Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik
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Elektromotoren im Wertstoffkreislauf halten

Im Rahmen von ReTraNetz-BB entstehen Konzepte für Kreislaufwirtschaft bei Elektromotoren in Elektroautos.

Mit der Elektrifizierung der Mobilität gelangt eine steigende Anzahl von E-Motoren in Umlauf. Erreicht ein Elektroauto sein Lebensende, bedeutet dies aktuell auch das Aus für den E-Motor, obwohl dieser noch lange nicht am Ende ist. Deshalb sollten E-Motoren so ausgelegt werden, dass sie nach ihrem ersten Lebenszyklus effizient für eine weitere Lebensphase aufbereitet werden können. Die Kreislaufwirtschaft propagiert diese Herangehensweise zwar für jedes erdenkliche Produkt, bei Elektromotoren ist sie aber besonders interessant, weil viele wertvolle Rohstoffe darin verbaut werden.


Schätze im Gehäuse

Der typische Elektromotor umfasst mehrere Grundkomponenten, mit zwei Hauptmodulen im Zentrum: Stator und Rotor. Der Stator enthält Wicklungen, die in der Regel aus Kupfer bestehen und an eine Wechselstromversorgung angeschlossen sind. Sie erzeugen ein rotierendes Magnetfeld, mit dem der Rotor angetrieben wird – so wird Bewegung herbeigeführt. Insbesondere Synchronmotoren verwenden Permanentmagnete, die in den Stahlrotor eingebettet sind, um das Magnetfeld konstant zu halten. 

Neben Stator und Rotor umfasst ein E-Motor weitere wichtige Bauteile. Hierzu gehören die Welle zur Kraftübertragung auf den Antriebsstrang, Lager für den 
sicheren Betrieb der Welle sowie das Gehäuse, das Schutz bietet und für die Wärmeableitung sorgt. Und alle diese Teile eint, dass sie aus wertvollen Metallen bestehen. 

Materialien moderner Elektromotoren sind hauptsächlich Gusseisen, Stahl, Aluminium und Kupfer. Bei Permanentmagnet-Synchronmotoren kommen zusätzlich Magnete zum Einsatz, die eine Vielzahl von Metallen Seltener Erden enthalten – darunter Hartferrite, Alnico, Samariumkobalt und Neodym-Eisen-Bor. Diese sind in der globalen Lieferkette mit erheblichen Unsicherheiten verbunden. Je weniger von den Materialien benötigt wird, desto geringer ist die Abhängigkeit der Fahrzeughersteller von Zulieferern. 

Wertvoll im Betrieb und nach dem End-of-Life des Fahrzeugs: Elektromotor für E-Autos

Zweites Leben für Elektromotoren

Von den etablierten R-Strategien bieten sich bei Elektromotoren insbesondere diejenigen an, die auf eine Zweitverwendung des gesamten Produkts zielen: Wiederverwendung (Reuse), Reparatur (Repair), Wiederaufbereitung (Remanufacturing) und Generalüberholung inklusive Aufrüstung (Refurbish und Retrofit). Recyclingansätze, die das Produkt in seine Komponenten zerlegen und auf eine Wiederverwendung der Rohstoffe zielen, sind weniger interessant. In der Praxis bedeutet dies, dass E-Motoren am Ende ihrer ersten Lebensdauer nicht einfach entsorgt werden, sondern entweder 
weiterverwendet, aufbereitet, repariert, aufgerüstet oder recycelt werden. 

Allerdings eigenen sich nicht alle Bauteile eines E-Motors gleichermaßen für die Weiterverwendung. Das Gehäuse ist robust und der Verschleiß daran gering, darum ist sein Potenzial zur Wieder- oder Weiterverwendung sehr hoch. Auch die Welle und der Rotor (ohne die Magnete) haben dank ihrer hohen Lebensdauer gute Chancen auf ein zweites Leben. Die Permanentmagnete sind zwar äußerst wertvoll, können aber durch Entmagnetisierung an Leistung verlieren. Der Stator stellt aufgrund der komplexen Zusammensetzung und weil eine Inspek-tion entsprechend aufwändig ist, eine größere Herausforderung dar. Lager sind typische Verschleißteile und werden meist ausgetauscht.
 

Design für Kreislauffähigkeit

Um E-Motoren kreislauffähig zu machen, müssen sie also so konzipiert und hergestellt werden, dass sie leicht zerlegt, repariert und aufbereitet werden können. Dies kann durch die Verwendung von standardisierten Bauteilen und Materialien sowie durch den Einsatz von modularen Designs und Remanufacturing-Technologien erreicht werden. Manche Teile finden eventuell nicht in Fahrzeugen, sondern in anderen Anwendungen ein zweites Einsatzgebiet – etwa als Antriebe für Pumpen, Kompressoren oder Lüfter in Industrieanlagen. Diejenigen Teile, die nicht aufbereitet werden können, sollten so gestaltet werden, dass sich die darin enthaltenen Materialien sortenrein trennen lassen. Auf diese Art können Materialien wie Kupfer, Aluminium und Seltene Erden recycelt werden. 

Abgesehen davon, dass die Entwicklung entsprechender Designkonzepte für E-Motoren noch ganz am Anfang steht, fehlen derzeit auch noch ausreichende Technologien und instanzspezifische Produktdaten zur Unterstützung bei komplexen R-Entscheidungen und den anschließenden Tätigkeiten. Auch ressourcenschonende Bearbeitungsprozesse für die Instandsetzung müssen noch erarbeitet werden. Das regionale Transformationsnetzwerk Berlin‑Brandenburg für die Fahrzeug‑ und Zulieferindustrie ReTraNetz-BB übernimmt hier eine Vorreiterrolle. Das Netzwerk unterstützt produzierende Unternehmen beim Transformationsprozess hin zu CO2‑neutraler Mobilität, Digitalisierung und nachhaltiger Produktion. 

Im Reallabor von ReTraNetz-BB am Fraunhofer IPK werden unter anderem Technologien für eine digital unterstützte Kreislaufwirtschaft am Beispiel der E-Mobilität betrachtet und eine entsprechende Infrastruktur für die weitere Erprobung und den Transfer in die Industrie aufgebaut. Damit bietet das Fraunhofer IPK direkten Zugang zu Technologien für die Bewertung von Kreislaufentscheidungen, die Durchführung unterschiedlicher Kreislaufstrategien sowie die Analyse von Umweltauswirkungen verschiedener Kreislaufwirtschaftsstrategien. Im Fokus stehen Wiederverwendung, Wiederaufbereitung, Reparatur und Aufrüstung von E-Motoren und deren Komponenten. So wird der E-Motor eine rundum nachhaltige Technologie.

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