La industria del automóvil está buscando una alternativa tecnológica a los motores eléctricos de imanes permanentes compuestos por tierras raras. La escasez de estos materiales y por lo tanto, su elevado precio, está comenzando a convertirse en un problema real de coste. Las opciones pasan por dos posibilidades. Acudir a tecnologías más complejas como son los motores de excitación externa, que no precisan de estos imanes o mantener esta tecnología pero emplear combinaciones de materiales magnéticos diferentes y más abundantes en la naturaleza.
El coste final de producción de un coche eléctrico depende sobre todo de dos componentes: la batería y el motor eléctrico. Años atrás la batería podía llegar a suponer el 50% del coste total. En este escenario, los fabricantes necesitaban abaratar el precio del tren motriz utilizando motores eléctricos síncronos de imanes permanentes compuestos de tierras raras, que hicieron posibles grandes rendimientos con un tamaño reducido y, en principio, sin un coste elevado.
Sin embargo, para 2012 estos materiales habían comenzado a aumentar de precio y la industria a buscó alternativas con mayor disponibilidad y más sostenibles. En la actualidad, son dos las posibilidades que se abren para reducir la dependencia de las tierras raras. La primera, los motores eléctricos de excitación externa, que necesitan un sistema externo de excitación que sustituye a los imanes. El segundo, encontrar imanes formados por otros materiales magnéticos, o combinaciones de estos, que realicen la misma función y reduzcan al máximo la necesidad de las tierras raras.
Los imanes en la naturaleza y su uso en la automoción
Los imanes pueden ser naturales, es decir, minerales con propiedades magnéticas, o artificiales, cuerpos de material ferromagnético a los que se le transfiere esta propiedad. Los naturales pueden estar formados por diversos materiales, la mayoría de ellos tierras raras. Este es el nombre que reciben 17 elementos químicos siendo el neodimio uno de los más utilizados en motores para vehículos híbridos y eléctricos.
Los imanes compuestos de tierras raras se dividen en dos tipologías: tierra rara ligera (LRE) y tierra rara pesada (HRE). Las reservas mundiales de tierras raras son aproximadamente del 85 % de LRE y del 15 % de HRE. Son precisamente estos últimos son los que proporcionan imanes adecuados para su aplicación en la industria del automóvil.
Los imanes de neodimio tienen una mayor remanencia (persistencia de las propiedades magnéticas) y una gran coercitividad o intensidad magnética. Su inconveniente respecto a otros imanes es que su temperatura de Curie, a la que pierde sus propiedades magnéticas, es inferior a otras alternativas. En un artículo publicado en electodesign.com, Da Vukovich, presidente de Alliance LLC, asegura que "se han desarrollado aleaciones especiales que, además de neodimio incluyen terbio y disprosio que permiten tolerar temperaturas de Curie más altas, de hasta 200°C". Debido a sus propiedades ningún otro material puede igualar su rendimiento de alta resistencia, concluyendo que "realmente no se pueden reemplazar los imanes de tierras raras".
Tierras raras.
En 2018, el 93% de todos los vehículos eléctricos producidos en el mundo tenían un tren motriz impulsado por un motor de imanes permanentes compuestos de tierras raras. Esta cifra supuso un incremento del 1% respecto a los datos del año anterior. Esta información, extraída de los datos de la plataforma EV Motor Power y Motor Metals Tracker de Adamas Intelligence, muestra que esta tecnología sigue siendo la más utilizada, debido a su menor tamaño y mayor eficiencia.
¿Por qué hacen falta estos imanes?
Un motor eléctrico síncrono incorpora generalmente imanes permanentes compuestos por tierras raras como el disprosio, el gadolino o en neodimio. Estos imanes proporcionan un flujo magnético cuando se magnetizan con otro campo magnético y no pierden sus propiedades una vez que cesa la causa que provoca el magnetismo.
Incrustados en el rotor del motor eliminan la necesidad de implementar un sistema de excitación externa, y de unas escobillas, necesarios para generar el correspondiente campo magnético en el rotor y hacerlo girar cuando se expone al campo generado externamente en el estátor. La densidad de flujo es una propiedad de estos imanes que se aprovecha para la generación de energía que genera el movimiento. Su principal característica es que, tras haber sido magnetizados, retienen sus líneas de flujo, de forma similar a las baterías en las que se mueven las cargas eléctricas.
Su uso se generalizó industrialmente en la década de 1990. Su mayor ventaja es su eficiencia, un 15% superior a la de los motores de inducción asíncronos, alcanzando una mayor densidad de potencia disponible, tanto gravimétrica (kW / kg) como volumétrica (kW/l). Su desventaja es que incluir estos materiales tan escasos y poco disponibles los hace más caros de fabricar. Sin embargo, desde el punto de vista de los fabricantes, su mayor eficiencia permite que el otro componente fundamental, la batería, pueda ser más pequeño, reduciendo así los costes.
Según Adamas, la demanda de motores de imanes permanentes continuará creciendo en el futuro. Sin embargo, esta tendencia podría cambiar por el aumento en la oferta y la demanda de vehículos eléctricos, que está causando que el coste de la producción de las baterías por kWh esté disminuyendo más rápido de lo esperado. Esto abre la puerta al uso de motores de inducción con excitación externa para evitar el uso de materiales escasos procedentes de un número limitado de proveedores.
La alternativa de los motores de excitación externa
En los motores síncronos de excitación externa, que son los utilizados por Renault, en vez de los imanes permanentes se utiliza una excitación externa, compuesta por una fuente de alimentación y un ondulador. A través de unos anillos rozantes y unas escobillas que no precisan de mantenimiento, no provocan chispas y no necesitan prácticamente mantenimiento se genera el campo magnético del rotor. Su ventaja es que permiten controlar la potencia del imán que se crea en el rotor y por lo tanto los requerimientos de par en cada momento, lo que los hace más eficientes. A cambio, son motores más voluminosos por los componentes extra que supone la excitación externa.
Desde que se creó, Tesla ha usado motores de inducción en todos sus coches eléctricos. Los motores de corriente alterna asíncronos o de inducción, adecuados para aplicaciones de alta potencia y conocidos como jaula de ardilla. En ellos, el rotor está formado por espiras que, al generarse un "deslizamiento" o diferencia de velocidad respecto al estator, el campo magnético de este induce una corriente eléctrica en ellas, generando un nuevo campo magnético en el rotor. El par que se genera es proporcional al deslizamiento lo que hace más complicado controlar su velocidad de rotación porque no se comanda mediante la velocidad de rotación del estator como en el síncrono sino a través del deslizamiento. También son menos eficientes porque la corriente que se genera en las espiras del rotor exige a cambio una pérdida de eficiencia. A cambio, el motor es muy potente y duradero ya que el rotor es muy robusto porque no necesita alimentación externa ni partes móviles. También es más barato por la ausencia de imanes permanentes, muy costosos.
Motor eléctrico de inducción de Tesla.
En sus nuevos motores eléctricos de quinta generación, BMW tiene la intención de abandonar los motores de imanes permanentes. Después de años de desarrollo, el fabricante alemán ha logrado un sistema muy compacto que a la vez es capaz de generar hasta 250 kW de potencia (335 CV). Además, gracias a la excitación externa, ofrece un mayor control de par, maximizando la potencia y la eficiencia.
Alemania y los nuevos motores eléctricos menos dependientes de las tierras raras
China, produce y utiliza el 90% de la producción mundial de tierras raras. En 2013 suspendió las exportaciones, causando una crisis en el mercado. Esta situación reveló la dependencia de los mercados europeos de la industria china, por lo que los grandes consorcios de automóviles alemanes se apresuraron a encontrar una alternativa viable.
Esta situación dio pie a que, desde 2013, el Instituto Fraunhofer, una organización de investigación alemana, haya venido evaluando la disponibilidad de tierras raras incluso antes de la llegada de la electrificación masiva del automóvil, con el objetivo de encontrar una solución para un uso más eficiente de estos materiales. Sus resultados y conclusiones, presentados recientemente, incluyen una serie de procesos de producción optimizados, pautas para el reciclaje y el uso de nuevos materiales que reemplazan las tierras raras. La demanda actual de estos materiales, especialmente del disprosio y del neodimio, puede reducirse a la quinta parte aplicando las soluciones descritas en las conclusiones de su estudio.
Para la investigación, se utilizaron dos motores eléctricos sin estimulación externa, es decir, de imanes permanentes, formados por disprosio y neodimio. Este tipo de motor eléctrico es el más utilizado hoy en día por la industria en los vehículos eléctricos, ya que da lugar a motores muy compactos y fáciles de fabricar.
Según el profesor Ralf B. Wehrspohn, responsable del proyecto, el objetivo inicial era reducir la necesidad del uso de tierras raras a la mitad en los dos motores del estudio. Al combinar diferentes enfoques técnicos, pudieron cumplir con este objetivo e incluso superar sus expectativas. La sistemática utilizada incluyó simulaciones computacionales cuánticas, empleando diferentes tipos de materiales magnéticos con los que se han preparado varios prototipos de imanes en su forma casi definitiva para su uso en motores eléctricos. A la vez, se estudió su reciclaje después de la fase de uso. El siguiente paso es buscar la colaboración de la industria para llevar estos resultados al mercado.
Toyota, de los híbridos a los eléctricos
En 1997, Toyota lanzó la primera generación del Prius dotado de un sistema de propulsión híbrido que utilizaba imanes de tierras raras en sus motores eléctricos. Materiales como el neodimio hicieron posibles grandes avances, convirtiendo al fabricante japonés en el líder de la tecnología de los motores híbridos.
Toyota tiene grandes planes en el sector eléctrico, y no se pueden arriesgar a depender de metales cuya producción masiva no esté garantizada. Por eso está desarrollando motores eléctricos que incluyen hasta un 50% menos de metales de tierras raras, en medio de la preocupación por una escasez de suministro a medida que los fabricantes de automóviles compiten por expandir sus líneas de vehículos eléctricos.
Toyota reducirá el neodimio utilizado en sus nuevos motores eléctricos..
La firma japonesa ha creado un nuevo tipo de imán para los motores que permite reducir a la mitad el uso de neodimio y a la vez elimina otros elementos llamados terbio y disprosio. Toyota empleará en su lugar lantano y cerio, que cuestan 20 veces menos que el neodimio. La automotriz ya tiene acuerdos con sus proveedores para que fabriquen los imanes.
Toyota prevé que la demanda de neodimio excederá la oferta a partir de 2025, momento en el que la compañía pretende ofrecer una versión electrificada de cada vehículo de su línea. Para el año 2030, la automotriz nipona pretende vender 5,5 millones de vehículos electrificados, incluyendo híbridos enchufables, eléctricos y de pila de combustible. Los motores que utilizan este tipo de imanes son comunes en cualquier tipo de tren motriz electrificado, dijo la compañía.
