MAXIMA ha rediseñado los motores eléctricos para que sean circulares en diseño, uso y recuperación al final de su vida útil.
A medida que Europa acelera hacia la electrificación a gran escala del transporte por carretera, las máquinas eléctricas se están convirtiendo en la columna vertebral de la transición a la movilidad limpia. Sin embargo, cada motor de alto rendimiento todavía tiene una alta concentración de metales y materias primas críticas como cobre, aluminio y hierro, que son difíciles de reemplazar si se disipan sin recuperarse.
MAXIMA (Modular Axial Flux Motors for Automotive), un proyecto de Horizon Europe lanzado en 2023, está abordando este desafío combinando herramientas de diseño avanzadas, nuevos materiales y evaluaciones del ciclo de vida para desarrollar motores modulares de flujo axial con menor impacto ambiental y menos dependencia de elementos críticos de tierras raras. El objetivo no es sólo desarrollar mejores motores, sino también demostrar que la reducción del impacto ambiental puede guiar las decisiones a lo largo de la cadena de valor, desde las materias primas hasta la recuperación al final de su vida útil.
Poner el pensamiento del ciclo de vida en el centro del diseño
Dentro de MAXIMA, el Paquete de Trabajo 6 (Gestión del Ciclo de Vida) sirve como columna vertebral transversal que conecta el diseño, el desarrollo de materiales, la fabricación y la integración de sistemas. El objetivo es claro. Cuantificar dónde ocurren los mayores impactos ambientales y riesgos de recursos y reintroducir esa información en el proceso de ingeniería mientras se mantiene la flexibilidad en las opciones de diseño. Para ello, el equipo aplicó la evaluación del ciclo de vida (LCA) a múltiples conceptos y prototipos de motores, cubriendo todo el recorrido desde la extracción de la materia prima hasta la fabricación, el uso y el final de su vida útil.
El trabajo de ACV se organiza en torno a varias tareas. Una línea utiliza el análisis desde la cuna hasta la tumba para evaluar diferentes diseños de máquinas eléctricas y rutas de fabricación, comparando las emisiones de la fase de producción, el consumo de energía de la fase de uso y los escenarios de final de vida. El otro se centra en materiales magnéticos y nuevos procesos de fabricación, como imanes, compuestos magnéticos blandos y rutas de moldeo por inyección de metales para láminas de acero eléctricas avanzadas. Otras tareas considerarán la integración de la unidad en prototipos y demostradores para garantizar que las mejoras de rendimiento observadas en el banco de pruebas se traduzcan en beneficios reales a nivel del vehículo.
Configurar LCA de esta manera permite que WP6 proporcione comentarios específicos. Por ejemplo, si una nueva y prometedora configuración de rotor realmente reduce los efectos del cambio climático dada la masa adicional de aluminio, cobre o imán. O cómo se compara el nuevo proceso de fabricación de imanes con las rutas tradicionales cuando se amplía al nivel industrial.
Diseño de un motor de bajo impacto como componente para lograr la circularidad
Si bien el cambio climático sigue siendo una categoría de impacto importante, el trabajo del ciclo de vida de MAXIMA va más allá al considerar explícitamente el agotamiento y la disipación de los recursos minerales. Los métodos centrados en el desgaste evalúan cómo los sistemas de productos contribuyen a la extracción y la escasez a largo plazo de metales como el cobre y el aluminio, que son fundamentales para los imanes permanentes de alto rendimiento. Las métricas orientadas a la disipación preguntan dónde y cómo se pierde el material al final de su vida en una forma que ya no se puede recuperar. Por ejemplo, cuando los imanes se trituran y se mezclan en una corriente de baja calidad.
Esta lente dual es particularmente relevante para motores eléctricos donde las materias primas críticas pueden almacenarse en circuitos de alto valor o dispersarse más allá de la recuperación práctica. Al cuantificar tanto el desgaste como la disipación, el ACV de MAXIMA puede distinguir entre soluciones que simplemente trasladan cargas de una parte del ciclo de vida a otra y aquellas que realmente mejoran la circularidad. Las comparaciones iniciales de diferentes versiones de máquinas ya han demostrado que las opciones de diseño que aumentan ligeramente el impacto en la fase de producción pueden justificarse si pueden reducir significativamente el consumo de energía durante la fase de uso o aumentar la tasa de reciclaje de materiales clave al final de su vida útil.
Conectando combinaciones de energía, opciones de diseño y circularidad
Otro aspecto importante investigado como parte del trabajo de ACV es el efecto de la combinación de energía en el perfil ambiental del motor. El mismo diseño, cuando se opera en diferentes redes nacionales (por ejemplo, sistemas con uso intensivo de carbón versus sistemas dominados por energías renovables) puede exhibir impactos del cambio climático fundamentalmente diferentes a lo largo de su vida. Un análisis preliminar que compara las combinaciones de energía en países como Suecia, Alemania y Polonia con un escenario futuro de alta energía renovable para Francia en 2050 revela que los sistemas de energía descarbonizados aumentarán la importancia de los materiales y las opciones de producción de bajo impacto, mientras que las combinaciones de energía ricas en combustibles fósiles aumentarán las emisiones incluso cuando se optimice el rendimiento del hardware.
Para MAXIMA, esto significa que la circularidad no puede tratarse únicamente como una cuestión material. Los equipos de diseño también deben considerar dónde y cómo se utilizará el motor, la tasa de descarbonización de la red eléctrica y lo que esto significa para el equilibrio entre el impacto de la etapa de producción y la eficiencia de uso. Estas complejas relaciones se traducen en orientaciones prácticas. Por ejemplo, mostramos cómo las diferentes combinaciones de energía cambian los méritos relativos de cada opción de diseño y resaltamos dónde la optimización de las estrategias de control y la gestión térmica pueden reducir el impacto ambiental general durante la fase de uso.
Diseño de motor hecho para ser reciclado
Un elemento central de la visión circular de MAXIMA reside en su estrategia de final de vida, especialmente para los imanes permanentes. Los imanes de tierras raras son a la vez un riesgo y una oportunidad desde la perspectiva de la economía circular, ya que tienen un alto valor económico y estratégico concentrado en pequeñas cantidades. El proyecto se basa en investigaciones de expertos en reciclaje y está desarrollando un proceso que permite recuperar, purificar y remanufacturar imanes de neodimio, hierro y boro conservando la mayoría de sus propiedades originales incluso después de su uso y contaminación.
El WP6 modela varios escenarios de fin de vida útil aplicando tasas de reciclaje fijas para acero, aluminio y cobre mientras varía la tasa de reciclaje para imanes permanentes del 0% al 100%. Los resultados del ACV para cada escenario cuantifican hasta qué punto los impactos, el agotamiento y la disipación climáticos podrían evitarse si los imanes y metales se recuperaran como un flujo de material secundario en lugar de depositarse en vertederos o reciclarse. El análisis muestra que las altas tasas de reciclaje de imanes permanentes brindan beneficios particularmente significativos en términos de disipación de recursos minerales, destacando la importancia del diseño del motor y los procesos de desmontaje que permiten la extracción de imanes. Estos conocimientos se reflejan en el diseño mecánico y electromagnético de la máquina. La arquitectura modular, la carcasa de fácil acceso y las piezas de material bien definidas favorecen el desmontaje, la clasificación y el reciclaje de alta calidad en el futuro. La circularidad se convierte así en una limitación concreta del diseño. Si un concepto no se puede desmontar o sus materiales críticos no se pueden recuperar a escala, es poco probable que se elija como solución final.
De la metodología al impacto en el mercado
Al final del proyecto, MAXIMA pretende proporcionar no solo un prototipo de motor de flujo axial, sino también una metodología completa de diseño ecológico y gestión del ciclo de vida que pueda aplicarse a futuras máquinas eléctricas. La combinación de herramientas de diseño multifísico, gemelos digitales, evaluaciones del ciclo de vida y estrategias de reciclaje específicas proporciona un marco replicable que los fabricantes de automóviles y proveedores pueden utilizar para equilibrar el rendimiento, el costo y la circularidad.
Para la industria automovilística europea, este enfoque respalda la autonomía estratégica con respecto a las materias primas críticas, reduce las presiones ambientales y fortalece la competitividad en un mercado donde la certificación de sostenibilidad es cada vez más un factor diferenciador. En términos más generales, proporciona un modelo sobre cómo los principios de la economía circular pueden traducirse en reglas de diseño rigurosas y cuantitativas en otros campos que dependen de sistemas electromecánicos complejos.
Tenga en cuenta: Este es un perfil comercial.
Este artículo también será publicado en publicaciones de economía circular.
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