James McKenzie si rende conto che avremo bisogno di molti magneti se vogliamo rendere l'economia verde
Recentemente sono stato a Newcastle per partecipare PEMD2022 – l'undicesima conferenza internazionale sull'elettronica di potenza, macchine e azionamenti. Ciò che mi ha colpito non sono stati solo gli enormi miglioramenti prestazionali che si sono verificati nei motori elettrici e nei generatori, ma anche quanta strada dobbiamo ancora fare per rendere i trasporti completamente privi di emissioni di carbonio.
Le vendite globali di auto elettriche (comprese quelle completamente alimentate a batteria, a celle a combustibile e ibride plug-in) sono raddoppiate nel 2021 raggiungendo il massimo storico di 6.6 milioni. Oggi rappresentano il 5-6% delle vendite di veicoli, e ogni settimana ne vengono venduti di più che nell’intero 2012, secondo l’indagine. Prospettive globali sui veicoli elettrici per il 2022 rapporto.
Ogni nuovo veicolo elettrico avrà bisogno di almeno un motore elettrico ad alta potenza.
Le proiezioni variano, ma si prevede che le vendite annuali aumenteranno fino a 65 milioni di veicoli elettrici entro il 2030 a livello globale, secondo la società di ricerche di mercato IHS Markit. Le vendite annuali di veicoli con motore a combustione interna, invece, diminuiranno da 68 milioni di unità nel 2021 a 38 milioni entro il 2030.
Ciò che è ovvio è che ogni nuovo veicolo elettrico avrà bisogno di almeno un motore elettrico ad alta potenza. La quasi totalità (circa l'85%) di questi veicoli utilizza attualmente motori a magneti permanenti (PM) in quanto sono i più efficienti (il record è del 98.8%). Alcuni utilizzano motori e generatori a induzione a corrente alternata (CA), ma sono il 4–8% meno efficienti dei motori PM, fino al 60% più pesanti e fino al 70% più grandi.
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Tuttavia, questi motori e generatori non PM sono perfetti, ad esempio, per camion, navi e generatori di turbine eoliche. Sono anche facili da riciclare poiché, in linea di principio, possono essere costituiti da un unico materiale (ad esempio l'alluminio) e poi fusi una volta giunti al termine della loro vita. Alcune aziende, come Tesla Motors, stanno addirittura combinando gli approcci PM ed elettromagnetico in progetti sempre più complessi per ottimizzare prestazioni e autonomia. Nessuno dei progressi nel campo dei veicoli elettrici, tuttavia, sarebbe possibile senza gli enormi progressi nell’elettronica di potenza a stato solido.
Attrazione magnetica
I magneti hanno fatto molta strada da quando un pastore di Magnesia, nel nord della Grecia, notò che i chiodi della sua scarpa e la punta metallica del suo bastone erano attaccati saldamente a una roccia magnetica (o almeno così narra la leggenda). Queste "magneti" furono usate per migliaia di anni nelle bussole per navigare, ma fu solo all'inizio del 1800 che Hans Christian Ørsted scoprì che una corrente elettrica può influenzare l'ago di una bussola.
La prima dimostrazione di un motore con movimento rotatorio avvenne nel 1821 quando Michael Faraday immerse un filo sospeso in una pozza di mercurio, su cui fu posto un PM. Il primo motore elettrico CC in grado di far girare i macchinari è stato sviluppato da uno scienziato britannico William Storione nel 1832. Gli inventori statunitensi Thomas ed Emily Davenport costruirono il primo pratico motore elettrico CC alimentato a batteria più o meno nello stesso periodo.
Questi motori venivano utilizzati per azionare macchine utensili e una macchina da stampa. Ma poiché la carica della batteria era così costosa, i motori non ebbero successo commerciale e i Davenport finirono in bancarotta. Anche altri inventori che hanno tentato di sviluppare motori CC alimentati a batteria hanno dovuto affrontare il costo della fonte di energia. Alla fine, nel 1880, l’attenzione si spostò sui motori a corrente alternata, che sfruttavano il fatto che la corrente alternata poteva essere inviata su lunghe distanze ad alta tensione.
Il primo “motore a induzione” CA fu inventato dal fisico italiano Galileo Ferraris nel 1885, con la corrente elettrica per azionare il motore ottenuta per induzione elettromagnetica dal campo magnetico dell'avvolgimento dello statore. La bellezza di questo dispositivo è che può essere realizzato senza alcun collegamento elettrico al rotore: un’opportunità commerciale colta da Nikola Tesla. Dopo aver inventato in modo indipendente il proprio motore a induzione nel 1887, brevettò il motore a corrente alternata l'anno successivo.
Per molti anni, tuttavia, i PM hanno avuto campi non superiori a quelli della magnetite naturale (circa 0.005 T). Fu solo con lo sviluppo dell'alnico (leghe composte principalmente da alluminio, nichel e cobalto) negli anni '1930 che divennero possibili motori e generatori DC PM praticamente utili. Negli anni '1950 apparvero i PM a basso costo in ferrite (ceramica), seguiti negli anni '1960 dai magneti in samario e cobalto, che erano di nuovo più potenti.
Ma la vera svolta si è verificata negli anni ’1980 con l’invenzione dei PM al neodimio, che contengono neodimio, ferro e boro. Al giorno d'oggi, i PM al neodimio di grado N42 hanno una resistenza di circa 1.3 T, sebbene questo non sia l'unico parametro chiave quando si tratta di progettazione di magnete e motore: anche la temperatura operativa è vitale.
I prezzi di alcuni materiali delle terre rare sono saliti alle stelle, stimolando un’enorme quantità di ricerche su nuove composizioni magnetiche.
Questo perché le prestazioni dei PM diminuiscono man mano che si riscaldano e una volta che superano il "punto Curie" (circa 320 °C per i magneti al neodimio), si smagnetizzare completamente, rendendo il motore inutilizzabile. Un'altra cosa importante di tutti i magneti delle terre rare, inclusi neodimio, cobalto e samario, è che hanno un'elevata coercività, il che significa che non si smagnetizzare facilmente durante il funzionamento. Per realizzare magneti con la massima coercività e le migliori prestazioni in termini di temperatura sono necessarie anche piccole quantità di altre terre rare pesanti come disprosio, terbio e praseodimio.
Una questione di approvvigionamento
Il problema è che gli elementi delle terre rare scarseggiano. Non è perché siano intrinsecamente rari, il loro nome deriva semplicemente dalla loro posizione nella tavola periodica. Secondo un rapporto dello scorso anno da Magnetici e materiali LLCEntro il 2030 il mondo avrà bisogno di 55,000 tonnellate di magneti al neodimio in più rispetto a quelle probabilmente disponibili, con il 40% della domanda totale che dovrebbe provenire da veicoli elettrici e l’11% da turbine eoliche.
La Cina attualmente produce il 90% di tutti i magneti al neodimio del mondo, motivo per cui gli Stati Uniti, l'UE e altri stanno cercando di sviluppare le proprie capacità nella catena di approvvigionamento per non essere svantaggiati. I prezzi di alcuni materiali delle terre rare sono saliti alle stelle, stimolando un’enorme quantità di ricerche su nuove composizioni di magneti, riciclaggio di magneti esistenti e motori a induzione CA avanzati.
Comunque la si guardi, avremo bisogno di molti magneti se vogliamo rendere più verde l'economia.
