Magneten, magneten, magneten: we zullen er veel nodig hebben voor een groene economie

Ik was onlangs in Newcastle om aanwezig te zijn PEMD2022 – de 11e internationale conferentie over vermogenselektronica, machines en aandrijvingen. Wat mij opviel, waren niet alleen de enorme prestatieverbeteringen die hebben plaatsgevonden op het gebied van elektromotoren en generatoren, maar ook hoe ver we nog moeten gaan om het transport volledig koolstofvrij te maken.

De wereldwijde verkoop van elektrische auto’s (inclusief volledig op batterijen werkende auto’s, brandstofcelauto’s en plug-in hybrides) is in 2021 verdubbeld tot een recordhoogte van 6.6 miljoen. Ze zijn nu goed voor 5 à 6% van de autoverkopen, waarbij er elke week meer worden verkocht dan in heel 2012, aldus het rapport. Wereldwijde vooruitzichten voor elektrische voertuigen 2022 verslag.

Elk nieuw elektrisch voertuig heeft minimaal één krachtige elektromotor nodig.

De prognoses lopen uiteen, maar volgens marktonderzoeksbureau zal de jaarlijkse verkoop tegen 65 naar verwachting wereldwijd stijgen tot 2030 miljoen elektrische voertuigen. IHS Markit. De jaarlijkse verkoop van voertuigen met verbrandingsmotoren zal daarentegen dalen van 68 miljoen exemplaren in 2021 naar 38 miljoen in 2030.

Wat duidelijk is, is dat elk nieuw elektrisch voertuig ten minste één krachtige elektromotor nodig heeft. Bijna alle (ongeveer 85%) van deze voertuigen maken momenteel gebruik van motoren met permanente magneet (PM's), omdat deze het meest efficiënt zijn (het record is 98.8%). Een paar maken gebruik van wisselstroominductiemotoren en -generatoren, maar ze zijn 4 à 8% minder efficiënt dan PM-motoren, tot 60% zwaarder en tot 70% groter.

Toch zijn deze niet-PM-motoren en generatoren perfect voor bijvoorbeeld vrachtwagens, schepen en windturbinegeneratoren. Ze zijn ook gemakkelijk te recyclen, omdat ze in principe uit één materiaal kunnen worden gemaakt (bijvoorbeeld aluminium) en vervolgens kunnen worden omgesmolten als ze het einde van hun levensduur hebben bereikt. Sommige bedrijven, zoals Tesla Motors, combineren zelfs de PM- en elektromagnetische benaderingen in steeds complexere ontwerpen om de prestaties en het bereik te optimaliseren. Geen enkele vooruitgang op het gebied van elektrische voertuigen zou echter mogelijk zijn zonder de enorme vooruitgang op het gebied van solid-state vermogenselektronica.

Magnetische aantrekkingskracht

Magneten hebben een lange weg afgelegd sinds een herder in Magnesia in Noord-Griekenland merkte dat de spijkers in zijn schoen en de metalen punt van zijn staf vastzaten aan een magnetische rots (zo gaat de legende). Deze ‘magneetstenen’ werden duizenden jaren lang in kompassen gebruikt om te navigeren, maar pas in het begin van de 1800e eeuw ontdekte Hans Christian Ørsted dat een elektrische stroom een ​​kompasnaald kan beïnvloeden.

De eerste demonstratie van een motor met roterende beweging vond plaats in 1821 toen Michael Faraday een vrijhangende draad in een plas kwik doopte, waarop een PM werd geplaatst. De eerste gelijkstroom-elektromotor die machines kon laten draaien, werd ontwikkeld door een Britse wetenschapper Willem Steur in 1832. De Amerikaanse uitvinders Thomas en Emily Davenport bouwden ongeveer tegelijkertijd de eerste praktische gelijkstroommotor op batterijen.

Deze motoren werden gebruikt om werktuigmachines en een drukpers aan te drijven. Maar omdat het batterijvermogen zo duur was, waren de motoren commercieel niet succesvol en gingen de Davenports failliet. Andere uitvinders die probeerden gelijkstroommotoren op batterijen te ontwikkelen, worstelden ook met de kosten van de stroombron. Uiteindelijk, in de jaren tachtig van de negentiende eeuw, ging de aandacht uit naar wisselstroommotoren, die profiteerden van het feit dat wisselstroom met hoge spanning over lange afstanden kan worden verzonden.

De eerste AC-inductiemotor werd in 1885 uitgevonden door de Italiaanse natuurkundige Galileo Ferraris, waarbij de elektrische stroom om de motor aan te drijven werd verkregen door elektromagnetische inductie uit het magnetische veld van de statorwikkeling. Het mooie van dit apparaat is dat het gemaakt kan worden zonder enige elektrische verbinding met de rotor – een commerciële kans die Nikola Tesla heeft aangegrepen. Nadat hij in 1887 zelfstandig zijn eigen inductiemotor had uitgevonden, patenteerde hij het jaar daarop de wisselstroommotor.

Jarenlang hadden PM's echter velden die niet hoger waren dan natuurlijk voorkomend magnetiet (ongeveer 0.005 T). Pas met de ontwikkeling van alnico (legeringen van voornamelijk aluminium, nikkel en kobalt) in de jaren dertig werden praktisch bruikbare PM DC-motoren en -generatoren mogelijk. In de jaren vijftig verschenen goedkope ferriet (keramische) PM's, in de jaren zestig gevolgd door samarium- en kobaltmagneten, die weer sterker waren.

Maar de echte gamechanger vond plaats in de jaren tachtig met de uitvinding van neodymium PM’s, die neodymium, ijzer en boor bevatten. Tegenwoordig heeft de N1980-klasse van neodymium PM’s een sterkte van ongeveer 42 T, hoewel dat niet de enige belangrijke maatstaf is als het gaat om het ontwerp van de magneet en de motor: de bedrijfstemperatuur is ook van cruciaal belang.

De prijzen van sommige zeldzame aardmetalen zijn omhooggeschoten, wat aanleiding heeft gegeven tot een enorme hoeveelheid onderzoek naar nieuwe magneetsamenstellingen.

Dat komt omdat de prestaties van PM’s afnemen naarmate ze warmer worden en zodra ze boven het “Curie-punt” komen (ongeveer 320 °C voor neodymiummagneten), demagnetiseren ze volledig, waardoor de motor onbruikbaar wordt. Een ander belangrijk aspect van alle zeldzame-aardemagneten, inclusief neodymium, kobalt en samarium, is dat ze een hoge coërciviteit hebben, wat betekent dat ze niet gemakkelijk demagnetiseren wanneer ze in werking zijn. Om magneten met de hoogste coërciviteit en de beste temperatuurprestaties te maken, heb je ook kleine hoeveelheden andere zware zeldzame aardmetalen nodig, zoals dysprosium, terbium en praseodymium.

Een kwestie van aanbod

Het probleem is dat zeldzame aardmetalen schaars zijn. Het is niet omdat ze intrinsiek zeldzaam zijn; hun naam komt simpelweg van hun locatie in het periodiek systeem. Dat blijkt uit een rapport van vorig jaar Magnetics & Materials LLCTegen 2030 zal de wereld 55,000 ton meer neodymiummagneten nodig hebben dan waarschijnlijk beschikbaar zal zijn, waarbij naar verwachting 40% van de totale vraag afkomstig zal zijn van elektrische voertuigen en 11% van windturbines.

China maakt momenteel 90% van alle neodymiummagneten in de wereld. Daarom proberen de VS, de EU en anderen allemaal hun capaciteiten in de toeleveringsketen te ontwikkelen om niet te worden benadeeld. De prijzen van sommige zeldzame aardmetalen zijn omhooggeschoten, wat aanleiding heeft gegeven tot een enorme hoeveelheid onderzoek naar nieuwe magneetsamenstellingen, recycling van bestaande magneten en geavanceerde AC-inductiemotoren.

Hoe je het ook bekijkt, we zullen veel magneten nodig hebben als we de economie groener willen maken.