Aluminum-Luft Batteriteknologi: Fremdrift af EV med Genbrugsaluminium

Lateral Tænkning Til At Løse EV-begrænsninger

EV’er har taget bilmarkedet med storm, med lande som Kina og Norge, der allerede har en stærk markedsindtrængen. Samtidig er EV-adopteringsgraden fortsat lav i mange lande på grund af nogle få nøglebegrænsninger:

• Lav rækkevidde for billigere EV-modeller.
• Langsom opladningstid, der kombineret med hyppig opladning på grund af lav rækkevidde kan gøre langdistancekørsel svær.
• Bekymring om elnettet kan håndtere tilføjelsen af millioner af nye EV’er.

De første to problemer, rækkevidde og opladningstid, er noget, industrien forsøger at løse med nye batterikemier, samt et hurtigere og tættere netværk af opladestationer. Men dette er stadig en hård nød at knække. Vi gennemgik alle de potentielle vejene for nye batterier i vores artikel “Fremtiden For Energilagring – Utility-Skala Batteriteknologi“.

El-netproblemerne forværres af den variable vedvarende energiproduktion. En øget mængde af EV’er, der oplades om aftenen, når mennesker er tilbage hjemme fra arbejde og pendling, er ikke velkommen, når solenergi allerede er ude af billedet.

Men en ny koncept kan løse alle disse problemer på én gang. Hvad hvis vi i stedet for at vælge mellem ICE (Intern Forbrændingsmotor) & flydende fossilt brændstof eller EV & batterier kunne “genopfylde” EV’er med et fuldt genbrugeligt brændstof?

Energitpotentialet For Aluminium

Aluminium er et meget almindeligt grundstof på Jorden. Faktisk er det det mest almindelige metal på Jorden, foran jern, og udgør 8% af Jordens skorpe. Det er også et metal, der kræver meget elektricitet til sin produktion, fra rå bauxit-malm til aluminiumoxid og derefter aluminiummetal. Dette har resulteret i, at aluminium undertiden også bliver kaldt “frosset elektricitet”.

Under sin almindelige og rolige udseende kan aluminium være et meget reaktivt metal under de rette omstændigheder og er blevet brugt i fyrværkeri; aluminiumspulver blev endda brugt til at drive rumfærgens faste raketmotorer. Faktisk er aluminium 2,5 gange mere energitæt end diesel eller benzin. Indtast Aluminium-Luftbatterier.

Aluminium-Luftbatterier lagrer og producerer elektricitet gennem oksidation og reduktion af aluminium. Det får aluminiummet at reagere med luft og tilbyder en af de højeste energitætheder af alle batteriteknologier, der i øjeblikket er tilgængelige. Det kan være otte gange lettere og fire gange mindre end Lithium-Ion.

Aluminium-Luftbatterier skal ikke forveksles med Aluminium-Ion-batterier, der er lignende til Lithium-ion, men bruger et andet metal.

Kilde: Energy Post

Aluminium-Luft Fordele

Da katoden kun er ilt fra omgivelsesluften, er der ingen behov for en metalkatode, hvilket gør batteriet meget lettere end konkurrenterne.

En anden fordel er, at det i virkeligheden er en “elektrisk motor”, der forbruger aluminium i stedet for olie, og ikke taber spænding, når det aflades, som batterisystemer gør.

Begrænsningen er, at dette forbruger aluminium og ikke kan genoplades ved blot at plugge batteriet ind. Så det er mere lignende i princippet til en almindelig AA-batteri end til en Lithium-ion-batteri. Derfor kræver det et system til batteriudskiftning, der tager omkring 90 sekunder, i stedet for en flydende brændstofopfyldning eller en 10-15 minutters elektrisk opladning.

En alternativ løsning kan også være at bruge en kombination af Aluminium-Luftbatterier + genopladelige batterier, der tillader en fleksibel brug af direkte opladning eller aluminium-drevet kørsel afhængigt af behov, ligesom en hybridbil, men uden noget fossilt brændstof.

Infrastruktur Fordele

Et stærkt element til fordel for Aluminium-Luftbatterier er, at der allerede findes en veletableret, effektiv og opskaleret industri for aluminiumgenbrug—noget, der stadig mangler hos Lithium-Ion-batterier.

Det betyder også, at for at få fat i grundmaterialet kan Aluminium-Luftbatteriindustrien få sine materialer fra genbrugt aluminium fra gamle bygninger, maskiner eller fly og generere kraft på samme tid. Overordnet set kræver systemet ingen kritiske/polluerende/dyres ressourcer som lithium, nikkel, kobolt eller sjældne jordmineraler.

Som nævnt ovenfor betyder batteriudskiftningen også, at der ikke er noget pres på elnettet for, at opladningen skal udføres øjeblikkeligt, når EV’erne kommer til opladnings-/brændstofstationen. I stedet kan genoprettelsen af aluminium og opladning af batterierne udføres med vedvarende energi, når det er produceret i overskud.

Til sidst kan aluminiummet ikke kun genoprettes med grøn energi, når det er bekvemt, men kan også let lagres væk uden store omkostninger, da det er et stabilt og ikke-giftigt fast metal, der ikke oxiderer meget. Så energi kan lagres gennem aluminiumslagre i lange perioder til en meget lavere lagringsomkostning end med batterier, ammoniak eller brint.

Bulktransport af aluminium kræver heller ikke speciel infrastruktur som brint og kan udføres med almindelige lastbiler eller tog.

Aluminiumomkostninger – Kilde: RiAlAiR

Aluminium-Luft Ulemper

En begrænsning af Aluminium-Luftbatterier er behovet for et tæt netværk af batteriudskiftningsstationer. På grund af problemet med mangel på standardisering af EV’er og omkostningerne ved at opbygge et tæt nok netværk, har batteriudskiftning ofte været en fejlslået idé. Dette er endnu mindre sandsynligt at lykkes for traditionelle batterikoncepter, da EV-industrien bevæger sig mod “struktur-batterier”, der er integreret i et køretøjsramme

Nogle virksomheder (se nedenfor) arbejder på, at batteriudskiftningen for aluminium-luftbatterier kan udføres manuelt, hvilket reducerer den tekniske kompleksitet og behov for en dyr batteriudskiftningsstation, med simple leveringsautomater, som f.eks. til propantank, tilstrækkeligt til at udføre jobbet i stedet. I alle tilfælde skal der etableres en infrastruktur til indsamling og genopbygning/genopladning af brugte batterier.

Overordnet set er konceptet ikke nyt og blev først forestillet i 1960’erne. På det tidspunkt blokerede giftigheden af elektrolytten fremgangen for denne teknologi. Andre tekniske problemer kan være betydelige, hovedsageligt relateret til luftkatoden:

“Den langsommelige effektivitet af iltreduktionsreaktionen er barrieren for dets anvendelse. Andre problemer inkluderer CO2-reaktion med alkalisk elektrolyt, der producerer karbonat-aflejringer, vandfordampning til åben luft [elektrolyt-tørhed] og elektrolytindtrængen i luftkatodens porer.” – Kilde: Automotive Logistics

Aluminium-Luft Virksomheder

1. Aluma Power

Aluma Power er en canadisk virksomhed beliggende på Aamjiwnaang First Nation-områder.

Aluma Power forestiller sig en fuld cyklus-effektivitet på 43% og 700% effektivitet, når aluminium først bruges til andre formål som bygning af bilrammer, bygninger, fly, grønne huse, både osv., før det genbruges som brændstof.

Kilde: Aluma

Aluma Powers unikke tilgang er at fokusere på en mekanisk metode til at afhjælpe begrænsningerne af Aluminium-Luftbatterier, som f.eks. anodekorrosion og slid, ved at rotere anoden. Denne design kan bruge ethvert genbrugt aluminium, herunder smeltede motorblokke eller sodavandsdåser. Det er dokumenteret i det amerikanske patent US10978758B2.

Brændstofskiven kan skiftes på få minutter og varer op til 130 timers forbrug.

Kilde: Aluma

Virksomheden hævder, at dens skivesystem tillader 70% færre kapitalkostninger end hidtil og lavere arbejdskostninger for “lagring som en service”.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique i Frankrig og dets datterselskab i Storbritannien MAL udvikler Aluminium-Luftbatterier. Virksomhedens nøgle-IP er en patenteret elektrolytkemi, der hævdes at reducere problemerne med anodekorrosion og poreblokering.

Virksomhedens website er lidt tom, med kun nogle nyhedsartikler og meddelelser om en fremtidig produktlancering i 2024. Dette kan være lidt bekymrende, hvis man betænker en tidligere meddelelse om en lancering i Q4 2021.

Virksomheden synes at fokusere på 3 forskellige produktkoncepter:

• En 300-miles rækkevidde-udvidelse til EV’er, noget der er under diskussion med 2 store bilvirksomheder.
• En 1.500-miles rækkevidde EV-batteri. MAL har indgået en multi-million pounds aftale med Austin Electric om masseproduktion af disse batterier i Storbritannien.
• £3.500 konverteringskit til at omdanne almindelige brændstofbiler til hybrider.

MAL hævder, at fremstillingen af deres batteri kun koster $36/kWh sammenlignet med omkring $180/kWh for Lithium-Ion-batterier. Når man medregner batteri-afskrivning, vil det bringe omkostningerne ved at køre ned til £0,08/mile, i stedet for £0,50/mile for Lithium-Ion.

Teknologien kan også anvendes til fly, forsvarsbatterier og fjernkraft på øer.

3. RiAlAiR

Virksomheden fokuserer på at producere Aluminium-Luftbatterier til både- og fiskerindustrien. Virksomheden tilbyder en abonnementservice til sine batterier, hvilket reducerer de forhåndsgående omkostninger og hjælper med at reducere forurening og høje brændstofomkostninger.

Fokuseringen på professionelle bådbrugere som f.eks. fiskerbåde og taxibåde betyder, at den økonomiske argumentation om billigere brændstof kan ramme hjem godt, og forretningsfaldet behøver ikke at afhænge af grøn energiargumenter, men blot af øget profit.

Skiftet fra fossilt brændstof til en elektrisk drevet båd åbner også muligheden for at supplere energiforsyningen med solceller eller vindmøller på båden selv, hvilket øger endnu mere brændstoføkonomien og bådens selvstændighed.

Kilde: RiAlAiR

Til sidst er en elektrisk drivlinje mere effektiv til bådpropulsion, med 92% af energien omdannet til skub, i stedet for kun 35% for brændstofdrevne både (forskellen kommer fra termiske og mekaniske tab i forbrændingsmotorer).

For tiden forbruger millioner af fiskerbåde 50 milliarder liter brændstof om året, hvilket udgør 1,2% af den globale brændstofforbrug, med størstedelen med en tonnage under 20 tons og en længde under 12 meter, primært beliggende i Asien. Der er også 15 millioner fritidsbåde, der har potentialet til at skiftes til grønne elektriske propel-systemer.

Kilde: RiAlAiR

Selvom elektrisk propulsion har været en non-starter for bådpropulsion, har begrænsningen altid været energitætheden af batterierne. Dette er noget, moderne Aluminium-Luft-design kan løse, og potentielt skabe en niche, men profitabel marked for disse batterier.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy er den eneste virksomhed, der er involveret i Aluminium-Luft-teknologi, som vi kunne finde, og som også er børsnoteret. Den israelske virksomhed udvikler både aluminium- og zinkbaserede batterier. Det sigter mod markedet for energi-reservdel, mobilitet/EV’er og energilagring. Det ser også på potentialet for maritim energi, med containeriserede batterier.

Virksomheden har nyligt indgået en aftale om at levere 300 energi-reservdelssystemer til den indiske teleselskab Indus Power, samt en succesfuld test med Cellnex, et andet teleselskab. Det testes også systemet med en førende cloud-datacenter-virksomhed.

Det viste også en prototype elektrisk Tata-passagerbil i januar 2023. Indien er centrum for virksomhedens eksportstrategi, efter at have indgået en aftale om at opbygge et økosystem med Hindalco Industries Limited, en af Indiens største aluminiumproducenter.

5. Log9

Denne indiske virksomhed er den første indfødte Lithium-Ion-battericelleproducent, der også producerer sin egen batteristyring. Virksomheden producerer batterier, grafen-ultracapacitorer og Aluminium-Brændstofceller (AFC).

Virksomheden blev rapporteret i 2020 til at have et hold på 45 personer, der arbejdede på Aluminium-Luftbatterier. Det diskuterede også en prototype for en sidste-mile-leveringskøretøj, der kan udføre 3.000 km på en enkelt “opladning” i 2021.

Mere nyligt synes virksomheden dog at have fokuseret mest på hurtig opladning af Lithium-Ion-batterier, så det er ikke klart, om målene for Aluminium-Luftbatterier opnås, men teknologien er stadig fremhævet på virksomhedens hjemmeside.

Konklusion

Aluminium-Luftbatterier, eller måske aluminium-brændstofceller ville være en bedre betegnelse, er en meget interessant alternativ til den konventionelle tilgang til EV- og batteriteknologi. Ved at tilbyde et metalisk fast brændstof kan det omgå de fleste hindringer for EV-adopteringsgraden, samt løse problemet med at håndtere den variable vedvarende energi ved at “lagre” den i genbrugt fast aluminium.

For nu er teknologien stadig i sin barndom, og ingen af de største koncerner eller batterivirksomheder synes at arbejde på det. Dette skyldes delvist, at konceptet radikalt afviger fra den konventionelle visdom i EV-industrien og ville kræve en helt anden kompetence og fremstillingsproces.

Det skyldes også, at teknologien tendrer til at falde gennem grønne politikker og subsidier, og matcher hverken kravene til brint-brændstofcelle-teknologi eller opladelige batterier/EV-politik. Det synes at være mest velkommen i Indien, hvor landet er ivrigt efter at indhente Kina i batteriteknologi og grøn energi.