Pierwiastki ziem rzadkich a rynek napędów

W automatyce największe znaczenie mają dwa metale ziem rzadkich. Są to neodym i dysproz, które dzięki swoim właściwościom magnetycznym, stanowią niezbędne składniki wszelkich silnych stałych magnesów, choćby takich, jak stosowane w synchronicznych silnikach elektrycznych.

W ciągu ostatnich 20 lat, liderem wydobycia tych minerałów stały się Chiny, na których terenie znajduje się szacunkowo 35% wszystkich zasobów pierwiastków ziem rzadkich. Duża dostępność tych materiałów oraz ich niskie ceny sprawiły, że w latach 90 niezwykle silnie spopularyzowały się napędy synchroniczne, zastępując w wielu aplikacjach przemysłowych inne rodzaje silników. Jednakże, gdy w 2010 roku Chiny znacząco ograniczyły wydobycie, ceny napędów elektrycznych silnie wzrosły, po czym nagle spadły.

Ograniczenie wydobycia

Tego typu problemy będą się jeszcze powtarzać, a ich wpływ na sytuację firm korzystających z elektrycznych silników synchronicznych jest bardzo niekorzystny. Gdy pod koniec 2010 roku zaczęto w Chinach wprowadzać dodatkowe przepisy regulujące zasady wydobycia pierwiastków ziem rzadkich, koszty produkcji wzrosły. Przemysłowe standardy zarządzania, normy emisji zanieczyszczeń oraz systemy opłat podatkowych związanych z zasobami metali ziem rzadkich obniżyły opłacalność produkcji. Co więcej, zachęciły do podejmowania nielegalnego wydobycia i przemytu, czego skutki da się już zaobserwować.

W samych latach 2011 i 2012 zamknięto w Chinach aż 14 nielegalnych kopalni tych surowców. Jednocześnie szacuje się, że w 2012 łączne nielegalne wydobycie tych minerałów wyniosło 40 tysięcy ton, a łączny nielegalny obrót nimi – nawet 40 tysięcy ton. To bardzo dużo, gdyż łączne wydobycie pierwiastków ziem rzadkich poza Chinami wynosi niecałe 70 tysięcy ton rocznie. Istniejące od pewnego czasu kopalnie w Stanach Zjednoczonych Ameryki, w Australii i w Rosji produkują około 25 tysięcy ton tych surowców rocznie, a nowe, niedawno otwarte placówki w Indiach, Kanadzie, Republice Południowej Afryki i Wietnamie dopiero rozwijają swoją produkcję. Ograniczeniem jest też rozkład minerałów w poszczególnych kopalniach. Ponownie otwarta w 2010 roku kopalnia firmy MolyCorp w Kalifornii rozpoczęła od wydobycia na poziomie 7000 ton neodymu i zwiększa produkcję do poziomu niemal 20 tysięcy ton rocznie, ale praktycznie nie jest w stanie dostarczać dysprozu. W podobnej sytuacji jest zakład Mt. Weld w Australii, który produkuje już około 10 tysięcy ton neodymu, ale nie dysprozu. Pomimo zwiększenia wydobycia na całym świecie, Chiny nadaj pozostają niekwestionowanym liderem w pierwiastkach ziem rzadkich. W 2011 roku 95% światowego rynku tych surowców należało właśnie do Chin, co wynika przede wszystkim z dobrze rozwiniętej technologii wydobycia oraz wieloletnich doświadczeń i odpowiednich uregulowań prawnych.

Pierwiastki w przemyśle

Tymczasem zapotrzebowanie na pierwiastki ziem rzadkich będzie niewątpliwie rosło. Co więcej, wynika ono nie tylko z popytu na napędy z magnesami stałymi, stosowane w przemyśle, ale też z powodu rosnącej popularności samochodów hybrydowych. Przykładowo, w każdej Toyocie Prius znajduje się około kilograma neodymu, który jest materiałem stosowanym do produkcji silników tych pojazdów. Sprzedaż tych samochodów wynosi już kilkaset tysięcy rocznie, w efekcie czego, w samych latach 2011 i 2012 pochłonęły one 34 tony neodymu i 3,4 tony dysprozu.

Problem dostępności i cen metali ziem rzadkich zmusza twórców napędów elektrycznych i firmy je wykorzystujące do zmiany taktyki. W przemyśle już w latach 90. minionego wieku przyzwyczajono się, do dużej dostępności tanich silników synchronicznych, opartych o magnesy stałe. Były one nie tylko tańsze, ale też oferowały o kilkadziesiąt procent większy moment obrotowy, przy zachowaniu mniejszych rozmiarów, niż silniki indukcyjne. Klienci zaczęli korzystać z bogatej oferty, przyzwyczajając się do dobierania silników „na zapas”, których parametry przekraczały realne wymagania. Pozwoliło to swobodnie rozwijać rynek i technologię przede wszystkim urządzeń do obróbki mechanicznej metalu.

Wszystko wskazuje, że konieczne są jednak zmiany. Wzrost cen i problemy z dostępnością neodymu, a przede wszystkim dysprozu wymusi bardziej precyzyjne dobieranie mocy i momentu obrotowego silników elektrycznych do faktycznych potrzeb. Co więcej, na rynku powinno pojawić się więcej napędów zbudowanych z użyciem mniejszej ilości pierwiastków ziem rzadkich. Szacunki związane z najnowszymi technologiami produkcji tych urządzeń wskazują, że powinno być możliwe zastąpienie około połowy masy omawianych metali miedzią, przy zachowaniu bardzo zbliżonych parametrów, a jednocześnie prowadząc do zmniejszenia ceny końcowej napędu.