Warum müssen Windkraftanlagen seltene Erden verwenden?

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Windturbinen erzeugen Strom mithilfe von Permanentmagneten, die zwar extrem leistungsstark sind, aber seltene Erden enthalten, deren Abbau und Recycling schwierig sind.

Windkraftanlagen sind häufig mit Permanentmagneten ausgestattet, die seltene Erden verwenden. Foto: Rabih Shasha — Viele Windkraftanlagen sind mit Permanentmagneten ausgestattet, die seltene Erden verwenden. Foto: *Rabih Shasha*

Aus ökologischer Sicht sind Windkraftanlagen ein Schnäppchen, berichtete IFL Science am 3. März. Ihre Amortisationszeit – also die Zeit, die die Anlage benötigt, um ausreichend saubere Energie zu erzeugen, um die durch ihre Produktion verursachte Umweltverschmutzung auszugleichen – beträgt weniger als ein Jahr. Sie erzeugen im Betrieb praktisch keine Schadstoffe und sind zudem sehr effizient: Eine einzige Turbine kann jeden Monat etwa 940 durchschnittliche amerikanische Haushalte mit Strom versorgen.

Allerdings sind Windturbinen und die darin enthaltenen Seltenerdkomponenten schwer zu recyceln. „Derzeit werden unseres Wissens nach praktisch keine Seltenerdelemente aus Windkraftanlagen recycelt“, sagte Tyler Christoffel, Technologiechef des Wind Energy Technologies Office des US-Energieministeriums.

Diese Statistik ist nicht überraschend. Experten gehen davon aus, dass weltweit weniger als 1 % der Seltenen Erden – darunter Stoffe wie Cer, Lanthan und Neodym – recycelt werden. Seltene Erden sind, wie der Name schon sagt, sehr schwer in brauchbaren Mengen zu finden.

Typischerweise konzentrieren sich Metalle aufgrund verschiedener geologischer Prozesse wie Lavaströmen, hydrothermaler Aktivität und Gebirgsbildung in der Erdkruste. Aufgrund der ungewöhnlichen chemischen Eigenschaften der Seltenerdelemente kommt es unter diesen besonderen Bedingungen jedoch normalerweise nicht zu einer Anreicherung. Spuren von Seltenen Erden sind über den ganzen Planeten verstreut, was ihren Abbau ineffizient macht.

Manchmal kann eine saure Untergrundumgebung die Menge an Seltenerdelementen an bestimmten Stellen leicht erhöhen. Das Auffinden dieser Standorte ist jedoch nur die erste Herausforderung. Auch der anschließende Bergbauprozess ist kompliziert, da die Gewinnung reiner Elemente äußerst schwierig ist. Derzeit entfallen etwa 70 % der weltweiten Seltenerdproduktion auf China.

Seltene Erden gewinnen zunehmend an Bedeutung. Sie spielen in vielen Bereichen eine wesentliche Rolle, von industriellen Anwendungen bis hin zu persönlichen Geräten wie Laptops oder Smartphones. Natürlich sind sie auch in Windkraftanlagen präsent.

„Wenn sich die Rotorblätter einer Windkraftanlage drehen, erzeugen sie kinetische Energie. Ein Permanentmagnetgenerator wandelt diese kinetische Energie durch die Wechselwirkung zweier entgegengesetzt polarisierter Permanentmagnete in Elektrizität um“, schrieb Kristin Vekasi, außerordentliche Professorin an der University of Maine, in einer Studie aus dem Jahr 2022.

„Andere Magnete können diese Aufgabe zwar erfüllen, aber Permanentmagnete haben viele Vorteile: Sie sind effizienter, kleiner, haben weniger bewegliche Teile, die kaputtgehen können, und brauchen keine externe Aufladung. Der Wind erledigt die ganze Arbeit“, erklärt sie.

In diesen Magneten selbst sind Seltenerdelemente vorhanden, normalerweise Neodym oder Samarium. Dies sind die stärksten Magnete, die heute erhältlich sind, aber sie sind nicht unzerstörbar. Sie können ihren Magnetismus durch Überhitzung, Korrosion, versehentliche Stöße oder Probleme mit dem Magnetfeld verlieren. Infolgedessen werden Windturbinen nahezu kontinuierlich generalüberholt – alte Teile werden ersetzt, Komponenten wie Generatoren modernisiert und Seltenerdmagnete ausgetauscht.

Um dieses Problem zu lösen, hat das US-Energieministerium im vergangenen Jahr einen Wettbewerb zur Suche nach effektiven Recyclinglösungen für Turbinenteile ins Leben gerufen. Letzten Monat wurden die 20 Gewinnerteams der ersten Phase des Wettbewerbs bekannt gegeben, von denen sich vier auf das Recycling von Magneten konzentrierten.

Da die USA mehr in Windkraft investieren und sich Technologien auf Basis seltener Erden weiterentwickeln, wird das Recycling seltener Erden laut Christoffel zu einem immer dringlicheren Thema. „Diese Auszeichnung trägt dazu bei, einige Recyclingtechnologien zu fördern, die zu einer weniger ressourcenintensiven und weniger emissionsintensiven Verwendung von Magneten führen könnten“, sagte er.

Thu Thao (Laut IFL Science )

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