Le terre rare sono l’oro del nuovo millennio, grazie al loro impiego nel nuovo mercato dei veicoli elettrici. Attualmente è la Cina a controllare il mercato di questi preziosi minerali che sono indispensabili anche e soprattutto per qualsiasi dispositivo tecnologico, dai più banali cellulari ai missili, passando per tutta la componentistica elettronica necessaria per il funzionamento delle automobili in genere, elettriche e non.
La ricchezza di queste terre rare genera una sorta di monopolio cinese che mina l’economia globale. Per questo motivo tutti i Paesi sono impegnati in una rinnovata e devastante corsa all’oro del nuovo millennio, alla ricerca di giacimenti da sfruttare per l’indipendenza e l’autonomia del possesso delle materie prime.
Il rischio, anzi, la conseguenza è che al posto di andare verso una cultura “green” fatta di sostenibilità e rispetto per l’ambiente, andiamo incontro ad una nuova era di sfruttamento delle risorse naturali del pianeta che generano condizioni altrettanto devastanti. Si pensi anche solo al movimento di veicoli, macchinari e attrezzature permanenti sul suolo, di manodopera massiccia che necessita in pianta stabile di risorse alimentari e che genera una conseguente crescita di rifiuti urbani sul campo. Si pensi all’ecosistema di flora e fauna improvvisamente alterato dalla presenza dell’essere umano e dalla profonda trasformazione del territorio occupato.
Uno scenario che va in netto contrasto con lo scopo ultimo del veicolo elettrico che è quello di ridurre il tasso di inquinamento. Un paradosso che è bypassabile solo attraverso valide alternative all’utilizzo delle terre rare.
Quale alternativa? 4 Modi Per Eliminare Le Terre Rare
L’uso delle terre rare in varie tecnologie moderne ha attirato l’attenzione nel corso degli anni. Ma con l’aumento della domanda di veicoli elettrici (EV), la questione è stata portata alla ribalta. L’82% del mercato delle auto elettriche nel 2022 utilizzerà motori elettrici basati su magneti permanenti di terre rare. La Cina controlla in larga misura l’approvvigionamento di terre rare e questo ha portato a una significativa volatilità dei prezzi negli anni precedenti, con un’impennata nel 2011/2012 e un forte aumento nel periodo 2021-2022.
Rispetto ad altre tecnologie, è importante notare che per eliminare l’uso delle terre rare nei motori elettrici si possono utilizzare diversi metodi, che verranno illustrati in questo articolo con i pro, i contro e l’adozione.
L’ultimo rapporto di IDTechEx “Motori Elettrici Per Veicoli Elettrici 2024-2034” analizza le diverse tecnologie dei motori in termini di prestazioni, materiali, adozione da parte del mercato e potenziale futuro.
Per descrivere brevemente la struttura di un motore elettrico, una parte stazionaria (statore) è costituita da bobine di metallo (tipicamente rame) alimentate da una corrente elettrica per generare un campo magnetico. Questo campo farà poi girare la parte rotante del motore (rotore). In un motore a magneti permanenti in terre rare (PM), i magneti si trovano sul rotore.
Il motore a induzione
In un motore a induzione (o motore asincrono), il campo magnetico rotante prodotto dallo statore induce correnti sul rotore, che a sua volta produce un campo magnetico che viene attratto o respinto dal campo radiale degli avvolgimenti dello statore. Il motore a induzione utilizza barre o avvolgimenti di rame o alluminio sul rotore. Questi motori presentano in genere una buona potenza di picco e una buona densità di coppia per brevi periodi, ma possono rivelarsi difficili da gestire termicamente e hanno in genere un’efficienza inferiore rispetto alle opzioni PM.
I motori a induzione sono stati comuni nel mercato dei veicoli elettrici e sono stati la scelta principale di Tesla fino all’uscita della Model 3 (che ha adottato un design PM). Nel mercato automobilistico, alcuni sostenitori rimangono, come Audi e Mercedes, ma i motori a induzione sono ora ampiamente utilizzati come motori secondari, usati per incrementare l’accelerazione in quanto non creano resistenza quando non sono in uso, eliminando la necessità di un disaccoppiatore.
Il motore a rotore avvolto
Noto anche come motore sincrono a eccitazione esterna (EESM), il motore sincrono a rotore avvolto (WRSM) sostituisce i magneti del rotore con avvolgimenti a bobina che possono essere alimentati con una corrente continua per generare un campo magnetico. Questo ha il vantaggio di poter controllare sia il campo dello statore che quello del rotore. Gli svantaggi sono le fasi di produzione aggiuntive necessarie per aggiungere gli avvolgimenti al rotore e le spazzole per trasmettere la potenza al rotore. Storicamente, questi motori hanno anche una densità di potenza e di coppia inferiore, ma le versioni moderne sono paragonabili ai motori PM.
Renault è stata tra i primi sostenitori di questa tecnologia nella Zoe, ma ora anche BMW e Nissan hanno adottato questo design, e l’azienda di primo livello MAHLE ha presentato una versione con trasferimento di potenza wireless al rotore, eliminando le spazzole.
Il motore a riluttanza commutata
I motori a riluttanza commutata (SRM) sono potenzialmente i più semplici da costruire: il rotore è costituito in gran parte da acciaio. L’acciaio del rotore ha una bassa riluttanza rispetto all’aria che lo circonda, quindi il flusso magnetico viaggia preferenzialmente attraverso l’acciaio nel tentativo di accorciare il suo percorso di flusso, facendo ruotare il rotore. Nonostante la loro semplicità e affidabilità, gli SRM sono generalmente afflitti da una scarsa densità di potenza e di coppia e da altri problemi, tra cui l’ondulazione della coppia e il rumore acustico.
Mentre gli SRM sono stati in gran parte confinati ad applicazioni industriali o per impieghi gravosi, si stanno compiendo sforzi significativi per il loro sviluppo per i veicoli elettrici. Aziende come Turntide Technologies hanno aggiunto un maggior numero di poli al rotore e allo statore e hanno ideato sistemi di controllo più sofisticati per superare i problemi tradizionali. L’azienda britannica Advanced Electric Machines ha sviluppato un nuovo tipo di motore con un rotore segmentato che, pur rimanendo semplice nella costruzione, si dice elimini il rumore acustico e l’ondulazione di coppia, migliorando al contempo la densità di potenza e di coppia; questo progetto è al centro di un progetto in collaborazione con Bentley.
Materiali magnetici alternativi
Mentre molti OEM hanno costantemente ridotto il contenuto di terre rare nei loro motori, Tesla ha suscitato grande interesse dichiarando che il suo sistema di trazione di prossima generazione sarà un motore PM senza terre rare. Sono in corso diversi progetti per lo sviluppo di magneti privi di terre rare che possano competere in termini di prestazioni magnetiche; questi progetti sono a vari livelli di commercializzazione.
Il problema dei materiali magnetici alternativi è che le loro prestazioni magnetiche sono generalmente molto peggiori. Ad esempio, alcuni produttori di motori con magneti in terre rare e ferrite mostrano una riduzione della potenza del 50-70% per la versione in ferrite della stessa dimensione del motore, il che significa che per ottenere le stesse prestazioni è necessario un materiale magnetico molto più grande e/o un motore molto più grande.
Proterial ha sviluppato magneti con proprietà magnetiche che, a suo dire, “offrono i livelli più elevati al mondo tra i magneti in ferrite”. Il progetto del motore richiede solo il 20% in più di materiale magnetico per mantenere la stessa densità di potenza del motore. Niron Magnetics sta sviluppando magneti al nitruro di ferro e le sue versioni di prossima generazione sono previste per competere con le prestazioni del neodimio.
PASSENGER è un progetto europeo che sviluppa leghe di ferrite di stronzio e manganese-alluminio-carbonio. Sebbene gli sforzi siano in corso, i materiali con prestazioni realmente comparabili sono ancora lontani nel futuro; tuttavia, con altre modifiche al progetto del motore, potrebbero non essere necessari.
Un motore in ferrite ad alta velocità con ulteriori ottimizzazioni
Sebbene l’adozione di magneti in ferrite ridurrebbe significativamente le prestazioni del motore, l’ottimizzazione di molte altre caratteristiche del motore potrebbe minimizzare questo impatto. L’azienda tecnologica australiana Ultimate Transmissions ha presentato un brevetto per un progetto di motore in ferrite che, a suo avviso, potrebbe essere una delle strade percorribili da Tesla per eliminare le terre rare in un motore PM.
Il progetto utilizza magneti in ferrite molto più grandi e velocità più elevate (20.000 giri/min) per ottenere una potenza paragonabile a quella di un motore PM a terre rare di dimensioni simili. Una sfida consiste nel contenere efficacemente i magneti nel rotore; una potenziale soluzione potrebbe essere l’utilizzo di un involucro in fibra di carbonio sul rotore (una tecnologia che Tesla ha già dimostrato nei suoi veicoli Plaid). Un’altra sfida è rappresentata dal fatto che i magneti di ferrite devono essere riscaldati per un funzionamento ottimale, un problema opposto a quello dei magneti al neodimio, ma non irraggiungibile.
Va notato che questo progetto è ancora in fase di simulazione e Tesla potrebbe adottare un approccio diverso, ad esempio con materiali magnetici alternativi. Tuttavia, nelle simulazioni, questo approccio ha mostrato una potenza simile, costi ridotti e peso ridotto a scapito di una coppia leggermente ridotta e di una pila più lunga.
Conclusioni
L’attenzione per la riduzione del contenuto di terre rare nei motori elettrici è in aumento, soprattutto al di fuori della Cina. Esistono diverse strategie, ognuna con i propri compromessi e opportunità per i produttori di motori e i fornitori di materiali. IDTechEx prevede che i motori PM a terre rare rimarranno la tecnologia dominante, soprattutto grazie al predominio della Cina nel mercato dei veicoli elettrici e all’avvio di altre miniere in tutto il mondo. Tuttavia, IDTechEx prevede che le opzioni senza terre rare, comprese quelle sopra menzionate, rappresenteranno quasi il 30% del mercato nel 2034.
L’ultima edizione di “Motori Elettrici Per Veicoli Elettrici 2024-2034” di IDTechEx fa un’immersione profonda nella tecnologia dei motori, nell’adozione del mercato, nell’utilizzo dei materiali e nelle previsioni di mercato. L’analisi si basa su un ampio database di veicoli e motori per tutti i segmenti di veicoli, tra cui automobili, autobus, camion, furgoni, veicoli a 2 ruote, veicoli a 3 ruote, microcar e aerei.
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