James McKenzie se zaveda, da bomo potrebovali veliko magnetov, če želimo spremeniti gospodarstvo v zeleno
Pred kratkim sem bil v Newcastlu, da bi se ga udeležil PEMD2022 – 11. mednarodna konferenca o močnostni elektroniki, strojih in pogonih. Kar me je presenetilo, niso bile samo velike izboljšave zmogljivosti, ki so se zgodile pri električnih motorjih in generatorjih, ampak tudi to, kako daleč moramo še iti, da bo transport popolnoma brez ogljika.
Svetovna prodaja električnih avtomobilov (vključno s popolnoma baterijskimi avtomobili, hibridi na gorivne celice in priključnimi hibridi) se je leta 2021 podvojila na 6.6 milijona vseh časov. Zdaj predstavljajo 5–6 % prodaje vozil, pri čemer se vsak teden proda več kot v celotnem letu 2012, glede na Globalna napoved za električna vozila 2022 poročilo.
Vsako novo električno vozilo bo potrebovalo vsaj en elektromotor velike moči.
Projekcije se razlikujejo, vendar naj bi se letna prodaja do leta 65 povečala na 2030 milijonov električnih vozil po vsem svetu, poroča podjetje za tržne raziskave IHS Markit. Nasprotno pa se bo letna prodaja vozil z motorji z notranjim zgorevanjem zmanjšala z 68 milijonov enot leta 2021 na 38 milijonov do leta 2030.
Očitno je, da bo vsako novo električno vozilo potrebovalo vsaj en močan električni motor. Skoraj vsa (približno 85 %) teh vozil trenutno uporabljajo motorje s trajnimi magneti (PM), saj so najučinkovitejši (rekord je 98.8 %). Nekaj jih uporablja indukcijske motorje in generatorje na izmenični tok (AC), vendar so ti 4–8 % manj učinkoviti kot motorji s PM, do 60 % težji in do 70 % večji.
Bi lahko to revolucionarno letalo ozelenilo letalski promet?
Kljub temu so ti motorji in generatorji brez PM kot nalašč za, recimo, tovornjake, ladje in generatorje vetrnih turbin. Enostavno jih je tudi reciklirati, saj so načeloma lahko izdelani iz enega materiala (recimo aluminija) in se nato stopijo, ko pridejo do konca njihove življenjske dobe. Nekatera podjetja, kot je Tesla Motors, celo združujejo PM in elektromagnetne pristope v vedno bolj zapletenih zasnovah za optimizacijo zmogljivosti in dosega. Noben napredek na področju električnih vozil pa ne bi bil mogoč brez ogromnega napredka polprevodniške močnostne elektronike.
Magnetna privlačnost
Magneti so prehodili dolgo pot, odkar je pastir v Magneziji v severni Grčiji opazil, da so bili žeblji v njegovem čevlju in kovinska konica njegove palice trdno prilepljeni na magnetni kamen (vsaj tako pravi legenda). Ti »žilni kamni« so se tisoče let uporabljali v kompasih za navigacijo, vendar je Hans Christian Ørsted šele v zgodnjih 1800. stoletjih odkril, da lahko električni tok vpliva na iglo kompasa.
Prva predstavitev motorja z rotacijskim gibanjem se je zgodila leta 1821, ko je Michael Faraday potopil prosto visečo žico v bazen živega srebra, na katerega je bil nameščen PM. Prvi enosmerni elektromotor, ki je lahko vrtel stroje, je razvil britanski znanstvenik William Sturgeon leta 1832. Ameriška izumitelja Thomas in Emily Davenport sta približno v istem času zgradila prvi praktični enosmerni elektromotor na baterijski pogon.
Ti motorji so bili uporabljeni za pogon obdelovalnih strojev in tiskarskega stroja. A ker je bila baterija tako draga, so bili motorji komercialno neuspešni in Davenportovi so končali v stečaju. Tudi drugi izumitelji, ki so poskušali razviti enosmerne motorje na baterijski pogon, so se spopadali s stroški vira energije. Sčasoma se je v osemdesetih letih 1880. stoletja pozornost usmerila k motorjem na izmenični tok, ki so izkoristili dejstvo, da se lahko izmenični tok pošilja na velike razdalje pri visoki napetosti.
Prvi AC "indukcijski motor" je izumil italijanski fizik Galileo Ferraris leta 1885, pri čemer je električni tok za pogon motorja pridobljen z elektromagnetno indukcijo iz magnetnega polja statorskega navitja. Lepota te naprave je, da jo je mogoče izdelati brez električnih povezav z rotorjem – komercialna priložnost, ki jo je izkoristil Nikola Tesla. Potem ko je leta 1887 samostojno izumil lasten indukcijski motor, je naslednje leto patentiral AC motor.
Dolga leta pa PM nimajo polj, ki niso višja od naravno prisotnega magnetita (približno 0.005 T). Šele z razvojem alnico (zlitine večinoma aluminija, niklja in kobalta) v tridesetih letih 1930. stoletja so postali praktično uporabni enosmerni motorji in generatorji PM. V 1950. letih 1960. stoletja so se pojavili nizkocenovni feritni (keramični) PM, v XNUMX. letih pa so jim sledili samarijevi in kobaltovi magneti, ki so bili spet močnejši.
Toda prava sprememba se je zgodila v osemdesetih letih prejšnjega stoletja z izumom neodimovih PM, ki vsebujejo neodim, železo in bor. Dandanes ima neodim PM razreda N1980 trdnost približno 42 T, čeprav to ni edina ključna metrika, ko gre za zasnovo magneta in motorja: ključna je tudi delovna temperatura.
Cene nekaterih redkih zemeljskih materialov so skokovito narasle, kar je spodbudilo ogromno raziskav o novih sestavah magnetov.
To je zato, ker učinkovitost PM pade, ko se segrejejo in ko gredo nad "Curiejevo točko" (približno 320 °C za neodimove magnete), se popolnoma razmagnetijo – zaradi česar je motor neuporaben. Druga pomembna stvar pri vseh magnetih redkih zemelj, vključno z neodimom, kobaltom in samarijem, je, da imajo visoko koercitivnost, kar pomeni, da se med delovanjem ne razmagnetijo zlahka. Za izdelavo magnetov z največjo koercitivnostjo in najboljšo temperaturno učinkovitostjo potrebujete tudi majhne količine drugih težkih redkih zemelj, kot so disprozij, terbij in prazeodim.
Vprašanje ponudbe
Težava je v tem, da elementov redkih zemelj primanjkuje. Ne zato, ker so sami po sebi redki, njihovo ime preprosto izhaja iz njihove lokacije v periodnem sistemu. Po lanskem poročilu iz Magnetics & Materials LLC, do leta 2030 bo svet potreboval 55,000 ton več neodimovih magnetov, kot je verjetno na voljo, pri čemer naj bi 40 % celotnega povpraševanja prihajalo iz električnih vozil in 11 % iz vetrnih turbin.
Kitajska trenutno proizvede 90 % vseh neodimovih magnetov na svetu, zato si ZDA, EU in drugi prizadevajo razviti svoje zmogljivosti v dobavni verigi, da ne bi bili prikrajšani. Cene nekaterih redkozemeljskih materialov so skokovito narasle, kar je spodbudilo ogromno raziskav o novih sestavah magnetov, recikliranju obstoječih magnetov in naprednih AC indukcijskih motorjih.
Ne glede na to, kako gledate, bomo potrebovali veliko magnetov, če želimo ozeleniti gospodarstvo.
