Alüminyum-Hava Pil Teknolojisi: Hurda Alüminyumla EV’leri Güçlendirmek

EV Sınırlamalarını Çözmek İçin Yanal Düşünme

EV’ler otomotiv pazarını fırtına gibi kasıp kavurmuş, Çin ve Norveç gibi ülkeler zaten güçlü pazar penetrasyonu sergiliyor. Aynı zamanda, EV benimsemesi birçok ülkede birkaç temel sınırlama nedeniyle hâlâ geride kalıyor:

• Daha ucuz EV modelleri için düşük menzil.
• Yavaş şarj hızı, düşük menzilden kaynaklanan sık sık şarj ihtiyacıyla birleştiğinde uzun mesafe seyahatini zorlaştırabilir.
• Milyonlarca yeni EV’nin eklenmesiyle güç şebekelerinin bu yükü kaldırabilme konusundaki endişeler.

İlk iki sorun, menzil ve şarj hızı, endüstrinin yeni batarya kimyaları ve daha hızlı ve yoğun bir şarj istasyonu ağıyla çözmeye çalıştığı konular. Ancak bu hâlâ zor bir mesele. Yeni bataryalar için tüm potansiyel yolları, “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” adlı makalemizde detaylandırdık.

Şebeke sorunları, yenilenebilir enerji üretiminin kesintili olmasıyla daha da artıyor. İnsanların işten eve döndükleri akşam saatlerinde EV’lerin şarj talebi, güneş enerjisinin zaten yetersiz olduğu bir zamanda hoş karşılanmıyor.

Ancak yeni bir konsept bu tüm sorunları bir anda çözebilir. İçten yanmalı motor (ICE) ve sıvı fosil yakıt ile EV ve bataryalar arasında seçim yapmak yerine, EV’leri tamamen geri dönüştürülebilir bir yakıtla “yeniden doldurabilir” miyiz?

Alüminyumun Enerji Potansiyeli

Alüminyum, Dünya’da çok yaygın bir elementtir. Aslında, demirden daha yaygın olup, Dünya kabuğunun %8’ini oluşturur. Üretimi ham boksit cevherinden alümina ve ardından alüminyum metaline kadar çok fazla elektrik gerektirir. Bu yüzden alüminyuma bazen “dondurulmuş elektrik” denir.

Alüminyum, sıradan ve sakin görünümünün altında, doğru koşullarda çok reaktif bir metal olabilir ve havai fişeklerde kullanılmıştır; alüminyum tozu uzay mekiği katı roket iticilerini bile güçlendirmiştir. Aslında, alüminyum, dizel veya benzinden 2,5 kat daha enerjik yoğunluğa sahiptir. İşte Alüminyum-Hava bataryaları.

Alüminyum-Hava bataryaları, alüminyumun oksidasyonu ve indirgenmesi yoluyla elektrik depolar ve üretir. Alüminyum metalinin havayla reaksiyona girmesini sağlar ve mevcut batarya teknolojileri arasında en yüksek enerji yoğunluklarından birini sunar. Lityum-İon’dan sekiz kat daha hafif ve dört kat daha küçüktür.

Alüminyum-Hava bataryaları, Alüminyum-İyon bataryaları ile karıştırılmamalıdır; bunlar Lityum-İon’a benzer, ancak farklı bir metal kullanır.

Alüminyum-Hava Avantajları

Katot, ortam havasındaki oksijen olduğu için metal bir katot gerektirmez; bu da bataryayı rakiplerinden çok daha hafif yapar.

Bir diğer avantaj, aslında alüminyum tüketen bir “elektrik motoru” olmasıdır; yağ yerine alüminyum kullanır ve batarya sistemlerinin aksine deşarj olurken voltaj kaybı yaşanmaz.

Bu teknolojinin sınırlaması, alüminyum tüketmesi ve bataryayı sadece prize takarak şarj edilememesidir. Bu yüzden bir AA piline daha çok benzer; lityum-iyon bataryasına değil. Bu nedenle, batarya değişim sistemi gerekir; bu işlem yaklaşık 90 saniye sürer, sıvı yakıt doldurma ya da 10-15 dakikalık elektrikli şarjdan farklıdır.

Alternatif olarak, Alüminyum-Hava bataryaları ile şarj edilebilir bataryaların karışımını kullanmak da mümkündür; bu, doğrudan şarj ya da alüminyum destekli sürüşün ihtiyaca göre esnek kullanımını sağlar, hibrit bir araca benzer ancak fosil yakıt içermez.

Altyapı Avantajları

Alüminyum-Hava bataryalarının güçlü bir yönü, alüminyum geri dönüşümü için zaten iyi kurulmuş, verimli ve ölçeklendirilmiş bir endüstrinin bulunmasıdır; bu, Lityum-İon bataryalarında hâlâ ciddi eksik bir unsurdur.

Ayrıca, temel malzeme temini açısından Alüminyum-Hava batarya sektörü, eski binalardan, makinelerden veya uçaklardan kurtarılan hurda alüminyumdan malzeme temin edebilir ve aynı anda enerji üretebilir. Genel olarak sistem, lityum, nikel, kobalt veya nadir toprak mineralleri gibi kritik/ kirletici/ pahalı kaynaklara ihtiyaç duymaz.

Yukarıda belirtildiği gibi, batarya değişimi aynı zamanda EV’ler şarj/ yakıt istasyonuna geldiğinde şarjın anında yapılması için şebekeye baskı uygulanmadığını gösterir. Bunun yerine, alüminyumun yeniden üretimi ve bataryaların şarjı, fazla üretildiğinde yenilenebilir enerjiyle yapılabilir.

Son olarak, alüminyum metali uygun olduğunda yeşil enerjiyle yeniden üretilebilmesinin yanı sıra, düşük maliyetle kolayca depolanabilir; çünkü stabil ve toksik olmayan bir katı metal olup çok az oksitlenir. Böylece enerji, alüminyum stokları aracılığıyla uzun süreler boyunca depolanabilir; bu, bataryalar, amonyak veya hidrojenle karşılaştırıldığında çok daha düşük depolama maliyeti demektir.

Alüminyumun toplu taşınması da hidrojen gibi özel altyapı gerektirmez ve sıradan kamyonlar ya da trenlerle yapılabilir.

Alüminyum-Hava Bataryalarının Dezavantajları

Alüminyum-Hava bataryalarının bir sınırlaması, yoğun bir batarya değişim istasyonu ağına ihtiyaç duyulmasıdır. EV’lerin standartlaşma eksikliği ve yeterince yoğun bir ağın inşa maliyetleri nedeniyle batarya değişimi sık sık başarısız bir fikir olmuştur. Bu, geleneksel batarya konseptleri için daha da az olasıdır, çünkü EV endüstrisi “yapısal bataryalar” yönünde ilerlemekte ve bunlar araç çerçevesine entegre edilmektedir.

Birçok şirket (aşağıya bakınız) alüminyum-hava bataryaları için el ile yapılabilecek bir batarya değişim sistemi üzerinde çalışıyor; bu, teknolojik karmaşıklığı ve pahalı batarya değişim istasyonu ihtiyacını büyük ölçüde azaltıyor, propan şişeleri gibi daha basit dağıtım otomatikleri yeterli oluyor. Her durumda, kullanılan bataryaların toplanması ve yeniden inşa/şarj edilmesi için bir altyapı kurulması gerekecek.

Genel olarak, bu konsept yeni değildir ve 1960’larda ilk kez tasavvur edilmiştir. O dönemde elektrolitin toksisitesi bu teknolojinin ilerlemesini engellemişti. Diğer teknik sorunlar da önemli olabilir, çoğunlukla hava katodu ile ilgili:

“Oksijen indirgeme reaksiyonunun yavaş verimliliği, uygulama için engeldir. Diğer sorunlar arasında alkalin elektrolit ile CO2 reaksiyonu sonucu karbonat çökeltileri oluşması, suyun açık havaya buharlaşması (elektrolit kuruması) ve elektrolitin hava katodunun gözeneklerine nüfuz etmesi yer alır.” – Kaynak: Automotive Logistics

Alüminyum-Hava Şirketleri

1. Aluma Power

Aluma Power, Aamjiwnaang İlk Ulus toprakları üzerinde konumlanan bir Kanada şirketidir.

Aluma Power, alüminyumun önce otomobil, bina, uçak, sera, tekne vb. çerçeveler gibi diğer uygulamalarda kullanılıp yakıt olarak geri dönüştürülmesinden önce %43 tam döngü verimliliği ve %700 verimlilik öngörmektedir.

Aluma Power’ın benzersiz yaklaşımı, anot korozyonu ve aşınması gibi Alüminyum-Hava bataryalarının sınırlamalarını azaltmak için anodu döndürerek mekanik bir yöntem üzerine odaklanmaktır. Bu tasarım, eritilmiş motor blokları veya soda kutuları dahil olmak üzere herhangi bir hurda alüminyumu kullanabilir. Bu, ABD Patenti US10978758B2 içinde belgelenmiştir.

Yakıt diski birkaç dakika içinde değiştirilebilir ve 130 saate kadar tüketim sağlar.

Şirket, disk sisteminin mevcut sistemlere göre %70 daha az sermaye maliyeti ve “depolama hizmeti” için daha düşük işçilik maliyeti sağladığını iddia etmektedir.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Fransa’daki Métalectrique ve Birleşik Krallık’taki yan kuruluşu MAL, Alüminyum-Hava bataryaları geliştirmektedir. Şirketin temel fikri mülkiyeti, anot korozyonu ve gözenek tıkanıklığı sorunlarını azaltmayı vaat eden özel bir elektrolit kimyasıdır.

Şirketin web sitesi biraz sade, çoğunlukla haber makalesi bağlantıları ve 2024’te bir ürün çıkışı duyurusu içeriyor. Bu, 2021’in dördüncü çeyreğinde bir lansman duyurusu göz önüne alındığında biraz endişe verici olabilir.

Şirket, 3 farklı ürün konseptine odaklanıyor:

• EV’ler için 300 mil menzil uzatıcı, iki büyük otomotiv şirketiyle görüşülmekte.
• 1.500 mil menzil EV bataryası. MAL, Birleşik Krallık’ta bu bataryaların seri üretimi için Austin Electric ile çok milyon poundluk bir anlaşma imzaladı.
• £3,500 dönüşüm kitleri normal yakıtlı arabaları hibritlere dönüştürüyor.

MAL, bataryasının üretim maliyetinin kWh başına sadece $36 olduğunu, Lityum-İon bataryalarının yaklaşık $180/kWh olduğu ile karşılaştırmaktadır. Batarya amortismanı dahil edildiğinde, sürüş maliyeti Lityum-İon için £0.50/mile iken £0.08/mile olur.
Bu teknoloji, uçaklar, savunma bataryaları ve adalardaki uzak enerji sistemleri için de uygulanabilir.

3. RiAlAiR

Şirket, tekne ve balıkçılık sektörü için Alüminyum-Hava bataryaları üretmeye odaklanmıştır. Bataryaları için abonelik hizmeti sunarak ön maliyetleri azaltmakta ve kirlilik ile yüksek yakıt maliyetlerini düşürmeye yardımcı olmaktadır.

Balıkçılık tekneleri ve taksi tekneleri gibi profesyonel tekne kullanıcılarına odaklanmak, daha ucuz yakıtın ekonomik argümanının etkili olmasını sağlar ve iş modeli yeşil enerji argümanlarına dayanmak zorunda kalmaz; sadece kârlılığın artmasına dayanır.

Fosil yakıttan elektrikli tekneye geçiş, teknenin üzerine güneş panelleri veya rüzgar türbinleri ekleyerek enerji kaynağını destekleme olanağı sunar; bu da yakıt ekonomisini ve teknenin özerkliğini daha da artırır.

Son olarak, elektrikli bir itiş sistemi, tekne itişi için enerjinin %92’sini itme gücüne dönüştürür; yakıtlı teknelerde bu oran sadece %35’tir (fark, içten yanmalı motorlardaki termal ve mekanik kayıplardan kaynaklanır).

Şu anda, milyonlarca balıkçı teknesi yılda 50 milyar litre yakıt tüketmekte ve bu, küresel yakıt tüketiminin %1,2’sini oluşturmaktadır; çoğu 20 tonun altında ve 12 metreden kısa, ağırlıklı olarak Asya’da konumlanmıştır. Ayrıca, daha çevreci elektrikli itişe geçme potansiyeline sahip 15 milyon rekreasyon teknesi de bulunmaktadır.

Elektrikli itiş, tekne itişi için başlangıçta uygun görülmemiş olsa da, sınırlama her zaman bataryaların enerji yoğunluğu olmuştur. Modern Alüminyum-Hava tasarımları bu sorunu çözebilir ve bu bataryalar için niş ama kârlı bir pazar yaratabilir.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy, bulabildiğimiz tek halka açık Alüminyum-Hava teknolojisi şirketidir. İsrailli şirket, hem alüminyum hem de çinko temelli bataryalar geliştirmektedir. güç yedekleme, mobilite/EV’ler ve enerji depolama pazarını hedeflemektedir. Ayrıca, konteynerleştirilmiş bataryalarla deniz enerjisi potansiyelini de incelemektedir.
Şirket, yakın zamanda Hindistanlı telekom şirketi Indus Power’a 300 güç yedekleme sistemi sağlamak için bir anlaşma imzaladı ve ayrıca Cellnex ile başarılı bir test gerçekleştirdi; başka bir telekom şirketi. Sistemini önde gelen bir bulut veri merkezi şirketiyle de test etmektedir.
Ayrıca Ocak 2023’te bir prototip elektrikli Tata yolcu aracı gösterdi. Hindistan, şirketin ihracat stratejisinin merkezinde yer alıyor; Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) ile bir ekosistem oluşturmak için anlaşma imzaladı; Hindistan’ın en büyük alüminyum üreticilerinden biri.

5. Log9

Bu Hint şirketi, kendi batarya yönetim sistemini de üreten ilk yerli Lityum-İon batarya hücresi üreticisidir. Şirket bataryalar, grafen ultrakapasitörler ve Alüminyum-Yakıt-Hücreleri (AFC) üretmektedir.

Şirket, 2020’de Alüminyum-Hava bataryaları üzerinde çalışan 45 kişilik bir ekip olduğu rapor edildi. Ayrıca 2021’de tek bir “şarj” ile 3.000 km yol alabilen son mil teslimat aracı prototipi tartışıldı.

Son zamanlarda, şirket daha çok hızlı şarj Lityum-İon bataryalarına odaklanmış görünüyor; bu yüzden Alüminyum-Hava hedeflerinin gerçekleşip gerçekleşmediği net değil, ancak teknoloji hâlâ web sitesinin ana sayfasında öne çıkmaktadır.

Sonuç

Alüminyum-Hava bataryaları, ya da belki alüminyum yakıt hücreleri daha doğru bir terim olur, EV ve batarya teknolojisine geleneksel yaklaşımın çok ilginç bir alternatifi. Metal bir katı yakıt sağlayarak, EV benimsemesindeki çoğu engeli aşabilir ve yenilenebilir enerjinin kesintiliğini “geri dönüştürülmüş katı alüminyumda” depolayarak çözebilir.

Şu an için teknoloji hâlâ ilk aşamasındadır; en büyük şirketler ya da batarya firmaları üzerinde çalışıyor gibi görünmemektedir. Bu, kısmen konseptin EV endüstrisindeki geleneksel anlayıştan kökten ayrılması ve tamamen farklı bir beceri seti ve üretim süreçleri gerektirmesinden kaynaklanmaktadır.

Ayrıca, teknoloji yeşil politikalar ve sübvansiyonlar arasında sıkışıp kalıyor; ne hidrojen yakıt hücresi teknolojisinin ne de şarj edilebilir batarya/EV politikalarının gereksinimlerini karşılamıyor. Hindistan’da en çok ilgi gören teknoloji gibi görünüyor; ülke, batarya teknolojisi ve yeşil enerji konusunda Çin’i yakalamak istiyor.