تقنية بطاريات الألمنيوم-الهواء: تشغيل السيارات الكهربائية بالألمنيوم المستعمل

التفكير الجانبي لحل قيود السيارات الكهربائية

EVs have taken the car market by storm, with countries like China and Norway already boasting strong market penetration. At the same time, EV adoption has continued to lag in many countries due to a few key limitations:

• نطاق منخفض للطرازات الأرخص من السيارات الكهربائية.
• سرعة شحن بطيئة، والتي عند دمجها مع الشحن المتكرر بسبب النطاق المنخفض يمكن أن تجعل السفر لمسافات طويلة صعبًا.
• القلق بشأن قدرة شبكات الطاقة على التعامل مع إضافة ملايين السيارات الكهربائية الجديدة.

The first 2 problems, range and charging speed, are something the industry is trying to solve with new battery chemistries, as well as a quicker and more dense network of charging stations. But this is still a tough nut to crack. We detailed all the potential avenues for new batteries in our article “مستقبل تخزين الطاقة – تقنية بطاريات على نطاق المرافق”.

The grid issues are compounded by the intermittency of renewable power generation. A surge of EVs charging in the evening when people are back home from work and commuting is not welcome when solar power is already out of the picture.

لكن مفهومًا جديدًا قد يحل جميع هذه المشكلات مرة واحدة. ماذا لو بدلاً من الاختيار بين محرك الاحتراق الداخلي (ICE) والوقود الأحفوري السائل أو السيارات الكهربائية والبطاريات، استطعنا “إعادة تعبئة” السيارات الكهربائية بوقود قابل لإعادة التدوير بالكامل؟

الإمكانات الطاقية للألمنيوم

Aluminum is a very common element on Earth.  In fact, it is actually the most common metal on Earth, ahead of iron, and makes up 8% of the Earth’s crust. It is also a metal that requires a lot of electricity for its production, from raw bauxite ore to alumina and then aluminum metal.  This has resulted in Aluminum sometimes even being referred to as “frozen electricity”.

Under its ordinary and placid appearance, aluminum can be a very reactive metal in the right circumstances and has been used in fireworks; aluminum powder was even powering the solid rocket boosters of the space shuttle. In fact, الألمنيوم أكثر كثافة طاقة 2.5 مرة من الديزل أو البنزين.  Enter Aluminum-Air batteries.

بطاريات الألمنيوم-الهواء تخزن وتولد الكهرباء من خلال أكسدة واختزال الألمنيوم. تجعل معدن الألمنيوم يتفاعل مع الهواء وتوفر واحدة من أعلى كثافات الطاقة بين جميع تقنيات البطاريات المتاحة حاليًا. يمكن أن تكون أخف ثمان مرات وأصغر أربع مرات من بطاريات الليثيوم أيون.

Aluminum-Air batteries are not to be confused with بطاريات الألمنيوم-أيون, which are similar to Lithium-ion, just using a different metal.

المصدر: Energy Post

مزايا بطاريات الألمنيوم-الهواء

نظرًا لأن القطب الموجب هو مجرد أكسجين من الهواء المحيط، لا حاجة إلى قطب معدني، مما يجعل البطارية أخف بكثير من منافسيها.

ميزة أخرى هي أنه في الأساس “محرك كهربائي” يستهلك الألمنيوم بدلاً من النفط ولا يفقد الجهد عند التفريغ كما تفعل أنظمة البطاريات.

القيود هي أن هذا يستهلك الألمنيوم ولا يمكن شحنه بمجرد توصيل البطارية. لذا، هو أكثر تشابهًا في مبادئه مع بطارية AA العادية منه مع بطارية الليثيوم أيون. وبالتالي، يتطلب نظامًا لتبديل البطارية، يستغرق حوالي 90 ثانية، بدلاً من تعبئة الوقود السائل أو شحن كهربائي يستغرق 10-15 دقيقة.

يمكن أيضًا أن يكون البديل هو استخدام مزيج من بطاريات الألمنيوم-الهواء + بطاريات قابلة لإعادة الشحن، مما يسمح باستخدام مرن للشحن المباشر أو الدفع بالألمنيوم حسب الحاجة، مشابهًا للسيارة الهجينة، ولكن دون أي وقود أحفوري.

إيجابيات البنية التحتية

عنصر قوي لصالح بطاريات الألمنيوم-الهواء هو وجود صناعة معادلة للألمنيوم مُنشأة بالفعل، فعّالة، وموسعة—وهو ما يزال مفقودًا بشدة في بطاريات الليثيوم أيون.

كما يعني ذلك أنه من أجل الحصول على المادة الأساسية، يمكن لصناعة بطاريات الألمنيوم-الهواء الحصول على موادها من الألمنيوم المستعمل المستخرج من المباني القديمة أو الآلات أو الطائرات وتوليد الطاقة في الوقت نفسه. بشكل عام، لا يتطلب النظام موارد حرجة/ملوثة/مكلفة مثل الليثيوم أو النيكل أو الكوبالت أو معادن الأرض النادرة.

كما ذكر أعلاه، يعني تبديل البطارية أيضًا عدم وجود ضغط على شبكة الطاقة لإجراء الشحن فورًا عندما تتوجه السيارات الكهربائية إلى محطة الشحن/الوقود. بدلاً من ذلك، يمكن تجديد الألمنيوم وإعادة شحن البطاريات باستخدام الطاقة المتجددة عندما يتم إنتاجها بفائض.

أخيرًا، ليس فقط يمكن تجديد معدن الألمنيوم باستخدام الطاقة الخضراء عندما يكون ذلك مناسبًا، بل يمكن أيضًا تخزينه بسهولة دون تكلفة كبيرة، لأنه معدن صلب ثابت وغير سام ولا يتأكسد كثيرًا. لذا، يمكن تخزين الطاقة عبر مخزون الألمنيوم لفترات طويلة، بتكلفة تخزين أقل بكثير مقارنة بالبطاريات أو الأمونيا أو الهيدروجين.

كما أن نقل الألمنيوم بالجملة لا يتطلب بنية تحتية خاصة كما هو الحال مع الهيدروجين، ويمكن القيام به بواسطة شاحنات أو قطارات عادية.

تكلفة الألمنيوم – المصدر: RiAlAiR

سلبيات بطاريات الألمنيوم-الهواء

إحدى قيود بطاريات الألمنيوم-الهواء هي الحاجة إلى شبكة كثيفة من محطات تبديل البطاريات. بسبب مشكلة عدم توحيد معايير السيارات الكهربائية وتكاليف بناء شبكة كافية، غالبًا ما كانت فكرة تبديل البطاريات فاشلة. وهذا يصبح أقل احتمالًا للنجاح بالنسبة للمفاهيم التقليدية للبطاريات، حيث تتجه صناعة السيارات الكهربائية نحو “البطاريات الهيكلية” التي تُدمج في هيكل المركبة.

بعض الشركات (انظر أدناه) تعمل على جعل تبديل البطاريات لبطاريات الألمنيوم-الهواء ممكنًا يدويًا، مما يقلل بشكل كبير من التعقيد التكنولوجي والحاجة إلى محطة تبديل بطاريات مكلفة، مع آليات توصيل أبسط، مثل زجاجات البروبان، تكفي للقيام بالمهمة. على أي حال، سيتعين إنشاء بنية تحتية لجمع وإعادة بناء/إعادة شحن البطاريات المستهلكة.

بشكل عام، المفهوم ليس جديدًا وقد تم تصوره لأول مرة في الستينات. في ذلك الوقت، منع سمية الكهرل تقدم هذه التقنية. يمكن أن تكون المشكلات التقنية الأخرى ذات أهمية أيضًا، وغالبًا ما تتعلق بالقطب الموجب الهوائي:

“الكفاءة البطيئة لتفاعل اختزال الأكسجين هي العائق أمام تطبيقه. تشمل المشكلات الأخرى تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الكهرل القلوي لتكوين رواسب كربونية، وتبخر الماء إلى الهواء المفتوح [جفاف الكهرل] واختراق الكهرل إلى مسام القطب الموجب الهوائي.” – المصدر: Automotive Logistics

شركات بطاريات الألمنيوم-الهواء

1. Aluma Power

Aluma Power is a Canadian company located on Aamjiwnaang First Nation lands.

Aluma Power envisions a full cycle efficiency of 43% and 700% efficiency when aluminum is first used for other applications like building the frame of cars, buildings, airplanes, greenhouses, boats, etc., before being recycled into fuel.

المصدر: Aluma

Aluma Power’s unique approach is to focus on a mechanical method to mitigate the limitations of Aluminum-Air batteries, like anode corrosion and wear, by rotating the anode. This design can use any scrap aluminum, including melted engine blocks or soda cans. It is documented in the US Patent US10978758B2.

The fuel disk can be changed in a few minutes and lasts up to 130 hours of consumption.

المصدر: Aluma

The company claims that its disk system allows for 70% fewer capital costs than incumbents and lower labor costs for “storage as a service”.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique in France and its subsidiary in the UK MAL are developing Aluminum-Air batteries. The key IP of the company is a proprietary electrolyte chemistry that is claimed to reduce the problems of anode corrosion and pore blockage.

موقع الشركة بسيط قليلًا، يحتوي في الغالب على بعض روابط المقالات الإخبارية وإعلان عن إطلاق منتج مستقبلي في 2024. قد يكون هذا مقلقًا بعض الشيء، بالنظر إلى إعلان سابق عن إطلاق في الربع الرابع من 2021.

The company seems to focus on 3 different product concepts:

• موسع نطاق 300 ميل للسيارات الكهربائية، وهو موضوع نقاش مع شركتين كبيرتين في صناعة السيارات.
• بطارية سيارة كهربائية بمدى 1,500 ميل. وقعت MAL صفقة متعددة الملايين من الجنيهات مع Austin Electric لإنتاج هذه البطاريات على نطاق واسع في المملكة المتحدة.
• حزم تحويل بقيمة 3,500 جنيه إسترليني تحول السيارات التي تعمل بالوقود العادي إلى هجينة.

MAL claims the manufacturing of its battery costs only $36/kWh compared to around $180/kWh for Lithium-Ion batteries. When including the battery amortization, it would bring the cost of driving to £0.08/mile, instead of £0.50/mile for Lithium-Ion.

The technology could also be applied to planes, defense batteries, and remote power on islands.

3. RiAlAiR

The company is focused on producing Aluminum-Air batteries for the boat and fishing industry. The company offers a subscription service for its batteries, reducing the upfront costs and helping reduce pollution and high fuel costs.

The focus on professional boat users like fishing boats and taxi boats means that the economic argument of cheaper fuel can hit home well, and the business case does not need to rely on green energy arguments, but simply on increased profitability.

The switch from fossil fuel to an electric-powered boat also opens the possibility of supplementing the energy supply with solar panels or wind turbines on the boat itself, increasing even further the fuel economy and the autonomy of the boat.

المصدر: RiAlAiR

Lastly, an electric power train is more efficient for boat propulsion, with 92% of the energy converted into thrust, instead of just 35% for fuel-powered boats (the difference comes from thermal and mechanical losses in ICE engines).

Currently, millions of fishing boats are consuming 50 billion liters of fuel per year, making 1.2% of the global fuel consumption, with the majority with a tonnage below 20 tons and less than 12 meters in length, mostly located in Asia. There are also 15 million recreational boats that have the potential to be switched to greener electric propulsion.

المصدر: RiAlAiR

While electric propulsion has been a non-starter for boat propulsion, the limitation has always been the energy density of the batteries. This is something that modern Aluminum-Air designs could solve, potentially creating a niche but profitable market for these batteries.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy is the only company involved in Aluminum-Air technology we could find that is also publicly listed. The Israeli company is developing both aluminum and also zinc-based batteries. It is targeting the market of أنظمة احتياطية للطاقة, التنقل/السيارات الكهربائية, and تخزين الطاقة. It is also looking at the potential for الطاقة البحرية، مع بطاريات محمولة في حاويات.

The company recently signed an agreement to provide 300 power backup systems to Indian telecom company Indus Power, as well as اختبار ناجح مع Cellnex, another telecom company. It is also testing its system with a leading cloud data center company.

It also showed نموذجًا أوليًا لمركبة ركاب كهربائية من تاتا في يناير 2023. India is at the center of the company’s export strategy, having signed an agreement for building an ecosystem with Hindalco Industries Limited, one of India’s largest aluminum manufacturers.

5. Log9

This Indian company is the first indigenous Lithiuim-Ion battery cell manufacturer, which also produces its own battery management system. The company produces batteries, graphene ultracapacitors, and Aluminium-Fuel-Cells (AFC).

The company was reported in 2020 to have a team of 45 people working on Aluminum-Air batteries. It also discussed a prototype for a last-mile delivery vehicle able to perform 3,000 km on a single “charge” in 2021.

More recently, the company seems to have mostly focused on fast charging Lithium-Ion batteries, so it is not clear if its goals for Aluminum-Air are being achieved, but the technology is still featured prominently on its website home page.

الخلاصة

بطاريات الألمنيوم-الهواء، أو ربما خلايا وقود الألمنيوم هي المصطلح الأنسب، تمثل بديلاً مثيرًا للاهتمام للنهج التقليدي لتقنية السيارات الكهربائية والبطاريات. من خلال توفير وقود صلب معدني، يمكنها تجاوز معظم العقبات أمام اعتماد السيارات الكهربائية، وكذلك حل مشكلة إدارة تقلب الطاقة المتجددة عن طريق “تخزينها” في ألمنيوم صلب معاد تدويره.

في الوقت الحالي، لا تزال التقنية في مراحلها الأولى، ولا يبدو أن أيًا من أكبر الشركات أو شركات البطاريات يعمل عليها. يرجع ذلك جزئيًا إلى أن المفهوم يختلف جذريًا عن الحكمة التقليدية في صناعة السيارات الكهربائية ويتطلب مجموعة مهارات وعمليات تصنيع مختلفة تمامًا.

كما أن التقنية غالبًا ما تتقاطع مع السياسات الخضراء والإعانات، ولا تتوافق مع متطلبات تقنية خلايا الوقود الهيدروجينية ولا مع سياسات البطاريات القابلة لإعادة الشحن/السيارات الكهربائية. يبدو أنها الأكثر ترحيبًا في الهند، حيث تتطلع البلاد إلى اللحاق بالصين في تقنية البطاريات والطاقة الخضراء.