Neodym

Am 28.04.2011 wurde im ARD-Magazin Panorama ein Beitrag mit dem Titel: “Das schmutzige Geheimnis sauberer Windräder” gesendet.

Neodym gehört zu den seltenen Erden. In Verbindung mit Eisen und Bor ist Neodym einer der stärksten Magneten. Mit dieser Eigenschaft wird Neodym in Kernspintomographen, Festplatten, Elektroautos und auch in Windenergieanlagen eingesetzt. Für die hocheffizienten Elektromotoren und Generatoren wird das Neodym für das Permanent-Magnetfeld benötigt. Zu dem Begriff Seltene Erden gehören die 17 chemischen Elemente der 3. Hauptgruppe des Periodensystems: Scandium, Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium.

Neodym ist ein relativ häufig vorkommendes Lanthanid. Mit einem Anteil von 0,0022% steht es an 33. Stelle der Elementhäufigkeit. Es steht damit nach dem Zinn und noch vor dem Blei.

Antriebssysteme Windenergieanlagen

Normalantrieb:

-    Rotor – Getriebe - Generator

Direktantrieb:

-    Rotor - Generator

Beim Direktantrieb lässt man das Getriebe weg. Um die Direktantriebstechnik zu realisieren, braucht man starke Magnete. Dafür kann man Elektromagnete oder starke Permanent-Magnete einsetzen. Der im Aufbau sehr einfache getriebelose Drehstromantrieb auf der Basis des Synchrongenerators ersetzt den mechanisch komplexen konventionellen Antriebsstrang.

Für die Elektromagnete ist Kupfer der wesentliche Ausgangsstoff. Bei den starken Permanent-Magneten wird häufig Neodym eingesetzt.

Bei den Anlagen mit Direktantrieb ist von Vorteil, dass sie wesentlich wartungsärmer sind, einen geringeren Serviceaufwand verursachen und deutlich weniger Gewicht haben.

Es ist kein Getriebeölwechsel nötig und es sind weniger Verschleißteile vorhanden. Die genannten Vorteile sind gerade im Offshore Bereich ein Pluspunkt der Direktantriebe.

Die Anlagen mit Direktantrieb sind auf dem Vormarsch, da große Firmen wie SIEMENS in diese Technologie mit Permanentmagneten eingestiegen sind.

Viele Anlagen laufen zwar bei Windgeschwindigkeiten von 2,5 m/s an, doch sie benötigen dann noch Energie, um zu starten. Das braucht ein permanenterregter Generator nicht. Ein Fakt, der sich gerade in Gegenden mit wenig Wind, etwa im Binnenland  positiv bemerkbar macht. Denn je eher eine Windkraftanlage anfängt zu arbeiten, desto eher produziert sie Strom.

Eine Pauschalverurteilung von Windenergieanlagen oder dies allgemein als schmutzige Seite der Windenergie zu bezeichnen ist aus unserer Sicht zu pauschal. Es ist vielmehr wichtig an dieser Stelle genau zu differenzieren: Neodym wird nur bei der Direktantriebstechnik und hier auch nur bei bestimmten Herstellern verwendet.

Getriebeloser Generator für Windenergieanlagen

Für eine große Windkraftanlage an der norwegischen Küste hat Siemens einen neuen getriebelosen Synchrongenerator entwickelt. Er besitzt einen äußerst hohen Wirkungsgrad von 98 Prozent. Der Generator wandelt mit Hilfe von Permanentmagneten die Windenergie des Rotors in elektrischen Strom um.

Generatoren sind ein wichtiges Element einer Windanlage. Bei Standard-Generatoren, die zur Energieumwandlung ein Getriebe zwischen den langsamen Rotor und den schnellen Generator schalten, geht Energie durch Reibung und Wärme verloren. Der getriebelose Generator vermeidet diese Verluste. Dadurch läuft die Anlage bereits bei niedrigen Windgeschwindigkeiten oder kurzen Böen an.

Darüber hinaus benötigt der neue Generatortyp kein Getriebeöl. Es gibt weniger mechanische Verschleißteile und damit weniger Anlagenstillstände. Der geringere Wartungsbedarf ist in abgelegenen oder schwer zu erreichenden Gebieten ein wichtiger Aspekt – etwa bei Windkraftanlagen auf hoher See.

Die Anlage auf dem Hundhammerfjell ist mit einem Rotordurchmesser von 87 Metern und einer Rotorturmhöhe von 80 Metern die weltweit größte mit einem getriebelosen Synchrongenerator. Sie liefert drei Megawatt Strom. Damit kann die schwedisch-norwegische Firma ScanWind etwa 3000 norwegische Haushalte jährlich mit Strom versorgen.

Die Einbindung von Windkraftanlagen in elektrische Energieversorgungsnetze führt manchmal zu unerwünschten Rückwirkungen und stört die Versorgung der angeschlossenen Verbraucher. Um den Strom mit hoher Netzqualität ins norwegische Stromnetz zu speisen, liefert Siemens die Einspeise-Rückspeise-Einheit Active Front End (AFE). Dieser Netzstromrichter regelt zuverlässig Spannungsschwankungen aus.

 
Die Windenergieanlage SWT-3.0-101 hat eine neue Antriebseinheit mit einem kompakten Synchrongenerator, der mit Permanentmagneten erregt wird. Den Generator des ersten Prototyps, der 2009 in Dänemark installiert wurde, entwickelten die Experten für große Antriebe des Siemens-Sektors Industry. Normalerweise übersetzt ein Getriebe die niedrige Drehzahl des Windrotors in die hohe Drehzahl zur Stromerzeugung. In der getriebelosen Anlage übersetzt der Synchrongenerator die Rotorbewegung direkt in elektrische Energie. Diese Generatoren zählen zu den größten Permanentmagnet-Maschinen, die jemals gebaut wurden. Ihr Vorteil ist die einfache und zugleich robuste Bauweise, die weder elektrische Leistung für die Erregung noch die dazugehörige Regeltechnik oder Schleifringe benötigt. Das bedeutet, dass der Generator bereits bei schwächerem Wind eine hohe Effizienz besitzt.

Quelle: Siemens AG

Antriebssysteme der Hersteller von Windenergieanlagen

Die Firma ENERCON, die die Direktantriebstechnik maßgeblich entwickelt hat, verwendet Elektromagnete (also kein Neodym). Alle Anlagentypen - von der E-33/330 kW bis zur E-126/7,5 MW - zugrunde liegende getriebelose Anlagenkonzept arbeitet mit einem fremderregten Ringgenerator. Die zur Stromerzeugung erforderlichen Magnetfelder im Generator werden dabei elektrisch erzeugt.

Die Firma SIEMENS setzt Direktantriebe mit Permanentmagneten ein. Siemens sucht verstärkt nach alternativen Zulieferern außerhalb von China und möchte die eingesetzte Menge reduzieren und Recyclingmöglichkeiten schaffen. Aus Umweltsicht eine gute Strategie, wenn diese so auch umgesetzt wird.

Die Unternehmen Siemens und die australische Lynas Corporation Limited haben vor kurzem eine Absichtserklärung zur Gründung eines Gemeinschaftsunternehmens unterzeichnet. An dem neuen Unternehmen möchte sich Siemens mit 55 Prozent und Lynas mit 45 Prozent beteiligen.

Siemens und die RWTH Aachen forschen künftig gemeinsam zum Thema Rohstoffe. Für die strategische Kooperation – den weltweit ersten Siemens-Forschungsbereich an einer Universität – stellt Siemens ab 1. Januar 2012 sechs Millionen Euro zur Verfügung. Damit will der Konzern seine Abhängigkeit von teuren Rohstoffen wie den Seltenen Erden reduzieren. In dem Forschungsbereich sollen in den nächsten vier Jahren mindestens neun Promotionen entstehen.

Zielsetzung speziell des Forschungsbereichs an der RWTH ist es, Methoden und Verfahren zur umweltfreundlichen und effizienten Bereitstellung von Seltenen Erden für Permanent-magnete zu entwickeln. In vier Themenclustern zu Seltenen Erden geht es dabei um die Bewertung alternativer Lagerstätten, die Entwicklung nachhaltiger Verfahren zur Gewinnung und Extraktion sowie die Erarbeitung effizienter Methoden zum Recycling und Lebenszyklus-analysen. Beteiligt sind vier Lehrstühle der RWTH Aachen, das Forschungszentrum Jülich sowie Experten des Siemens-Sektors Industry. Das strategische Projekt ist Ergebnis der langfristigen Zusammenarbeit mit der RWTH als Partneruniversität im Center of Knowledge Interchange-(CKI)-Programm von Siemens.

Die Firma Nordex und Vestas selbst setzt derzeit kein Neodym ein. Man behält sich aber vor, in die Direktantriebstechnik einzusteigen. Man überlegt wie man sich dafür Neodym Ressourcen oder Alternativen sichern kann.

Generator Direktantrieb für Windenergieanlagen

Fremderregter Generator ENERCON

Permanenterregter Generator SIEMENS

Den technischen Fortschritt nutzen

Die Anforderungen an elektrische Antriebe und Generatoren sind in den letzten Jahren deutlich gestiegen. Klimawandel, steigende Energiepreise und beschränkte Ressourcen sind die größten Herausforderungen unserer Zeit. Neue Anwendungen in Elektromobilität, Hybridtechnologien und alternativer Energiegewinnung sowie zunehmende Komplexität klassischer Anwendungen erfordern innovative Produkte, die höchsten Anforderungen an Baugröße, Gewicht, aber auch Langlebigkeit und Qualität genügen.

Natürlich ist die Produktion des Dauermagneten für Windräder nur ein “kleines Rad im Getriebe”. Ohne seltene Erden wären die meisten unserer elektronischen Geräte nicht funktionsfähig. Daher sollten wir uns zunehmend auf den Rohstoffkreislauf – also das Recycling – unserer Produkte konzentrieren. Beispielsweise benötigt auch die Batterie eines Hybrid-Fahrzeugs an die 20 Kilogramm seltene Erden.