Aluminium-Luft-Batterietechnologie: Elektrofahrzeuge mit Schrottaluminium antreiben

Neue Ansätze für die Grenzen von Elektrofahrzeugen

Elektrofahrzeuge haben den Automarkt im Sturm erobert, wobei Länder wie China und Norwegen bereits eine starke Marktdurchdringung vorweisen. Gleichzeitig bleibt die Einführung von Elektrofahrzeugen in vielen Ländern aufgrund einiger zentraler Einschränkungen hinter den Erwartungen zurück:

• Geringe Reichweite bei günstigeren EV‑Modellen.
• Langsame Ladegeschwindigkeit, die in Kombination mit häufigem Laden aufgrund der geringen Reichweite Langstreckenreisen erschweren kann.
• Bedenken, ob die Stromnetze die Aufnahme von Millionen neuer Elektrofahrzeuge bewältigen können.

Die Branche versucht, Reichweite und Ladegeschwindigkeit mit neuen Batteriechemien und dichteren Schnellladenetzen zu verbessern. Die Herausforderungen bleiben erheblich. Verschiedene Ansätze untersuchen wir im Artikel „Die Zukunft der Mobilität – Batterietechnologie“.

Auch die schwankende erneuerbare Stromerzeugung verlangt Planung. Wenn viele Menschen ihre Fahrzeuge abends nach der Arbeit laden und die Solarproduktion sinkt, kann dies lokale Netze zusätzlich belasten.

Ein anderer Ansatz besteht darin, einen recycelbaren metallischen Brennstoff einzusetzen. Statt ausschließlich zwischen Verbrennungsmotoren mit flüssigem Kraftstoff und Elektrofahrzeugen mit aufladbaren Batterien zu wählen, könnten Elektrofahrzeuge mit Aluminium „betankt“ werden.

Das Energiepotenzial von Aluminium

Aluminium ist das häufigste Metall der Erdkruste und macht etwa 8 Prozent davon aus. Die Herstellung von Bauxit über Aluminiumoxid bis zum Metall benötigt viel Energie. Deshalb wird Aluminium gelegentlich als „eingefrorene Elektrizität“ bezeichnet.

Unter geeigneten Bedingungen kann Aluminium sehr reaktiv sein. Aluminiumpulver wird in Feuerwerk verwendet und war Bestandteil des festen Treibstoffs der Space-Shuttle-Booster. Der chemische Energieinhalt des Metalls je Volumen kann etwa das 2,5-Fache von Diesel oder Benzin betragen. Dies ist nicht mit der nutzbaren elektrischen Energiedichte eines vollständigen Batteriesystems gleichzusetzen.

Aluminium‑Luft‑Batterien erzeugen Strom, indem Aluminium an der Anode oxidiert und Luftsauerstoff an der Kathode reduziert wird. Die Technologie kann eine hohe Energiedichte ermöglichen. RiAlAiR beschreibt seine Systeme als bis zu achtmal leichter und viermal kleiner als die zum Vergleich herangezogenen Lithium-Ionen-Lösungen. Dies ist eine Produktangabe des Unternehmens, keine allgemeine Zusicherung für alle Batteriepacks.

Aluminium-Luft-Batterien dürfen nicht mit Aluminium-Ionen-Batterien verwechselt werden, die einen anderen elektrochemischen Mechanismus mit Aluminiumionen als Ladungsträgern nutzen.

Quelle: Energy Post

Vorteile von Aluminium-Luft-Batterien

Der Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen, statt das gesamte aktive Kathodenmaterial in der Batterie mitzuführen. Die Luftkathode benötigt weiterhin eine leitfähige Struktur und einen Katalysator. Dadurch lässt sich Gewicht einsparen.

Das System ist ein elektrochemischer Generator, der Aluminium verbraucht und einen Elektromotor mit Strom versorgt. Die Spannungsstabilität hängt von Konstruktion und Last ab; die Spannung bleibt nicht automatisch während der gesamten Entladung konstant.

Wasserbasierte Systeme dieser Art lassen sich nicht einfach an der Steckdose aufladen. Verbrauchte Aluminiumanoden müssen ersetzt und die Reaktionsprodukte zur Metallrückgewinnung verarbeitet werden. MAL beschrieb einen Wechsel innerhalb von rund 90 Sekunden als Entwicklungsziel, nicht als allgemeingültige Wechselzeit. Dies unterscheidet sich sowohl vom Tanken als auch vom elektrischen Schnellladen in 10–15 Minuten.

Eine Kombination mit aufladbaren Batterien könnte je nach Bedarf direkt geladenen Strom oder Aluminium als Energieträger nutzen, ähnlich einem Hybridfahrzeug, jedoch ohne fossilen Kraftstoff an Bord.

Vorteile für die Infrastruktur

Ein Vorteil ist die etablierte Industrie für das Recycling von Aluminiumschrott. Auch Lithium-Ionen-Batterien werden recycelt, doch Sammlung und Verarbeitungsverfahren unterscheiden sich.

Geeignet aufbereiteter Aluminiumschrott aus Gebäuden, Maschinen oder Flugzeugen kann als Rohstoff dienen. Die Aluminiumanode benötigt kein Lithium, Nickel oder Kobalt. Das Umschmelzen metallischer Schrotte ist allerdings von der energieintensiven Rückgewinnung des Metalls aus den Oxidationsprodukten der Batterie zu unterscheiden.

Der Anodenwechsel kann den Energiebedarf von der Tankstelle zur Aluminiumproduktion und -regenerierung verlagern. Diese Prozesse lassen sich zeitlich an die Verfügbarkeit erneuerbarer Energie anpassen. Der Energiebedarf entfällt also nicht, sondern wird räumlich und zeitlich verlagert.

Aluminium ist ein stabiler Feststoff, dessen schützende Oxidschicht die weitere Oxidation begrenzt. Es kann deshalb langfristig gelagert werden. Der Kostenvergleich mit Batterien, Ammoniak oder Wasserstoff hängt von der gesamten Energiekette und der Anwendung ab.

Festes Aluminium kann mit gewöhnlichen Lastwagen oder Zügen transportiert werden und braucht nicht dieselbe Druck- oder Tieftemperaturinfrastruktur wie manche Wasserstofflösungen.

Aluminiumkosten – Quelle: RiAlAiR

Nachteile von Aluminium-Luft-Batterien

Der Anodenwechsel erfordert organisierte Verteilung und Sammlung. Fehlende Standards und hohe Infrastrukturkosten haben frühere Batteriewechselprojekte erschwert. In den Fahrzeugrahmen integrierte strukturelle Batterien können den Austausch vollständiger Packs zusätzlich komplizieren, bedeuten aber nicht, dass jede Form des Anodenwechsels scheitern muss.

Einige Unternehmen entwickeln von Hand austauschbare Scheiben. Dies kann komplexe Wechselstationen überflüssig machen und einfachere Ausgabeautomaten ermöglichen, ähnlich dem Austausch von Propangasflaschen. Die Sammlung des verbrauchten Materials und die energieintensive Regenerierung des Metalls müssen dennoch organisiert werden.

Aluminium-Luft-Batterien wurden bereits in den 1960er-Jahren untersucht. Neben Eigenschaften und Sicherheit des Elektrolyten begrenzen auch Anodenkorrosion, unerwünschte Wasserstoffbildung und die langsame Sauerstoffreduktion die Technologie:

„Die langsame Sauerstoffreduktionsreaktion behindert die Anwendung. Weitere Probleme sind die Reaktion von Kohlendioxid mit alkalischem Elektrolyten unter Bildung von Carbonat-Ausfällungen, Wasserverdunstung [Elektrolyt‑Austrocknung] und das Eindringen von Elektrolyt in die Poren der Luftkathode.“ – Quelle: Automotive Logistics

Unternehmen im Bereich Aluminium-Luft-Technologie

1. Aluma Power

AlumaPower ist ein kanadisches Unternehmen mit Aktivitäten auf dem Gebiet der Aamjiwnaang First Nation bei Sarnia.

AlumaPower gab einen berechneten Gesamtwirkungsgrad von 43 Prozent an und beschrieb außerdem ein Szenario mit „700 Prozent“, in dem Aluminium zunächst in Fahrzeugen, Gebäuden, Flugzeugen, Gewächshäusern oder Booten eingesetzt wird, bevor es als Brennstoff dient. Die zweite Zahl ist kein gewöhnlicher Energieumwandlungswirkungsgrad: Materialwiederverwendung erzeugt keine Energie, und die Regenerierung von Aluminium benötigt Energie.

Quelle: Aluma

AlumaPower verwendet eine rotierende Anode, um unter anderem Korrosion und ungleichmäßigen Verbrauch zu begrenzen. Geeignete aufbereitete Legierungen können beispielsweise aus umgeschmolzenen Motorblöcken oder Getränkedosen stammen. Die Konstruktion wird im US-Patent US10978758B2 beschrieben.

Nach historischen Unternehmensangaben lässt sich die Brennstoffscheibe innerhalb weniger Minuten austauschen und je nach Last und Ausführung bis zu 130 Stunden nutzen.

Quelle: Aluma

Das Unternehmen berechnete gegenüber den herangezogenen Vergleichslösungen um 70 Prozent geringere Investitionskosten sowie niedrigere Arbeitskosten für ein Modell, das Energiespeicherung als Dienstleistung anbietet. Es handelt sich um damalige Unternehmensschätzungen.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique hat seinen Ursprung in Frankreich; die hinter MAL Research & Development stehende Geschäftstätigkeit ist heute im Vereinigten Königreich angesiedelt. Das Unternehmen beschreibt eine eigene Elektrolytchemie, die Anodenkorrosion und das Verstopfen von Poren verringern soll.

Die Website des Unternehmens zeigte in den 2023 untersuchten Informationen hauptsächlich Nachrichtenlinks und einen für 2024 geplanten Produktstart. Zuvor war ein Start im vierten Quartal 2021 angekündigt worden. Geplante Markteinführungen sind von nachgewiesenen kommerziellen Lieferungen zu unterscheiden.

Das Unternehmen beschrieb drei Produktkonzepte:

• Einen Reichweitenverlängerer für Elektrofahrzeuge mit etwa 300 Meilen beziehungsweise 480 Kilometern zusätzlicher Reichweite. Nach Unternehmensangaben wurde das Konzept mit zwei großen Fahrzeugherstellern besprochen.
• Ein System mit einer angegebenen Reichweite von 1.500 Meilen beziehungsweise rund 2.400 Kilometern. Über einen Vertrag im Wert mehrerer Millionen Pfund mit Austin Electric zur geplanten britischen Serienproduktion wurde berichtet. Der Vertrag allein belegt keinen Produktionsbeginn.
• Umrüstsätze für 3.500 Pfund, die nach dem veröffentlichten Plan herkömmliche Kraftstofffahrzeuge in Hybride umwandeln sollten.

MAL bezifferte die Herstellungskosten damals auf 36 US-Dollar/kWh, gegenüber rund 180 US-Dollar/kWh für die zum Vergleich herangezogene Lithium-Ionen-Lösung. Einschließlich der Abschreibung der Batterie wurden 0,08 Pfund je Meile statt 0,50 Pfund je Meile angegeben. Dies sind die damaligen Kalkulationen des Unternehmens.

Weitere vorgeschlagene Anwendungen waren Flugzeuge, Verteidigungssysteme und die Stromversorgung abgelegener Inseln.

3. RiAlAiR

RiAlAiR entwickelt Aluminium-Luft-Systeme für Boote und die Fischerei. Ein Abonnementmodell soll die anfänglichen Kundenausgaben verringern und einen Teil des fossilen Kraftstoffverbrauchs ersetzen.

Für gewerbliche Nutzer wie Fischer und Wassertaxi-Betreiber können niedrigere Betriebskosten neben geringeren lokalen Emissionen ein wichtiges Argument sein.

Elektrische Boote können ihre Energieversorgung je nach Ausführung und Nutzung auch durch Solarmodule oder Windturbinen ergänzen.

Quelle: RiAlAiR

RiAlAiR vergleicht elektrische Antriebsstränge mit einem Wirkungsgrad von etwa 92 Prozent mit Verbrennungsmotoren bei rund 35 Prozent. Dies betrifft den Antriebsstrang, nicht die gesamte Aluminium-Energiekette oder den Wirkungsgrad der Umwandlung in Propellerschub.

RiAlAiR schätzt den jährlichen Kraftstoffverbrauch von Fischerbooten auf rund 50 Milliarden Liter, überwiegend in Asien. Viele Boote werden als kürzer als zwölf Meter und mit einer Bruttoraumzahl unter 20 beschrieben. Diese ist ein Raummaß, kein Gewicht von 20 Tonnen. Die ursprüngliche Marktabschätzung nannte außerdem 1,2 Prozent des weltweiten Kraftstoffverbrauchs und rund 15 Millionen Freizeitboote als möglichen Markt.

Quelle: RiAlAiR

Elektrisch angetriebene Boote gibt es bereits. Gewicht und Energiedichte der Batterien begrenzen jedoch manche Anwendungen. Aluminium-Luft-Systeme könnten zusätzliche Möglichkeiten eröffnen, wenn Anodenwechsel und Sammlung wirtschaftlich organisiert werden können.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy ist ein israelisches Unternehmen, das seit 2021 an der Börse in Tel Aviv notiert ist. Es entwickelt Aluminium- und Zinksysteme für Notstromversorgung, Mobilität und Elektrofahrzeuge sowie Energiespeicherung. Außerdem untersucht es maritime Anwendungen mit containerbasierten Batteriesystemen.

2023 meldete das Unternehmen eine Vereinbarung über 300 Notstromsysteme mit Indus Towers in Indien. Cellnex hatte bereits im November 2022 ein Pilotprojekt mit Phinergys Technologie beschrieben. Phinergy berichtete zudem über Tests mit einem führenden Cloud-Rechenzentrumsunternehmen.

Im Januar 2023 zeigte es einen Tata-Tiago-Prototyp mit der Technologie. Indien ist ein wichtiger Markt. Im Juli 2022 vereinbarten Phinergy, die IndianOil–Phinergy-Partnerschaft IOP und der Aluminiumhersteller Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) in einer Absichtserklärung die Zusammenarbeit an Aluminiumplatten, Pilotentwicklung und Recycling für Aluminium-Luft-Systeme.

5. Log9

Das indische Unternehmen Log9 entwickelt Batteriezellen und Batteriemanagementsysteme. Es arbeitet außerdem an Graphen-Ultrakondensatoren und Aluminium-Brennstoffzellen, AFC.

2020 wurde über ein rund 45-köpfiges Team des Unternehmens für Aluminium-Luft-Technologie berichtet. 2021 beschrieb Log9 zudem einen Prototyp für die Zustellung auf der letzten Meile mit einer angegebenen Reichweite von 3.000 Kilometern je Metallnachfüllung, nicht je gewöhnlicher elektrischer Aufladung.

In der 2023 untersuchten Marktsituation lag ein Schwerpunkt auf schnellladenden Lithium-Ionen-Batterien. Die kommerzielle Umsetzung der früheren Aluminium-Luft-Ziele war weniger klar, obwohl die Technologie weiterhin Teil der Entwicklungsarbeit war.

Fazit

Aluminium-Luft-Batterien beziehungsweise elektrochemische Generatoren mit Aluminium als Brennstoff bieten einen anderen Ansatz für Elektromobilität und Energiespeicherung. Der feste metallische Brennstoff kann Energietransport und Nachfüllen erleichtern. Eine Bewertung muss zugleich Metallproduktion, Regenerierung, Verluste und Sammelinfrastruktur berücksichtigen.

2023 befanden sich viele Anwendungen noch in der Entwicklung oder in Pilotversuchen. Kooperationen mit Tata, Indian Oil und Hindalco zeigen industrielles Interesse, ohne bereits eine breite kommerzielle Nutzung zu belegen.

Die Technologie erfordert andere Lieferketten und Prozesse als herkömmliche aufladbare Batterien. Öffentliche Förderung hängt von den Regeln des jeweiligen Programms ab. Indien ist ein wichtiger Markt für die Entwicklung und Erprobung heimischer Energietechnologien.