Baterías de aluminio-aire: vehículos eléctricos con aluminio reciclado

Nuevas formas de abordar las limitaciones de los vehículos eléctricos

Los vehículos eléctricos han revolucionado el mercado automotriz, con países como China y Noruega ya mostrando una fuerte penetración. Al mismo tiempo, la adopción de VE sigue rezagada en muchos países debido a algunas limitaciones clave:

• Baja autonomía para los modelos de VE más económicos.
• Velocidad de carga lenta, que combinada con la necesidad de recargas frecuentes por la baja autonomía puede dificultar los viajes de larga distancia.
• Preocupación sobre la capacidad de las redes eléctricas para manejar la incorporación de millones de nuevos VE.

La industria intenta mejorar la autonomía y la velocidad de carga mediante nuevas químicas de baterías y redes más densas de cargadores rápidos. Los desafíos siguen siendo importantes. Examinamos distintas tecnologías en el artículo «El futuro de la movilidad: tecnología de baterías».

La producción variable de energía renovable también exige planificación. Cuando muchas personas cargan sus vehículos al regresar del trabajo y disminuye la generación solar, puede aumentar la demanda sobre las redes locales.

Otra posibilidad es utilizar un combustible metálico reciclable. En lugar de elegir únicamente entre motores de combustión con combustible líquido y vehículos con baterías recargables, se podrían «reabastecer» vehículos eléctricos con aluminio.

El Potencial Energético del Aluminio

El aluminio es el metal más abundante de la corteza terrestre, de la que representa alrededor del 8 %. Su fabricación, desde la bauxita hasta la alúmina y después el metal, requiere mucha energía. Por eso se denomina a veces «electricidad congelada».

El aluminio puede ser muy reactivo en las condiciones adecuadas. Su polvo se utiliza en fuegos artificiales y formaba parte del combustible sólido de los propulsores del transbordador espacial. El contenido de energía química del metal por volumen puede ser aproximadamente 2,5 veces el del diésel o la gasolina. Esto no equivale a la densidad de energía eléctrica aprovechable de un sistema completo de baterías.

Las baterías de aluminio-aire generan electricidad al oxidarse el aluminio en el ánodo y reducirse el oxígeno del aire en el cátodo. La tecnología puede ofrecer una alta densidad energética. RiAlAiR describe sus sistemas como hasta ocho veces más ligeros y cuatro veces más pequeños que las soluciones de iones de litio utilizadas en su comparación. Es una afirmación del fabricante, no una garantía universal para todas las baterías.

Las baterías de aluminio-aire no deben confundirse con las baterías de iones de aluminio, que emplean otro mecanismo electroquímico con iones de aluminio como portadores de carga.

Fuente: Energy Post

Ventajas de las Baterías Aluminio‑Aire

El oxígeno se obtiene del aire, en lugar de almacenar todo el material activo del cátodo dentro de la batería. El cátodo de aire sigue necesitando una estructura conductora y un catalizador. Esto puede reducir el peso.

El sistema es un generador electroquímico que consume aluminio y suministra electricidad a un motor. La estabilidad de la tensión depende del diseño y la carga; no se mantiene automáticamente constante durante toda la descarga.

Los sistemas acuosos de este tipo no se recargan simplemente enchufándolos. Hay que sustituir los ánodos consumidos y procesar los productos de reacción para regenerar el metal. MAL describió un objetivo de sustitución de unos 90 segundos, no un tiempo universal. El proceso difiere tanto del repostaje líquido como de la recarga rápida de 10–15 minutos.

Una opción es combinar sistemas de aluminio-aire con baterías recargables. Así se podría utilizar electricidad de la red o aluminio como portador de energía según las necesidades, de forma similar a un híbrido sin combustible fósil a bordo.

Ventajas de la Infraestructura

Una ventaja es la industria consolidada de reciclaje de chatarra de aluminio. También se reciclan baterías de iones de litio, aunque las cadenas de recogida y los procesos son distintos.

La chatarra debidamente procesada de edificios, máquinas o aviones puede servir de materia prima. El ánodo de aluminio no necesita litio, níquel ni cobalto. Sin embargo, refundir chatarra metálica es distinto de regenerar aluminio a partir de los productos de oxidación de la batería, proceso que requiere un aporte considerable de energía.

La sustitución del ánodo puede desplazar la demanda energética del punto de abastecimiento a la producción y regeneración del aluminio. Estos procesos se pueden programar cuando haya energía renovable disponible. La demanda no desaparece: cambia de lugar y de momento.

El aluminio es un sólido estable con una capa protectora de óxido que limita la oxidación posterior. Puede almacenarse durante largos períodos. El coste total frente a baterías, amoníaco o hidrógeno depende de toda la cadena energética y de la aplicación.

El aluminio sólido puede transportarse en camiones o trenes convencionales, sin la misma infraestructura presurizada o criogénica que necesitan algunas soluciones de hidrógeno.

Coste del aluminio – Fuente: RiAlAiR

Desventajas de las Baterías Aluminio‑Aire

La sustitución de ánodos necesita distribución y recogida organizadas. La falta de estandarización y los costes de infraestructura han dificultado varios proyectos de intercambio de baterías. Las baterías estructurales integradas en el chasis pueden complicar el cambio de conjuntos completos, pero no hacen inviable toda forma de sustitución de ánodos.

Algunas empresas desarrollan discos sustituibles manualmente. Esto puede reducir la necesidad de estaciones complejas y permitir sistemas de distribución más sencillos, similares al intercambio de bombonas de gas. Sigue siendo necesario recoger el material usado y regenerar el metal con aporte de energía.

Las baterías de aluminio-aire ya se estudiaban en la década de 1960. Además de las propiedades y la seguridad del electrolito, la corrosión del ánodo, la formación indeseada de hidrógeno y la lenta reducción de oxígeno limitan la tecnología:

«La lentitud de la reacción de reducción de oxígeno es una barrera para la aplicación. Otros problemas incluyen la reacción del dióxido de carbono con el electrolito alcalino, que forma precipitados de carbonato, la evaporación del agua [secado del electrolito] y la penetración del electrolito en los poros del cátodo de aire». – Fuente: Automotive Logistics

Empresas de Baterías Aluminio‑Aire

1. Aluma Power

AlumaPower es una empresa canadiense con operaciones en tierras de la Primera Nación Aamjiwnaang, en Sarnia.

AlumaPower divulgó una eficiencia estimada del ciclo completo del 43 % y también describió un escenario del «700 %», en el que el aluminio se utiliza primero en coches, edificios, aviones, invernaderos o barcos antes de convertirse en combustible. La segunda cifra no es una eficiencia convencional de conversión energética: reutilizar materiales no crea energía y regenerar aluminio requiere energía.

Fuente: Aluma

AlumaPower utiliza un ánodo giratorio para gestionar la corrosión y el desgaste desigual. Las aleaciones debidamente procesadas pueden proceder, por ejemplo, de bloques de motor refundidos o latas de bebidas. El diseño se describe en la patente estadounidense US10978758B2.

Según datos históricos de la empresa, el disco de combustible puede sustituirse en minutos y durar hasta 130 horas, dependiendo de la carga y del diseño.

Fuente: Aluma

La empresa calculaba un coste de capital un 70 % inferior al de las soluciones utilizadas en su comparación, además de menores costes laborales en un modelo de almacenamiento como servicio. Son estimaciones de la propia empresa.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique tiene su origen en Francia, mientras que la actividad de MAL Research & Development está actualmente radicada en el Reino Unido. La empresa describe una química propia de electrolito destinada a reducir la corrosión del ánodo y la obstrucción de poros.

El sitio web de la empresa mostraba, en el material examinado en 2023, principalmente enlaces a noticias y un lanzamiento previsto para 2024. Anteriormente se había divulgado un lanzamiento previsto para el cuarto trimestre de 2021. Los planes de lanzamiento deben distinguirse de las entregas comerciales documentadas.

La empresa describía tres conceptos de producto:

• Un extensor de autonomía para vehículos eléctricos de unas 300 millas, aproximadamente 480 kilómetros adicionales. La empresa afirmaba discutir el concepto con dos grandes fabricantes.
• Un sistema con una autonomía declarada de 1.500 millas, unos 2.400 kilómetros. Se informó de un contrato de varios millones de libras con Austin Electric para una producción prevista en el Reino Unido; el contrato por sí solo no demuestra que comenzara esa producción.
• Kits de conversión de 3.500 libras que, según el plan divulgado, transformarían vehículos convencionales de combustible en híbridos.

MAL divulgó históricamente un coste de fabricación de 36 dólares/kWh, frente a unos 180 dólares/kWh para la solución de iones de litio utilizada como comparación. Incluyendo la amortización, estimaba 0,08 libras por milla, frente a 0,50 libras por milla. Son los cálculos de la empresa en aquel momento. También se propuso la tecnología para aviones, aplicaciones de defensa y suministro de electricidad en islas remotas.

3. RiAlAiR

RiAlAiR desarrolla sistemas de aluminio-aire para embarcaciones y pesca. Su modelo de suscripción pretende reducir la inversión inicial y sustituir parte del consumo de combustibles fósiles.

Para operadores profesionales, como pescadores y servicios de taxi acuático, unos menores costes operativos pueden ser un argumento importante junto con la reducción de emisiones locales.

Las embarcaciones eléctricas también pueden complementar su suministro con paneles solares o aerogeneradores, según su diseño y perfil de uso.

Fuente: RiAlAiR

RiAlAiR compara sistemas eléctricos de propulsión con una eficiencia de alrededor del 92 % con motores de combustión en torno al 35 %. La comparación se refiere al tren motriz, no a toda la cadena energética del aluminio ni a la conversión en empuje por la hélice.

RiAlAiR estima un consumo de unos 50.000 millones de litros anuales para los barcos de pesca, principalmente en Asia. Describe muchas embarcaciones como menores de 12 metros y con un arqueo bruto inferior a 20, una medida de volumen y no un peso de 20 toneladas. La evaluación original del mercado también citaba el 1,2 % del consumo mundial de combustible y unos 15 millones de embarcaciones de recreo como mercado potencial.

Fuente: RiAlAiR

Las embarcaciones eléctricas ya existen, pero el peso y la densidad energética de las baterías limitan algunas aplicaciones. Los sistemas de aluminio-aire podrían ampliar las opciones donde la sustitución de ánodos y la recogida resulten económicamente viables.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy es una empresa israelí que cotiza en la bolsa de Tel Aviv desde 2021. Desarrolla sistemas de aluminio y zinc para energía de respaldo, movilidad y vehículos eléctricos y almacenamiento de energía. También estudia aplicaciones marítimas con sistemas en contenedores.

En 2023, la empresa anunció un acuerdo para 300 sistemas de respaldo con Indus Towers, en la India. Cellnex ya había descrito en noviembre de 2022 un proyecto piloto con la tecnología de Phinergy. Phinergy también informó de pruebas con una gran empresa de centros de datos en la nube.

La empresa presentó un prototipo Tata Tiago con la tecnología en enero de 2023. La India es un mercado importante. En julio de 2022, Phinergy, la asociación IndianOil–Phinergy IOP y el fabricante de aluminio Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) firmaron un memorando de entendimiento sobre placas de aluminio, desarrollo de pilotos y reciclaje para sistemas de aluminio-aire.

5. Log9

La empresa india Log9 desarrolla celdas y sistemas de gestión de baterías. También trabaja con ultracondensadores de grafeno y celdas de combustible de aluminio, AFC.

En 2020 se informó de que la empresa tenía un equipo de unas 45 personas dedicado a la tecnología de aluminio-aire.

En 2021 también describió un prototipo para entregas de última milla con una autonomía declarada de 3.000 kilómetros por reposición de metal, no por una recarga eléctrica convencional.

En el panorama examinado en 2023, la empresa destacaba las baterías de iones de litio de carga rápida. La evolución comercial de los anteriores objetivos de aluminio-aire era menos clara, aunque la tecnología seguía formando parte de su trabajo de desarrollo.

Conclusión

Las baterías de aluminio-aire, o generadores electroquímicos con aluminio como combustible, ofrecen otra vía para la movilidad eléctrica y el almacenamiento. El combustible metálico sólido puede facilitar el transporte y la reposición de energía. La evaluación debe incluir producción y regeneración del metal, pérdidas e infraestructura de recogida.

En 2023, muchas aplicaciones seguían en desarrollo o en pruebas piloto. Las colaboraciones con Tata, Indian Oil y Hindalco muestran interés industrial, sin que eso equivalga a una adopción comercial generalizada.

La tecnología necesita cadenas de suministro y procesos distintos de los de las baterías recargables convencionales. Las ayudas públicas dependen de las reglas de cada programa. La India es un mercado importante para desarrollar y probar tecnologías energéticas nacionales.