Tecnologia de Bateria Alumínio-Ar: Alimentando Veículos Elétricos com Alumínio Reciclado

Pensamento Lateral para Resolver as Limitações dos Veículos Elétricos

Os veículos elétricos (VEs) conquistaram o mercado automotivo, com países como China e Noruega já exibindo forte penetração de mercado. Ao mesmo tempo, a adoção de VEs continua atrasada em muitos países devido a algumas limitações principais:

• Baixa autonomia para modelos de VEs mais baratos.
• Velocidade de carregamento lenta, que combinada com recargas frequentes devido à baixa autonomia pode tornar viagens de longa distância difíceis.
• Preocupação com a capacidade das redes elétricas de suportar a adição de milhões de novos VEs.

Os dois primeiros problemas, autonomia e velocidade de carregamento, são questões que a indústria tenta resolver com novas químicas de bateria, bem como com uma rede de estações de carregamento mais rápida e densa. Mas ainda é um desafio difícil. Detalhamos todas as possíveis vias para novas baterias em nosso artigo “O Futuro do Armazenamento de Energia – Tecnologia de Baterias em Escala de Utilidade“.

Os problemas da rede são agravados pela intermitência da geração de energia renovável. Um aumento de VEs carregando à noite, quando as pessoas retornam do trabalho e deslocamento, não é bem-vindo quando a energia solar já está fora de cena.

Mas um novo conceito poderia resolver todos esses problemas de uma só vez. E se, em vez de escolher entre ICE (Motor de Combustão Interna) & combustível fóssil líquido ou VE & baterias, pudéssemos “reabastecer” os VEs com um combustível totalmente reciclável?

O Potencial Energético do Alumínio

O alumínio é um elemento muito comum na Terra. Na verdade, é o metal mais abundante no planeta, à frente do ferro, e compõe 8% da crosta terrestre. Também é um metal que requer muita eletricidade para sua produção, desde a bauxita bruta até a alumina e, finalmente, o metal alumínio. Isso fez com que o alumínio às vezes fosse referido como “eletricidade congelada”.

Sob sua aparência ordinária e plácida, o alumínio pode ser um metal muito reativo nas circunstâncias certas e tem sido usado em fogos de artifício; o pó de alumínio chegou a alimentar os propulsores sólidos da nave espacial. Na verdade, o alumínio tem 2,5 vezes mais densidade energética que diesel ou gasolina.  Surge então as baterias Alumínio-Ar.

Baterias Alumínio-Ar armazenam e produzem eletricidade através da oxidação e redução do alumínio. Elas fazem o metal alumínio reagir com o ar e oferecem uma das maiores densidades de energia entre todas as tecnologias de bateria atualmente disponíveis. Podem ser oito vezes mais leves & quatro vezes menores que as de íon de lítio.

Baterias Alumínio-Ar não devem ser confundidas com baterias Alumínio-Íon, que são semelhantes às de íon de lítio, apenas usando um metal diferente.

Fonte: Energy Post

Vantagens das Baterias Alumínio-Ar

Como o cátodo é apenas oxigênio do ar ambiente, não há necessidade de um cátodo metálico, tornando a bateria muito mais leve que seus concorrentes.

Outra vantagem é que ela é essencialmente um “motor elétrico” que consome alumínio em vez de óleo e não perde tensão ao descarregar, como os sistemas de bateria fazem.

A limitação é que isso consome alumínio e não pode ser recarregado simplesmente conectando a bateria. Portanto, é mais semelhante em seus princípios a uma bateria AA comum do que a uma bateria de íon de lítio. Assim, requer um sistema de troca de bateria, que leva cerca de 90 segundos, em vez de reabastecimento de combustível líquido ou recarga elétrica de 10‑15 minutos.

Uma alternativa também pode ser usar uma combinação de baterias Alumínio-Ar + baterias recarregáveis, permitindo uso flexível de recarga direta ou propulsão alimentada por alumínio conforme a necessidade, semelhante a um veículo híbrido, mas sem nenhum combustível fóssil.

Vantagens da Infraestrutura

Um forte ponto a favor das baterias Alumínio-Ar é que já existe uma indústria bem estabelecida, eficiente e em escala para reciclagem de alumínio — algo que ainda falta gravemente nas baterias de íon de lítio.

Isso também significa que, para obter o material base, a indústria de baterias Alumínio-Ar poderia obter seu material a partir de alumínio sucateado de edifícios antigos, máquinas ou aviões e gerar energia simultaneamente. No geral, o sistema não requer recursos críticos/poluentes/expensivos como lítio, níquel, cobalto ou minerais de terras raras.

Como mencionado acima, a troca de bateria também significa que não há pressão sobre a rede elétrica para que o recarregamento seja feito instantaneamente quando os VEs chegam à estação de recarga/combustível. Em vez disso, a regeneração do alumínio e a recarga das baterias podem ser feitas com energia renovável quando há excedente de produção.

Por fim, não só o metal alumínio pode ser regenerado com energia verde quando conveniente, como também pode ser armazenado facilmente sem muito custo, pois é um metal sólido estável e não tóxico que não oxida muito. Assim, a energia pode ser armazenada em estoques de alumínio por longos períodos, a um custo de armazenamento muito menor do que com baterias, amônia ou hidrogênio.

O transporte em massa de alumínio também não requer infraestrutura específica como o hidrogênio e pode ser feito por caminhões ou trens comuns.

Custo do Alumínio- Fonte: RiAlAiR

Desvantagens das Baterias Alumínio-Ar

Uma limitação das baterias Alumínio-Ar é a necessidade de uma rede densa de estações de troca de baterias. Devido ao problema da falta de padronização dos VEs e aos custos de construção de uma rede suficientemente densa, a troca de baterias tem sido frequentemente uma ideia fracassada. Isso é ainda menos provável de ter sucesso para conceitos de baterias tradicionais, já que a indústria de VEs está avançando para “baterias estruturais” integradas ao chassi do veículo.

Algumas empresas (veja abaixo) estão trabalhando na troca de baterias para baterias alumínio-ar de forma que possa ser feita manualmente, reduzindo drasticamente a complexidade tecnológica e a necessidade de uma estação de troca de baterias cara, com automação de entrega mais simples, como para botijões de propano, suficiente para realizar o trabalho. De qualquer forma, será necessário implementar uma infraestrutura para coletar e reconstruir/recarregar as baterias usadas.

De modo geral, o conceito não é novo e foi inicialmente idealizado na década de 1960. Na época, a toxicidade do eletrólito bloqueou o progresso dessa tecnologia. Outros problemas técnicos também podem ser significativos, principalmente relacionados ao cátodo de ar:

“A eficiência lenta da reação de redução de oxigênio é a barreira para sua aplicação. Outros problemas incluem a reação do CO2 com o eletrólito alcalino produzindo precipitados de carbonato, evaporação da água para o ar aberto [secagem do eletrólito] e penetração do eletrólito nos poros do cátodo de ar.” Fonte: Automotive Logistics

Empresas de Baterias Alumínio-Ar

1. Aluma Power

Aluma Power é uma empresa canadense localizada nas terras da Primeira Nação Aamjiwnaang.

Aluma Power prevê uma eficiência de ciclo completo de 43% e 700% de eficiência quando o alumínio é primeiro usado em outras aplicações como a construção da estrutura de carros, edifícios, aviões, estufas, barcos, etc., antes de ser reciclado em combustível.

Fonte: Aluma

A abordagem única da Aluma Power foca em um método mecânico para mitigar as limitações das baterias Alumínio-Ar, como corrosão e desgaste do ânodo, girando o ânodo. Esse design pode usar qualquer alumínio sucateado, incluindo blocos de motor fundidos ou latas de refrigerante. Está documentado na Patente dos EUA US10978758B2.

O disco de combustível pode ser trocado em poucos minutos e dura até 130 horas de consumo.

Fonte: Aluma

A empresa afirma que seu sistema de disco permite 70% menos custos de capital em comparação com concorrentes e menores custos de mão de obra para “armazenamento como serviço”.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

A Métalectrique na França e sua subsidiária no Reino Unido, MAL, estão desenvolvendo baterias Alumínio-Ar. A principal propriedade intelectual da empresa é uma química proprietária de eletrólito que, segundo alegações, reduz os problemas de corrosão do ânodo e bloqueio de poros.

O site da empresa está um pouco vazio, contendo principalmente alguns links de artigos de notícias e o anúncio de um futuro lançamento de produto em 2024. Isso pode ser um pouco preocupante, considerando um anúncio anterior para um lançamento no quarto trimestre de 2021.

A empresa parece focar em 3 diferentes conceitos de produto:

• Um extensor de autonomia de 300 milhas para VEs, em discussão com 2 grandes empresas automotivas.
• Uma bateria de VE com autonomia de 1.500 milhas. A MAL assinou um contrato de vários milhões de libras com a Austin Electric para produção em massa dessas baterias no Reino Unido.
• Kit de conversão de £3.500 transformando carros a combustível regular em híbridos.

A MAL afirma que a fabricação de sua bateria custa apenas $36/kWh comparado a cerca de $180/kWh para baterias de íon de lítio. Incluindo a amortização da bateria, o custo de condução seria £0,08 por milha, em vez de £0,50 por milha para íon de lítio.

A tecnologia também poderia ser aplicada a aviões, baterias de defesa e energia remota em ilhas.

3. RiAlAiR

A empresa está focada na produção de baterias Alumínio-Ar para a indústria de barcos e pesca. A empresa oferece um serviço de assinatura para suas baterias, reduzindo os custos iniciais e ajudando a diminuir a poluição e os altos custos de combustível.

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.

O foco em usuários profissionais de barcos, como barcos de pesca e táxis aquáticos, significa que o argumento econômico de combustível mais barato tem grande apelo, e o caso de negócio não precisa depender de argumentos de energia verde, mas simplesmente de maior lucratividade.

A mudança de combustível fóssil para um barco movido a eletricidade também abre a possibilidade de complementar o suprimento de energia com painéis solares ou turbinas eólicas no próprio barco, aumentando ainda mais a economia de combustível e a autonomia do barco.

Fonte: RiAlAiR

Por fim, um trem de potência elétrica é mais eficiente para propulsão de barcos, com 92% da energia convertida em empuxo, em vez de apenas 35% para barcos movidos a combustível (a diferença provém de perdas térmicas e mecânicas nos motores de combustão interna).

Atualmente, milhões de barcos de pesca consomem 50 bilhões de litros de combustível por ano, representando 1,2% do consumo global de combustível, com a maioria tendo tonelação abaixo de 20 toneladas e menos de 12 metros de comprimento, principalmente localizados na Ásia. Existem também 15 milhões de barcos recreativos que têm potencial para serem convertidos para propulsão elétrica mais verde.

Fonte: RiAlAiR

Embora a propulsão elétrica tenha sido inviável para barcos, a limitação sempre foi a densidade de energia das baterias. Isso é algo que os designs modernos de Alumínio-Ar poderiam resolver, potencialmente criando um nicho, porém lucrativo, de mercado para essas baterias.

4. Phinergy (PNRG.TA)

A Phinergy é a única empresa envolvida em tecnologia Alumínio-Ar que conseguimos encontrar e que também está listada publicamente. A empresa israelense está desenvolvendo baterias tanto de alumínio quanto de zinco. Ela tem como alvo o mercado de reserva de energia, mobilidade/VEs e armazenamento de energia. Também está analisando o potencial para energia marinha, com baterias em contêineres.

A empresa assinou recentemente um acordo para fornecer 300 sistemas de reserva de energia à empresa de telecomunicações indiana Indus Power, bem como um teste bem-sucedido com a Cellnex, outra empresa de telecomunicações. Também está testando seu sistema com uma empresa líder de data centers em nuvem.

Também exibiu um protótipo de veículo de passageiros elétrico Tata em janeiro de 2023. A Índia está no centro da estratégia de exportação da empresa, tendo assinado um acordo para construir um ecossistema com Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), um dos maiores fabricantes de alumínio da Índia.

5. Log9

Esta empresa indiana é a primeira fabricante indígena de células de bateria de íon de lítio, que também produz seu próprio sistema de gerenciamento de bateria. A empresa produz baterias, ultracapacitores de grafeno e Células de Combustível de Alumínio (AFC).

A empresa foi relatada em 2020 como tendo uma equipe de 45 pessoas trabalhando em baterias Alumínio-Ar. Também discutiu um protótipo de veículo de entrega de última milha capaz de percorrer 3.000 km com uma única “carga” em 2021.

Mais recentemente, a empresa parece ter se concentrado principalmente em baterias de íon de lítio de carregamento rápido, portanto não está claro se seus objetivos para Alumínio-Ar estão sendo alcançados, mas a tecnologia ainda aparece de forma proeminente na página inicial de seu site.

Conclusão

Baterias Alumínio-Ar, ou talvez células de combustível de alumínio seja um termo melhor, são uma alternativa muito interessante à abordagem convencional de tecnologia de VEs e baterias.  Ao fornecer um combustível sólido metálico, poderia contornar a maioria dos obstáculos à adoção de VEs, bem como resolver o problema de gerenciar a intermitência da energia renovável ao “armazená‑la” em alumínio sólido reciclado.

Por enquanto, a tecnologia ainda está em sua infância, sem que nenhuma das maiores corporações ou empresas de baterias pareça estar trabalhando nela.  Isso se deve em parte ao fato de o conceito se afastar radicalmente da sabedoria convencional na indústria de VEs e exigir um conjunto de habilidades e processos de fabricação completamente diferentes.

Também porque a tecnologia tende a cair nas lacunas das políticas e subsídios verdes, não atendendo nem aos requisitos da tecnologia de células de combustível de hidrogênio nem às políticas de baterias recarregáveis/VEs. Parece ser a mais bem recebida na Índia, com o país ansioso para alcançar a China em tecnologia de baterias e energia verde.