La clase desarrolla la utilización de las tierras raras en los vehículos eléctricos, que son exactamente, cuales son sus aplicaciones, y las implicaciones en la gestión de la flota.
- ¿Qué son las tierras raras?.
- Las tierras raras son un grupo de 17 elementos químicos que aglutina 15 elementos del grupo de los lantánidos, más el escandio y el itrio.
Pese a lo que pueda parecer por su nombre, no son tierras.
- Ordenadas por su número atómico, entre paréntesis el símbolo químico, las tierras raras son:
Escandio (Sc), itrio (Y), lantano (La), cerio (Ce), praseodimio (Pr), prometio (Pm), samario (Sm), europio (Eu), gadolinio (Gd), terbio (Tb), disprosio (Dy), holmio (Ho), erbio (Er), tulio (Tm), iterbio (Yb), y lutecio (Lu).
- Estos elementos son conocidos por sus propiedades magnéticas, ópticas, luminiscentes y electroquímicas.
Que los hacen indispensables para una amplia gama de aplicaciones tecnológicas modernas. Son esenciales para dispositivos electrónicos de consumo, motores eléctricos, baterías, instrumentos ópticos, instrumentos médicos, catalizadores, radares, láseres y en la industria aeronáutica en los motores de avión, entre otras aplicaciones.
- A pesar de su nombre, son relativamente abundantes en la corteza terrestre.
Se calcula que hay el triple de tierras raras que cobre y el doble que zinc. Sin embargo, es difícil encontrarlas de forma pura y su extracción y procesamiento son costosos por lo complicado de separarlas de los minerales que las contienen.
Además, hay que tener en cuenta su dispersión geográfica: sólo unos pocos países cuentan con yacimientos importantes. China controla alrededor del 90% de la producción de tierras raras a nivel mundial.
- Principales tierras raras y sus aplicaciones.
- Las primeras tierras raras se descubrieron a finales del siglo XVIII.
No fue hasta las décadas de 1950 y 1960 cuando comenzaron a utilizarse en mayor medida, primero en la industria militar y después en la electrónica de consumo.
El verdadero boom de las tierras raras llegó ya en el siglo XXI, debido a su importancia en productos de alta tecnología y electrónica de consumo.
No todas las tierras tienen los mismos usos, ni en términos cualitativos ni cuantitativos
- Entre las más utilizadas, podemos destacar el neodimio, el praseodimio, el lantano, el terbio y el disprosio.
A continuación vamos a profundizar con más detalle en cada una de ellas.
- Neodimio: clave para motores eléctricos.
El neodimio es seguramente la tierra rara más importante para los vehículos eléctricos e híbridos, debido a su aplicación en la fabricación de imanes permanentes de altas prestaciones.
Los imanes de los motores eléctricos síncronos de excitación permanente se fabrican con neodimio, además de hierro y boro debido a su gran potencia magnética y su alta resistencia a la desmagnetización.
El neodimio ofrece una de las más altas densidades de energía de todos los materiales magnéticos, lo que permite diseñar motores con más potencia y par, más pequeños y más eficientes. Esto último es fundamental para estirar la autonomía de los vehículos. Solo para los motores eléctricos de tracción, las estimaciones sugieren que la demanda en 2040 será veinte veces superior a la que hubo en 2018.
El neodimio también se emplea en turbinas eólicas, donde su alta eficiencia mejora la producción de energía. Al fin y al cabo, el generador que convierte la energía mecánica del viento en energía eléctrica no deja de ser un motor eléctrico de grandes dimensiones.
Los imanes de neodimio son fundamentales también en discos duros, teléfonos móviles y altavoces y auriculares, proporcionando un mayor rendimiento en un tamaño compacto.
- Terbio
El terbio también es muy importante en el sector del automóvil. Se utiliza para mejorar la resistencia térmica de los imanes permanentes presentes en motores eléctricos, así como en generadores. Para mejorar la resistencia de los motores a las altas temperaturas, se utiliza una aleación de neodimio, terbio y disprosio.
También se utiliza en sensores y actuadores para sistemas de control en vehículos eléctricos, mejorando la eficiencia y el rendimiento de los mismos, y para pantallas de dispositivos electrónicos. Las aplicaciones del terbio no acaban ahí, pues tiene importantes usos y aplicaciones en otros sectores como la defensa y la industria naval, por ejemplo para sistemas de sonar.
- Lantano, presente en baterías de coches híbridos.
El lantano se utiliza en campos tan diversos como la medicina, la metalurgia o la óptica, para lentes de cámaras y telescopios. En la industria del automóvil, el lantano es un componente esencial en las baterías de níquel-hidruro metálico (NiMh), utilizadas en coches híbridos, además de dispositivos electrónicos portátiles y herramientas eléctricas. El electrodo negativo, cátodo en las baterías de níquel-metalhidruro es una mezcla de hidruros metálicos, uno de los cuales es hidruro de lantano.
Las baterías níquel-metalhidruro han sido utilizadas por Toyota durante décadas y han demostrado sobradamente su durabilidad y buenas prestaciones. Un Toyota Prius con batería níquel-metalhidruro utiliza unos 10 kilos de lantano, lo que llevó a este modelo a ganarse el título de mayor consumidor de lantano del planeta.
El lantano también se utiliza para hacer gafas de visión nocturna, vidrio absorbente de infrarrojos, en lentes de cámaras y telescopios. Por su parte, el carbonato de lantano se usa en medicina para reducir los niveles sanguíneos de fosfato en pacientes con enfermedad renal.
- Praseodimio.
El praseodimio se utiliza en la creación de aleaciones de imanes de neodimio-praseodimio, que mejoran la resistencia a la corrosión y el rendimiento a altas temperaturas. Estas aleaciones son muy interesantes para los motores de vehículos eléctricos y turbinas eólicas.
También tiene un uso muy destacado en la industria aeronáutica, concretamente en aleaciones con magnesio para la fabricación de motores de aviones y otros componentes. Al mezclarse con el magnesio, se obtiene un metal de muy alta resistencia.
También se utiliza en el sector de las telecomunicaciones, para la producción de vidrios de alta calidad, láseres, pantallas y lámparas fluorescentes.
- Disprosio.
El disprosio es otro elemento vital para la fabricación de imanes permanentes, particularmente aquellos que deben operar a altas temperaturas, como los utilizados en vehículos eléctricos y turbinas eólicas. Su capacidad para aumentar la resistencia térmica de los imanes lo hace indispensable en estas aplicaciones tecnológicas.
- Implicaciones para el vehículo eléctrico.
- Las tierras raras tienen una importancia fundamental para los vehículos eléctricos.
Aunque hay fabricantes que no utilizan estos elementos en sus motores, los asíncronos no lo necesitan, hay otros muchos que sí.
- Por qué los imanes permanentes son los preferidos.
Existen dos factores principales que influyen en la elección de la tecnología del motor.
- Rendimiento y coste.
Los motores de imanes permanentes ofrecen mayor potencia y densidad de par, alta eficiencia y bajos costes de fabricación. Su principal desventaja es el coste de los materiales. Los imanes representan aproximadamente un tercio del total.
Desde el pico de precios de 2022, los costes de las tierras raras se han estabilizado, volviendo a hacerlos competitivos y reduciendo la urgencia de buscar alternativas.
Actualmente, la mayoría de los proveedores ofrecen tanto motores de imanes permanentes así como el motor síncrono de excitación externa (EESM), dejando la decisión final en manos de los fabricantes.
- La industria del automóvil está explorando alternativas tecnológicas a los motores eléctricos con imanes permanentes, los que dependen de las tierras raras.
La escasez de estos materiales y su elevado precio se están convirtiendo en un problema significativo.
- Las opciones incluyen dos posibilidades.
Adoptar tecnologías más complejas, como los motores de excitación externa que no requieren estos imanes, o continuar con la tecnología actual, pero utilizando combinaciones de materiales magnéticos diferentes y más abundantes en la naturaleza.
La investigación continúa en busca de materiales alternativos que puedan reducir la dependencia de las tierras raras, así como en el desarrollo de técnicas de reciclaje más eficientes para recuperar estos elementos de productos al final de su vida útil.
Entre los desarrollos alternativos sin tierras raras, Renault ha utilizado motores síncronos de excitación externa (EESM) en un modelo como el Zoe. Otros fabricantes, como BMW, también han adoptado esta tecnología. Aunque estos motores reducen los costes en el lado de los materiales, su fabricación suele ser más complicada por los devanados de cobre del rotor y la necesidad de excitarlo exteriormente, por lo que resultan más caros de fabricar.
Otra solución son los imanes sin tierras raras, con diferentes niveles de preparación comercial. Empresas como Proterial afirman que sus imanes de ferrita "ofrecen los niveles más altos del mundo". Niron Magnetics está desarrollando imanes de nitruro de hierro, con versiones futuras que planean igualar el rendimiento del neodimio.
El proyecto europeo PASSENGER está trabajando en aleaciones de ferrita de estroncio y manganeso, aluminio y carbono. Aunque es poco probable que estos materiales reemplacen por completo a los imanes de tierras raras en el corto plazo, su menor coste y estabilidad en el suministro podrían inclinar el mercado en esta dirección.
- China ha dominado la producción mundial de tierras raras refinadas en los últimos años, representando casi el 90% de la producción global.
Sin embargo, en 2021 su cuota de mercado se redujo al 61%. Esta disminución no se debió a una caída en la producción china, sino al aumento en la producción de tierras raras en otros países como Brasil, Vietnam y Rusia, entre otros.
Crea una dependencia significativa de China y plantea riesgos geopolíticos. La seguridad del suministro es una preocupación constante para los fabricantes de vehículos eléctricos y otras industrias tecnológicas.
China ha anunciado una serie de nuevas regulaciones sobre las tierras raras con el objetivo de proteger sus suministros alegando motivos de seguridad nacional.
Estas normas abarcan la minería, la fundición y la comercialización de estos materiales críticos, esenciales para la fabricación de productos de alta tecnología, desde imanes para vehículos eléctricos y generadores eólicos hasta productos electrónicos de consumo.
Las regulaciones chinas sobre tierras raras coinciden con la imposición por parte de la Unión Europea de nuevos aranceles a los vehículos eléctricos chinos.
- La Unión Europea ha establecido objetivos ambiciosos para 2030 en cuanto a la producción interna de minerales cruciales para la transición verde.
Particularmente las tierras raras.
Se prevé que la demanda de la UE aumente seis veces en la década hasta 2030 y hasta siete veces para 2050.
Uno de los objetivos de la Ley de Materias Primas Críticas es que la Unión Europea extraiga al menos el 10% de su demanda anual de tierras raras para 2030.
La empresa minera noruega Rare Earths anunció el descubrimiento del mayor depósito de elementos de tierras raras en Europa. Este depósito, uno de los pocos que no está bajo control chino, podría significar un impulso vital en el esfuerzo europeo por reducir la dependencia china.
- Implicaciones para la gestión de la flota.
- Se recomienda adquirir vehículos eléctricos con la menor cantidad de tierras raras posible por las siguientes razones.
Las tierras raras son difíciles encontrarlas de forma pura y su extracción y procesamiento son costosos por lo complicado de separarlas de los minerales que las contienen, pero la principal razón son todos los impactos en el medio ambiente de las minas y las emisiones contaminantes que se producen en su elaboración y reciclaje.
El objetivo de una flota eléctrica es tener cero o las emisiones más bajas posibles, durante la fabricación, utilización y reciclaje del vehículo.
Para conocer si el vehículo tiene tierras raras hay diferentes opciones, la primera es la información suministrada por el fabricante del vehículo, hay que conocer si el motor, la batería etc. tiene tierras raras.
Otra fuente de información es buscar en Internet sobre el vehículo y su contenido de tierras raras.
- Adquisición del vehículo.
Se puede solicitar al fabricante si es posible que el vehículo tenga un motor eléctrico sin tierras raras, al ser una flota se puede adquirir por grandes lotes para tener más poder de negociación.
En los concursos públicos de las administraciones públicas, un requisito puede ser que el vehículo no tenga tierras raras, o premiar al vehículo con la menor cantidad de tierras raras.
- Riesgo de aumento de precio.
Las tierras raras son escasas y pueden que no haya un abastecimiento para la demanda del mercado, por lo que el precio de los vehículos eléctricos y sus recambios se incrementen.
- Riesgo de desabastecimiento.
Si necesitamos un recambio realizado con una tierra rara como un motor, puede ser que debido al desabastecimiento el periodo de entrega sea muy alto, por lo que no podremos utilizar el vehículo para prestar el servicio.
También se pueden dar tiempos de espera largos desde la adquisición del vehículo hasta la entrega del mismo.
- Gracias por su atención.
En este capítulo se ha desarrollado la utilización de las tierras raras en los vehículos eléctricos, que son exactamente, sus aplicaciones, y las recomendaciones para la gestión de la flota, hasta pronto.
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Escrito por José Miguel Fernández Gómez.
