Nowatorskie technologie przyczynią się do zmniejszenia ograniczeń generatorów turbin wiatrowych
Większa ilość zmagazynowanej energii magnetycznej w magnesie sprawia, że znacznie łatwiej jest uzyskać energię elektryczną z turbiny wiatrowej podłączonej do generatora wykorzystującego magnesy trwałe. „Z punktu widzenia wartości dwie trzecie rynku magnesów trwałych stanowią magnesy zawierające pierwiastki ziem rzadkich”, zauważa José Manuel Martín, koordynator finansowanego przez Unię Europejską projektu NEOHIRE. „W ciągu ostatniego dziesięciolecia wiele wysiłków i prac naukowców skupiło się na opracowaniu niezwykle sprawnych i niezawodnych turbin wiatrowych wykorzystujących magnesy trwałe. Celem tych działań było rozwiązanie trzech kluczowych problemów”. Pierwszym z nich jest silna zależność od Chin w zakresie dostaw pierwiastków ziem rzadkich oraz ich wysokie ceny. Drugim jest niezwykle wysoka trudność zastępowania tych pierwiastków alternatywami w magnesach trwałych. Ostatnim jest fakt, że osiągnięcie komercyjnie opłacalnego recyklingu pierwiastków ziem rzadkich na szeroką skalę nadal wiąże się z koniecznością rozwiązania szeregu problemów.
Nowe generatory wykorzystujące magnesy trwałe oferują lepsze osiągi
Zespół projektu NEOHIRE postawił sobie za cel zmniejszenie wykorzystania pierwiastków ziem rzadkich i innych kluczowych surowców – między innymi kobaltu i galu – w magnesach trwałych wykorzystywanych w generatorach instalowanych w turbinach wiatrowych. W związku z tym naukowcy opracowali nową koncepcję wiązanych magnesów neodymowych (NdFeB), które mogą wyprzeć magnesy spiekane, czyli najlepsze dostępne dotychczas rozwiązanie wykorzystywane na potrzeby turbin wiatrowych. W ramach prac powstały również nowe techniki recyklingu kluczowych surowców z istniejących i przyszłych magnesów trwałych. „Zastosowanie takiego rozwiązania pozwoli ograniczyć zapotrzebowanie UE na pierwiastki ziem rzadkich oraz surowce krytyczne wykorzystywane na potrzeby magnesów trwałych instalowanych w turbinach wiatrowych o 30 %”, wyjaśnia Martín. „Takie osiągnięcie jest rezultatem znaczącego zmniejszenia ilości neodymu oraz całkowitej eliminacji dysprozu, kobaltu i galu wykorzystywanych w produkcji magnesów trwałych NEOHIRE na potrzeby wiatraków”. Zespół skupiony wokół projektu NEOHIRE uzyskał proszek anizotropowy z prekursorowego proszku izotropowego zatomizowanego do postaci gazowej. Nowy proszek nie zawiera w swoim składzie ciężkich pierwiastków ziem rzadkich, kobaltu ani galu. W wyniku bezpośredniego recyklingu wycofanych z eksploatacji magnesów spiekanych powstaje proszek anizotropowy, którego właściwości są porównywalne z dostępnymi na rynku proszkami izotropowymi. W celu weryfikacji założeń przyjętych w ramach projektu naukowcy wyprodukowali 5 kilogramów proszku, wykorzystując metodę recyklingu przez uwodornienie, dysproporcjonację, desorpcję i rekombinację, a także prototyp rozwiązania. Ponadto zaproponowali alternatywną konstrukcję generatora turbiny wiatrowej pracującego z dużą prędkością. Wykorzystane w oryginalnej konstrukcji spiekane magnesy N40TH zostały zastąpione wiązanymi magnesami NEOHIRE. Wprowadzenie tej zmiany pozwoliło na zmniejszenie o 30 % ilości magnesów NdFeB w turbinach wiatrowych. Nowy kształt magnesów trwałych oraz konstrukcja elektromagnetyczna generatorów turbin wiatrowych wykorzystujących magnesy neodymowe pozwoliły na zwiększenie ich mocy z 2,74 MW do 3,56 MW na tonę neodymu.
Magnesy wiązane nowej generacji
Członkowie zespołu opracowali również nowatorskie metody recyklingu wiązanych żywicą oraz spiekanych magnesów neodymowych. Ocena cyklu życia rozwiązania wykazała, że wpływ recyklingu i wytwarzania magnesów NEOHIRE na środowisko jest mniejszy niż wpływ obecnie stosowanych magnesów spiekanych. Co więcej, magnesy NEOHIRE można uznać za elementy nieulegające zmęczeniu materiału. „Rozwiązanie NEOHIRE przyczyni się do eliminacji wąskich gardeł w łańcuchu dostaw materiałów”, podsumowuje Martín. „Z kolei to przełoży się na ograniczenie zależności UE od dostawców zewnętrznych w zakresie dostaw kluczowych surowców takich jak neodym, dysproz, kobalt i gal”. Rezultatem będzie zwiększenie konkurencyjności i zrównoważonego rozwoju europejskiego sektora energetyki wiatrowej i powstawanie nowych miejsc pracy. Projekt odciśnie również swój ślad na sektorach wykorzystujących magnesy neodymowe, między innymi produkcję części lotniczych i motoryzacyjnych, sektor urządzeń medycznych oraz recyklingu metali.
Słowa kluczowe
NEOHIRE, magnes, magnes trwały, pierwiastki ziem rzadkich, generator turbiny wiatrowej, turbina wiatrowa, NdFeB, neodym
