Y aura-t-il assez d’aimants pour satisfaire l’appétit de la mobilité électrique ? L’électrification de l’automobile suscite des interrogations sur l’approvisionnement et le recyclage des matériaux essentiels aux batteries. Mais la question se pose aussi pour les moteurs. Et pour cause : « Les plus gros moteurs dans les véhicules électriques requièrent plus de 1 kilo d’aimants, estime Lauric Garbuio, professeur associé au Laboratoire de génie électrique de Grenoble (G2Elab). D’ici à dix ans, le secteur automobile deviendra l’un des plus gros consommateurs d’aimants en Europe. » Or les indispensables aimants des moteurs synchrones sont composés d’un alliage de fer, de bore et… de néodyme.
Ce dernier élément, qui appartient à la fameuse famille des 17 métaux dits « terres rares », figure dans la liste des matières premières critiques établie par la Commission européenne en 2011. « Nous avons un problème de souveraineté », souligne Jean-Luc Brossard, chargé des questions de R & D au sein de la Plateforme automobile (PFA). Près de 90 % des terres rares sont en effet produites par la Chine, qui maîtrise plus des trois quarts de la production mondiale d’aimants. « Nous n’avons aucun contrôle sur l’approvisionnement. D’un jour à l’autre, la Chine pourrait décider de ne plus livrer les aimants, mais seulement les moteurs électriques», poursuit Jean-Luc Brossard.
Deux options de recyclage
L’Union européenne a lancé une alliance pour les matières premières critiques (Erma) en septembre 2020, à l’instar de son initiative dans les batteries. Son ambition ? Construire une filière industrielle des aimants permanents qui se traduit par « la capacité d’extraction, le traitement, le recyclage, le raffinage et la séparation des terres rares ». Priorité est donnée aux vieux moteurs électriques. La mission du tout premier groupe de travail de l’Alliance porte sur le développement de solutions pour valoriser les matériaux critiques de ces machines et compte déjà une centaine d’industriels, d’universités, d’acteurs publics.
La première option de recyclage des aimants, en discussion au sein de l’Alliance, consiste à revenir aux matériaux de base : le fer d’un côté, les terres rares de l’autre. C’est le pari de la start-up française Carester, membre de l’Erma, qui a mis en place une unité de démonstration d’extraction liquide-liquide pour séparer les terres rares du fer. Les aimants sont broyés, puis dissous dans une solution d’acide chlorhydrique ou nitrique. L’autre voie permet de fabriquer des aimants recyclés à partir des rebuts, sans passer par l’étape de séparation des éléments.
MagREEsource, une start-up issue du CNRS également membre de l’Erma, croit en cette « boucle courte », via une technologie d’hydrogénation. « Nous injectons de l’hydrogène dans un réacteur remplit de vieux aimants, afin de les transformer en poudre, explique Érick Petit, le président et cofondateur de MagREEsource. Il y a ensuite des étapes thermiques et mécaniques pour donner les bonnes propriétés magnétiques et la bonne dimension à l’aimant recyclé. » La méthode ne permet toutefois pas d’utiliser ces aimants pour les moteurs des véhicules électriques, les performances étant amoindries de 5 à 10 %, d’après Érick Petit. « Les applications sont variées, comme l’électroménager ou les petits moteurs qui servent à rabattre les rétroviseurs… Et il existe un procédé métallurgique pour retrouver une haute performance. »
Repenser l'architecture
Un premier pilote devrait être installé d’ici à la fin de l’année. Le cofondateur de MagREEsource a l’ambition d’atteindre une production de 500 tonnes d’aimants recyclés en cinq ans. Impact écologique Mais avant de penser au recyclage des aimants, encore faut-il récupérer ces précieux matériaux dans les rotors, auxquels ils sont souvent collés à l’aide de vernis très stables. « Beaucoup d’énergie, des litres d’acide et d’eau sont souvent nécessaires pour les déloger… Est-ce que cela vaut le coup économiquement et écologiquement ? », s’interroge Lauric Garbuio. Un sujet discuté au sein de l’Alliance européenne.
« Pour sortir l’aimant, la conception du moteur va jouer. Des constructeurs français et allemands réfléchissent aux questions d’architecture », précise le cofondateur de MagREEsource. Des scientifiques de l’Institut polytechnique de Worcester (Massachusetts) ont breveté un procédé qui contourne ce problème : l’ensemble du moteur est démagnétisé puis déchiqueté en petits morceaux. Il est alors possible de récupérer les terres rares à partir de ces pièces. Une innovation prometteuse pour les États-Unis qui, comme l’Europe, veulent refonder une filière industrielle des aimants.
Pas de résistance pour la réluctance
Faire mieux avec moins. En attendant l’essor d’une économie circulaire des aimants, les constructeurs s’appuient sur le mécanisme de réluctance pour réduire la quantité d’aimants nécessaires. « Tous ceux qui utilisent une motorisation à aimants s’y mettent », affirme Xavier Rain, coauteur de Technologies des voitures électriques (Dunod, 2021). Un couple réluctant est créé à partir de l’attraction des pièces ferromagnétiques du rotor par le champ du stator. Toute l’astuce réside dans l’architecture du rotor, dit « saillant ». « Des encoches sont découpées dans ses tôles, ce sont des barrières de flux », décrit le spécialiste. Le flux magnétique passe facilement le long des encoches, alors qu’il circule difficilement à travers les barrières de flux. « Si le champ du stator est décalé par rapport à l’axe de faible réluctance du rotor (le long des barrières), il va chercher à s’aligner sur ce champ, afin de maximiser le flux, ce qui crée un couple. »
Fonctionnement du moteur à réluctance. Quand le rotor et le champ magnétique tournant sont alignés, il n’y a pas de couple (A). Quand ils ne sont pas alignés : un couple est créé. Ici, le rotor se déplace dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (B).
Dans les moteurs synchrones à réluctance variable, l’intégralité du couple est de nature réluctante. « Ces machines sont préférables aux asynchrones pour certaines applications industrielles (pompage, ventilation), car elles sont plus compactes et bénéficient d’un meilleur rendement », explique Xavier Rain. En revanche, ces moteurs sont peu adaptés aux véhicules à batteries, leur plage de vitesse à puissance constante étant trop limitée. « En outre, l’onduleur doit avoir un calibre plus important, car leur facteur de puissance n’est pas aussi élevé que les synchrones excités. »
Toyota, BMW ou Tesla exploitent, à des degrés variables, le principe de réluctance sur certains véhicules. « Sur la Tesla Model 3, 70 à 80 % du couple seraient générés par l’interaction des champs, contre seulement 20 à 30 % par la réluctance. C’est le ratio inverse pour le modèle i3 de BMW. » Le constructeur allemand a néanmoins choisi une solution plus drastique. Lancée en mars, son SUV iX3 ne requiert plus d’aimant, misant sur le synchrone à rotor bobiné, comme Renault. En termes de réduction de la quantité d’aimants, on ne fait pas mieux !
