare Priorität haben.
3.1.2.4 Foresight Rohstoffbedarf
Basierend auf den Annahmen zum Anteil ver-schiedener Motortechnologien im Jahr 2040 in verschiedenen Preissegmenten (Tab. 3.3) und den benötigten Magnetmengen in verschiede-nen Preissegmenten (Tab. 3.2) ergeben sich die durchschnittlich benötigten Magnetmengen.
Dabei wird angenommen, dass ein HSM nur 60 % so viel Magnetmaterial benötigt, wie ein PSM (blAgoeVA et al. 2019). Auch eine Kombination von ASM und PSM halbiert die benötigte Mag-netmenge. Bei einer Kombination aus HSM und ASM beträgt die benötigte Magnetmenge somit nur noch ca. 30 % der Menge, die bei einer reinen PSM-Lösung gebraucht wird.
Für den spezifischen Dysprosiumbedarf 2040 werden aufgrund zahlreicher Forschungsanstren-gungen zur Reduktion des Dysprosiumanteils in NdFeB-Magneten die in Tab. 3.4 dargestellten Szenarien betrachtet. Da sich Dysprosium und Neodym in den Magnetmaterialien gegenseitig substituieren, bedeutet eine Reduktion des Dys-prosiums bei allen materialwissenschaftlichen Ansätzen eine Erhöhung des Neodymanteils. Es wird angenommen, dass es im SSP5 nur geringe Bemühungen um Materialeffizienz im Allgemei-nen gibt, gleichzeitig aber der allgemeine wissen-schaftliche Fortschritt rasch voranschreitet und durch die hohen Preise für Dysprosium ein hin-Tab. 3.3: Marktanteile verschiedener Motortechnologien in unterschiedlichen Preissegmenten
in 2040
BEVKlassen ESM PSM ASM HSM PSM + ASM HSM + ASM
Mini 0,3 0,3 0 0,4 0 0
Kompakt 0 0,45 0 0,45 0 0,1
Oberklasse 0 0,15 0,2 0,2 0,15 0,3
Tab. 3.4: Szenarien für die Entwicklung des Dy-Anteils in NdFeB-Magneten für Motoren von E-Pkw (Dy-Anteil 2014) (Quelle: glöSeR-ChahOud & teRCeRO eSpiNOza 2015)
Szenario Reduktion des DyAnteils
durch F&EFortschritte DyAnteil in NdFeBMagneten
in EPkwMotoren 2040 NdAnteil in NdFeBMagneten in EPkwMotoren 2040
SSP1 [Anteil Dy 2014] – 50 % 4,2 % 27,8 %
SSP2 [Anteil Dy 2014] – 25 % 6,2 % 25,8 %
SSP5 [Anteil Dy 2014] – 25 % 6,2 % 25,8 %
reichender Anreiz für eine Materialeffizienzstei-gerung gegeben ist. Im SSP2 wird von ähnlichen Einsparungen ausgegangen, der wissenschaftli-che Fortschritt ist hier zwar langsamer, bis 2040 sollten aber dennoch moderate Einsparungen möglich sein. Im Nachhaltigkeitsszenario SSP1 wird eine stärkere Ausrichtung auf Materialeffi-zienz und somit eine starke Reduktion des Dy-Gehalts angenommen.
In dieserr Synopse wird ausschließlich der Roh-stoffbedarf für Traktionsmotoren von E-Pkw betrachtet. Zum Bedarf an NdFeB-Magnetmate-rial für weitere Automobilanwendungen s. Kapitel 3.3.9 zu Hochleistungs-Permanentmagneten.
Tab. 3.6 zeigt die aus den Szenarien resultie-renden Bedarfe an den Seltenen Erden Neodym (bzw. Substitut Praseodym) und Dysprosium (bzw.
Substitut Terbium, Details s. Kapitel 3.3.9) im Jahr 2040. Die aggregierte Fördermenge der Seltenen Erden betrug 2018 laut BGR (2021) 151.200 t in Metallinhalt. Die sehr ähnlichen Werte für Nd in allen drei Szenarien ergeben sich aus der Überla-gerung verschiedener Effekte. So gibt es in SSP1 im Jahr 2040 zwar deutlich mehr BEV, aber auch deutlich weniger HEV als in SSP2 und SSP5.
Aufgrund der Dominanz der PSM-Motortechnolo-gie bei HEV und PHEV ergeben sich insgesamt
vergleichbare Bedarfserwartungen für Neodym.
Beim Dysprosium liegen die Bedarfserwartungen in SSP2 und SSP5 sogar deutlich über SSP1, da in SSP1 von einer stärkeren Reduzierung des Dy-Gehalts in den Magneten durch Effizienzbe-mühungen ausgegangen wird. Die Werte für 2018 wurden ebenfalls aus Schätzungen für den aktu-ellen Anteil verschiedener Motortechnologien und den Verkaufszahlen der Rahmenszenarien Mobili-tät errechnet.
Zur Berechnung des Kupferbedarfs für elektri-sche Traktionsmotoren wird auf eine Studie von IDTechX für den Kupferverband zurückgegriffen (ICA 2020), in der für verschiedene Motortypen mittlere spezische Kupferbedarfe zwischen 0,04 und 0,16 kg/kW genannt werden, vergleiche Tab.
3.5. Unterstellt man für die Fahrzeugsegmente Mini, Kompakt und Oberklasse die Motorleistun-gen von 50, 85 und 150 kW im Jahr 2040 und die Zulassungszahlen der Elektrofahrzeuge aus Kapi-tel 1.3.2, so errechnen sich die Kupferbedarfe wie in Tab. 3.6 dargestellt.
Tab. 3.5: Spezifischer Kupferbedarf für verschiedene Elektromotoren in kg/kW
ESM PSM ASM HSM PSM + ASM HSM + ASM
Kupfer 0,16 0,09 0,16 0,04 0,125 0,1
Tab. 3.6: Globale Produktion (BGR 2021) und ermittelter Rohstoffbedarf für Elektrische Traktionsmotoren für Kraftfahrzeuge in t
Rohstoff Produktion 2018 Bedarf 2018
Bedarfsvorschau 2040 NachhaltigkeitSSP1 SSP2
Mittelweg SSP5 Fossiler Pfad Neodym/
Praseodym 23.900 (R)
7.500 (R) 1.430 34.050 31.350 31.960
Dysprosium/
Terbium 1.000 (R)
280 (R) 500 5.140 7.530 7.680
Kupfer 20.590.600 (B)
24.137.000 (R) 33.200 800.000 816.000 772.600
B: Bergwerksförderung (t Inh.) R: Raffinadeproduktion (t Inh.)
3.1.2.5 Recycling, Ressourcen
effizienz und Substitution
Zu entsorgende Traktionsmotoren aus E-Pkw werden in Deutschland derzeit in der Regel dem Kupfer-Recyclingstrom zugeführt (bAst et al.
2015). Es ist zwar technisch möglich, die NdFeB-Magnete zerstörungsfrei aus den Motoren zu ent-fernen und wiederzuverwenden. Durch den Ein-satz verschiedener Geometrien und Legierungen und die stetige Weiterentwicklung der Magnet- und Motortechnologien wird die direkte Wieder-verwendung allerdings erschwert. Gelingt jedoch das sortenreine Sammeln von NdFeB-Magneten in einem separaten Abfallstrom, ist ein werkstoff-liches Recycling durch Wasserstoffversprödung möglich, was aber zu Verlusten bei der Rema-nenz (Restmagnetisierung) von ca. 3 % führt.
Durch rohstoffliches Recycling mittels hy dro-metallurgischer Aufbereitung können reine Sel-tene Erden als Oxide zurückgewonnen werden. In Deutschland ist die Reduktion dieser Oxide zu rei-nen Metallen jedoch derzeit technisch nicht mög-lich (bAst et al. 2015).
2040 wird das Recycling von NdFeB-Magneten nach ihrem Einsatz in E-Pkw-Traktionsmotoren in Deutschland wahrscheinlich wirtschaftlich sein, wobei dies von Mengenaufkommen, Rohstoffprei-sen und dem Anteil der teureren schweren Selten-erdelementen Dysprosium und Terbium abhängen wird (bAst et al. 2015).