Functionele magneetrecycling voor duurzame e-mobiliteit

Magneten zijn waardevolle componenten. De laatste jaren zijn diverse recyclingmethoden voor magneten ontwikkeld. Toch komen nog steeds veel magneten op de staalschroot terecht. Onderzoekers van het Fraunhofer-instituut voor materiaalrecycling en Resource Strategies IWKS geven goede argumenten waarom dit in de toekomst zou moeten veranderen.

In hun “FUNMAG”-project tonen zij aan dat het gebruik van gerecyclede magneten op het gebied van e-mobiliteit mogelijk is zonder verlies van motorprestaties. En dat het de moeite loont een waardeketen voor grootschalige magneetrecycling op te zetten.

Elektromobiliteit

De wereld zet in op elektromobiliteit. Opdat een elektrische motor zou werken, mag één onderdeel in geen geval ontbreken: Neodymium-ijzer-borium hoogwaardige permanente magneten. Het zijn de krachtigste magneten die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn. Zij nemen ongeveer de helft van de motorkosten voor hun rekening. Daarnaast bevatten ze zeldzame aardmetalen zoals onder meer neodymium of dysprosium. De belangrijkste leverancier van deze aardmetalen is China. Bij de winning komen vaak giftige bijproducten vrij, die bij onvoorzichtigheid leiden tot verontreiniging van het grondwater. Dit schaadt mens en natuur.

Functionele magneetrecycling

Ondanks deze dure en problematische productie belanden magneten aan het eind van hun levensduur meestal op de schroothoop. Daar vindt omsmelting plaats, samen met ander staalschroot. Zonde, aangezien er nu methoden bestaan voor het recyclen van magneten waarvan bewezen is dat zij werken. Wetenschappers van het Fraunhofer-instituut voor materiaalrecycling en Resource Strategies IWKS in Hanau willen deze kloof tussen theorie en praktijk dichten met hun project “Functionele magneetrecycling voor duurzame e-mobiliteit – FUNMAG”. Het onderzoeksteam wil bewijzen dat elektromotoren met gerecyclede oude magneten dezelfde prestaties kunnen leveren als met hun originele nieuwe magneten. En dat het daarom de moeite loont om op grote schaal commerciële magneetrecycling toe te passen. Het team krijgt hiervoor financiering van de Hessen Agentur.

Vergelijken

Voor de experimenten heeft het instituut onder meer een e-bike, een e-scooter en een hoverboard aangeschaft, vertelt Konrad Opelt, projectleider en materiaalwetenschapper: “Voor alle nieuwe voertuigen hebben we eerst de motor in detail gekarakteriseerd om relevante kerngegevens te bepalen. Deze kunnen we vervolgens gebruiken om de prestaties van de motoren met de gerecyclede magneten te vergelijken.”

Grote variatie

De elektrische voertuigen vormen het kader van het project. Het belangrijkste onderdeel is echter het werken met oude – schroot – magneten. Deze kunnen de onderzoekers per ton aankopen via bestaande industriële partners en variëren aanzienlijk qua vermogen, type en conditie. “Het was enorm belangrijk voor ons om een realistische case op te bouwen,” legt Opelt uit. “Wanneer een schroothandelaar besluit de magneten van zijn afgedankte oude motoren te scheiden, wordt het meestal een allegaartje aan de meest uiteenlopende magneten, waarvan niemand de precieze eigenschappen kent. Ons doel was dan ook om aan te tonen dat het recyclingproces ook kan omgaan met ongedefinieerd bronmateriaal. Niemand deed ons dit voor.”

Van oud naar nieuw

Fraunhofer IWKS houdt zich al jaren bezig met de productie en recycling van magneten. Met behulp van de geschikte ruimte en apparatuur kan het volledige productieproces worden nagebootst in een proeffabriek. Bij de productie van een nieuwe magneet worden de uitgangsmaterialen eerst gesmolten bij ongeveer 1400 graden. Vervolgens worden ze uitgeblust, waardoor metaalvlokken ontstaan. Deze worden toegevoegd aan een waterstofatmosfeer. De penetratie van de waterstof zorgt ervoor dat het materiaal uiteenvalt tot een granulaat. Dit wordt nog eens fijngemalen in een straalmolen. Het resulterende metaal-“meel” kan dan in mallen worden gedaan en tot magneten worden gesinterd – of “gebakken”. Om een magneet te recyclen, volstaat het de oude magneet in contact te brengen met de waterstofatmosfeer en vervolgens de resterende stappen van het proces te volgen. “De milieubelastende winning van grondstoffen en het energie-intensieve smeltproces kunnen we gewoon overslaan”, vat Opelt samen.

Kwaliteit

Het recyclingproces maakt het mogelijk om duizenden magneten tegelijk te verwerken. “Het is bijna niet te voorkomen dat de magneten tijdens dit proces wat zuurstof opnemen. Dat leidt tot een lichte achteruitgang van de kwaliteit. Maar dat kunnen we tegengaan door bijvoorbeeld 10 tot 20 procent nieuw materiaal toe te voegen. Of door de microstructuur van de magneten verder te bewerken”, legt Opelt uit. De kracht van de gerecyclede magneten bepalen kan aan de hand van het eindproduct of in het poederstadium. Uiteindelijk moeten deze experimenten het mogelijk maken een portfolio van eigenschappen op te stellen. Op basis daarvan kunnen toekomstige gebruikers aanbevelingen doen over hoe ze het recyclingproces kunnen aanpassen. Om op basis van de uitgangssamenstelling de gewenste doelkenmerken voor de magneten te bereiken.

Optimalisering behandelingsproces

De onderzoekers werken momenteel aan de verdere optimalisering van het behandelingsproces tijdens het recyclingproces. Konrad Opelt heeft er echter alle vertrouwen in verwerking van de gerecyclede magneten binnenkort in de elektromotoren mogelijk is.

Waardeketen opbouwen

Als deze stap eenmaal is gezet, zou dat een tastbaar bewijs zijn van het succes van recycling. “We willen op lange termijn een robuuste waardeketen voor magneetrecycling kunnen opbouwen. Daarvoor moeten alle actoren in de keten op elkaar kunnen vertrouwen”, benadrukt Opelt. “Met FUNMAG laten we zien dat het idee ook echt werkt. En dat we een beslissende bijdrage leveren aan de opbouw van deze waardeketen.”

Veel belangstelling

De belangstelling van de politiek en het bedrijfsleven voor de aanpak is groot. Dit omdat de aanpak zowel een betere duurzaamheid als een geringere afhankelijkheid van hulpbronnen belooft. Konrad Opelt hoopt dat dit fabrikanten in de toekomst stimuleert om bij de productie van elektromotoren vooruit te denken. Daarnaast moet het ervoor zorgen dat de magneten gemakkelijk te verwijderen en opnieuw te monteren zijn, met recycling in het achterhoofd.

Buiten de e-mobiliteitssector

Hetzelfde geldt buiten de e-mobiliteitssector. Voor al onze elektrische apparaten, van grasmaaiers tot draadloze schroevendraaiers en mobiele telefoons. Ze bevatten allemaal neodymiummagneten, die ook op rendabele wijze kunnen worden gerecycled.

Foto en bron:  Fraunhofer IWKS