Μπαταρίες αλουμινίου-αέρα: ηλεκτρικά οχήματα με ανακυκλωμένο αλουμίνιο

Μια διαφορετική προσέγγιση στους περιορισμούς των ηλεκτρικών οχημάτων

Τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν αποκτήσει σημαντικό μερίδιο σε αγορές όπως η Κίνα και η Νορβηγία. Σε πολλές άλλες χώρες, η υιοθέτησή τους αντιμετωπίζει ακόμη περιορισμούς:

• Περιορισμένη αυτονομία στα οικονομικότερα μοντέλα.
• Χρόνος φόρτισης και ανάγκη συχνών στάσεων, που μπορεί να δυσκολεύουν τα μεγάλα ταξίδια.
• Ανάγκη προσαρμογής των ηλεκτρικών δικτύων στη ζήτηση από εκατομμύρια επιπλέον οχήματα.

Η βιομηχανία προσπαθεί να βελτιώσει την αυτονομία και την ταχύτητα φόρτισης με νέες χημείες μπαταριών και πυκνότερα δίκτυα ταχυφόρτισης. Οι τεχνικές και οικονομικές προκλήσεις παραμένουν σημαντικές. Εξετάζουμε διαφορετικές προσεγγίσεις στο άρθρο «Το μέλλον της κινητικότητας — τεχνολογία μπαταριών».

Η μεταβλητή παραγωγή αιολικής και ηλιακής ενέργειας απαιτεί επίσης προγραμματισμό. Η αυξημένη φόρτιση το βράδυ, όταν πολλοί επιστρέφουν από την εργασία τους και η ηλιακή παραγωγή μειώνεται, μπορεί να επιβαρύνει τοπικά δίκτυα.

Μια εναλλακτική ιδέα είναι ο ανεφοδιασμός ενός ηλεκτρικού οχήματος με ανακυκλώσιμο μεταλλικό καύσιμο. Αντί για κινητήρα εσωτερικής καύσης και υγρά καύσιμα ή αποκλειστικά επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, το όχημα θα μπορούσε να παράγει ηλεκτρισμό καταναλώνοντας αλουμίνιο.

Το αλουμίνιο ως φορέας ενέργειας

Το αλουμίνιο είναι το αφθονότερο μέταλλο στον φλοιό της Γης και αποτελεί περίπου το 8% της μάζας του. Η παραγωγή του από βωξίτη, μέσω αλουμίνας και ηλεκτρόλυσης, απαιτεί πολλή ενέργεια. Γι’ αυτό περιγράφεται συχνά ως «παγωμένη ηλεκτρική ενέργεια»: μπορεί να λειτουργήσει ως ενεργειακός φορέας, όχι ως ανεξάντλητη πρωτογενής πηγή.

Παρότι το συμπαγές αλουμίνιο προστατεύεται συνήθως από επιφανειακό οξείδιο, σε κατάλληλες συνθήκες είναι αντιδραστικό. Σκόνη αλουμινίου χρησιμοποιείται σε πυροτεχνήματα και στους στερεούς προωθητήρες του διαστημικού λεωφορείου. Η σύγκριση ότι η ενεργειακή πυκνότητά του μπορεί να είναι περίπου 2,5 φορές εκείνη του ντίζελ ή της βενζίνης αφορά τον όγκο του μετάλλου και συγκεκριμένες παραδοχές αντίδρασης, όχι ισοδύναμη ηλεκτρική απόδοση μιας πλήρους μπαταρίας. Μια εφαρμογή αυτής της ιδέας είναι οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα.

Οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα παράγουν ηλεκτρισμό με οξείδωση του αλουμινίου στην άνοδο και αναγωγή του οξυγόνου στην κάθοδο αέρα. Έχουν υψηλή θεωρητική ειδική ενέργεια, αλλά η πραγματική επίδοση εξαρτάται από ολόκληρο το σύστημα. Η RiAlAiR προβάλλει συγκρίσεις έως οκτώ φορές μικρότερου βάρους και τέσσερις φορές μικρότερου όγκου από συστήματα ιόντων λιθίου· αυτές είναι εταιρικές συγκρίσεις συγκεκριμένων σχεδιασμών, όχι καθολική ιδιότητα κάθε συστοιχίας.

Οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα διαφέρουν από τις μπαταρίες ιόντων αλουμινίου, οι οποίες επιδιώκουν ηλεκτρική επαναφόρτιση μέσω μετακίνησης ιόντων. Οι συνήθεις υδατικές διατάξεις αλουμινίου-αέρα καταναλώνουν το μεταλλικό ηλεκτρόδιο και χρειάζονται αντικατάστασή του.

Πηγή: Energy Post

Πλεονεκτήματα των μπαταριών αλουμινίου-αέρα

Το οξυγόνο λαμβάνεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα αντί να αποθηκεύεται όλο μέσα στην μπαταρία, γεγονός που μπορεί να μειώσει το βάρος. Είναι αντιδρών συστατικό, όχι καταλύτης. Η κάθοδος αέρα συνήθως χρειάζεται καταλυτικά υλικά για την αναγωγή του οξυγόνου.

Το σύστημα μπορεί να λειτουργεί ως ηλεκτροχημική γεννήτρια που καταναλώνει αλουμίνιο. Κατάλληλος σχεδιασμός μπορεί να διατηρεί σχετικά σταθερή ισχύ, χωρίς αυτό να σημαίνει ότι η τάση δεν επηρεάζεται ποτέ από το φορτίο, τη διάβρωση ή την κατάσταση των ηλεκτροδίων.

Η κατανάλωση αλουμινίου σημαίνει ότι η συνήθης διάταξη δεν επαναφορτίζεται απλώς στην πρίζα. Ο ανεφοδιασμός απαιτεί αντικατάσταση της ανόδου ή της μονάδας και διαχείριση των προϊόντων εκφόρτισης. Ο Trevor Jackson της MAL περιέγραφε σχεδιασμό αντικατάστασης σε 90 δευτερόλεπτα· ο χρόνος αυτός είναι στόχος συγκεκριμένου συστήματος, όχι γενικό χαρακτηριστικό της τεχνολογίας.

Μια άλλη επιλογή είναι ο συνδυασμός αλουμινίου-αέρα με επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Έτσι το όχημα θα μπορούσε να φορτίζεται ηλεκτρικά για καθημερινή χρήση και να χρησιμοποιεί αλουμίνιο για πρόσθετη αυτονομία, χωρίς κινητήρα ορυκτού καυσίμου.

Πιθανά πλεονεκτήματα υποδομής

Υπάρχει ήδη ανεπτυγμένη βιομηχανία συλλογής και ανακύκλωσης μεταλλικού αλουμινίου, την οποία θα μπορούσε να αξιοποιήσει η αλυσίδα εφοδιασμού. Αναπτύσσεται επίσης ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου. Η αναγέννηση αλουμινίου από τα οξείδια ή υδροξείδια της εκφόρτισης, όμως, απαιτεί ενεργοβόρα βιομηχανική επεξεργασία και δεν ισοδυναμεί με απλή επανατήξη μεταλλικών απορριμμάτων.

Ορισμένοι σχεδιασμοί επιδιώκουν να χρησιμοποιούν κατάλληλα επεξεργασμένο αλουμίνιο από κτίρια, μηχανήματα ή οχήματα. Η απαιτούμενη καθαρότητα εξαρτάται από την τεχνολογία. Το κύριο καύσιμο δεν απαιτεί λίθιο, νικέλιο ή κοβάλτιο, αλλά ολόκληρο το σύστημα εξακολουθεί να χρειάζεται ηλεκτρόδια, ηλεκτρολύτη και άλλα υλικά.

Η αντικατάσταση μεταλλικού καυσίμου μπορεί να περιορίσει την ανάγκη άμεσης φόρτισης στον σταθμό. Δεν καταργεί τη συνολική ενεργειακή ζήτηση: μεταφέρει μέρος της στην παραγωγή και αναγέννηση αλουμινίου. Αυτές οι διεργασίες μπορούν να αξιοποιούν ανανεώσιμη ενέργεια όπου είναι τεχνικά και οικονομικά εφικτό.

Το συμπαγές αλουμίνιο αποθηκεύεται και μεταφέρεται σχετικά εύκολα, καθώς το επιφανειακό στρώμα οξειδίου περιορίζει την περαιτέρω οξείδωσή του σε συνήθεις συνθήκες. Έτσι μπορεί να διατηρεί ενέργεια για μεγάλες περιόδους. Το συνολικό κόστος πρέπει να περιλαμβάνει την παραγωγή, την ανάκτηση και τις απώλειες του κύκλου.

Η μεταφορά συμπαγούς αλουμινίου μπορεί να χρησιμοποιεί συμβατικά φορτηγά ή τρένα, χωρίς δεξαμενές υψηλής πίεσης όπως εκείνες που απαιτούνται για ορισμένες μορφές μεταφοράς υδρογόνου.

Κόστος αλουμινίου — πηγή: RiAlAiR

Περιορισμοί των μπαταριών αλουμινίου-αέρα

Η ευρεία χρήση απαιτεί πρακτικό σύστημα ανεφοδιασμού και συλλογής χρησιμοποιημένων υλικών. Η έλλειψη τυποποίησης και το κόστος υποδομών δυσκολεύουν την ανταλλαγή συστοιχιών, ενώ οι ενσωματωμένες δομικές μπαταρίες δημιουργούν επιπλέον απαιτήσεις σχεδιασμού. Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε μοντέλο ανταλλαγής είναι ανέφικτο.

Ορισμένες εταιρείες αναπτύσσουν μικρότερες μονάδες ή δίσκους που αντικαθίστανται χειροκίνητα, με στόχο απλούστερη διανομή, όπως στην ανταλλαγή φιαλών αερίου. Σε κάθε περίπτωση χρειάζονται υποδομές για την ανάκτηση των χρησιμοποιημένων μονάδων και των προϊόντων εκφόρτισης.

Η ιδέα μελετάται από τη δεκαετία του 1960. Οι ηλεκτρολύτες, η παρασιτική διάβρωση, η παραγωγή υδρογόνου και η λειτουργία της καθόδου αέρα αποτελούν σημαντικές προκλήσεις. Μεταξύ των προβλημάτων που περιγράφονται στη σχετική ανάλυση είναι τα εξής:

Η αργή κινητική της αναγωγής του οξυγόνου περιορίζει την επίδοση. Το CO₂ μπορεί να αντιδρά με αλκαλικό ηλεκτρολύτη και να σχηματίζει ανθρακικά άλατα, ενώ η εξάτμιση νερού και η πλημμύριση των πόρων της καθόδου δυσκολεύουν τη λειτουργία. — Πηγή: Automotive Logistics

Εταιρείες που αναπτύσσουν συστήματα αλουμινίου-αέρα

1. Aluma Power

Η AlumaPower είναι καναδική εταιρεία με εγκατάσταση σε γη της αυτόχθονης κοινότητας Aamjiwnaang First Nation.

Η εταιρεία παρουσίαζε στόχο απόδοσης πλήρους κύκλου 43% και ανέφερε δείκτη 700% σε σενάριο όπου το αλουμίνιο χρησιμοποιείται πρώτα σε αυτοκίνητα, κτίρια, αεροπλάνα, θερμοκήπια ή σκάφη και κατόπιν ως καύσιμο. Ο δεύτερος αριθμός δεν μπορεί να ερμηνευθεί ως συμβατική ενεργειακή απόδοση μετατροπής: η επαναχρησιμοποίηση υλικού δεν δημιουργεί ενέργεια και η αναγέννηση του μετάλλου απαιτεί νέα ενεργειακή εισροή.

Πηγή: Aluma

Η AlumaPower χρησιμοποιεί περιστρεφόμενη άνοδο για να ελέγχει την κατανάλωση του μετάλλου και να αντιμετωπίζει προβλήματα διάβρωσης. Η εταιρεία αναπτύσσει δίσκους από επεξεργασμένα απορρίμματα αλουμινίου, όπως κράματα από εξαρτήματα οχημάτων ή κουτιά αναψυκτικών. Ο σχεδιασμός περιγράφεται στο αμερικανικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας US10978758B2.

Στις εταιρικές εκτιμήσεις που παρατίθενται για την περίοδο του 2023, ο δίσκος αντικαθίσταται μέσα σε λίγα λεπτά και μπορεί να υποστηρίζει λειτουργία έως 130 ώρες, ανάλογα με το σύστημα και το φορτίο.

Πηγή: Aluma

Η εταιρεία προέβαλλε επίσης εκτίμηση έως 70% χαμηλότερου κεφαλαιουχικού κόστους έναντι ανταγωνιστικών λύσεων και μειωμένης εργασίας για ένα μοντέλο «αποθήκευσης ως υπηρεσίας». Πρόκειται για εταιρική σύγκριση κόστους συγκεκριμένου σχεδιασμού.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Η Métalectrique, με προέλευση στη Γαλλία, και η βρετανική MAL Research & Development αναπτύσσουν συστήματα αλουμινίου-αέρα. Η εταιρεία εστιάζει σε ιδιόκτητο ηλεκτρολύτη που, κατά την περιγραφή της, περιορίζει την παραγωγή υδρογόνου και τον σχηματισμό γέλης.

Η ιστοσελίδα της εταιρείας παρουσίαζε το 2023 κυρίως πληροφορίες και δημοσιεύματα για την τεχνολογία, μαζί με αναφορά σε μελλοντικό προϊόν το 2024. Η εμπορική ωριμότητα απαιτούσε περαιτέρω επιβεβαίωση, καθώς είχε προηγηθεί ανακοίνωση για προγραμματισμένη διάθεση το τέταρτο τρίμηνο του 2021.

Η εταιρεία παρουσίαζε τρεις βασικές ιδέες προϊόντων:

• Σύστημα επέκτασης αυτονομίας κατά 300 μίλια, με αναφερόμενες συζητήσεις με δύο μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες.
• Σύστημα ηλεκτρικού οχήματος με αναφερόμενο στόχο αυτονομίας 1.500 μιλίων. Η MAL είχε ανακοινώσει συμφωνία πολλών εκατομμυρίων λιρών με την Austin Electric για παραγωγή στο Ηνωμένο Βασίλειο· η ανακοίνωση δεν αποτελεί από μόνη της απόδειξη μαζικής διάθεσης.
• Κιτ μετατροπής με αναφερόμενη τιμή 3.500 λιρών για τη μετατροπή αυτοκινήτων με κινητήρα εσωτερικής καύσης σε υβριδικά.

Στην παρουσίαση της τεχνολογίας το 2023 παρατίθενταν εταιρικές εκτιμήσεις κόστους κατασκευής 36 δολαρίων/kWh, έναντι περίπου 180 δολαρίων/kWh για τη σύγκριση με ιόντα λιθίου. Περιλαμβανόταν επίσης εκτίμηση κόστους οδήγησης 0,08 λιρών ανά μίλι έναντι 0,50 λιρών, μαζί με την απόσβεση. Οι αριθμοί αυτοί αποτελούν ιστορικές προβολές με συγκεκριμένες παραδοχές.

Άλλες πιθανές εφαρμογές που εξετάζονταν ήταν η αεροπορία, η αμυντική τροφοδοσία και η παροχή ενέργειας σε απομακρυσμένα νησιά.

3. RiAlAiR

Η RiAlAiR εστιάζει σε λύσεις αλουμινίου-αέρα για σκάφη και την αλιεία. Περιγράφει μοντέλο συνδρομής που αποσκοπεί στη μείωση του αρχικού κόστους και της εξάρτησης από συμβατικά καύσιμα.

Για επαγγελματίες, όπως ιδιοκτήτες αλιευτικών και θαλάσσιων ταξί, το οικονομικό όφελος θα μπορούσε να είναι σημαντικό εφόσον το συνολικό κόστος καυσίμου, εξοπλισμού και ανεφοδιασμού είναι ανταγωνιστικό.

Η ηλεκτρική πρόωση επιτρέπει επίσης τον συνδυασμό με φωτοβολταϊκά ή άλλες κατάλληλες πηγές ενέργειας πάνω στο σκάφος, οι οποίες μπορούν να συμπληρώνουν την τροφοδοσία.

Πηγή: RiAlAiR

Η αρχική εταιρική σύγκριση παρέθετε απόδοση ηλεκτρικού συστήματος κίνησης 92%, έναντι 35% για θερμικό κινητήρα. Οι τιμές αυτές αφορούν τη μετατροπή στην αλυσίδα κίνησης, όχι εγγυημένη συνολική απόδοση από την παραγωγή του αλουμινίου έως την ωφέλιμη ώση στο νερό.

Η RiAlAiR εκτιμά ότι εκατομμύρια αλιευτικά καταναλώνουν περίπου 50 δισεκατομμύρια λίτρα καυσίμου ετησίως, μέγεθος που η αρχική ανάλυση συνέκρινε με το 1,2% της παγκόσμιας κατανάλωσης. Πολλά μικρά σκάφη βρίσκονται στη Νότια και Νοτιοανατολική Ασία, συχνά κάτω από 20 κόρους ολικής χωρητικότητας και 12 μέτρα μήκος. Η ανάλυση αναφερόταν επίσης σε δυνητική αγορά 15 εκατομμυρίων σκαφών αναψυχής.

Πηγή: RiAlAiR

Η ηλεκτρική πρόωση χρησιμοποιείται ήδη σε σκάφη, αλλά η αποθήκευση ενέργειας περιορίζει ορισμένες εφαρμογές μεγάλης διάρκειας. Τα συστήματα αλουμινίου-αέρα θα μπορούσαν να διευρύνουν τις επιλογές, εφόσον αποδειχθούν πρακτικά και οικονομικά κατάλληλα.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Η Phinergy είναι ισραηλινή εταιρεία εισηγμένη στο χρηματιστήριο του Τελ Αβίβ. Αναπτύσσει τεχνολογίες μετάλλου-αέρα με αλουμίνιο και ψευδάργυρο, για διαφορετικές χρήσεις. Στοχεύει στην αγορά εφεδρικής ενέργειας, ηλεκτροκίνησης και αποθήκευσης ενέργειας. Εξετάζει επίσης εφαρμογές για τροφοδοσία πλοίων με συστήματα σε εμπορευματοκιβώτια.

Το 2023 ανακοίνωσε συμφωνία για την ανάπτυξη 300 συστημάτων εφεδρικής ενέργειας με την ινδική Indus Towers. Είχε επίσης ολοκληρώσει επιτυχημένη πιλοτική δοκιμή με τη Cellnex, η οποία ανακοινώθηκε τον Νοέμβριο του 2022. Για την περίοδο του 2023 αναφέρονταν επίσης δοκιμές με εταιρεία κέντρων δεδομένων.

Παρουσιάστηκε επίσης πρωτότυπο επιβατικού ηλεκτρικού αυτοκινήτου Tata στην Auto Expo τον Ιανουάριο του 2023. Η Ινδία αποτελεί βασικό μέρος της στρατηγικής της. Η Phinergy και η κοινοπραξία της με την Indian Oil είχαν υπογράψει τον Ιούλιο του 2022 μνημόνιο συνεργασίας με τη Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) για έρευνα, πιλοτική παραγωγή πλακών αλουμινίου και ανακύκλωση των υλικών μετά τη χρήση.

5. Log9

Η ινδική Log9 Materials αναπτύσσει κυψέλες και συστήματα μπαταριών ιόντων λιθίου, μαζί με δικό της σύστημα διαχείρισης μπαταριών. Το χαρτοφυλάκιό της περιλαμβάνει επίσης υπερπυκνωτές γραφενίου και κυψέλες καυσίμου αλουμινίου (AFC).

Το 2020 δημοσιεύματα ανέφεραν ομάδα 45 ατόμων που εργαζόταν στην τεχνολογία αλουμινίου-αέρα. Αργότερα παρουσιάστηκαν αναφορές σε πρωτότυπο για μεταφορές τελευταίου μιλίου με στόχο 3.000 χιλιόμετρα πριν από ανεφοδιασμό το 2021. Ο στόχος αυτός αφορούσε ανεφοδιασμό με μεταλλικό καύσιμο και όχι συμβατική ηλεκτρική επαναφόρτιση.

Στην περίοδο της ανάλυσης του 2023 η εταιρεία προέβαλλε κυρίως την ταχεία φόρτιση μπαταριών ιόντων λιθίου. Η ακριβής εμπορική εξέλιξη των προηγούμενων στόχων αλουμινίου-αέρα δεν τεκμηριωνόταν, παρότι η τεχνολογία παρέμενε μέρος της αναπτυξιακής της δραστηριότητας.

Συμπέρασμα

Οι μπαταρίες ή ηλεκτροχημικές γεννήτριες αλουμινίου-αέρα προσφέρουν μια διαφορετική διαδρομή για την ηλεκτροκίνηση και την αποθήκευση ενέργειας. Το στερεό μεταλλικό καύσιμο μπορεί να διευκολύνει τον ανεφοδιασμό και τη μεταφορά ενέργειας. Η πλήρης αξιολόγηση, όμως, πρέπει να περιλαμβάνει την παραγωγή και αναγέννηση του μετάλλου, τις απώλειες και την υποδομή συλλογής.

Στην εικόνα της αγοράς που εξετάζεται το 2023, πολλές εφαρμογές βρίσκονται ακόμη σε στάδιο ανάπτυξης ή πιλοτικών δοκιμών. Η συνεργασία εταιρειών όπως η Tata, η Indian Oil και η Hindalco δείχνει βιομηχανικό ενδιαφέρον, χωρίς να ισοδυναμεί με ευρεία εμπορική υιοθέτηση.

Η τεχνολογία χρειάζεται διαφορετική αλυσίδα εφοδιασμού και ανεφοδιασμού από τις συμβατικές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες. Η ένταξή της σε πολιτικές στήριξης εξαρτάται από τους εκάστοτε κανόνες. Η Ινδία αποτελεί σημαντικό πεδίο συνεργασιών και δοκιμών, με στόχο την ανάπτυξη εγχώριων τεχνολογιών ενέργειας.