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

Novas abordagens para 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.

A indústria tenta melhorar a autonomia e a velocidade de recarga com novas químicas de bateria e redes mais densas de carregadores rápidos. Os desafios continuam significativos. Examinamos diferentes tecnologias no artigo “O futuro da mobilidade – tecnologia de baterias”.

A produção variável de energia renovável também exige planejamento. A recarga de muitos veículos ao anoitecer, quando as pessoas voltam do trabalho e a produção solar diminui, pode aumentar a carga sobre redes locais.

Uma alternativa é usar um combustível metálico reciclável. Em vez de escolher apenas entre motores de combustão com combustível líquido e veículos com baterias recarregáveis, seria possível “reabastecer” veículos elétricos com alumínio.

O Potencial Energético do Alumínio

O alumínio é o metal mais abundante na crosta terrestre, da qual representa aproximadamente 8%. Sua produção, da bauxita à alumina e depois ao metal, exige muita energia. Por isso, às vezes é chamado de “eletricidade congelada”.

O alumínio pode ser muito reativo nas condições adequadas. Seu pó é usado em fogos de artifício e foi utilizado no combustível sólido dos propulsores do ônibus espacial. O conteúdo de energia química do metal por volume pode ser cerca de 2,5 vezes o do diesel ou da gasolina. Isso não equivale à densidade de energia elétrica utilizável de um sistema completo de bateria.

Baterias de alumínio-ar produzem eletricidade pela oxidação do alumínio no ânodo e redução do oxigênio do ar no cátodo. A tecnologia pode oferecer alta densidade energética. A RiAlAiR descreve seus sistemas como até oito vezes mais leves e quatro vezes menores que as soluções de íons de lítio usadas em sua comparação. Trata-se de uma afirmação do fabricante, não de uma garantia universal para todos os conjuntos de baterias.

Baterias de alumínio-ar não devem ser confundidas com baterias de íons de alumínio, que empregam outro mecanismo eletroquímico, com íons de alumínio como portadores de carga.

Fonte: Energy Post

Vantagens das Baterias Alumínio-Ar

O oxigênio é obtido do ar, em vez de todo o material ativo do cátodo ficar armazenado na bateria. O cátodo de ar ainda precisa de uma estrutura condutora e de um catalisador. Isso pode reduzir o peso.

O sistema funciona como um gerador eletroquímico que consome alumínio e fornece eletricidade a um motor. A estabilidade da tensão depende do projeto e da carga; ela não permanece automaticamente constante durante toda a descarga.

Sistemas aquosos desse tipo não são recarregados simplesmente conectando-os à tomada. Os ânodos consumidos precisam ser substituídos e os produtos da reação processados para regenerar o metal. A MAL descreveu uma meta de troca em cerca de 90 segundos, e não um tempo universal. O processo difere tanto do abastecimento com líquido quanto da recarga rápida de 10–15 minutos.

Uma opção é combinar o sistema de alumínio-ar com baterias recarregáveis, permitindo usar eletricidade da rede ou alumínio como portador de energia conforme a necessidade, sem exigir combustível fóssil a bordo.

Vantagens da Infraestrutura

Uma vantagem é a existência de uma indústria estabelecida de reciclagem de sucata de alumínio. Baterias de íons de lítio também são recicladas, embora as cadeias de coleta e os processos sejam diferentes.

Sucata adequadamente processada de edifícios, máquinas ou aviões pode servir de matéria-prima. O ânodo de alumínio não exige lítio, níquel ou cobalto. Contudo, refundir sucata metálica é diferente de regenerar alumínio a partir dos produtos de oxidação da bateria, processo que requer grande aporte de energia.

A troca do ânodo pode deslocar a demanda energética do posto de abastecimento para a produção e a regeneração do alumínio. Esses processos podem ser programados quando houver energia renovável disponível. A demanda não desaparece: muda de lugar e de horário.

O alumínio é um sólido estável, protegido por uma camada de óxido que limita a oxidação posterior. Assim, pode ser armazenado por longos períodos. O custo total em comparação com baterias, amônia ou hidrogênio depende de toda a cadeia energética e da aplicação.

O alumínio sólido pode ser transportado em caminhões ou trens comuns, sem a mesma infraestrutura pressurizada ou criogênica exigida por algumas soluções de hidrogênio.

Custo do alumínio – Fonte: RiAlAiR

Desvantagens das Baterias Alumínio-Ar

A troca de ânodos exige distribuição e coleta organizadas. A falta de padronização e o custo da infraestrutura dificultaram diversos projetos anteriores de troca de baterias. Baterias estruturais integradas ao chassi podem complicar a substituição do conjunto completo, mas não tornam inviável toda forma de troca de ânodo.

Algumas empresas desenvolvem discos substituíveis manualmente. Isso pode reduzir a necessidade de estações complexas e permitir equipamentos de distribuição mais simples, semelhantes à troca de botijões de gás. Ainda será necessário coletar o material usado e regenerar o metal com aporte de energia.

Baterias de alumínio-ar já eram estudadas na década de 1960. As propriedades e a segurança do eletrólito são importantes, assim como a corrosão do ânodo, a formação indesejada de hidrogênio e a lentidão da redução de oxigênio:

“A lentidão da reação de redução de oxigênio é uma barreira à aplicação. Outros problemas incluem a reação do dióxido de carbono com o eletrólito alcalino, formando precipitados de carbonato, a evaporação da água [secagem do eletrólito] e a penetração do eletrólito nos poros do cátodo de ar.” Fonte: Automotive Logistics

Empresas de Baterias Alumínio-Ar

1. Aluma Power

A AlumaPower é uma empresa canadense com operações nas terras da Primeira Nação Aamjiwnaang, em Sarnia.

A AlumaPower divulgou uma eficiência estimada de ciclo completo de 43% e também descreveu um cenário de “700%”, no qual o alumínio é usado primeiro em carros, edifícios, aviões, estufas ou barcos antes de virar combustível. O segundo número não pode ser interpretado como eficiência comum de conversão energética: reutilizar materiais não cria energia, e regenerar alumínio exige energia.

Fonte: Aluma

A AlumaPower utiliza um ânodo rotativo para lidar com corrosão e desgaste irregular. Ligas adequadamente processadas podem vir, por exemplo, de blocos de motor refundidos ou latas de bebidas. O projeto está descrito na patente norte-americana US10978758B2.

Segundo informações históricas da empresa, o disco de combustível pode ser substituído em minutos e durar até 130 horas, dependendo da carga e do projeto.

Fonte: Aluma

A empresa estimava uma redução de 70% nos custos de capital em relação às soluções usadas em sua comparação, além de custos menores de mão de obra em um modelo de armazenamento como serviço. São cálculos divulgados pela própria empresa.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

A Métalectrique teve origem na França, enquanto a operação por trás da MAL Research & Development está atualmente sediada no Reino Unido. A empresa descreve uma química própria de eletrólito destinada a reduzir a corrosão do ânodo e o bloqueio dos poros.

O site da empresa apresentava, no material examinado em 2023, sobretudo links para notícias e uma previsão de lançamento em 2024. Anteriormente, a empresa havia divulgado uma previsão de lançamento no quarto trimestre de 2021. Planos de lançamento não equivalem a entregas comerciais comprovadas.

A empresa descrevia três conceitos de produto:

• Um extensor de autonomia para veículos elétricos de aproximadamente 300 milhas, ou 480 quilômetros adicionais. A empresa afirmava discutir o conceito com duas grandes montadoras.
• Um sistema com autonomia declarada de 1.500 milhas, cerca de 2.400 quilômetros. Foi noticiado um contrato de vários milhões de libras com a Austin Electric para produção planejada no Reino Unido; o contrato, por si só, não comprova que essa produção começou.
• Kits de conversão de 3.500 libras que, segundo o plano divulgado, transformariam carros convencionais a combustível em híbridos.

A MAL divulgou historicamente um custo de fabricação de 36 dólares/kWh, contra aproximadamente 180 dólares/kWh para a solução de íons de lítio usada na comparação. Incluindo a amortização da bateria, estimava 0,08 libra por milha, contra 0,50 libra por milha. Esses valores são os cálculos da empresa à época.

A tecnologia também foi proposta para aviação, aplicações de defesa e fornecimento de energia em ilhas remotas.

3. RiAlAiR

A RiAlAiR desenvolve sistemas de alumínio-ar para embarcações e pesca. Sua proposta de assinatura busca reduzir o investimento inicial do cliente e substituir parte do consumo de combustíveis fósseis.

Para operadores profissionais, como pescadores e serviços de táxi aquático, custos operacionais menores podem ser um argumento importante, além da redução de emissões locais.

Embarcações elétricas também podem complementar a energia disponível com painéis solares ou turbinas eólicas, conforme o projeto e o perfil de uso.

Fonte: RiAlAiR

A RiAlAiR compara sistemas de propulsão elétrica com eficiência de aproximadamente 92% a motores de combustão em torno de 35%. Isso se refere ao conjunto motriz, não à eficiência de toda a cadeia do alumínio nem à conversão de energia em empuxo pela hélice.

A RiAlAiR estima que barcos de pesca consumam cerca de 50 bilhões de litros de combustível por ano, principalmente na Ásia. Muitos são descritos como menores que 12 metros e com arqueação bruta inferior a 20, uma medida de volume, e não peso de 20 toneladas. A avaliação original de mercado também citava 1,2% do consumo mundial de combustível e aproximadamente 15 milhões de embarcações de recreio como mercado potencial.

Fonte: RiAlAiR

Embarcações elétricas já existem, mas o peso e a densidade energética das baterias limitam determinadas aplicações. Sistemas de alumínio-ar podem ampliar as opções onde a troca de ânodos e a coleta forem economicamente viáveis.

4. Phinergy (PNRG.TA)

A Phinergy é uma empresa israelense negociada na bolsa de Tel Aviv desde 2021. Desenvolve sistemas de alumínio e zinco voltados a energia de reserva, mobilidade e veículos elétricos e armazenamento de energia. Também estuda aplicações marítimas com sistemas em contêineres.

Em 2023, a empresa anunciou um acordo para 300 sistemas de energia de reserva com a Indus Towers, na Índia. A Cellnex já havia descrito, em novembro de 2022, um projeto-piloto com a tecnologia da Phinergy. A Phinergy também informou testes com uma grande empresa de data centers em nuvem.

A empresa apresentou um protótipo Tata Tiago com a tecnologia em janeiro de 2023. A Índia é um mercado importante. Em julho de 2022, a Phinergy, a parceria IndianOil–Phinergy IOP e a fabricante de alumínio Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) firmaram um memorando de entendimento sobre placas de alumínio, desenvolvimento de pilotos e reciclagem para sistemas de alumínio-ar.

5. Log9

A indiana Log9 desenvolve células e sistemas de gerenciamento de baterias. Também trabalha com ultracapacitores de grafeno e células de combustível de alumínio, AFC.

Em 2020, foi noticiado que a empresa tinha uma equipe de cerca de 45 pessoas dedicada à tecnologia de alumínio-ar. Em 2021, também descreveu um protótipo para entregas na etapa final do transporte, com autonomia declarada de 3.000 quilômetros por reposição de metal, e não por uma recarga elétrica convencional.

No panorama examinado em 2023, a empresa dava grande destaque a baterias de íon de lítio de carregamento rápido. A evolução comercial das metas anteriores de alumínio-ar era menos clara, embora a tecnologia continuasse fazendo parte de seu trabalho de desenvolvimento.

Conclusão

Baterias de alumínio-ar, ou geradores eletroquímicos com combustível de alumínio, oferecem outra via para mobilidade elétrica e armazenamento. O combustível metálico sólido pode facilitar o transporte e a reposição de energia. A avaliação precisa incluir produção e regeneração do metal, perdas e infraestrutura de coleta.

Em 2023, muitas aplicações ainda estavam em desenvolvimento ou em testes-piloto. As parcerias com Tata, Indian Oil e Hindalco mostram interesse industrial, sem que isso represente adoção comercial generalizada.

A tecnologia requer cadeias de fornecimento e processos diferentes dos usados em baterias recarregáveis convencionais. O apoio público depende das regras de cada programa. A Índia é um mercado importante para desenvolver e testar tecnologias energéticas nacionais.