Pourquoi les constructeurs automobiles doivent s’éloigner des métaux de terres rares pour les moteurs EV
Les obstacles sociaux, politiques et environnementaux rendent les métaux des terres rares indésirables malgré les avantages techniques.
Le marché automobile s’oriente enfin vers l’électrique, tant attendu, alors que les constructeurs déclinent une variété de modèles pour tous les segments et, de plus en plus, tous les budgets. Cela entraînera un boom correspondant de la production de moteurs électriques pour alimenter ces véhicules électriques, ce qui représente un défi.
La plupart des véhicules électriques utilisent des aimants permanents dans leurs moteurs, car il a été plus facile d’extraire une puissance et une efficacité satisfaisantes de ces moteurs que de ceux utilisant des électro-aimants. Le problème est que la force de ces aimants permanents est renforcée par l’utilisation de métaux des terres rares, tout comme lorsque les premiers écouteurs compacts ont fait leurs débuts en utilisant ce matériau dans leurs haut-parleurs dans les années 1980.
Les principaux éléments préoccupants sont le néodyme et le dysprosium. La différence est que les aimants des moteurs de voiture ont besoin de beaucoup plus de ce matériau que ceux des haut-parleurs des écouteurs. Selon le US Geological Survey, la quantité est en moyenne de 200 grammes de néodyme et de 30 g de dysprosium en moyenne par moteur électrique.
Selon l’Agence internationale de l’énergie, l’augmentation attendue de la production de véhicules électriques devrait faire passer la demande de dysprosium pour les véhicules électriques de 180 à 360 tonnes en 2017 à 6 000 à 13 000 tonnes d’ici 2030. Pendant ce temps, l’AIE prévoit que le néodyme passera de 582 à 1 162. tonnes en 2017 à 20 000 à 40 000 tonnes d’ici 2030.
C’est ici que nous rencontrons les problèmes que de telles augmentations poseront aux constructeurs automobiles. Les minerais qui sont extraits pour récupérer les terres rares contiennent également généralement des éléments radioactifs. Le processus de séparation des terres rares souhaitées du minerai utilise de grandes quantités de substances cancérigènes comme le sulfate, l’ammoniac et l’acide chlorhydrique, de sorte que le traitement d’une tonne de terres rares génère 2 000 tonnes de déchets toxiques, selon IDTechEx Research.
Il existe donc des obstacles environnementaux à l’augmentation brutale de l’exploitation des métaux des terres rares. De plus, il existe des risques géopolitiques qui pourraient simplement mettre ces matériaux hors de portée ou les rendre prohibitifs. C’est parce que la Chine contrôle 90 pour cent de l’approvisionnement mondial. Lorsqu’une dispute diplomatique avec le Japon a motivé la Chine à restreindre les exportations de terres rares en 2011, le prix du néodyme et du dysprosium a augmenté d’environ 750 % et 2 000 % respectivement, souligne IDTechEx Research.
Du dysprosium (et, dans une moindre mesure, du terbium) est ajouté pour augmenter la capacité de l’aimant à maintenir la magnétisation à haute température (c’est ce qu’on appelle la « coercivité »), selon Toyota. La société a annoncé en 2018 qu’elle avait développé le premier aimant au monde résistant à la chaleur et à teneur réduite en néodyme, sans dysprosium ou terbium. La conception réduit la quantité de néodyme utilisée de 50 %, une partie du néodyme étant remplacée par du lanthane et du cérium, qui sont des terres rares à faible coût.
Toyota a découvert qu’il est possible de conserver une coercivité élevée à des températures élevées grâce à la réduction de la taille des grains de l’aimant à un dixième ou moins de celles trouvées dans les aimants au néodyme conventionnels et à l’élargissement de la zone de joint de grain.
Le simple fait d’échanger du néodyme contre du lanthane et du cérium entraîne une baisse des performances motrices. Les ingénieurs de Toyota ont développé des techniques pour supprimer la détérioration de la coercivité et de la résistance à la chaleur, même lorsque le néodyme est remplacé par du lanthane et du cérium, et ont développé un aimant qui a des niveaux de résistance à la chaleur équivalents à ceux des aimants au néodyme antérieurs.
Réduire les terres rares est l’approche adoptée par General Motors avec sa famille de moteurs électriques Ultium qui sera utilisée dans ses nouveaux véhicules électriques à commencer par le SUV Hummer. Cela permet à l’entreprise de s’en tenir aux moteurs à aimants permanents tout en réduisant la dépendance aux matériaux problématiques, a déclaré Tim Grewe, directeur général de l’entreprise pour la stratégie d’électrification et l’ingénierie cellulaire.
Le moteur à induction de 62 kilowatts de GM est le niveau d’entrée de la famille Ultium et sera utilisé dans les applications à traction intégrale.
« Il s’agit de savoir comment considérer le problème multivariable et le résoudre de différentes manières », a expliqué Grewe. « Si vous regardez le néodyme et les additifs comme les lithiates, le dysprosium, le terbium, nous en utilisons une quantité minimale, juste là où vous en avez besoin. Nous le mettons là où nous en avons besoin pour le plus grand effet. En ce qui concerne les préoccupations concernant l’impact sur le travail et l’environnement de l’exploitation minière, GM fait attention à l’endroit où il obtient ces matériaux, a-t-il déclaré. « Nous avons du matériel sécurisé, durable et d’origine éthique avec des audits », a déclaré Grewe.
Une future option pour les terres rares d’origine éthique est en cours de développement aux laboratoires nationaux de Sandia, où le chercheur Guangping Xu poursuit l’extraction de ces éléments à partir des cendres de charbon, qui sont les résidus toxiques des centrales électriques au charbon.
La méthode de séparation de Xu utilise du dioxyde de carbone, de l’eau et de l’acide citrique plutôt que les produits chimiques agressifs utilisés par les mineurs. « Cette technique récupère non seulement les métaux des terres rares d’une manière inoffensive pour l’environnement, mais améliorerait réellement les environnements en réduisant la toxicité des déchets de charbon qui parsèment l’Amérique », a déclaré Xu.
|
Rebecca Lynne Gustaf
Guangping Xu, chercheur au Sandia National Laboratories, ajoute de la cendre de charbon dans un mélange d’acide citrique. |
Ce traitement a pour effet bonus de détoxifier les cendres de charbon, les transformant de déchets nocifs en un produit qui pourrait être utilisé comme remplisseur de béton ou de terre végétale agricole. « Théoriquement, une entreprise américaine pourrait utiliser cette technique pour extraire du charbon et des sous-produits du charbon pour les métaux des terres rares et concurrencer l’exploitation minière chinoise », a déclaré Xu. De plus, pour des raisons de sécurité nationale des États-Unis, « il est probablement raisonnable d’avoir d’autres sources de métaux des terres rares pour éviter d’être à la merci d’un approvisionnement étranger ».
Alternativement, les constructeurs automobiles pourraient passer des moteurs à aimants permanents aux moteurs qui utilisent des électro-aimants. Tesla utilise des électro-aimants inductifs dans certains de ses moteurs, et Volkswagen, Bentley et BMW se sont tous engagés dans cette voie pour éliminer complètement leur utilisation de terres rares. Alors que des entreprises comme GM soulignent les avantages en termes de couple et d’efficacité des aimants permanents, les chercheurs EV de Drive System Design affirment qu’il n’y a aucune raison pour laquelle les aimants inductifs ne peuvent pas les remplacer.
« Nos recherches nous ont démontré que les machines à induction pourraient être aussi économiquement viables que leurs équivalents (à aimant permanent) dans certaines applications, tout en évitant l’exposition à la volatilité des coûts des terres rares », a déclaré la société dans un rapport. « Il est également possible qu’une combinaison de topologies PM et induction puisse être utilisée à bon escient dans le même véhicule (par exemple dans les applications à 4 roues motrices) en calculant de manière optimale la meilleure stratégie de partage de charge en fonction de l’utilisation du client. » C’est la stratégie que GM et Tesla utilisent pour mélanger les deux types de moteurs dans les modèles à traction intégrale.
Gerhard Baumgartner, responsable du groupe motopropulseur du nouveau SUV crossover électrique iX de BMW, explique qu’une gestion précise du champ électrique du moteur permet aux moteurs inductifs d’être aussi efficaces et puissants que les moteurs à aimants permanents. « C’est plus compliqué, admet-il. « Ce n’est pas un moyen facile de le faire, en contrôlant le champ électrique. » Cependant, le résultat est un moteur efficace à 93%, a déclaré Baumgartner.
L’ensemble moteur électrique intégré pour la BMW iX EV.
Dans notre expérience de conduite avec les iX et i4, qui utilisent tous deux ces nouveaux moteurs sans terres rares, nous avons constaté que les voitures présentaient une excellente réponse au couple et une excellente accélération, il ne semble donc pas y avoir de pénalité de performance pour l’utilisation de cette conception. Et les deux véhicules ont des autonomies de 300 miles, donc l’efficacité est également comparable à celle des derniers modèles à aimants permanents.
Une véritable production de masse de véhicules électriques par tous les fabricants de tous les segments de modèles nécessitera la résolution des problèmes de terres rares, il est donc encourageant de voir des ingénieurs concevoir plusieurs solutions pour surmonter cet obstacle.
