Aimants, aimants, aimants : il en faudra beaucoup pour une économie verte

J'étais récemment à Newcastle pour assister PEMD2022 – la 11ème conférence internationale sur l'électronique de puissance, les machines et les entraînements. Ce qui m'a frappé, ce n'est pas seulement les énormes améliorations des performances des moteurs et des générateurs électriques, mais aussi le chemin qu'il nous reste encore à parcourir pour rendre les transports totalement décarbonés.

Les ventes mondiales de voitures électriques (y compris les voitures entièrement alimentées par batterie, à pile à combustible et hybrides rechargeables) ont doublé en 2021 pour atteindre un niveau record de 6.6 millions. Ils représentent désormais 5 à 6 % des ventes de véhicules, soit plus chaque semaine que sur l'ensemble de l'année 2012, selon le Perspectives mondiales des véhicules électriques 2022 rapport.

Chaque nouveau véhicule électrique aura besoin d’au moins un moteur électrique de haute puissance.

Les projections varient, mais les ventes annuelles devraient atteindre 65 millions de véhicules électriques d'ici 2030 dans le monde, selon un cabinet d'études de marché. IHS Markit. En revanche, les ventes annuelles de véhicules équipés d’un moteur à combustion interne diminueront, passant de 68 millions d’unités en 2021 à 38 millions d’ici 2030.

Ce qui est évident, c’est que chaque nouveau véhicule électrique aura besoin d’au moins un moteur électrique de grande puissance. Presque tous (environ 85 %) de ces véhicules utilisent actuellement des moteurs à aimant permanent (PM), car ce sont les plus efficaces (le record est de 98.8 %). Quelques-uns utilisent des moteurs et générateurs à induction à courant alternatif (AC), mais ils sont 4 à 8 % moins efficaces que les moteurs PM, jusqu'à 60 % plus lourds et jusqu'à 70 % plus gros.

Néanmoins, ces moteurs et générateurs non PM sont parfaits, par exemple, pour les camions, les navires et les générateurs d'éoliennes. Ils sont également faciles à recycler car ils peuvent, en principe, être constitués d'un seul matériau (par exemple l'aluminium) puis fondus lorsqu'ils arrivent en fin de vie. Certaines entreprises, comme Tesla Motors, combinent même les approches PM et électromagnétique dans des conceptions toujours plus complexes pour optimiser les performances et l'autonomie. Aucune des avancées dans le domaine des véhicules électriques ne serait toutefois possible sans les énormes progrès de l’électronique de puissance à semi-conducteurs.

Attraction magnétique

Les aimants ont parcouru un long chemin depuis qu'un berger de Magnésie, dans le nord de la Grèce, a remarqué que les clous de sa chaussure et la pointe métallique de son bâton étaient fermement collés à une roche magnétique (c'est du moins ce que raconte la légende). Ces « magnétites » ont été utilisées pendant des milliers d'années dans les boussoles pour naviguer, mais ce n'est qu'au début des années 1800 que Hans Christian Ørsted a découvert qu'un courant électrique pouvait influencer l'aiguille d'une boussole.

La première démonstration d'un moteur à mouvement rotatif a eu lieu en 1821 lorsque Michael Faraday a plongé un fil suspendu dans une mare de mercure, sur lequel un PM a été placé. Le premier moteur électrique à courant continu capable de faire tourner des machines a été développé par un scientifique britannique Guillaume Esturgeon en 1832. Les inventeurs américains Thomas et Emily Davenport construisirent à peu près au même moment le premier moteur électrique à courant continu alimenté par batterie.

Ces moteurs étaient utilisés pour faire fonctionner des machines-outils et une presse à imprimer. Mais comme l'énergie de la batterie était très chère, les moteurs connurent un échec commercial et les Davenport se retrouvèrent en faillite. D’autres inventeurs qui ont tenté de développer des moteurs à courant continu alimentés par batterie ont également été confrontés au coût de la source d’énergie. Finalement, dans les années 1880, l’attention s’est tournée vers les moteurs à courant alternatif, qui tiraient parti du fait que le courant alternatif pouvait être envoyé sur de longues distances à haute tension.

Le premier « moteur à induction » à courant alternatif a été inventé par le physicien italien Galileo Ferraris en 1885, le courant électrique pour entraîner le moteur étant obtenu par induction électromagnétique à partir du champ magnétique de l'enroulement du stator. La beauté de cet appareil est qu’il peut être réalisé sans aucune connexion électrique avec le rotor – une opportunité commerciale saisie par Nikola Tesla. Ayant inventé indépendamment son propre moteur à induction en 1887, il a breveté le moteur à courant alternatif l'année suivante.

Pendant de nombreuses années, cependant, les champs des particules n’étaient pas supérieurs à ceux de la magnétite naturelle (environ 0.005 T). Ce n’est qu’avec le développement de l’alnico (alliages composés principalement d’aluminium, de nickel et de cobalt) dans les années 1930 que les moteurs et générateurs PM DC pratiquement utiles sont devenus une possibilité. Dans les années 1950, des PM à faible coût en ferrite (céramique) sont apparus, suivis dans les années 1960 par les aimants en samarium et en cobalt, qui étaient encore plus puissants.

Mais le véritable changement de donne s’est produit dans les années 1980 avec l’invention des PM au néodyme, qui contiennent du néodyme, du fer et du bore. De nos jours, la qualité N42 des PM en néodyme a une résistance d'environ 1.3 T, bien que ce ne soit pas la seule mesure clé en matière de conception d'aimants et de moteurs : la température de fonctionnement est également vitale.

Les prix de certains matériaux de terres rares ont grimpé en flèche, ce qui a donné lieu à de nombreuses recherches sur de nouvelles compositions magnétiques.

En effet, les performances des PM diminuent à mesure qu'ils s'échauffent et une fois qu'ils dépassent le « point de Curie » (environ 320 °C pour les aimants en néodyme), ils se démagnétisent complètement, rendant le moteur inutile. Une autre chose importante à propos de tous les aimants aux terres rares, y compris le néodyme, le cobalt et le samarium, est qu'ils ont une coercivité élevée, ce qui signifie qu'ils ne se démagnétisent pas facilement lorsqu'ils sont en fonctionnement. Pour fabriquer des aimants avec la coercivité la plus élevée et les meilleures performances en température, vous avez également besoin de petites quantités d'autres terres rares lourdes telles que le dysprosium, le terbium et le praséodyme.

Une question d'approvisionnement

Le problème est que les éléments des terres rares sont rares. Ce n’est pas parce qu’ils sont intrinsèquement rares, leur nom vient simplement de leur emplacement dans le tableau périodique. Selon un rapport publié l'année dernière par Magnétique et matériaux LLC, d'ici 2030, le monde aura besoin de 55,000 40 tonnes d'aimants en néodyme de plus que ce qui est susceptible d'être disponible, 11 % de la demande totale devant provenir des véhicules électriques et XNUMX % des éoliennes.

La Chine fabrique actuellement 90 % de tous les aimants en néodyme dans le monde, c’est pourquoi les États-Unis, l’UE et d’autres tentent tous de développer leurs capacités dans la chaîne d’approvisionnement afin de ne pas être désavantagés. Les prix de certains matériaux de terres rares ont grimpé en flèche, ce qui a suscité d'énormes recherches sur de nouvelles compositions d'aimants, le recyclage des aimants existants et des moteurs à induction AC avancés.

Quelle que soit la façon dont vous regardez les choses, nous aurons besoin de beaucoup d’aimants si nous voulons rendre l’économie verte.