SEMAREC: Forscher gewinnen Seltene Erden durch Recycling ausgedienter Magneten

Neodym-Eisen-Bor-Magnete haben eine sehr hohe Energiedichte – das macht sie für viele Technologien attraktiv, etwa für getriebelose Windräder, Synchronmotoren und Festplatten. Obwohl die Magnete schon seit über drei Jahrzehnten auf dem Markt sind, gibt es bisher keine industriell umgesetzten Recyclingverfahren in Europa. Die Projektpartner von „SEMAREC“ führen Seltenerd-haltige Produktions- und „End of Life“-Abfälle so zusammen, dass sich marktfähiges Seltenerd- und weitere Metallkonzentrate wirtschaftlich gewinnen lassen. Das Projekt wird im Rahmen der Fördermaßnahme „r4 – Innovative Technologien für Ressourceneffizienz – Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe“ gefördert. „r4“ sichert Hightech-Ressourcen und damit Zukunft.

Ein Magnet erobert den Markt

Seit der Markteinführung in den späten 1980er Jahren erobern gesinterte NdFeB-Magnete mit ihrer extrem hohen Energiedichte die Technik. Besonders hervorzuheben sind getriebelose Windräder und im Bereich „Elektromobilität“ favorisierte Synchronmotoren. Weitere Einsatzgebiete sind Festplatten, Lautsprecher und Magnetresonanztomographen. Neben Neodym (Nd) enthalten die Magnete in der Regel die Seltenerdmetalle Praseodym (Pr), Terbium (Tb) und Dysprosium (Dy) – zudem Kobalt (Co) und/oder Nickel (Ni). Diese Elemente erhöhen Eigenschaften wie die Koerzitivfeldstärke (Tb, Dy) und die Korrosionsstabilität (Co, Ni). Unter Koerzitivfeldstärke versteht den Widerstand eines ferromagnetischen Stoffes gegen Entmagnetisierung durch äußere Felder. Der Gesamtgehalt an Seltenerdelementen beträgt circa 30 Prozent, wovon bis zu ein Drittel auf die besonders kritischen, schweren Seltenerdelemente Terbium und Dysprosium entfallen kann. Außer in Magneten werden die genannten Seltenerdelemente auch für Leuchtstoffe (Tb), Gläser (Nd, Pr), Laser (Dy) sowie in verschiedenen Legierungen (Nd, Pr) verwendet. Aufgrund der zu erwartenden Wachstumsraten in Anwendungsfeldern wie der Elektromobilität und Windenergie ist mit einem steigenden Bedarf in den nächsten Jahren zu rechnen.

Magnete

Aus Produktionsschrotten und ausgedienten Magneten gewinnt „SEMAREC“ Seltene Erden zurück.

Prof. Dr.Ing. Tobias Elwert, Technische Universität Clausthal

Steigerung der Recyclingrate Seltener Erden

Erst seit wenigen Jahren unternehmen Industrie und Forschungseinrichtungen ernsthafte Anstrengungen, industriell umsetzbare Recyclingverfahren für NdFeB-Magnete und andere seltenerdhaltige Stoffströme zu entwickeln. Dies ist hauptsächlich motiviert durch Chinas stark dominierende Rolle auf dem Markt für Seltene Erden (Marktanteil größer 90 Prozent) sowie der daraus resultierenden Preisentwicklung der letzten Jahre. Derzeit wird die Recyclingrate für die adressierten Seltenerdelemente aus „End of Life“-Abfällen auf unter ein Prozent geschätzt.

Eine dieser Anstrengungen war das vom BMBF im Rahmen der Förderlinie „STROM“ geförderte Verbundforschungsprojekt „Recycling von Komponenten und strategischen Metallen aus elektrischen Fahrantrieben – MORE (Motor Recycling)“. Die TU Clausthal hat im Rahmen dieses Projektes einen hydrometallurgischen Prozess bis in den Klein-Technikumsmaßstab entwickelt, um NdFeB-Magnete aus Synchronmotoren der Elektromobilität zu verarbeiten. Der Prozess erzeugt ein Seltenerdkonzentrat guter Qualität, bei hohen Ausbeuten zwischen 90 und 95 Prozent. Darüber hinaus werden Kobalt und gegebenenfalls Nickel als Sulfide gewonnen.

Infrastruktur der Industriepartner nutzen

Das vorliegende Projekt „SEMAREC“ (Seltenerd-Magnet-Recycling) hat zum Ziel, aufbauend auf dem MORE-Projekt sowie weiteren Vorarbeiten und Erfahrungen der Projektpartner, einen innovativen ganzheitlichen Ansatz zur Aufbereitung NdFeB-Magnethaltiger Abfallströme bis in den Pilotmaßstab zu entwickeln. Produktions- und „End of Life“-Abfälle sollen so aufbereitet werden, dass aus ihnen mit dem im MORE-Projekt entwickelten hydrometallurgischen Verfahrensansatz ein marktfähiges Seltenerdmischoxid sowie weitere Metallkonzentrate gewonnen werden können. Durch die Einbeziehung einer großen Bandbreite geeigneter Abfallströme soll erreicht werden, dass kurzfristig einige hundert Tonnen, mittelfristig über 1.000 Tonnen gemischte Seltenerdoxide pro Jahr in Deutschland produziert werden können. Ziel ist eine wirtschaftliche Gewinnung der Metallkonzentrate. Die erste Ausbaustufe soll so weit wie möglich mit der bestehenden Infrastruktur bei den beteiligten Industriepartnern umgesetzt werden, um hohe Investitionskosten zu vermeiden. In der Prozesskette werden die Schnittstellen „Mechanische Aufbereitung – Hydrometallurgie – Trennung/Raffination“ weiter optimiert. Gelingt das Projekt, werden in Deutschland erstmals relevante Mengen der Seltenen Erden Neodym, Praseodym, Dysprosium und Terbium aus Sekundärrohstoffen zurückgewonnen. Diese sind für Zukunftstechnologien besonders wichtig.