Elmaskiner för fordon i en cirkulär ekonomi. Design för miljö- och resurseffektivitet och krav på End-of-Life system.

Report, 2020

Elektrifieringen av fordon drivs av nödvändigheten att drastiskt minska klimatutsläppen. Samtidigt behövs mer energi- och materialresurser för att bygga elektriska drivlinor, främst för batterier, men också för också andra komponenter i den elektriska drivlinan, som elmotorer. Föreliggande rapport fokuserar på elmotorer för framdrift av vägfordon, så kallade framdriftsmotorer, och hur de kan anpassas till den cirkulära ekonomin.

Material i elmotorerna med väsentlig miljö- och resurspåverkan är aluminium, elektroplåt, koppar samt magnetmaterialen. Deras produktion kräver energi som ger upphov utsläpp av klimatpåverkande gaser. Kopparproduktion leder också till utsläpp av toxiska metaller. Koppar och magnetmetaller som kobolt och sällsynta jordartsmetaller (dit neodym och dysprosium hör) är geologiskt knappa. Gruppen sällsynta jordartsmetaller, liksom kobolt, klassas också som kritiska av EU, vilket betyder att de bedöms utgöra en försörjningsrisk samtidigt som de är ekonomiskt viktiga. Alla materialslagen ger väsentliga bidrag till materialkostnaden. Strategier för att minska resursåtgången kan vara att minimera mängden material, att byta material, att renovera och förlänga motorns livslängd, eller att återvinna motorn till högkvalitativa material.

Mer cirkulära materialflöden för elfordon kräver både att fordonen och deras komponenter är utformade för lång livslängd, återanvändning och högkvalitativ återvinning, och att End-of-Life-systemet är anpassat for att effektivt ta hand om uttjänta fordon och deras komponenter och material. Projektet har därför syftat till:

-        Rekommendationer för design av elektriska framdriftsmotor som uppfyller krav på hög verkningsgrad och annan önskvärd teknisk prestanda, och samtidigt är lämpade för en mer cirkulär ekonomi.

-        Rekommendationer för utvecklingen av ett End-of-Life-system för fordon som kan nyttiggöra fordonskomponenter designade för en mer cirkulär ekonomi.

Nulägesanalyser användes för att välja ett antal motoralternativ att studera, liksom olika alternativ för att hantera dem vid End-of-Life. Kravspecifikationer för studerade motorer upprättades baserat på fordonskrav för en personbil och för en buss. De mest krävande materialen identifierades, utifrån miljöpåverkan, resurstillgång på lång och kort sikt, samt kostnader. Valda motoralternativ varierade med avseende på magnetmaterial, lindningsmaterial och lindningskonfiguration. I några alternativ användes en kärna av pressat järnpulver istället för elektroplåt. Magnetflödets riktning varierade mellan de undersökta motorerna.

Demonteringsstudier av använda motorer gav, tillsammans med en kartläggning av dagens End-of-Life-hantering, en beskrivning av hur uttjänta motorer hanteras idag, och utgjorde ett underlag för att ta fram ett scenario för en framtida mer cirkulär hantering med långtgående materialseparation.

De utvalda motoralternativen utvärderades med hjälp av elektromagnetiska beräkningar och körscykelberäkningar som användes för att beräkna energianvändningen under drift. Denna användes i livscykelanalyser, tillsammans med data om motorernas sammansättning och produktion, för att utvärdera deras miljö- och resurspåverkan. Effekten av varierande End-of- Life-hantering undersöktes i detalj.

Tre möjliga strategier för End-of-Life-systemets utveckling mot resurseffektivitet identifierades: att renovera och öka livslängden hos motorer och deras komponenter; att förbättra materialåtervinningen i dagens system med fragmentering; samt en långt driven separation av material ur motorer som demonterats ur fordonen, för materialåtervinning.

Effektiviteten i användning av material och komponenter kan ökas genom renovering och återanvändning. Begränsad renoveringsverksamhet finns idag, främst för tunga fordon, men skulle kunna utökas och också omfatta lätta fordon. Delar som kan bytas ut är kullager, motoraxel och möjligen även hela rotorpaket. Rotorpaket ur kasserade motorer skulle kunna utnyttjas som reservdelar. Hela motorer ur kasserade fordon kan också återanvändas som reservdelar. Däremot är möjligheterna att återanvända magneter mycket begränsade, eftersom deras form är låst till den ursprungliga designen.

I befintlig fragmenteringsverksamhet utvecklas kontinuerligt processerna för att sortera material i olika fraktioner. En utmaning för elmaskiner är de hoptrasslade nystan av koppartråd och elektroplåt som uppstår i fragmenteringen, så kallade ”köttbullar”. Separeringen av materialen i dessa skulle kunna drivas längre. Magnetmaterialen hamnar till största delen i en lättfraktion, varifrån de inte återvinns (som magnetmaterial). Inga processlösningar för återvinning av magnetmaterial ur fragmenterat skrot har identifierats.

Materialåtervinningen ur framdriftsmotorer kan ökas genom att demontera motorerna ur uttjänta fordon och därefter använda semiautomatiserad separering vilket ger relativt rena materialfraktioner. Det finns utrustning på marknaden för att separera koppar, stål och aluminium från uttjänta elmotorer, En långt driven semiautomatiserad separering av dessa material förbättrar återvinningen jämfört med fragmentering, men endast i begränsad omfattning. Semiautomatiserad separering av motormaterialen är dock den enda identifierade tekniken som gör det möjligt att återvinna magnetmaterial med såpass kvalitet att de kan användas för nytillverkning av magneter. Det finns ingen kommersiell utrustning för att separera ut magneter ur elmotorer inför återvinning idag, men det har gjorts experimentellt, och det finns processlösningar på prototypstadiet.

Renovering av framdriftsmotorer kräver att de enkelt kan demonteras ur fordonet och att motorn sedan utan svårigheter kan demonteras till en nivå där delar kan bytas ut. Fixerings- och impregneringsmedel bör därför användas på ett genomtänkt sätt och antalet varianter av skruvar och andra fästanordningar minimeras.

Motorns design är avgörande för både dess klimatpåverkan och resursanvändning. Klimatpåverkan orsakas av energianvändningen under drift, som avgörs av verkningsgraden över körcykeln och motorns vikt. Designval med betydelse är valet av lindningsmaterial och lindningskonfiguration. Koppar ger högre energieffektivitet än aluminium, liksom designer med hög andel koppar i det aktiva tvärsnittet, som hårnålslindning eller koncentrerad lindning.

De svaga magneter av strontium-ferrit som undersöktes gav låg energianvändning över körcykeln. Strontium-ferritmagneter är dock inte stabila vid temperaturer under cirka 20oC, vilket är en teknisk utmaning som måste lösas. En intressant utvecklingsmöjlighet är att eftersträva elmotorer med hög effekttäthet, till exempel genom att de designas med mer koppar i spåren, kombinerat med svaga magneter. Ett färre antal starka magneter är också en möjlighet.

Designer med kärna av pressat järnpulver ger ingen fördel i materialåtervinningen, eftersom dagens fragmenteringsprocesser återvinner koppar, stål och aluminium med tämligen hög effektivitet. Magnetmaterialen återvinns dock inte och inga designåtgärder i elmotor-utvecklingen har identifierats som kan möjliggöra magnetåtervinning i fragmenterings-processen. Däremot, semiautomatiserad demontering av magneter skulle underlättas av en långt driven standardisering av laminatets tvärsnitt, liksom av att magneterna inte limmas fast.