Mathieu
LE DILEMME EST SIMPLE
Les efforts mondiaux pour lutter contre le changement climatique reposent sur un pivotement radical loin des combustibles fossiles. Cela exigera d’électrifier les transports, en passant principalement des véhicules à moteur à combustion à des véhicules à moteur électrique. Cette transition massive signifiera inévitablement une utilisation accrue de moteurs de traction électriques, la plupart d’entre eux reposant sur des aimants contenant des terres rares, qui causent une dégradation environnementale substantielle lors de leur extraction et de leur traitement en formes industriellement utilisables. Et pour les constructeurs automobiles en dehors de la Chine, il y a un autre obstacle : environ 90 pour cent des terres rares transformées proviennent actuellement de Chine, donc pour ces entreprises, une dépendance accrue aux terres rares signifie une vulnérabilité croissante dans les chaînes d’approvisionnement critiques.
DES EFFORTS MASSIFS EN COURS
Au milieu de tout cela, d’énormes efforts sont déployés pour concevoir et tester des moteurs de véhicules électriques (VE) avancés qui n’utilisent pas de terres rares (ou en utilisent relativement peu). Des agences gouvernementales, des entreprises et des universités travaillent sur ce défi, souvent dans des efforts collaboratifs, dans pratiquement tous les pays industrialisés. Aux États-Unis, ces initiatives comprennent des efforts de longue date dans les laboratoires nationaux du pays pour développer des aimants permanents et des conceptions de moteurs qui n’utilisent pas de terres rares. De plus, dans une collaboration annoncée en novembre dernier, General Motors et Stellantis travaillent avec une start-up, Niron Magnetics, pour développer des moteurs de VE basés sur l’aimant permanent exempt de terres rares de Niron. Un autre constructeur automobile, Tesla, a surpris les observateurs en mars de l’année dernière lorsqu’un haut responsable a déclaré que « l’unité de propulsion suivante » de l’entreprise, qui serait basée sur un aimant permanent, n’utiliserait aucun « élément de terres rares du tout ». En Europe, un consortium appelé Passenger regroupe 20 partenaires de l’industrie et du monde universitaire travaillant sur des aimants permanents exempts de terres rares pour les VE.
UN TRAVAIL DE LONGUE DATE
Nous travaillons depuis près d’une décennie sur les aspects magnétiques et autres de la conception de moteurs de traction au Oak Ridge National Laboratory (ORNL), dans le Tennessee, un pôle de recherche américain sur les moteurs avancés pour les VE. Avec des collègues du National Renewable Energy Laboratory, de l’Ames Laboratory et de l’Université du Wisconsin, à Madison, nous étudions des concepts de moteurs avancés dans le cadre du Consortium des technologies U.S. Drive du Département de l’Énergie des États-Unis. Le groupe comprend également les Sandia National Laboratories, l’Université Purdue et l’Illinois Institute of Technology.
INNOVATIONS ET DÉFIS
En fin de compte, remplacer les aimants à base de terres rares par des aimants sans terres rares a un coût : une performance du moteur moins performante. Cependant, des innovations en matière de conception, de fabrication et de matériaux pourront compenser – voire complètement – cette lacune de performance. Déjà, quelques rapports font état de résultats alléchants avec de nouveaux moteurs innovants dont la performance est dite être à la hauteur des meilleurs moteurs synchrones à aimants permanents.
POURQUOI LES TERRES RARES RENDENT LES MOTEURS ÉLECTRIQUES LES PLUS PUISSANTS
Les terres rares ont des propriétés uniques qui les rendent indispensables à de nombreuses formes de technologie moderne. Certains de ces éléments, tels que le néodyme, le samarium, le dysprosium et le terbium, peuvent être combinés avec des éléments ferromagnétiques tels que le fer et le cobalt pour produire des cristaux non seulement hautement magnétiques mais également fortement résistants à la démagnétisation. Le nombre typiquement utilisé pour mesurer ces qualités importantes d’un aimant est appelé le produit énergétique maximal, mesuré en méga-oersteds de gauss (MGOe). Les aimants permanents en néodyme-fer-bore, les plus forts et les plus commercialement réussis jamais inventés, ont des produits énergétiques dans la plage de 30 à 55 MGOe.
LA CONCEPTION DES MOTEURS DE L’AVENIR
Il existe deux types de moteurs électriques de base : synchrones et asynchrones. La plupart des véhicules électriques modernes utilisent un type de moteur synchrone qui a un rotor équipé d’aimants permanents. Les moteurs asynchrones n’utilisent que des électroaimants et sont donc naturellement exempts de terres rares. Cependant, ils ne sont pas utilisés aujourd’hui dans la plupart des modèles de VE car leur performance n’est généralement pas à la hauteur des moteurs synchrones à aimants permanents, bien que plusieurs projets de R&D aux États-Unis, en Europe et en Asie tentent d’améliorer les moteurs asynchrones.
S’ADAPTER AU CHANGEMENT VERS DES MOTEURS SANS TERRES RARES
La transition vers des moteurs sans terres rares pour les VE est une entreprise d’ingénierie majeure et cruciale. Elle sera difficile, mais la recherche commence à donner des résultats intrigants et encourageants. Bientôt, il y aura plusieurs conceptions disponibles – avec, malheureusement, une gamme complexe de compromis. Le poids du moteur, la densité de puissance, le coût, la facilité de fabrication et les dynamiques de performance globale seront tous des considérations importantes. Et le succès sur le marché dépendra sans aucun doute d’un ensemble tout aussi complexe de facteurs économiques, il est donc très difficile de prédire quelles conceptions domineront.
UNE TRANSITION VERS DES MOTEURS PLUS ÉCOLOGIQUES
Aujourd’hui, l’utilisation à grande échelle des aimants en terres rares est marquée par des arguments opposant les avantages technologiques aux considérations environnementales et éthiques. Bientôt, ces arguments pourraient devenir beaucoup moins pertinents. Nous n’en sommes pas encore là. Comme pour toute transition technologique majeure, le chemin vers des moteurs sans terres rares ne sera ni court ni rectiligne. Mais ce sera un voyage qui en vaudra la peine.
