Aluminium-Luft-Batterietechnologie: Elektrofahrzeuge mit Schrottaluminium antreiben

Lateral Thinking To Solve EV Limitations

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 ersten beiden Probleme, Reichweite und Ladegeschwindigkeit, versucht die Branche mit neuen Batteriekemikalien sowie einem schnelleren und dichteren Netz von Ladestationen zu lösen. Doch das bleibt ein hartes Stück Arbeit. Wir haben alle potenziellen Wege für neue Batterien in unserem Artikel „The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech“ detailliert beschrieben.

Die Netzprobleme werden durch die Intermittenz der erneuerbaren Stromerzeugung verschärft. Ein Anstieg von Elektrofahrzeugen, die abends laden, wenn die Menschen von Arbeit und Pendeln zurück sind, ist unerwünscht, wenn Solarenergie bereits nicht mehr verfügbar ist.

Aber ein neues Konzept könnte all diese Probleme gleichzeitig lösen. Was wäre, wenn wir anstelle der Wahl zwischen Verbrennungsmotor (ICE) & flüssigem fossilen Kraftstoff oder Elektrofahrzeug & Batterien die Elektrofahrzeuge mit einem vollständig recycelbaren Kraftstoff „auftanken“ könnten?

The Energy Potential Of Aluminum

Aluminium ist ein sehr häufiges Element auf der Erde. Tatsächlich ist es das häufigste Metall, noch vor Eisen, und macht 8 % der Erdkruste aus. Zudem ist es ein Metall, dessen Herstellung – von Rohbauxit über Aluminiumoxid bis zum Aluminiummetall – viel Strom erfordert. Deshalb wird Aluminium manchmal sogar als „eingefrorene Elektrizität“ bezeichnet.

Unter seiner gewöhnlichen und ruhigen Erscheinung kann Aluminium unter den richtigen Bedingungen ein sehr reaktives Metall sein und wurde in Feuerwerk eingesetzt; Aluminiumpulver trieb sogar die Feststoffraketenbooster des Space Shuttles an. Tatsächlich ist Aluminium 2,5‑mal energiedichter als Diesel oder Benzin. Damit kommen Aluminium‑Luft‑Batterien ins Spiel.

Aluminium‑Luft‑Batterien speichern und erzeugen Strom durch Oxidation und Reduktion von Aluminium. Das Metall reagiert mit Luft und bietet eine der höchsten Energiedichten aller derzeit verfügbaren Batterietechnologien. Sie können achtmal leichter und viermal kleiner sein als Lithium‑Ion‑Batterien.

Aluminium‑Luft‑Batterien dürfen nicht mit Aluminium‑Ion‑Batterien verwechselt werden, die Lithium‑Ion‑Batterien ähneln, jedoch ein anderes Metall verwenden.

Quelle: Energy Post

Aluminum-Air Advantages

Da die Kathode lediglich Sauerstoff aus der Umgebungsluft ist, wird keine metallische Kathode benötigt, was die Batterie deutlich leichter macht als ihre Konkurrenz.

Ein weiterer Vorteil ist, dass es im Wesentlichen ein „Elektromotor“ ist, der Aluminium statt Öl verbraucht und beim Entladen nicht wie Batteriesysteme Spannungsverlust erleidet.

Die Einschränkung besteht darin, dass dabei Aluminium verbraucht wird und die Batterie nicht einfach durch Anschließen wieder aufgeladen werden kann. Sie ähnelt daher eher einer herkömmlichen AA‑Batterie als einer Lithium‑Ion‑Batterie. Deshalb ist ein Batteriewechsel‑System erforderlich, das etwa 90 Sekunden dauert, anstelle einer Betankung mit flüssigem Kraftstoff oder einer 10‑15‑minütigen elektrischen Aufladung.

Eine Alternative kann darin bestehen, Aluminium‑Luft‑Batterien mit wiederaufladbaren Batterien zu kombinieren, wodurch je nach Bedarf ein flexibler Direkt‑Ladevorgang oder ein aluminium‑betriebener Antrieb möglich ist, ähnlich einem Hybridfahrzeug, jedoch ohne fossile Brennstoffe.

Infrastructure Pros

Ein starkes Argument für Aluminium‑Luft‑Batterien ist, dass bereits eine gut etablierte, effiziente und skalierte Industrie für das Recycling von Aluminium existiert – etwas, das bei Lithium‑Ion‑Batterien nach wie vor stark fehlt.

Das bedeutet außerdem, dass die Aluminium‑Luft‑Batterie‑Industrie ihr Grundmaterial aus Schrottaluminium, das von alten Gebäuden, Maschinen oder Flugzeugen geborgen wird, beziehen und gleichzeitig Strom erzeugen könnte. Insgesamt benötigt das System keine kritischen, umweltbelastenden oder teuren Ressourcen wie Lithium, Nickel, Kobalt oder seltene Erden.

Wie oben erwähnt bedeutet der Batteriewechsel auch, dass kein Druck auf das Stromnetz entsteht, die Aufladung sofort beim Anfahren der Ladestation durchführen zu müssen. Stattdessen kann die Regeneration des Aluminiums und das Aufladen der Batterien mit überschüssiger erneuerbarer Energie erfolgen.

Schließlich kann Aluminium nicht nur bei Bedarf mit grüner Energie regeneriert werden, sondern lässt sich auch kostengünstig lagern, da es ein stabiles, ungiftiges Festmetall ist, das kaum oxidiert. So kann Energie über Aluminiumvorräte über lange Zeiträume gespeichert werden, zu deutlich geringeren Lagerkosten als bei Batterien, Ammoniak oder Wasserstoff.

Der Massentransport von Aluminium erfordert zudem keine spezielle Infrastruktur wie bei Wasserstoff und kann mit normalen Lkw oder Zügen durchgeführt werden.

Aluminiumkosten – Quelle: RiAlAiR

Aluminum-Air Batteries Cons

Eine Einschränkung von Aluminium‑Luft‑Batterien ist die Notwendigkeit eines dichten Netzes von Batteriewechsel‑Stationen. Aufgrund fehlender Standardisierung von Elektrofahrzeugen und der Kosten für den Aufbau eines ausreichend dichten Netzes war der Batteriewechsel häufig eine gescheiterte Idee. Für traditionelle Batteriekonzepte ist dies noch unwahrscheinlicher, da die EV‑Industrie zu „strukturellen Batterien“ übergeht, die in den Fahrzeugrahmen integriert sind.

Einige Unternehmen (siehe unten) arbeiten daran, den Batteriewechsel für Aluminium‑Luft‑Batterien manuell durchführbar zu machen, wodurch die technologische Komplexität und der Bedarf an teuren Batteriewechsel‑Stationen stark reduziert werden, mit einfacheren Lieferautomaten, ähnlich wie bei Propangasflaschen, die ausreichen. In jedem Fall muss eine Infrastruktur zum Sammeln und Wiederaufbereiten/Aufladen der verbrauchten Batterien geschaffen werden.

Insgesamt ist das Konzept nicht neu und wurde bereits in den 1960er‑Jahren konzipiert. Damals hinderte die Toxizität des Elektrolyten den Fortschritt dieser Technologie. Weitere technische Probleme können ebenfalls erheblich sein, hauptsächlich im Zusammenhang mit der Luftkathode:

„Die langsame Effizienz der Sauerstoff‑Reduktionsreaktion ist das Hindernis für ihre Anwendung. Weitere Probleme umfassen die Reaktion von CO₂ mit alkalischem Elektrolyten, die Karbonat‑Prezipitate erzeugt, die Verdunstung von Wasser in die offene Luft [Elektrolyt‑Austrocknung] und das Eindringen des Elektrolyten in die Poren der Luftkathode.“ – Quelle: Automotive Logistics

Aluminum-Air Companies

1. Aluma Power

Aluma Power ist ein kanadisches Unternehmen auf dem Land der Aamjiwnaang First Nation.

Aluma Power strebt eine Gesamteffizienz von 43 % an und eine 700‑%‑Effizienz, wenn Aluminium zunächst für andere Anwendungen wie den Bau von Fahrzeugrahmen, Gebäuden, Flugzeugen, Gewächshäusern, Booten usw. verwendet wird, bevor es zu Kraftstoff recycelt wird.

Quelle: Aluma

Der einzigartige Ansatz von Aluma Power besteht darin, eine mechanische Methode zu fokussieren, um die Einschränkungen von Aluminium‑Luft‑Batterien, wie Anodenkorrosion und Verschleiß, durch Drehen der Anode zu mindern. Dieses Design kann jedes Schrott‑Aluminium verwenden, einschließlich geschmolzener Motorblöcke oder Getränkedosen. Es ist im US‑Patent US10978758B2 dokumentiert.

Die Brennstoffscheibe kann in wenigen Minuten gewechselt werden und hält bis zu 130 Stunden Verbrauch.

Quelle: Aluma

Das Unternehmen behauptet, dass sein Scheibensystem 70 % geringere Kapitalaufwendungen als die Konkurrenz erfordert und niedrigere Arbeitskosten für „Storage as a Service“ bietet.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique in Frankreich und seine Tochtergesellschaft im Vereinigten Königreich, MAL, entwickeln Aluminium‑Luft‑Batterien. Das zentrale geistige Eigentum des Unternehmens ist eine proprietäre Elektrolyt‑Chemie, von der behauptet wird, dass sie die Probleme von Anodenkorrosion und Porenverstopfung reduziert.

Die Website des Unternehmens ist etwas spärlich, hauptsächlich mit einigen Nachrichtenartikeln und der Ankündigung einer Produktveröffentlichung im Jahr 2024. Das könnte etwas beunruhigend sein, wenn man eine frühere Ankündigung für einen Start im 4. Quartal 2021 berücksichtigt.

Das Unternehmen scheint sich auf drei verschiedene Produktkonzepte zu konzentrieren:

• Ein Reichweitenverlängerer von 300 Meilen für Elektrofahrzeuge, in Diskussion mit zwei sehr großen Automobilunternehmen.
• Eine Elektrofahrzeugbatterie mit 1.500 Meilen Reichweite. MAL hat einen mehrmillionen‑Pfund-Deal mit Austin Electric für die Massenproduktion dieser Batterien im Vereinigten Königreich unterzeichnet.
• £3.500‑Umrüstkits , die herkömmliche Verbrennungsmotor‑Autos in Hybride verwandeln.

MAL behauptet, dass die Herstellung seiner Batterie nur 36 $ /kWh kostet, verglichen mit etwa 180 $ /kWh für Lithium‑Ion‑Batterien. Unter Einbeziehung der Batteriemortabilität würde dies die Fahrkosten auf £0,08 pro Meile senken, gegenüber £0,50 pro Meile für Lithium‑Ion.

Die Technologie könnte auch auf Flugzeuge, Verteidigungsbatterien und abgelegene Stromversorgung auf Inseln angewendet werden.

3. RiAlAiR

Das Unternehmen konzentriert sich auf die Produktion von Aluminium‑Luft‑Batterien für die Boot- und Fischereibranche. Es bietet einen Abonnement‑Service für seine Batterien an, der die Anschaffungskosten senkt und zur Reduzierung von Umweltverschmutzung und hohen Kraftstoffkosten beiträgt.

Der Fokus auf professionelle Bootsbenutzer wie Fischerboote und Taxiboote bedeutet, dass das ökonomische Argument günstigerer Kraftstoff gut ankommt, und das Geschäftsmodell muss nicht auf Argumenten für grüne Energie basieren, sondern einfach auf gesteigerter Rentabilität.

Der Umstieg von fossilem Kraftstoff auf ein elektrisch angetriebenes Boot eröffnet zudem die Möglichkeit, die Energieversorgung mit Solarpaneelen oder Windturbinen am Boot selbst zu ergänzen, wodurch die Kraftstoffeffizienz und die Autonomie des Bootes weiter gesteigert werden.

Quelle: RiAlAiR

Schließlich ist ein elektrischer Antriebsstrang für die Bootspropulsion effizienter, wobei 92 % der Energie in Schub umgewandelt werden, im Vergleich zu lediglich 35 % bei kraftstoffbetriebenen Booten (der Unterschied resultiert aus thermischen und mechanischen Verlusten in Verbrennungsmotoren).

Derzeit verbrauchen Millionen von Fischerbooten jährlich 50 Milliarden Liter Kraftstoff, was 1,2 % des globalen Kraftstoffverbrauchs ausmacht, wobei die Mehrheit ein Tonnage‑Untergewicht von 20 Tonnen und eine Länge von weniger als 12 Metern hat, hauptsächlich in Asien. Es gibt außerdem 15 Millionen Freizeitboote, die das Potenzial haben, auf umweltfreundlichere elektrische Antriebe umgestellt zu werden.

Quelle: RiAlAiR

Während die elektrische Antriebstechnik für Boote bislang kein Durchbruch war, lag die Einschränkung stets in der Energiedichte der Batterien. Moderne Aluminium‑Luft‑Designs könnten dies lösen und potenziell einen Nischen‑, aber profitablen Markt für diese Batterien schaffen.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy ist das einzige Unternehmen, das wir im Bereich Aluminium‑Luft‑Technologie finden konnten und das zudem börsennotiert ist. Das israelische Unternehmen entwickelt sowohl Aluminium‑ als auch Zink‑Batterien. Es richtet sich an den Markt für Energie-Backup‑Lösungen, Mobilität/EVs und Energiespeicherung. Außerdem prüft es das Potenzial für marine Energie mit containerisierten Batterien.

Das Unternehmen hat kürzlich eine Vereinbarung unterzeichnet, um 300 Energie‑Backup‑Systeme an das indische Telekommunikationsunternehmen Indus Power zu liefern, sowie einen erfolgreichen Test mit Cellnex, einem weiteren Telekommunikationsunternehmen. Es testet sein System außerdem mit einem führenden Cloud‑Rechenzentrumsunternehmen.

Es zeigte außerdem ein Prototyp‑Elektro‑Tata‑Personenfahrzeug im Januar 2023. Indien steht im Mittelpunkt der Exportstrategie des Unternehmens, wobei eine Vereinbarung zum Aufbau eines Ökosystems mit Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), einem der größten Aluminiumhersteller Indiens, unterzeichnet wurde.

5. Log9

Dieses indische Unternehmen ist der erste einheimische Hersteller von Lithium‑Ion‑Batteriezellen, der zudem sein eigenes Batteriemanagementsystem produziert. Das Unternehmen stellt Batterien, Graphen‑Ultrakondensatoren und Aluminium‑Brennstoffzellen (AFC) her.

Das Unternehmen wurde 2020 berichtet, dass ein Team von 45 Personen an Aluminium‑Luft‑Batterien arbeitet. Es diskutierte außerdem einen Prototyp für ein Zustellfahrzeug der letzten Meile, das 3.000 km mit einer einzigen „Ladung“ zurücklegen kann im Jahr 2021.

In jüngerer Zeit scheint sich das Unternehmen hauptsächlich auf schnell ladende Lithium‑Ion‑Batterien zu konzentrieren, sodass unklar ist, ob seine Ziele für Aluminium‑Luft‑Batterien erreicht werden, doch die Technologie wird nach wie vor prominent auf der Startseite seiner Website präsentiert.

Conclusion

Aluminium‑Luft‑Batterien, oder vielleicht besser Aluminium‑Brennstoffzellen, stellen eine sehr interessante Alternative zum konventionellen Ansatz von EV‑ und Batterietechnologie dar. Durch die Bereitstellung eines metallischen Feststoff‑Kraftstoffs könnten sie die meisten Hindernisse für die Einführung von Elektrofahrzeugen umgehen und zudem das Problem der Intermittenz erneuerbarer Energien lösen, indem sie diese in recyceltem festem Aluminium „speichern“.

Derzeit befindet sich die Technologie noch in den Kinderschuhen, wobei keine der großen Konzerne oder Batteriefirmen offenbar daran arbeitet. Das liegt zum Teil daran, dass das Konzept radikal von der konventionellen Denkweise in der EV‑Industrie abweicht und völlig andere Fachkenntnisse sowie Fertigungsprozesse erfordern würde.

Zudem fällt die Technologie häufig durch grüne Richtlinien und Subventionen hindurch, da sie weder den Anforderungen für Wasserstoff‑Brennstoffzellentechnologie noch den Vorgaben für wiederaufladbare Batterien/EV‑Politiken entspricht. Sie scheint in Indien am besten angenommen zu werden, da das Land bestrebt ist, China im Bereich Batterietechnologie und grüner Energie einzuholen.