Die unvermeidlichen chinesischen Seltenen Erden
Im Juni dieses Jahres kündigte Suzuki plötzlich an, dass aufgrund der Exportbeschränkungen für Seltene Erden Verzögerungen bei der Beschaffung von Bauteilen aufgetreten seien und der klassische Kompaktwagen Suzuki Swift daher produktionseingestellt werden musste.
Zufällig genug schloss auch ein europäischer Automobilzulieferer seine Produktionslinien in der gleichen Zeit und amerikanische Unternehmen sahen sich ebenfalls mit einem großen Problem konfrontiert. Die Produktion des Ford Explorer wurde dringend eingestellt.
In Elektrofahrzeugen sind Seltene Erden fast unverzichtbar für alle Bauteile, die Mikromotoren und Sensoren benötigen, von Scheinwerfern, Scheibenwischern und Kameras bis hin zu Sicherheitsgurten und Lautsprechern. Insbesondere der Hauptantriebsmotor hängt stark von den seltene Erden enthaltenden Permanentmagnetmaterialien ab.
Selbst in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist die elektrische Servolenkung (EPS) auf Seltene Erden angewiesen.
Nach Schätzungen von Morgan Stanley kontrollieren chinesische Unternehmen 65 % der weltweiten Gewinnung von schweren Seltenen Erden, 88 % der Raffination und über 90 % der Lieferung von Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten. Deshalb bezeichnet CNN die durch Seltene Erden verursachte Lieferkrise als "Upgraded Version des Chipmangels" [1].
Nach dem Zusammenstoß eines japanischen Patrouillenboots mit einem chinesischen Fischereifahrzeug in der Nähe der Diaoyu-Inseln im Jahr 2010 sank die chinesische Exportquote von Seltenen Erden nach Japan plötzlich. Die Preise für die wichtigsten Selten-Erd-Oxide stiegen um mehr als das Fünffache, und die Preise für die Metalle Dysprosium, Terbium und Europium stiegen um das 15- bis 20-fache [4]. Die westlichen Länder waren in Panik.
Seit 2011 haben die USA, Japan und andere Länder eine Reihe von Ersatzplänen ins Leben gerufen, um ihre Abhängigkeit von chinesischen Seltenen Erden zu verringern. Damals wurde allgemein geschätzt, dass es etwa 10 Jahre dauern würde, um eine erneute Selten-Erd-Krise zu vermeiden.
15 Jahre später spielt sich die Selten-Erd-Krise erneut ab. Nach Schätzungen des US-Energieministeriums wird es weiterhin 10 Jahre dauern, um eine vollständige Selten-Erd-Supply-Chain wieder aufzubauen. Es scheint, dass die Geschichte manchmal wirklich wiederholt wird.
Seltene Erden sind keine echten Erden
Als das Model 3 im Jahr 2016 auf den Markt kam, hatte es bei einer um 20 kWh geringeren Batteriekapazität als das Model S 100D fast die gleiche Reichweite. Elon Musk führte dies auf das Siliziumcarbid-MOSFET zurück, aber der leitende Motorenentwickler von Tesla, Konstantinos Laskaris, glaubte, dass das Verdienst seines Teams sei [2]:
Unser Model 3 hat einen Permanentmagnetmotor, der es ermöglicht, die Reichweite und die Leistungsziele zu erreichen, während gleichzeitig die Kosten minimiert werden.
Konstantinos Laskaris
Im Jahr 2021 kam das Model S Plaid mit drei Permanentmagnetmotoren auf den Markt. Es benötigt nur 2,1 Sekunden für den Sprint von 0 auf 100 km/h. Elon Musk konnte seine Begeisterung auf der Vorstellung nicht verbergen und beschrieb es als "das Limit der physikalischen Ingenieurskunst".
Sowohl die Reichweite des Model 3 als auch die Beschleunigung des Model S sind auf ein seltenes Erdenelement namens Neodym zurückzuführen.
Die Vorstellung des Model S Plaid dauerte nur 20 Minuten, so schnell wie sein Tempo
Es gibt zwei Arten von Antriebsmotoren: Permanentmagnet-Synchronmotoren und Induktionsasynchronmotoren. Beide haben eine ähnliche Struktur und arbeiten nach dem Prinzip der Magnete: Gleiche Pole stoßen sich ab, ungleiche Pole ziehen sich an.
Im Vergleich zum Induktionsmotor hat der Permanentmagnetmotor eine höhere Leistungsdichte und ein höheres Ausgangsdrehmoment. Er ist nicht nur leistungsstärker, sondern auch kompakter.
Das in Permanentmagnetmotoren weit verbreitete Neodym-Eisen-Bor, das gemeinhin als "Magnetkönig" bezeichnet wird, gehört zu den stärksten Magneten auf der Erde und ermöglicht es dem Motor, eine maximale Effizienz von fast 99 % zu erreichen. Ein gewöhnlicher N35-Typ (die Zahl steht für die magnetische Energieprodukt/Magnetstärke) kann Metall, das mehr als 600 Mal schwerer ist als er selbst, anziehen.
Das ist der Unterschied zwischen Begabung und Anstrengung. Selbst die Transformatoren auf Cybertron müssten sich elektrifizieren, wenn sie Seltene Erden gewinnen könnten.
Die Entdeckung von Neodym geht auf das Jahr 1841 zurück, als der schwedische Chemiker Gustav Mosander die von ihm entdeckte Praseodym-Neodym-Verbindung "Didymium" (griechisch für "Zwillinge") nannte.
1885 gelang es dem österreichischen Chemiker Carl von Welsbach, Praseodym und Neodym erfolgreich voneinander zu trennen. Ein Jahrhundert später erlangte Neodym in der Elektromobilitätsindustrie große Bedeutung.
Seltene Erden sind eigentlich eine Sammelbezeichnung für 17 Metallelemente. Ihre Entdeckungsgeschichte war recht holprig. Es dauerte die Chemiebranche ganze 153 Jahre, von der Entdeckung des ersten Elements Yttrium bis zum letzten Element Promethium.
"Seltene Erden" bezeichnen Scandium, Yttrium und 15 Lanthaniden
1966 begann RCA die Massenproduktion von Seltenen Erden, als es in Fernsehbildröhren rote Leuchtstoffe auf der Basis von Seltenen Erden einsetzte. Seitdem werden Seltene Erden in den meisten elektronischen und Automobilbauteilen weit verbreitet eingesetzt. Aufgrund der begrenzten Menge haben Seltene Erden eine sehr hohe strategische Bedeutung, aber der Markt ist relativ klein.
Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen hat der Bedarf an Seltenen Erden stark zugenommen. Im Allgemeinen werden in einem Elektrofahrzeug 1,5–3 kg Seltene Erden verwendet. Da der Anteil der Permanentmagnet-Synchronmotoren an der Gesamtzahl der eingebauten Motoren 96 % beträgt, hat die strategische Bedeutung der Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete weiter zugenommen.
Um die schlechte Hitzebeständigkeit und die Neigung zum Entmagnetisieren bei hohen Temperaturen von Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagneten zu verbessern, wird üblicherweise Dysprosium oder Terbium in die Rezeptur hinzugefügt.
Beispielsweise verwendet jedes SUV der General Motors auf der Ultium-Plattform etwa 160 g Dysprosium [3]. Dies mag auf den ersten Blick nicht viel erscheinen, aber es ist im Vergleich zu elektronischen Produkten nicht wenig.
CNN bezeichnet Seltene Erden als Chinas "Powerful card", weil die Kontrolle über die Schlüsselrohstoffe gleichbedeutend ist mit der Kontrolle über die Automobilproduktion. Die USA, die derzeit wegen der Seltenen Erden in Schwierigkeiten sind, waren einst ein großer Produzent von Seltenen Erden.
Eine einstige Stärkenbranche
Im April dieses Jahres veröffentlichte die Zeitschrift Forbes einen Artikel mit einem sehr auffälligen Titel: Der einzige seltene Erden-Mine in den USA wird von den Zöllen profitieren.
Der sogenannte "einzige seltene Erden-Mine" bezieht sich auf die Mountain Pass-Mine in Kalifornien (tatsächlich ist es eine transliterierte Version von "Mountain Pass"). Sie ist ein typisches Beispiel für eine Naturgütermine: In den 1930er Jahren wurde Gold entdeckt, und bei der Exploration von Uran wurden auch weltklasse Seltene Erden-Vorkommen gefunden.
Später erhielt das amerikanische Unternehmen Molycorp das Bergbaurecht und isolierte erfolgreich das seltene Erdenelement Europium. Es machte große Gewinne während der Farbfernsehrevolution. Zwischen 1965 und 1995 lieferte die Mountain Pass-Mine den größten Teil der weltweiten Seltenen Erdenmetalle und hatte 30 Jahre lang eine bequeme Zeit.
Mountain Pass-Seltene-Erden-Mine
Im Gegensatz zu Öl liegt die Schwierigkeit bei den Seltenen Erden nicht in der Gewinnung, sondern in der Verarbeitung. Die Verarbeitungskette der Seltenen Erden umfasst grob folgende Schritte: Aufbereitung zur Gewinnung von Konzentraten - Trennung der Selten-Erd-Oxide - Raffination zur Gewinnung einzelner Metalle - Verarbeitung zu funktionellen Materialien.
Die chemischen Eigenschaften der Seltenen Erden sind sehr ähnlich, insbesondere die der 15 Lanthaniden. Die Trennung und Raffination sind daher sehr schwierig. Gleichzeitig müssen bei der Trennung der Seltenen Erden die begleitenden Verunreinigungen möglichst entfernt werden, da die Reinheit direkt die Leistung der Endprodukte beeinflusst.
Ähnlich wie bei den Chips steigt in der Selten-Erden-Branche der Mehrwert, je näher man sich dem Endprodukt kommt. Die Raffination von hochreinen einzelnen Seltenen Erdenmetallen ist der Kern der gesamten Verarbeitungskette.
Mit anderen Worten, die meisten Länder leiden nicht an einem Mangel an Rohstoffen, sondern an einem Mangel an Verarbeitungskapazitäten.
Ab 1999 führte China ein Quotensystem für den Export von Seltenen Erden ein. Das Ziel war nicht die Begrenzung des Exportvolumens, sondern die bewusste Lenkung der Exportstruktur. Es ging darum, den Export von Rohprodukten zu beschränken und den Export von hochwertigen Produkten in den nachgelagerten Verarbeitungsstufen zu fördern, um die Unternehmen zu einer Umstellung auf die hochwertige Raffination zu zwingen.
Derzeit können chinesische Unternehmen Seltene Erden auf eine Reinheit von 6N (99,9999 %) raffinieren, während die USA noch an der Raffination auf 2N-3N-Reinheit arbeiten. Die Kluft in der Verarbeitungstechnologie führt direkt zu einem Problem: Die amerikanischen Selten-Erden-Konzentrate müssen nach China geschickt werden, um dort verarbeitet zu werden, und dann wieder nach den USA zurückgeführt werden.
Laut der US-amerikanischen Center for Strategic and International Studies (CSIS) macht China 92 % der weltweiten Raffinationsproduktion von Seltenen Erden aus, und seine Raffinationskapazität für schwere Seltene Erden beträgt sogar 99 % [5].
Nehmen wir als Beispiel die Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete in Permanentmagnetmotoren. Neodym ist ein leichtes seltenes Erdenelement, Dysprosium ist ein schweres seltenes Erdenelement. Als Zusatzstoff muss Dysprosium eine Reinheit von mindestens 3N haben.
Ein weiteres Problem für die ausländische Selten-Erden-Branche ist, dass einige Technologien zwar nicht nur von China beherrscht werden, aber nur China hat die Fähigkeit, diese Technologien in der Massenproduktion umzusetzen und hat Produktionslinien im Tonnenmaßstab aufgebaut.
Zusätzlich zur bewussten Lenkung der Branche hin zu hochwertigen Verarbeitungsstufen hat die chinesische Regierung auch die Integration der Branche gefördert. 2011 legte das Ministerium für Industrie und Informationstechnik das "1+5"-Konzept vor, das sich auf die Planung von "einem Unternehmen im Norden und fünf Unternehmen im Süden" bezog, und 2014 wurden die entsprechenden Anträge abgeschlossen.
2021 wurden sechs chinesische Selten-Erden-Gruppen unter der Leitung des Staatsvermögensverwaltungsrates zu vier Gruppen zusammengeführt. 2023 fand eine weitere Integration statt, und es entstanden die beiden Unternehmen Northern Rare Earth Group und China National Rare Earth Group. Innerhalb von weniger als zehn Jahren wurde die Branche schnell integriert, und die Skalenvorteile und die Verhandlungsmacht traten zutage.
Unter diesen Umständen ist es für ausländische Unternehmen auch dann schwierig, Skalenvorteile zu erzielen, wenn sie die technologischen Barrieren überwinden können.
Nach der chinesischen Beschränkung des Selten-Erden-Exports nach Japan im Jahr 2010 erhielt Molycorp, das die Mountain Pass-Mine wegen Verlusten geschlossen hatte, eine Kapitalanlage von 130 Millionen US-Dollar von der japanischen Firma Sumitomo und startete die Produktion von Seltenen Erden erneut. Aber als China die Exportquoten für Seltene Erden lockerte, stürzten die Preise für Seltene Erden und die Mountain Pass-Mine ging 2015 erneut bankrott.
2017 erwarb ein Unternehmen namens MP Materials die stillgelegte Mountain Pass-Mine. Ziel war es, einen vertikal integrierten Vorteil von der Gewinnung über die Raffination bis zur Herstellung von Magneten aufzubauen und die amerikanische Selten-Erden-Branche wiederzubeleben.
Da die Konzentrate weiterhin nach China geschickt werden müssen, um dort getrennt zu werden, stammte bis 2024 immer noch 80 % der Einnahmen der Mountain Pass-Mine aus dem Verkauf von Konzentrat