Tecnologia delle Batterie Alluminio-Aria: Alimentare i VE con Alluminio di Scarto

Pensiero Laterale per Risolvere le Limitazioni dei VE

EV hanno conquistato il mercato automobilistico, con paesi come la Cina e la Norvegia che vantano già una forte penetrazione di mercato. Allo stesso tempo, l’adozione dei VE continua a rimanere indietro in molti paesi a causa di alcune limitazioni chiave:

• Autonomia ridotta per i modelli di VE più economici.
• Velocità di ricarica lenta, che combinata con la ricarica frequente a causa della bassa autonomia può rendere difficile il viaggio a lunga distanza.
• Preoccupazione per la capacità delle reti elettriche di gestire l’aggiunta di milioni di nuovi VE.

I primi 2 problemi, autonomia e velocità di ricarica, sono qualcosa che l’industria sta cercando di risolvere con nuove chimiche delle batterie, così come con una rete di stazioni di ricarica più veloce e più densa. Ma è ancora una questione difficile da risolvere. Abbiamo dettagliato tutte le potenziali strade per nuove batterie nel nostro articolo “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.

I problemi della rete sono aggravati dall’intermittenza della generazione di energia rinnovabile. Un picco di VE in ricarica la sera, quando le persone tornano a casa dal lavoro e dal pendolarismo, non è ben accetto quando l’energia solare è già fuori gioco.

Ma un nuovo concetto potrebbe risolvere tutti questi problemi contemporaneamente. E se invece di scegliere tra ICE (motore a combustione interna) e combustibile fossile liquido o VE e batterie, potessimo “rifornire” i VE con un combustibile completamente riciclabile?

Il Potenziale Energetico dell’Alluminio

L’alluminio è un elemento molto comune sulla Terra. In effetti, è il metallo più comune al mondo, davanti al ferro, e costituisce l’8% della crosta terrestre. È anche un metallo che richiede molta elettricità per la sua produzione, dal minerale di bauxite grezzo all’allumina e poi al metallo di alluminio. Questo ha portato l’alluminio a volte a essere definito “elettricità congelata”.

Sotto il suo aspetto ordinario e placido, l’alluminio può essere un metallo molto reattivo nelle giuste circostanze ed è stato usato nei fuochi d’artificio; la polvere di alluminio alimentava persino i propulsori a razzo solidi dello shuttle spaziale. In effetti, l’alluminio è 2,5 volte più denso energeticamente del diesel o della benzina. Entra in gioco le batterie Alluminio-Aria.

Le batterie Alluminio-Aria immagazzinano e producono elettricità attraverso l’ossidazione e la riduzione dell’alluminio. Fanno reagire il metallo di alluminio con l’aria e offrono una delle più alte densità energetiche di tutte le tecnologie di batterie attualmente disponibili. Possono essere otto volte più leggere e quattro volte più piccole rispetto al litio‑ione.

Le batterie Alluminio-Aria non vanno confuse con le batterie Alluminio‑Ione, che sono simili al litio‑ione, ma utilizzano un metallo diverso.

Vantaggi delle Batterie Alluminio-Aria

Poiché il catodo è semplicemente ossigeno dall’aria ambiente, non è necessario un catodo metallico, rendendo la batteria molto più leggera rispetto ai concorrenti.

Un altro vantaggio è che è essenzialmente un “motore elettrico” che consuma alluminio invece di petrolio e non perde tensione durante la scarica come fanno i sistemi a batteria.

La limitazione è che questo consuma alluminio e non può essere ricaricato semplicemente collegando la batteria. Quindi, è più simile nei suoi principi a una comune batteria AA rispetto a una batteria al litio‑ione. Pertanto, richiede un sistema di scambio della batteria, che richiede circa 90 secondi, invece di un rifornimento di carburante liquido o di una ricarica elettrica di 10‑15 minuti.

Un’alternativa può essere anche utilizzare una combinazione di batterie Alluminio-Aria + batterie ricaricabili, consentendo un uso flessibile di ricarica diretta o propulsione alimentata da alluminio a seconda delle necessità, simile a un veicolo ibrido, ma senza alcun combustibile fossile.

Vantaggi dell’Infrastruttura

Un elemento forte a favore delle batterie Alluminio-Aria è che esiste già un’industria ben consolidata, efficiente e su larga scala per il riciclaggio dell’alluminio—qualcosa che ancora manca drasticamente nelle batterie al litio‑ione.

Significa anche che, per l’approvvigionamento della materia prima, l’industria delle batterie Alluminio-Aria potrebbe ottenere il materiale da alluminio di scarto recuperato da vecchi edifici, macchine o aeroplani e generare energia simultaneamente. In generale, il sistema non richiede risorse critiche/inquinanti/costose come litio, nichel, cobalto o minerali delle terre rare.

Come accennato sopra, lo scambio della batteria significa anche che non c’è pressione sulla rete elettrica affinché la ricarica avvenga istantaneamente quando i VE arrivano alla stazione di ricarica/rifornimento. Invece, la rigenerazione dell’alluminio e la ricarica delle batterie possono essere effettuate con energia rinnovabile quando è prodotta in eccesso.

Infine, non solo il metallo di alluminio può essere rigenerato con energia verde quando è conveniente, ma può anche essere facilmente immagazzinato senza grandi costi, poiché è un metallo solido stabile e non tossico che non si ossida molto. Pertanto, l’energia può essere immagazzinata tramite scorte di alluminio per lunghi periodi, a un costo di stoccaggio molto più basso rispetto a batterie, ammoniaca o idrogeno.

Il trasporto di massa dell’alluminio non richiede infrastrutture specifiche come l’idrogeno e può essere effettuato con normali camion o treni.

Svantaggi delle Batterie Alluminio-Aria

Una limitazione delle batterie Alluminio-Aria è la necessità di una rete densa di stazioni di scambio batterie. A causa del problema della mancanza di standardizzazione dei VE e dei costi per costruire una rete sufficientemente densa, lo scambio di batterie è spesso stato un’idea fallita. Questo è ancora meno probabile che abbia successo per i concetti di batterie tradizionali, poiché l’industria dei VE si sta orientando verso le “batterie strutturali” integrate nel telaio del veicolo.

Alcune aziende (vedi sotto) stanno lavorando sullo scambio di batterie per le batterie Alluminio-Aria in modo che possa essere effettuato a mano, riducendo notevolmente la complessità tecnologica e la necessità di una costosa stazione di scambio, con sistemi di consegna più semplici, come per le bombole di propano, sufficienti a svolgere il compito. In ogni caso, sarà necessario creare un’infrastruttura per la raccolta e la ricostruzione/ricarica delle batterie usate.

In generale, il concetto non è nuovo ed è stato immaginato per la prima volta negli anni ’60. All’epoca, la tossicità dell’elettrolita bloccava il progresso di questa tecnologia. Altri problemi tecnici possono essere significativi, soprattutto legati al catodo d’aria:

“L’efficienza lenta della reazione di riduzione dell’ossigeno è la barriera per la sua applicazione. Altri problemi includono la reazione del CO2 con l’elettrolita alcalino che produce precipitati di carbonato, l’evaporazione dell’acqua all’aria aperta [asciugatura dell’elettrolita] e la penetrazione dell’elettrolita nei pori del catodo d’aria.” – Fonte: Automotive Logistics

Aziende di Batterie Alluminio-Aria

1. Aluma Power

Aluma Power è un’azienda canadese situata sulle terre della Prima Nazione Aamjiwnaang.

Aluma Power prevede un’efficienza del ciclo completo del 43% e un’efficienza del 700% quando l’alluminio è prima utilizzato per altre applicazioni come la costruzione del telaio di auto, edifici, aeroplani, serre, barche, ecc., prima di essere riciclato in carburante.

L’approccio unico di Aluma Power è concentrarsi su un metodo meccanico per mitigare le limitazioni delle batterie Alluminio-Aria, come la corrosione e l’usura dell’anodo, ruotando l’anodo. Questo design può utilizzare qualsiasi alluminio di scarto, inclusi blocchi motore fusi o lattine di soda. È documentato nel brevetto statunitense US10978758B2.

Il disco di carburante può essere cambiato in pochi minuti e dura fino a 130 ore di consumo.

L’azienda afferma che il suo sistema a disco consente costi di capitale inferiori del 70% rispetto ai concorrenti e costi di manodopera più bassi per “storage as a service”.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique in Francia e la sua controllata nel Regno Unito MAL stanno sviluppando batterie Alluminio-Aria. L’IP chiave dell’azienda è una chimica proprietaria dell’elettrolita che si dice riduca i problemi di corrosione dell’anodo e di ostruzione dei pori.

Il sito web dell’azienda è un po’ scarno, con principalmente alcuni link a articoli di notizie e l’annuncio di un futuro rilascio di prodotto nel 2024. Questo potrebbe destare qualche preoccupazione, considerando un annuncio precedente per un lancio nel Q4 2021.

L’azienda sembra concentrarsi su 3 diversi concetti di prodotto:

• Un’estensione di autonomia di 300 miglia per i VE, in discussione con 2 grandi case automobilistiche.
• Una batteria VE con autonomia di 1.500 miglia. MAL ha firmato un accordo da diversi milioni di sterline con Austin Electric per la produzione di massa di queste batterie nel Regno Unito.
• Kit di conversione da £3.500 che trasformano le auto a combustibile tradizionale in ibride.

MAL afferma che la produzione della sua batteria costa solo $36/kWh rispetto a circa $180/kWh per le batterie al litio‑ione. Inclusa l’ammortizzazione della batteria, il costo di guida scenderebbe a £0,08/miglio, invece di £0,50/miglio per il litio‑ione.

La tecnologia potrebbe essere applicata anche a aerei, batterie per la difesa e energia remota su isole.

3. RiAlAiR

L’azienda si concentra sulla produzione di batterie Alluminio-Aria per l’industria delle barche e della pesca. L’azienda offre un servizio in abbonamento per le sue batterie, riducendo i costi iniziali e contribuendo a ridurre l’inquinamento e i costi elevati del carburante.

L’attenzione verso gli utenti professionali di barche, come le barche da pesca e i taxi marittimi, significa che l’argomento economico del carburante più economico può avere un forte impatto, e il caso di business non deve basarsi su argomenti di energia verde, ma semplicemente su una maggiore redditività.

Il passaggio dal combustibile fossile a una barca alimentata elettricamente apre anche la possibilità di integrare l’approvvigionamento energetico con pannelli solari o turbine eoliche sulla stessa barca, aumentando ulteriormente l’economia del carburante e l’autonomia della barca.

Infine, una catena di potenza elettrica è più efficiente per la propulsione delle barche, con il 92% dell’energia convertita in spinta, rispetto al solo 35% per le barche a combustibile (la differenza deriva dalle perdite termiche e meccaniche nei motori a combustione interna).

Attualmente, milioni di barche da pesca consumano 50 miliardi di litri di carburante all’anno, rappresentando l’1,2% del consumo globale di carburante, con la maggior parte di tonnellaggio inferiore a 20 tonnellate e meno di 12 metri di lunghezza, per lo più situate in Asia. Ci sono anche 15 milioni di barche ricreative che hanno il potenziale per essere convertite a una propulsione elettrica più verde.

Mentre la propulsione elettrica è stata un’opzione non avviata per le barche, la limitazione è sempre stata la densità energetica delle batterie. Questo è qualcosa che i moderni progetti Alluminio-Aria potrebbero risolvere, creando potenzialmente un mercato di nicchia ma redditizio per queste batterie.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy è l’unica azienda coinvolta nella tecnologia Alluminio-Aria che abbiamo trovato e che è anche quotata in borsa. L’azienda israeliana sta sviluppando sia batterie al alluminio sia batterie a base di zinco. Mira al mercato dei backup di energia, mobilità/VE e stoccaggio di energia. Sta anche valutando il potenziale per energia marittima, con batterie containerizzate.

L’azienda ha recentemente firmato un accordo per fornire 300 sistemi di backup energetico alla società di telecomunicazioni indiana Indus Power, così come un test di successo con Cellnex, un’altra società di telecomunicazioni. Sta anche testando il suo sistema con una importante azienda di data center cloud.

Ha anche mostrato un prototipo di veicolo passeggeri elettrico Tata nel gennaio 2023. L’India è al centro della strategia di esportazione dell’azienda, avendo firmato un accordo per costruire un ecosistema con Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), uno dei più grandi produttori di alluminio in India.

5. Log9

Questa azienda indiana è il primo produttore indigeno di celle di batterie al litio‑ione, che produce anche il proprio sistema di gestione della batteria. L’azienda produce batterie, ultracapacitori al grafene e Celle a Combustibile di Alluminio (AFC).

L’azienda è stata segnalata nel 2020 di avere un team di 45 persone che lavorano su batterie Alluminio-Aria. Ha anche discusso un prototipo per un veicolo di consegna dell’ultimo miglio in grado di percorrere 3.000 km con una singola “carica” nel 2021.

Più recentemente, l’azienda sembra essersi principalmente concentrata su batterie al litio‑ione a ricarica rapida, quindi non è chiaro se i suoi obiettivi per le Alluminio-Aria siano stati raggiunti, ma la tecnologia è ancora evidenziata in modo prominente nella home page del suo sito web.

Conclusione

Le batterie Alluminio-Aria, o forse le celle a combustibile di alluminio sarebbero un termine più appropriato, sono un’alternativa molto interessante all’approccio convenzionale alla tecnologia dei VE e delle batterie.  Fornendo un combustibile solido metallico, potrebbe aggirare la maggior parte degli ostacoli all’adozione dei VE, oltre a risolvere il problema della gestione dell’intermittenza dell’energia rinnovabile “immagazzinandola” in alluminio solido riciclato.

Per ora, la tecnologia è ancora nelle sue fasi iniziali, con nessuna delle grandi corporation o aziende di batterie apparentemente impegnata su di essa.  Ciò è in parte dovuto al fatto che il concetto si discosta radicalmente dalla saggezza convenzionale nell’industria dei VE e richiederebbe un set di competenze e processi di produzione completamente diversi.

È anche perché la tecnologia tende a cadere tra le politiche verdi e i sussidi, non corrispondendo né ai requisiti per la tecnologia delle celle a combustibile a idrogeno né alle politiche per le batterie ricaricabili/VE. Sembra essere la più accolta in India, con il paese desideroso di recuperare il ritardo rispetto alla Cina nella tecnologia delle batterie e nell’energia verde.