鉄空気電池の説明：錆電池革命

重要なポイント

問題: リチウムイオンは 4 時間使用できますが、風が止んだとき (「ダンケルフローテ」) に備えて 100 時間のバックアップが必要です。
解決策: 空気鉄電池 (Form Energy 社の電池など) は、錆びるプロセスを利用して膨大な電力を蓄えます。
経済性: 重くて遅いですが、リチウムイオンより 10 倍安いため、太陽光発電や風力発電所に最適なパートナーです。

速い電気自動車を作りたい場合は、リチウムイオンを使用します。軽くて電力密度が高く、充電も早いです。

しかし、冬の嵐が太陽電池パネルを覆い、風力タービンが停止するときに1週間都市を運営したい場合、リチウムイオンは破産するほど高価です。

「錆びたバッテリー」を入力します。

洗濯機くらいの大きさです。信じられないほど重いです。ゆっくり充電します。そしてそれは、この 10 年間で最も重要なエネルギー発明になるかもしれません。

化学: 可逆的な錆び

Form Energy (元テスラ幹部マテオハラミーロ氏によって設立) などの企業によって先駆的に開発されたこのコア技術は、地球上で最も一般的な化学反応の 1 つである酸化に依存しています。

バッテリーは呼吸します。

放電 (「錆び」段階)

バッテリーが電力を供給する必要がある場合、バッテリーは空気から酸素を取り込み、バッテリー内の鉄陽極と反応させます。

反応: 鉄 + 酸素 = 錆 (酸化鉄) + エネルギー。 ※この錆びの過程で放出された電子がグリッドに流れ出ます。

充電 (「錆びない」フェーズ)

太陽光発電や風力発電がグリッドに余剰がある場合、バッテリーはその電力を使用して反応を逆転させます。

反応: 錆 + 電気 = 鉄 + 酸素。 *文字通り錆を金属鉄に戻し、酸素を空気中に放出します。

エンジニアリングの課題: Rust だけではありません

化学は単純ですが (小学校の理科)、信頼性の高い産業用バッテリーを構築するのは信じられないほど困難です。

電解質の問題

バッテリーには水ベースの液体電解質 (水酸化カリウム) が充填されています。これにより、工学的にいくつかの問題が生じます。

水素の発生: 場合によっては、水が錆びる代わりに、水素ガスに分解されます。これはダメです。エネルギーを浪費し、局所的な爆発の危険を引き起こします。 Form Energy は、この副反応を抑制するための特殊な触媒を開発する必要がありました。
水管理: バッテリーは空気を「呼吸」しますが、水を失うことはありません。暑い気候（アリゾナなど）では、蒸発は致命的です。寒冷地（最初のパイロットがいるミネソタ州）では、凍結が危険です。熱管理システムは、寄生電力をあまり消費せずに、これらの極端な状況に対処できる十分な堅牢性を備えている必要があります。

「空気呼吸」膜

カソードは酸素を取り込みながら電解液の侵入を防ぐ必要があります。まるでハイテク素材のゴアテックスのようです。この膜にゴミが詰まったり、10 年以上経つと劣化したりすると、バッテリーが切れてしまいます。 Form の画期的な点は、高価な白金触媒を必要としない、安価で耐久性のある空気電極を開発したことでした。

経済性: $20/kWh vs $130/kWh

魔法は化学ではありません。それはコストです。

リチウムイオン: kWh あたり ~\130。コバルト、ニッケル、リチウムが必要です（高価で供給に制約があります）。
Iron-Air: kWh あたり ~\20 ドル。鉄（とても安くて豊富）と空気（無料）が必要です。

材料は非常に安価なので、原材料の金属のコストを心配することなく、これらのバッテリーの大規模なバンクを構築できます。これにより、長期エネルギー貯蔵 (LDES) のロックが解除されます。

100 時間の数学: LCOS の説明

電力会社がバッテリーを購入するとき、前払いの価格は考慮しません。彼らは、LCOS (Levelized Cost of Storage)、つまりバッテリーの寿命にわたって 1 メガワット時の貯蔵と放出にかかる総コストを調べています。

リチウムイオン: 短いバーストに最適です (周波数調整、ピークシェービング)。ただし、100 時間まで延長しようとすると、25 倍のバッテリーが必要になります。コスト曲線は直線的で、苦痛を伴います。
鉄-空気: 「電力」コンポーネント (電子を動かす電子機器) と「エネルギー」コンポーネント (鉄ペレット) が分離されています。持続時間を2倍にするには、高価な電子機器ではなく、安価な鉄ペレットを追加するだけです。

100 時間の持続時間では、Form Energy の LCOS はリチウムイオンの約 1/10 に低下します。それは他の電池ではなく、複合サイクル天然ガスプラントと直接競合します。

大規模製造: ウェストバージニアのギャンブル

Form Energy は単なる実験室実験ではありません。彼らは現在、ウェストバージニア州ウィアトンに「Form Factory 1」を建設中だ。

なぜウィアトンなのか? かつての鉄鋼の町です。象徴性は意図的なものです。鉄鋼の製造に 1 世紀を費やしたのと同じ労働力が、現在、鉄から電池を製造するために雇用されています。

生産能力: この工場は年間 500 MW / 50 GWh のバッテリーを生産することを目指しています。
影響: これらはクリーンルームで製造された繊細なマイクロチップではありません。それらは重工業機器です。「さびついたバッテリー」を構築するためのさびついた地帯を活性化することは、超党派の支持を確保した政治的な傑作です。

地政学的な角度: 鉄 vs. リチウム

エネルギー安全保障は国家安全保障です。現在のバッテリーのサプライチェーンは地政学的な地雷原です。

リチウム: 採掘はオーストラリアとチリに集中しています。加工は60%以上が中国によって管理されています。
コバルト: コンゴ (DRC) が供給を独占しており、倫理と安定性に大きな懸念があります。
鉄: どこにでもあります。地球上で最も多く採掘されている金属です。ミネソタ州だけでも、米国の送電網全体のバッテリーを構築するのに十分な鉄鉱石を持っています。

グリッドストレージを Iron-Air に切り替えることで、米国は重要なインフラを外国のサプライチェーンから切り離します。貿易戦争でリチウムの輸入が途絶えても、電池材料は中西部で掘削されるため、照明は点灯したままになる。

環境上の利点 (およびコスト)

「錆びる」というと汚いように聞こえますが、材質は良性です。

リサイクル性: 20 年の寿命が終わると、バッテリーは基本的にスクラップの山となります。電気炉に放り込んで100%の効率でリサイクルできます。
火災の危険性なし: 消火がほぼ不可能な自己継続的な化学火災を引き起こすリチウムイオンとは異なり、鉄空気電池は事実上不燃性です。電解液は水ベースです。銃で撃っても濡れた錆が漏れ出すだけだ。

競合他社

フォーム社は現在 PR 戦争で勝利を収めていますが、LDES レースに参加しているのは単独ではありません。

Ambri: MIT の Donald Sadoway によって設立され、「液体金属」電池 (カルシウムとアンチモン) を使用しています。高温 (500°C) で動作するため、効率は高くなりますが、封じ込めに課題があります。
EOS Energy: ハロゲン化亜鉛の化学反応を使用します。これらはすでに公開され出荷されていますが、持続時間の目標は短く（3 ～ 12 時間）、リチウムと鉄空気の間の架け橋として位置付けられています。
フローバッテリー (ESS Inc): タンクを通してポンプで送られる液体電解質 (鉄や塩水など) を使用します。スケーリングには最適ですが、通常は複雑な配管機構に悩まされます。

「ダンケルフルート」を解決する

ドイツのエネルギー技術者は、この悪夢のシナリオを「Dunkelflaute (暗い無風)」という言葉で表現しています。太陽も風も無い状態が数日間続きます。

リチウムイオン電池のセットアップでは、通常 4 時間のバックアップが可能です。これで夕方のピークはカバーできますが、3 日間続く吹雪の間は助かりません。

Form Energy のバッテリーは 100 時間保存できるように設計されています。それは丸4日です。これにより、電力会社は年間数週間しか稼働しない天然ガスの「ピーク」プラントを廃止し、維持費が数分の一で信頼性が高く排出ガスのないバックアップに置き換えることができます。

次は何ですか?

最初の大規模なパイロットプロジェクトが現在、ミネソタ州（エクセルエナジー）やジョージア州などで着工されている。

Rust Battery は、重すぎるため、携帯電話や車に電力を供給することはおそらくありません。しかし、次に 1 週間続く嵐の中でライトが点灯したままになったら、感謝しなければならない錆びた金属の山ができるかもしれません。

出典 (3)

formenergy.com Form Energy Technology
utilitydive.com 100-Hour Storage
technologyreview.com MIT Technology Review: Iron-Air Batteries

この記事はTrendy Tech Tribe編集部が執筆しました。

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