7ος χρόνος, ημέρα 2149η
Κυριακή, 19 Σεπτεμβρίου 2021

Ανακύκλωση ηλεκτροκινητήρων για μείωση του κόστους ηλεκτρικών αυτοκινήτων

Ανακύκλωση ηλεκτροκινητήρων για μείωση του κόστους ηλεκτρικών αυτοκινήτων

Παρόλο που οι μπαταρίες κατέχουν την πρωτοκαθεδρία ως παράγοντας που επηρεάζει το κόστος των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, οι ηλεκτροκινητήρες έχουν και αυτοί το δικό τους μερίδιο ευθύνης στη διαμόρφωση της τελικής τιμής του οχήματος-προϊόντος. Βλέπετε, η κατασκευή τους απαιτεί τη χρήση σπανίων γαιών.

Υλικών που, όπως άλλωστε μαρτυρά το όνομά τους, και δεν βρίσκονται σε αφθονία, και κοστίζουν, και η παραγωγή τους δεν είναι ότι πιο «πράσινο» υπάρχει…


Με βάση τα παραπάνω, η Nissan και το Πανεπιστήμιο Waseda στην Ιαπωνία δοκιμάζουν από κοινού μια διαδικασία ανακύκλωσης για ηλεκτροκινητήρες οχημάτων. Η νέα διαδικασία ανακύκλωσης ανακτά, με αποτελεσματικό τρόπο, ενώσεις σπάνιων γαιών υψηλής καθαρότητας από μαγνήτες κινητήρων ηλεκτρικών οχημάτων. Η δοκιμή αποσκοπεί στο να καταστήσει δυνατή την πρακτική εφαρμογή της νέας διαδικασίας, έως τα μέσα της δεκαετίας του 2020.

Οι περισσότεροι κινητήρες στα ηλεκτροκίνητα οχήματα χρησιμοποιούν μαγνήτες οι οποίοι περιέχουν μέταλλα σπάνιων γαιών, όπως το νεοδύμιο και το δυσπροσίδιο. Η μείωση της χρήσης σπάνιων γαιών είναι σημαντική όχι μόνο λόγω των περιβαλλοντικών επιπτώσεων[1] της εξόρυξης και της επεξεργασίας τους (της διύλισής τους), αλλά και επειδή η μεταβαλλόμενη ισορροπία προσφοράς και ζήτησης οδηγεί σε διακυμάνσεις των τιμών, που αποτελούν πρόβλημα τόσο για τους κατασκευαστές όσο και για τους καταναλωτές.

Για την αποτελεσματικότερη χρήση των περιορισμένης διαθεσιμότητας - και ως εκ τούτου - πολύτιμων πόρων, από το 2010 η Nissan προσπαθεί, από το στάδιο ακόμα της σχεδίασης και εξέλιξης των ηλεκτροκινητήρων, για να μειώσει την ποσότητα[2] των βαρέων στοιχείων σπάνιων γαιών (REEs) στους μαγνήτες τους.

Επιπλέον, η Nissan ανακυκλώνει REEs αφαιρώντας μαγνήτες από κινητήρες που δεν πληρούν τα πρότυπα παραγωγής και επιστρέφοντάς τους στους προμηθευτές. Επί του παρόντος στην όλη διαδικασία υπεισέρχονται πολλοί παράγοντες, με πολλά βήματα να επηρεάζουν το αποτέλεσμα, συμπεριλαμβανομένης της χειροκίνητης αποσυναρμολόγησης και αφαίρεσης. Επομένως, η ανάπτυξη μιας απλούστερης και πιο οικονομικής διαδικασίας είναι σημαντική για την επίτευξη αυξημένης ανακύκλωσης στο μέλλον.


Η συνεργασία της Nissan με το Πανεπιστήμιο Waseda, το οποίο έχει πλούσιο ιστορικό έρευνας στην ανακύκλωση και τήξη μη σιδηρούχων μετάλλων, ξεκίνηση το 2017. Τον Μάρτιο του 2020, η συνεργασία απέφερε καρπούς, οδηγώντας με επιτυχία σε μια διαδικασία πυρομεταλλουργίας που δεν απαιτεί αποσυναρμολόγηση κινητήρα.

Επισκόπηση διαδικασίας:

Ένα υλικό καρμπυρίσματος και χυτοσιδήρου προστίθενται στον κινητήρα, ο οποίος στη συνέχεια θερμαίνεται στους τουλάχιστον 1.400 βαθμούς Κελσίου και αρχίζει να λιώνει.

Προστίθεται οξείδιο του σιδήρου για να οξειδώσει τα REEs στο λιωμένο μίγμα.

Μια μικρή ποσότητα ροής με βάση το βορικό άλας, η οποία είναι ικανή να διαλύσει οξείδια σπάνιων γαιών ακόμη και σε χαμηλές θερμοκρασίες και να ανακτήσει πολύ αποτελεσματικά τα REEs, προστίθεται στο τηγμένο μείγμα.

Το λιωμένο μίγμα χωρίζεται σε δύο υγρά στρώματα, με το στρώμα λιωμένου οξειδίου (σκωρία) που περιέχει τα REEs να επιπλέει στην κορυφή και το στρώμα κράματος σιδήρου-άνθρακα (Fe-C) υψηλότερης πυκνότητας να βυθίζεται στον πυθμένα.

Στη συνέχεια τα REEs ανακτώνται από τη σκωρία.

Οι δοκιμές έδειξαν ότι αυτή η διαδικασία μπορεί να ανακτήσει το 98% των REEs των κινητήρων. Αυτή η μέθοδος μειώνει επίσης τη διαδικασία ανάκτησης και τον χρόνο εργασίας κατά περίπου 50% σε σύγκριση με την τρέχουσα μέθοδο, επειδή δεν υπάρχει ανάγκη απομαγνητισμού των μαγνητών, ούτε αφαίρεσης και αποσυναρμολόγησής τους.

Προχωρώντας, το Πανεπιστήμιο Waseda και η Nissan θα συνεχίσουν τις δοκιμές μεγάλης κλίμακας με στόχο την ανάπτυξη πρακτικής εφαρμογής και η Nissan θα συλλέγει κινητήρες από ηλεκτροκίνητα οχήματα που ανακυκλώνονται και θα συνεχίσει να αναπτύσσει το σύστημα ανακύκλωσής της.

Ποιες είναι οι σπάνιες γαίες

 

Σπάνιες Γαίες (ΣΓ) καλούνται στη Χημεία τα μέταλλα (χημικά στοιχεία) τα οξείδια των οποίων είναι γαιώδους μορφής και κλήθηκαν έτσι λόγω της εξαιρετικής σπανιότητάς τους. Αυτά τα μέταλλα, με εξαίρεση το ύττριο και το σκάνδιο, λέγονται και λανθανίδες εκ του ονόματος του πρώτου στοιχείου της κατηγορίας αυτών στον Περιοδικό πίνακα. Παρουσιάζουν σχεδόν τις ίδιες φυσικές και χημικές ιδιότητες.

Στην κατηγορία αυτή υπάγονται τα ακόλουθα χημικά στοιχεία που μόνο για λόγους ευκολίας υποδιαιρούνται σε τρεις υποομάδες:

1η Υποομάδα: λανθάνιο, δημήτριο, πρασεοδύμιο, νεοδύμιο, προμήθειο και σαμάριο. Κύριες πηγές των στοιχείων αυτής της υποομάδας είναι τα ορυκτά μοναζίτης, τσερίτης και αλλανίτης.

2η Υποομάδα: ευρώπιο, γαδολίνιο και τέρβιο. Κύριες πηγές των στοιχείων αυτής της υποομάδας είναι τα ορυκτά σαμαρσκίτης και μερικά είδη ξενοτίμου.

3η Υποομάδα: δυσπρόσιο, όλμιο, ύττριο, έρβιο, θούλιο, υτέρβιο και λουτέτσιο. Κύριες πηγές των στοιχείων αυτής της υποομάδας είναι τα ορυκτά γαδολινίτης, ξενότιμο, ευξενίτης και φεργκιουσονίτης.

Εκ των παραπάνω μετάλλων: το λανθάνιο, το δημήτριο και το νεοδύμιο δεν είναι σχετικά τόσο σπάνια σε αντίθεση με το ευρώπιο, το τέρβιο και το θούλιο που είναι εξαιρετικά σπάνια.

Τα ορυκτά, στα οποία απαντώνται οι σπάνιες γαίες ή λανθανίδες εντοπίζονται κυρίως στην Κίνα, την Νορβηγία, τις ΗΠΑ, τη Βραζιλία, την Ινδία και την Αυστραλία. (Πηγή: Wikipedia)

Παρατηρήσεις

[1] Το μεγαλύτερο πρόβλημα που προκύπτει από την εξόρυξη και επεξεργασία των σπάνιων γαιών είναι η ραδιενέργεια, η οποία συνδέεται με την παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων ουρανίου (U) και θορίου (Th) και άλλων ραδιενεργών στοιχείων, των οποίων η περιβαλλοντική διαχείριση έχει ειδικές απαιτήσεις αδειοδότησης (τουλάχιστον στην Β. Αμερική και την ΕΕ) ενώ ταυτόχρονα είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. (πηγή: Wikipedia)

[2] Το Nissan Note e-POWER που κατασκευάστηκε το FY2020 χρησιμοποιεί μαγνήτες με 85% λιγότερα βαρέα REEs, σε σύγκριση με το Nissan LEAF που κατασκευάστηκε το FY2010.