Jamesa McKenziego zdaje sobie sprawę, że będziemy potrzebować wielu magnesów, jeśli chcemy zazielenić gospodarkę
Niedawno byłem w Newcastle, aby wziąć udział PEMD2022 – XI międzynarodowa konferencja energoelektroniki, maszyn i napędów. Uderzyło mnie nie tylko ogromne ulepszenie wydajności silników elektrycznych i generatorów, ale także to, jak daleko jeszcze musimy się posunąć, aby uczynić transport całkowicie bezemisyjnym.
Globalna sprzedaż samochodów elektrycznych (w tym w pełni zasilanych bateryjnie, na ogniwa paliwowe i hybrydy typu plug-in) podwoiła się w 2021 r., osiągając rekordowy poziom 6.6 mln. Stanowią one obecnie 5–6% sprzedaży pojazdów, a każdego tygodnia sprzedaje się ich więcej niż w całym 2012 r. Globalna prognoza dotycząca pojazdów elektrycznych na 2022 r raport.
Każdy nowy pojazd elektryczny będzie potrzebował co najmniej jednego silnika elektrycznego dużej mocy.
Prognozy są różne, ale według firmy badającej rynek roczna sprzedaż ma wzrosnąć do 65 milionów pojazdów elektrycznych na całym świecie do 2030 roku IHS Markit. Natomiast roczna sprzedaż pojazdów z silnikami spalinowymi spadnie z 68 milionów sztuk w 2021 roku do 38 milionów w 2030 roku.
Oczywiste jest, że każdy nowy pojazd elektryczny będzie potrzebował co najmniej jednego silnika elektrycznego o dużej mocy. Prawie wszystkie (około 85%) z tych pojazdów wykorzystują obecnie silniki z magnesami trwałymi (PM), ponieważ są one najbardziej wydajne (rekord 98.8%). Niektóre wykorzystują silniki indukcyjne i generatory prądu przemiennego (AC), ale są one o 4–8% mniej wydajne niż silniki PM, do 60% cięższe i do 70% większe.
Czy ten rewolucyjny samolot może sprawić, że podróże lotnicze będą zielone?
Mimo to te silniki i generatory inne niż PM doskonale nadają się, powiedzmy, do ciężarówek, statków i generatorów turbin wiatrowych. Są również łatwe do recyklingu, ponieważ w zasadzie mogą być wykonane z jednego materiału (np. aluminium), a następnie przetopione, gdy dobiegną końca. Niektóre firmy, takie jak Tesla Motors, łączą nawet podejście PM i elektromagnetyczne w coraz bardziej złożonych projektach, aby zoptymalizować wydajność i zasięg. Żaden z postępów w pojazdach elektrycznych nie byłby jednak możliwy bez ogromnego postępu w półprzewodnikowej energoelektronice.
Przyciąganie magnetyczne
Magnesy przeszły długą drogę, odkąd pasterz z Magnezji w północnej Grecji zauważył gwoździe w jego bucie, a metalowy czubek jego laski wbił się mocno w magnetyczną skałę (a przynajmniej tak głosi legenda). Te „magnety” były używane przez tysiące lat w kompasach do nawigacji, ale dopiero na początku XIX wieku Hans Christian Ørsted odkrył, że prąd elektryczny może wpływać na igłę kompasu.
Pierwsza demonstracja silnika z ruchem obrotowym miała miejsce w 1821 roku, kiedy Michael Faraday zanurzył swobodnie wiszący drut w kałuży rtęci, na której umieszczono PM. Pierwszy silnik elektryczny prądu stałego, który mógł obracać maszynę, został opracowany przez brytyjskiego naukowca Williama Sturgeona w 1832 r. Amerykańscy wynalazcy Thomas i Emily Davenport zbudowali pierwszy praktyczny silnik elektryczny prądu stałego zasilany baterią mniej więcej w tym samym czasie.
Silniki te służyły do napędzania obrabiarek i prasy drukarskiej. Ponieważ jednak energia z akumulatorów była tak droga, silniki nie powiodły się komercyjnie, a firma Davenport zbankrutowała. Inni wynalazcy, którzy próbowali opracować silniki prądu stałego zasilane bateryjnie, również borykali się z kosztami źródła zasilania. Ostatecznie w latach osiemdziesiątych XIX wieku zwrócono uwagę na silniki prądu przemiennego, które wykorzystywały fakt, że prąd przemienny można przesyłać na duże odległości przy wysokim napięciu.
Pierwszy „silnik indukcyjny” prądu przemiennego został wynaleziony przez włoskiego fizyka Galileo Ferrarisa w 1885 roku, a prąd elektryczny do napędzania silnika uzyskiwany był przez indukcję elektromagnetyczną z pola magnetycznego uzwojenia stojana. Piękno tego urządzenia polega na tym, że można je wykonać bez żadnych połączeń elektrycznych z wirnikiem – okazja handlowa wykorzystana przez Nikolę Teslę. Po samodzielnym wynalezieniu własnego silnika indukcyjnego w 1887 roku opatentował silnik prądu przemiennego w następnym roku.
Jednak przez wiele lat PM miały pola nie większe niż naturalnie występujący magnetyt (około 0.005 T). Dopiero rozwój alnico (stopów głównie aluminium, niklu i kobaltu) w latach trzydziestych XX wieku umożliwił zastosowanie praktycznie użytecznych silników i generatorów prądu stałego z magnesami trwałymi. W latach pięćdziesiątych XX wieku pojawiły się tanie ferrytowe (ceramiczne) PM, a następnie w latach sześćdziesiątych magnesy samarowe i kobaltowe, które ponownie stały się silniejsze.
Jednak prawdziwy przełom nastąpił w latach 1980. wraz z wynalezieniem neodymowych PM, które zawierają neodym, żelazo i bor. Obecnie magnesy neodymowe klasy N42 mają wytrzymałość około 1.3 T, chociaż nie jest to jedyna kluczowa miara, jeśli chodzi o konstrukcję magnesu i silnika: istotna jest również temperatura robocza.
Ceny niektórych metali ziem rzadkich gwałtownie wzrosły, co skłoniło do przeprowadzenia ogromnej ilości badań nad nowymi składami magnesów.
Dzieje się tak dlatego, że wydajność PM spada, gdy się rozgrzewają, a gdy przekroczą „punkt Curie” (około 320°C dla magnesów neodymowych), całkowicie się rozmagnesowują, czyniąc silnik bezużytecznym. Inną ważną cechą wszystkich magnesów ziem rzadkich, w tym neodymu, kobaltu i samaru, jest to, że mają one wysoką koercję, co oznacza, że nie rozmagnesowują się łatwo podczas pracy. Aby wytworzyć magnesy o najwyższej koercji i najlepszych parametrach temperaturowych, potrzebne są również niewielkie ilości innych metali ziem rzadkich, takich jak dysproz, terb i prazeodym.
Kwestia zaopatrzenia
Problem w tym, że brakuje pierwiastków ziem rzadkich. Nie dlatego, że są z natury rzadkie, ich nazwa pochodzi po prostu od ich położenia w układzie okresowym. Według raportu z zeszłego roku z Magnetyki i materiały LLC, do 2030 roku świat będzie potrzebował 55,000 40 ton magnesów neodymowych więcej niż prawdopodobnie będzie dostępnych, przy czym oczekuje się, że 11% całkowitego zapotrzebowania będzie pochodzić z pojazdów elektrycznych, a XNUMX% z turbin wiatrowych.
Chiny obecnie wytwarzają 90% wszystkich magnesów neodymowych na świecie, dlatego Stany Zjednoczone, UE i inne kraje starają się rozwijać swoje możliwości w łańcuchu dostaw, aby nie znaleźć się w niekorzystnej sytuacji. Ceny niektórych metali ziem rzadkich gwałtownie wzrosły, co skłoniło do przeprowadzenia ogromnej ilości badań nad nowymi składami magnesów, recyklingiem istniejących magnesów i zaawansowanymi silnikami indukcyjnymi prądu przemiennego.
Niezależnie od tego, jak na to spojrzeć, będziemy potrzebować wielu magnesów, jeśli chcemy zazielenić gospodarkę.
