Τεχνολογία Μπαταριών Αλουμινίου‑Αέρα: Τροφοδοτώντας τα Ηλεκτρικά Οχήματα με Απορριπτό Αλουμίνιο

Lateral Thinking To Solve EV Limitations

Τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν κατακλύσει την αγορά αυτοκινήτων, με χώρες όπως η Κίνα και η Νορβηγία να παρουσιάζουν ήδη ισχυρή διείσδυση στην αγορά. Ταυτόχρονα, η υιοθέτηση των EV παραμένει πίσω σε πολλές χώρες λόγω ορισμένων βασικών περιορισμών:

• Χαμηλό εύρος για τα φθηνότερα μοντέλα EV.
• Αργός ρυθμός φόρτισης, που σε συνδυασμό με τη συχνή φόρτιση λόγω του χαμηλού εύρους μπορεί να κάνει το μακρινό ταξίδι δύσκολο.
• Ανησυχία για την ικανότητα των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας να διαχειριστούν την προσθήκη εκατομμυρίων νέων EV.

Τα πρώτα δύο προβλήματα, το εύρος και η ταχύτητα φόρτισης, είναι ζητήματα που η βιομηχανία προσπαθεί να λύσει με νέες χημικές μπαταρίες, καθώς και με ένα ταχύτερο και πιο πυκνό δίκτυο σταθμών φόρτισης. Ωστόσο, αυτό παραμένει ένα δύσκολο ζήτημα. Αναλύσαμε όλες τις πιθανές κατευθύνσεις για νέες μπαταρίες στο άρθρο μας “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.

Τα προβλήματα του δικτύου επιδεινώνονται από την ασταθή παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας. Μια ξαφνική αύξηση φόρτισης EV το βράδυ, όταν οι άνθρωποι επιστρέφουν σπίτι από τη δουλειά και τις μετακινήσεις, δεν είναι ευπρόσδεκτη όταν η ηλιακή ενέργεια είναι ήδη εκτός σκηνής.

Αλλά μια νέα έννοια θα μπορούσε να λύσει όλα αυτά τα προβλήματα ταυτόχρονα. Τι θα γινόταν αν, αντί να επιλέγουμε μεταξύ ICE (Εσωτερικής Καύσης) & υγρού ορυκτού καυσίμου ή EV & μπαταριών, μπορούσαμε να «αναπληρώσουμε» τα EV με ένα πλήρως ανακυκλώσιμο καύσιμο;

The Energy Potential Of Aluminum

Το αλουμίνιο είναι ένα πολύ κοινό στοιχείο στη Γη. Στην πραγματικότητα, είναι το πιο κοινό μέταλλο στη Γη, μπροστά από το σίδηρο, και αποτελεί το 8 % του φλοιού της Γης. Είναι επίσης ένα μέταλλο που απαιτεί πολύ ηλεκτρική ενέργεια για την παραγωγή του, από το ωμό βωξίτη μέχρι την αλουμίνιο οξείδιο και στη συνέχεια το αλουμίνιο μέταλλο. Αυτό έχει οδηγήσει σε περιπτώσεις όπου το αλουμίνιο αποκαλείται «παγωμένη ηλεκτρική ενέργεια».

Παρά την ήρεμη και ήσυχη εμφάνισή του, το αλουμίνιο μπορεί να είναι πολύ αντιδραστικό υπό τις κατάλληλες συνθήκες και έχει χρησιμοποιηθεί σε πυροτεχνήματα· η σκόνη αλουμινίου τροφοδότησε ακόμη και τα στερεά πυραυλικά ενισχυτικά του διαστημικού λεωφορείου. Στην πραγματικότητα, το αλουμίνιο είναι 2,5 φορές πιο ενεργειακά πυκνό από το ντίζελ ή την βενζίνη. Εισάγουμε τις μπαταρίες Αλουμίνιο‑Αέρα.

Aluminum‑Air batteries αποθηκεύουν και παράγουν ηλεκτρισμό μέσω της οξείδωσης και της μείωσης του αλουμινίου. Κάνουν το αλουμίνιο να αντιδρά με τον αέρα και προσφέρουν μία από τις υψηλότερες ενεργειακές πυκνότητες όλων των τεχνολογιών μπαταριών που διατίθενται σήμερα. Μπορούν να είναι οκτώ φορές ελαφρύτερες & τέσσερις φορές μικρότερες από τις μπαταρίες Λιθίου‑Ιόντων.

Οι μπαταρίες Αλουμίνιο‑Αέρα δεν πρέπει να συγχέονται με τις Aluminum‑Ion batteries, οι οποίες είναι παρόμοιες με τις μπαταρίες Λιθίου‑Ιόντων, απλώς χρησιμοποιούν διαφορετικό μέταλλο.

Source: Energy Post

Aluminum‑Air Advantages

Καθώς ο καταλύτης είναι απλώς οξυγόνο από τον ατμοσφαιρικό αέρα, δεν απαιτείται μεταλλικός καταλύτης, καθιστώντας τη μπαταρία πολύ ελαφρύτερη από τους ανταγωνιστές της.

Ένα ακόμη πλεονέκτημα είναι ότι λειτουργεί ουσιαστικά ως «ηλεκτρική μηχανή» που καταναλώνει αλουμίνιο αντί για πετρέλαιο και δεν χάνει τάση κατά την εκφόρτιση όπως συμβαίνει με τα συστήματα μπαταριών.

Ο περιορισμός είναι ότι αυτή η διαδικασία καταναλώνει αλουμίνιο και δεν μπορεί να επαναφορτιστεί απλώς συνδέοντας τη μπαταρία. Έτσι, είναι πιο παρόμοια με μια κοινή μπαταρία AA παρά με μια μπαταρία Λιθίου‑Ιόντων. Συνεπώς, απαιτεί ένα σύστημα ανταλλαγής μπαταριών, που διαρκεί περίπου 90 δευτερόλεπτα, αντί για ανεφοδιασμό υγρού καυσίμου ή 10‑15 λεπτών ηλεκτρική επαναφόρτιση.

Μια εναλλακτική λύση είναι η χρήση μίγματος μπαταριών Aluminum‑Air + επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, επιτρέποντας ευέλικτη χρήση άμεσης επαναφόρτισης ή κίνησης με αλουμίνιο ανάλογα με τις ανάγκες, παρόμοια με ένα υβριδικό όχημα, αλλά χωρίς κανένα ορυκτό καύσιμο.

Infrastructure Pros

Ένα ισχυρό στοιχείο υπέρ των μπαταριών Aluminum‑Air είναι ότι υπάρχει ήδη μια καλά εδραιωμένη, αποδοτική και κλιμακωμένη βιομηχανία ανακύκλωσης αλουμινίου—κάτι που λείπει ακόμη από τις μπαταρίες Λιθίου‑Ιόντων.

Αυτό σημαίνει επίσης ότι για την προμήθεια της βασικής ύλης, η βιομηχανία μπαταριών Aluminum‑Air θα μπορούσε να προμηθευτεί το υλικό της από απορριπτό αλουμίνιο που ανακτάται από παλιά κτίρια, μηχανήματα ή αεροπλάνα και ταυτόχρονα να παράγει ενέργεια. Συνολικά, το σύστημα δεν απαιτεί κρίσιμους/ρυπογόνους/ακριβούς πόρους όπως λίθιο, νικέλιο, κοβάλτιο ή σπάνια γαλαζοπράσινα μέταλλα.

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η ανταλλαγή μπαταριών σημαίνει επίσης ότι δεν υπάρχει πίεση στο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας για άμεση επαναφόρτιση όταν τα EV φτάνουν στον σταθμό. Αντίθετα, η αναγέννηση του αλουμινίου και η επαναφόρτιση των μπαταριών μπορούν να γίνουν με ανανεώσιμη ενέργεια όταν υπάρχει πλεόνασμα παραγωγής.

Τέλος, όχι μόνο το αλουμίνιο μπορεί να αναγεννηθεί με πράσινη ενέργεια όταν είναι βολικό, αλλά μπορεί επίσης να αποθηκευτεί εύκολα χωρίς μεγάλο κόστος, καθώς είναι ένα σταθερό και μη τοξικό στερεό μέταλλο που δεν οξειδώνεται πολύ. Έτσι, η ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί μέσω αποθεμάτων αλουμινίου για μεγάλες χρονικές περιόδους, με πολύ χαμηλότερο κόστος αποθήκευσης σε σύγκριση με μπαταρίες, αμμωνία ή υδρογόνο.

Η μαζική μεταφορά αλουμινίου επίσης δεν απαιτεί ειδική υποδομή όπως το υδρογόνο και μπορεί να γίνει με κανονικά φορτηγά ή τρένα.

Aluminum Cost- Source: RiAlAiR

Aluminum‑Air Batteries Cons

Ένας περιορισμός των μπαταριών Aluminum‑Air είναι η ανάγκη για ένα πυκνό δίκτυο σταθμών ανταλλαγής μπαταριών. Λόγω του προβλήματος της έλλειψης τυποποίησης των EV και του κόστους κατασκευής ενός αρκετά πυκνού δικτύου, η ανταλλαγή μπαταριών έχει συχνά αποδειχθεί αποτυχημένη ιδέα. Αυτό είναι ακόμη λιγότερο πιθανό να πετύχει για τις παραδοσιακές έννοιες μπαταριών, καθώς η βιομηχανία EV κινείται προς τις «δομικές μπαταρίες» που ενσωματώνονται στο σκελετό του οχήματος.

Ορισμένες εταιρείες (δείτε παρακάτω) εργάζονται για να κάνουν την ανταλλαγή μπαταριών αλουμινίου‑αέρα εφικτή με το χέρι, μειώνοντας σημαντικά την τεχνολογική πολυπλοκότητα και την ανάγκη για ακριβό σταθμό ανταλλαγής, με πιο απλούς μηχανισμούς παράδοσης, όπως για τις φιάλες προπανίου, αρκετά για να εκτελέσουν τη δουλειά. Σε κάθε περίπτωση, θα χρειαστεί να δημιουργηθεί υποδομή για τη συλλογή και την ανακατασκευή/επαναφόρτιση των χρησιμοποιημένων μπαταριών.

Συνολικά, η έννοια δεν είναι καινούργια και είχε οραματιστεί ήδη τη δεκαετία του 1960. Τότε, η τοξικότητα του ηλεκτρολύτη εμπόδισε την πρόοδο της τεχνολογίας. Άλλα τεχνικά ζητήματα μπορεί επίσης να είναι σημαντικά, κυρίως σχετικά με τον αερόκαταλύτη:

«Η αργή απόδοση της αντίδρασης μείωσης του οξυγόνου αποτελεί το εμπόδιο για την εφαρμογή της. Άλλα προβλήματα περιλαμβάνουν την αντίδραση του CO₂ με το αλκαλικό ηλεκτρολύτη, που παράγει ατμούς ανθρακικών, την εξάτμιση του νερού στον ανοιχτό αέρα [ξηρασία του ηλεκτρολύτη] και τη διείσδυση του ηλεκτρολύτη στις πόρους του αερόκαταλύτη.» – Source: Automotive Logistics

Aluminum‑Air Companies

1. Aluma Power

Aluma Power είναι μια καναδική εταιρεία που βρίσκεται σε γη της Πρώτης Εθνότητας Aamjiwnaang.

Η Aluma Power οραματίζεται μια απόδοση πλήρους κύκλου 43 % και 700 % απόδοση όταν το αλουμίνιο χρησιμοποιείται πρώτα για άλλες εφαρμογές όπως η κατασκευή του σκελετού αυτοκινήτων, κτιρίων, αεροπλάνων, θερμοκηπίων, σκαφών κ.λπ., πριν ανακυκλωθεί σε καύσιμο.

Source: Aluma

Η μοναδική προσέγγιση της Aluma Power είναι να εστιάσει σε μια μηχανική μέθοδο για την αντιμετώπιση των περιορισμών των μπαταριών Aluminum‑Air, όπως η διάβρωση και η φθορά του άνοδου, περιστρέφοντας το άνοδο. Αυτός ο σχεδιασμός μπορεί να χρησιμοποιήσει οποιοδήποτε απορριπτό αλουμίνιο, συμπεριλαμβανομένων λιωμένων μπλοκ κινητήρων ή κουπών αναψυκτικού. Καταγράφεται στην αμερικανική πατέντα US10978758B2.

Ο δίσκος καυσίμου μπορεί να αντικατασταθεί σε λίγα λεπτά και διαρκεί έως 130 ώρες κατανάλωσης.

Source: Aluma

Η εταιρεία ισχυρίζεται ότι το σύστημα δίσκου της επιτρέπει 70 % λιγότερο κόστος κεφαλαίου σε σχέση με τους ανταγωνιστές και χαμηλότερο κόστος εργασίας για «αποθήκευση ως υπηρεσία».

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Η Métalectrique στη Γαλλία και η θυγατρική της στο Ηνωμένο Βασίλειο MAL αναπτύσσουν μπαταρίες Aluminum‑Air. Το κύριο πνευματικό απόκτημα της εταιρείας είναι μια ιδιόκτητη χημεία ηλεκτρολύτη που, σύμφωνα με τις δηλώσεις, μειώνει τα προβλήματα διάβρωσης του άνοδου και φράξης των πόρων.

Η ιστοσελίδα της εταιρείας είναι ελαφρώς ακατέργαστη, με κυρίως συνδέσμους σε ειδησεογραφικά άρθρα και την ανακοίνωση ενός μελλοντικού προϊόντος το 2024. Αυτό μπορεί να προκαλέσει ανησυχίες, δεδομένου ότι προηγούμενη ανακοίνωση για λανσάρισμα το τέταρτο τρίμηνο του 2021.

Η εταιρεία φαίνεται να εστιάζει σε 3 διαφορετικές έννοιες προϊόντων:

• Ένα επεκτατικό σύστημα εμβέλειας 300 μιλίων για EV, σε συζήτηση με 2 πολύ μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες.
• Μια μπαταρία EV εμβέλειας 1 500 μιλίων. Η MAL έχει υπογράψει συμφωνία πολλών εκατομμυρίων λιρών με την Austin Electric για μαζική παραγωγή αυτών των μπαταριών στο Ηνωμένο Βασίλειο.
• Κιτ μετατροπής £3 500 που μετατρέπει τα κανονικά καυσαέρια αυτοκίνητα σε υβριδικά.

Η MAL ισχυρίζεται ότι η κατασκευή της μπαταρίας κοστίζει μόνο $36/kWh σε σύγκριση με περίπου $180/kWh για μπαταρίες Λιθίου‑Ιόντων. Συμπεριλαμβανομένης της απόσβεσης της μπαταρίας, το κόστος οδήγησης θα ήταν £0,08/μίλι, αντί για £0,50/μίλι για Λιθίου‑Ιόντων.

Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε αεροπλάνα, αμυντικές μπαταρίες και απομακρυσμένη ενέργεια σε νησιά.

3. RiAlAiR

Η εταιρεία εστιάζει στην παραγωγή μπαταριών Aluminum‑Air για τη βιομηχανία σκαφών και αλιείας. Προσφέρει υπηρεσία συνδρομής για τις μπαταρίες της, μειώνοντας τα αρχικά κόστη και βοηθώντας στη μείωση της ρύπανσης και των υψηλών τιμών καυσίμων.

Η εστίαση σε επαγγελματικούς χρήστες σκαφών, όπως αλιευτικά και ταξιτζήδες, σημαίνει ότι το οικονομικό επιχείρημα του φθηνότερου καυσίμου μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα ελκυστικό, και η επιχειρηματική περίπτωση δεν χρειάζεται να βασίζεται σε επιχειρήματα πράσινης ενέργειας, αλλά απλώς στην αυξημένη κερδοφορία.

Η μετάβαση από ορυκτό καύσιμο σε ηλεκτρικό σκάφος ανοίγει επίσης τη δυνατότητα συμπλήρωσης της ενεργειακής παροχής με ηλιακούς πίνακες ή ανεμογεννήτριες στο ίδιο το σκάφος, αυξάνοντας ακόμη περισσότερο την οικονομία καυσίμου και την αυτονομία του σκάφους.

Source: RiAlAiR

Τέλος, ένα ηλεκτρικό τρένο κίνησης είναι πιο αποδοτικό για την προώθηση σκαφών, με 92 % της ενέργειας να μετατρέπεται σε ώθηση, αντί για μόνο 35 % για σκάφη με καύσιμο (η διαφορά προέρχεται από θερμικές και μηχανικές απώλειες σε κινητήρες ICE).

Σήμερα, εκατομμύρια αλιευτικά σκάφη καταναλώνουν 50 δισεκατομμύρια λίτρα καυσίμου ετησίως, αντιπροσωπεύοντας το 1,2 % της παγκόσμιας κατανάλωσης καυσίμου, με την πλειονότητα να έχει βάρους κάτω από 20 τόνους και μήκος κάτω από 12 μέτρα, κυρίως στην Ασία. Υπάρχουν επίσης 15 εκατομμύρια ψυχαγωγικά σκάφη που θα μπορούσαν να μετατραπούν σε πιο πράσινη ηλεκτρική προώθηση.

Source: RiAlAiR

Ενώ η ηλεκτρική προώθηση ήταν μέχρι πρότινος αδύνατη για σκάφη, ο περιορισμός ήταν πάντα η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών. Αυτό είναι κάτι που τα σύγχρονα σχέδια Aluminum‑Air θα μπορούσαν να λύσουν, δημιουργώντας ενδεχομένως μια εξειδικευμένη αλλά κερδοφόρα αγορά για αυτές τις μπαταρίες.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Η Phinergy είναι η μόνη εταιρεία που ασχολείται με την τεχνολογία Aluminum‑Air που βρήκαμε και είναι επίσης εισηγμένη στο χρηματιστήριο. Η ισραηλινή εταιρεία αναπτύσσει τόσο μπαταρίες αλουμινίου όσο και μπαταρίες βασισμένες σε ψευδάργυρο. Στοχεύει στην αγορά εφεδρικής ενέργειας, κινητικότητας/EV και αποθήκευσης ενέργειας. Εξετάζει επίσης το δυναμικό για ναυτιλιακή ενέργεια, με μπαταρίες σε κοντέινερ.

Η εταιρεία υπέγραψε πρόσφατα συμφωνία για την παροχή 300 συστημάτων εφεδρικής ενέργειας στην ινδική τηλεπικοινωνιακή εταιρεία Indus Power, καθώς και επιτυχημένο τεστ με την Cellnex, άλλη τηλεπικοινωνιακή εταιρεία. Δοκιμάζει επίσης το σύστημά της με μια κορυφαία εταιρεία κέντρων δεδομένων cloud.

Δείχθηκε επίσης ένα πρωτότυπο ηλεκτρικό επιβατικό όχημα Tata τον Ιανουάριο του 2023. Η Ινδία βρίσκεται στο επίκεντρο της εξαγωγικής στρατηγικής της εταιρείας, έχοντας υπογράψει συμφωνία για την κατασκευή οικοσυστήματος με Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), έναν από τους μεγαλύτερους κατασκευαστές αλουμινίου στην Ινδία.

5. Log9

Αυτή η ινδική εταιρεία είναι ο πρώτος εγχώριος κατασκευαστής κυψελών μπαταριών Λιθίου‑Ιόντων, που παράγει επίσης το δικό της σύστημα διαχείρισης μπαταριών. Η εταιρεία παράγει μπαταρίες, υπερπυκνωτές γραφενίου και Αλυσίδες Καυσίμου Αλουμινίου (AFC).

Το 2020, η εταιρεία αναφέρθηκε ότι είχε μια ομάδα 45 ατόμων που εργάζονταν σε μπαταρίες Aluminum‑Air. Επίσης, συζήτησε ένα πρωτότυπο για όχημα τελευταίου μιλίου που μπορεί να διανύσει 3 000 km με μία «φόρτιση» το 2021.

Πιο πρόσφατα, η εταιρεία φαίνεται να έχει επικεντρωθεί κυρίως σε γρήγορη φόρτιση μπαταριών Λιθίου‑Ιόντων, οπότε δεν είναι σαφές αν οι στόχοι της για Aluminum‑Air επιτυγχάνονται, αλλά η τεχνολογία εξακολουθεί να εμφανίζεται έντονα στην αρχική σελίδα του ιστότοπού της.

Conclusion

Οι μπαταρίες Aluminum‑Air, ή ίσως τα αλυσίδες καυσίμου αλουμινίου, θα ήταν ένας πολύ ενδιαφέρων εναλλακτικός δρόμος σε σχέση με την συμβατική προσέγγιση των EV και της τεχνολογίας μπαταριών. Παρέχοντας ένα μεταλλικό στερεό καύσιμο, θα μπορούσαν να παρακάμψουν τα περισσότερα εμπόδια στην υιοθέτηση των EV, καθώς και να λύσουν το πρόβλημα της διαχείρισης της ασταθούς παραγωγής ανανεώσιμης ενέργειας «αποθηκεύοντάς» την σε ανακυκλωμένο στερεό αλουμίνιο.

Προς το παρόν, η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο, χωρίς καμία από τις μεγαλύτερες εταιρείες ή κατασκευαστές μπαταριών να φαίνεται να εργάζεται πάνω της. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο ότι η έννοια απομακρύνεται ριζικά από την παραδοσιακή σκέψη στην βιομηχανία EV και θα απαιτούσε εντελώς διαφορετικό σύνολο δεξιοτήτων και διαδικασιών παραγωγής.

Είναι επίσης επειδή η τεχνολογία τείνει να πέφτει μέσα από τις πράσινες πολιτικές και επιδοτήσεις, δεν ταιριάζοντας ούτε με τις απαιτήσεις για τεχνολογία κυττάρων καυσίμου υδρογόνου ούτε με τις πολιτικές για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες/EV. Φαίνεται να είναι η πιο ευπρόσδεκτη στην Ινδία, με τη χώρα να επιδιώκει να καλύψει το χάσμα με την Κίνα στην τεχνολογία μπαταριών και την πράσινη ενέργεια.