Alumiini-ilma-akku tekniikka: Sähköautojen voimaannuttaminen romuajasta alumiinilla

Sivuttaisajattelu EV-rajoitteiden ratkaisemiseksi

EV:t ovat vallanneet automarkkinan myrskyn lailla, ja maat kuten Kiina ja Norja ovat jo saavuttaneet vahvan markkina-aseman. Samanaikaisesti EV:n käyttöönotto on monissa maissa edelleen jäljessä muutamien keskeisten rajoitteiden vuoksi:

• Alhaisempi ajomatka edullisemmissa EV-malleissa.
• Hidas latausnopeus, joka yhdistettynä matalaan ajomatkaan tekee pitkän matkan matkustamisesta vaikeaa.
• Huoli sähköverkkojen kyvystä käsitellä miljoonien uusien EV:iden lisäystä.

Ensimmäiset kaksi ongelmaa, ajomatka ja latausnopeus, ovat asioita, joita ala pyrkii ratkaisemaan uusilla akkukennoilla sekä nopeammalla ja tiheämmällä latausasemaverkostolla. Mutta tämä on edelleen vaikea pulma. Kaikki mahdolliset uudet akkumenetelmät on käyty läpi artikkelissamme “Energiavarastojen tulevaisuus – Sähköverkko-asteen akkutekniikka”.

Verkkokysymykset pahentuvat uusiutuvan energian tuotannon vaihtelevuuden vuoksi. Sähköautojen latauspiikki illalla, kun ihmiset ovat palanneet töistä ja kotiin, ei ole toivottavaa, kun aurinkoenergia on jo poissa kuvasta.

Mutta uusi konsepti voisi ratkaista kaikki nämä ongelmat kerralla. Entä jos sen sijaan, että valitsisimme ICE‑moottorin (sisäpolttomoottorin) ja nestemäisen fossiilisen polttoaineen tai EV:n ja akkujen välillä, voisimme “tankata” sähköautot täysin kierrätettävällä polttoaineella?

Alumiinin energiapotentiaali

Alumiini on erittäin yleinen alkuaine maapallolla.  Itse asiassa se on maapallon yleisin metalli, rautaa ylempi, ja se muodostaa 8 % maankuoren koostumuksesta. Se on myös metalli, jonka tuotanto vaatii paljon sähköä raaka‑boksidi‑malmista alumiinioksidiin ja lopulta alumiinimetalliin.  Tämä on johtanut siihen, että alumiinia kutsutaan joskus “jäätyneeksi sähköksi”.

Rauhallisen ja tasaisen ulkonäkönsä alla alumiini voi olla erittäin reaktiivinen metalli oikeissa olosuhteissa, ja sitä on käytetty ilotulituksissa; alumiinijauhe on jopa tehnyt avaruussukkulan kiinteät rakettimoottorit. Itse asiassa alumiini on 2,5‑kertainen energiapitoisempi kuin diesel tai bensiini.  Tervetuloa alumiini‑ilma‑akut.

Alumiini‑ilma‑akut varastoivat ja tuottavat sähköä alumiinin hapettumisen ja pelkistymisen kautta. Ne saavat alumiinimetallin reagoimaan ilman kanssa ja tarjoavat yhden korkeimmista energiapitoisuuksista kaikista nykyisistä akkuteknologioista. Ne voivat olla kahdeksan kertaa kevyempiä ja neljä kertaa pienempiä kuin litium‑ioni‑akut.

Alumiini‑ilma‑akut eivät ole sekoitettavissa alumiini‑ioni‑akuihin, jotka ovat samankaltaisia kuin litium‑ioni‑akut, mutta käyttävät eri metallia.

Lähde: Energy Post

Alumiini‑ilma‑etuja

Koska katodi on pelkkä ympäröivän ilman happi, metallikatodia ei tarvita, mikä tekee akusta paljon kevyemmän kuin kilpailijat.

Toinen etu on, että se on käytännössä “sähköinen moottori”, joka kuluttaa alumiinia öljyn sijaan eikä menetä jännitettä purkautuessaan kuten perinteiset akkut järjestelmät.

Rajoitteena on, että tämä kuluttaa alumiinia eikä sitä voi ladata pelkästään kytkemällä akku. Siksi se on periaatteessa samankaltainen kuin tavallinen AA‑paristo kuin litium‑ioni‑akku. Näin ollen se vaatii akkujen vaihtojärjestelmän, jonka kesto on noin 90 sekuntia, toisin kuin nestemäisen polttoaineen tankkaus tai 10‑15 minuutin sähköinen lataus.

Vaihtoehtona voidaan käyttää myös alumiini‑ilma‑akkujen ja ladattavien akkujen yhdistelmää, jolloin mahdollistetaan joustava suora lataus tai alumiinilla toimiva ajo tarpeen mukaan, samankaltaisesti hybridi‑ajoneuvon kanssa, mutta ilman fossiilisia polttoaineita.

Infrastruktuurin edut

Vahva etu alumiini‑ilma‑akuille on, että alumiinin kierrätykseen on jo olemassa vakiintunut, tehokas ja laajamittainen teollisuus – jotain, mitä litium‑ioni‑akuilla edelleen puuttuu.

Tämä tarkoittaa myös sitä, että alumiini‑ilma‑akuteollisuus voi hankkia raaka‑aineensa romuajasta alumiinista, joka on pelastettu vanhoista rakennuksista, koneista tai lentokoneista, ja samalla tuottaa energiaa. Järjestelmä ei tarvitse kriittisiä/polluttavia/kalliita resursseja kuten litiumia, nikkeliä, kobolttia tai harvinaisia maametalleja.

Kuten yllä mainittiin, akkujen vaihto tarkoittaa myös, että sähköverkkoa ei rasiteta, kun lataus täytyy tehdä välittömästi EV:n saapuessa lataus‑/polttoaseman luo. Sen sijaan alumiinin regenerointi ja akkujen lataus voidaan tehdä uusiutuvalla energialla, kun sitä on ylijäämässä.

Lopuksi, alumiinimetallia voidaan helposti varastoida vihreällä energialla silloin kun se on kätevää, eikä sen varastointi aiheuta suuria kustannuksia, sillä se on vakaa ja myrkytymätön kiinteä metalli, joka ei hapetu helposti. Näin energia voidaan varastoida alumiinivarastoihin pitkiksi ajoiksi, paljon alhaisemmilla varastointikustannuksilla kuin akuilla, ammoniakilla tai vedyllä.

Alumiinin massakuljetus ei myöskään vaadi erityisinfra­struktuuria kuten vety, ja se voidaan toteuttaa tavallisilla kuorma‑autoilla tai junilla.

Alumiinin kustannus – Lähde: RiAlAiR

Alumiini‑ilma‑akkujen haitat

Alumiini‑ilma‑akkujen rajoitteena on tiheän akku‑vaihtopisteverkoston tarve. EV:iden standardoinnin puute ja riittävän tiheän verkoston rakentamisen kustannukset ovat tehneet akku‑vaihdosta usein epäonnistuneen idean. Tämä on vielä epätodennäköisempää perinteisille akkukonsepteille, sillä EV‑ala siirtyy kohti “rakenteellisia akkuja”, jotka on integroitava ajoneuvon runkoon.

Jotkut yritykset (katso alta) työskentelevät alumiini‑ilma‑akkujen akku‑vaihdon toteuttamiseksi käsin, mikä vähentää merkittävästi teknologista monimutkaisuutta ja kalliiden akku‑vaihtopisteiden tarvetta, ja mahdollistaa yksinkertaisemmat toimitusautomaatit, kuten propaanipullot, riittävän työn suorittamiseen. Joka tapauksessa, infrastruktuuri, jonka avulla kerätään ja kunnostetaan/ladataan kuluneet akut, täytyy pystyttää.

Kokonaisuudessaan konsepti ei ole uusi, ja se nähtiin ensimmäisen kerran 1960‑luvuilla. Silloin elektrolyytin toksisuus esti teknologian etenemisen. Myös muut tekniset haasteet voivat olla merkittäviä, erityisesti ilman­katodin osalta:

“Hapen pelkistysreaktion hidas tehokkuus on este sen soveltamiselle. Muita ongelmia ovat CO₂‑reaktio alkalisen elektrolyytin kanssa, joka tuottaa karbonaattiprekipitaatteja, veden haihtuminen avoimeen ilmaan [elektrolyytin kuivuminen] ja elektrolyytin tunkeutuminen ilman­katodin huokosiin.” – Lähde: Automotive Logistics

Alumiini‑ilma‑yritykset

1. Aluma Power

Aluma Power on kanadalainen yritys sijaitsee Aamjiwnaang First Nation -alueella.

Aluma Power näkee täyden kierron hyötysuhteena 43 % ja 700 % hyötysuhteen, kun alumiinia käytetään ensin muihin sovelluksiin, kuten autojen, rakennusten, lentokoneiden, kasvihuoneiden, veneiden runkorakenteisiin, ennen kuin se kierrätetään polttoaineeksi.

Lähde: Aluma

Aluma Powerin ainutlaatuinen lähestymistapa on keskittyä mekaaniseen menetelmään, jolla lievennetään alumiini‑ilma‑akkujen rajoitteita, kuten anodikorroosiota ja kulumista, pyörittämällä anodia. Tämä malli voi käyttää mitä tahansa romuajaa, mukaan lukien sulatetut moottorilohkot tai virvoitusjuomapullot. Se on dokumentoitu Yhdysvaltain patentissa US10978758B2.

Polttoainelevy voidaan vaihtaa muutamassa minuutissa ja se kestää jopa 130 tuntia kulutusta.

Lähde: Aluma

Yritys väittää, että sen levyjärjestelmä mahdollistaa 70 % pienemmät pääomakustannukset kuin kilpailijat ja alhaisemmat työvoimakustannukset “varastointi palveluna” -mallissa.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique Ranskassa ja sen tytäryhtiö MAL Yhdistyneessä kuningaskunnassa kehittävät alumiini‑ilma‑akkuja. Yrityksen keskeinen immateriaalioikeus on oma elektrolyyttikemia, jonka väitetään vähentävän anodikorroosion ja huokosten tukkeutumisen ongelmia.

Yrityksen verkkosivusto on melko suppea, sisältäen lähinnä uutislinkkejä ja ilmoituksen tulevasta tuotteen julkaisusta vuonna 2024. Tämä voi herättää huolta, kun otetaan huomioon aiempi ilmoitus lanseerauksesta Q4‑ssa 2021.

Yritys näyttää keskittyvän kolmeen eri tuotekonseptiin:

• 300 mailin kantama‑laajennus EV:ille, jonka kehitystä neuvotellaan kahden suuren autoteollisuusyrityksen kanssa.
• 1 500 mailin kantama‑EV‑akku. MAL on solminut monimiljonin‑puntaisen sopimuksen Austin Electricin kanssa näiden akkujen massatuotannosta Yhdistyneessä kuningaskunnassa.
• £3 500:n muunnospaketit , joilla tavalliset polttomoottoriajoneuvot muutetaan hybrideiksi.

MAL väittää, että sen akkujen valmistuskustannus on vain 36 $/kWh verrattuna noin 180 $/kWh:iin litium‑ioni‑akuissa. Kun otetaan huomioon akun poisto‑amortisaatio, ajokustannus olisi £0,08/maili, eikä £0,50/maili kuten litium‑ioni‑akut.

Teknologiaa voitaisiin soveltaa myös lentokoneisiin, puolustusakkuihin ja syrjäisille saarille suunnattuun energiaan.

3. RiAlAiR

Yritys keskittyy alumiini‑ilma‑akkujen tuotantoon vene‑ ja kalastusalan tarpeisiin. Se tarjoaa akkujen tilauspalvelua, mikä vähentää alkuinvestointeja ja auttaa vähentämään saastumista sekä korkeita polttoainekustannuksia.

Keskittyminen ammattilaisveneisiin, kuten kalastus- ja taksiveneisiin, tekee edullisesta polttoaineesta houkuttelevan taloudellisen argumentin, eikä liiketoimintamalli tarvitse turvautua vihreän energian argumentteihin, vaan pelkästään kasvattamaan kannattavuutta.

Siirtyminen fossiilisesta polttoaineesta sähköiseen veneeseen avaa myös mahdollisuuden täydentää energianlähdettä aurinkopaneeleilla tai tuuliturbiineilla suoraan veneessä, mikä lisää entisestään polttoainetaloutta ja veneen autonomiaa.

Lähde: RiAlAiR

Lopuksi, sähköinen voimansiirto on tehokkaampaa veneen propulsiossa, sillä 92 % energiasta muutetaan työntövoimaksi, kun taas polttomoottoriveneissä se on vain 35 % (ero johtuu lämpö‑ ja mekaanisista menetyksistä ICE‑moottoreissa).

Tällä hetkellä miljoonat kalastusveneet kuluttavat 50 miljardia litraa polttoainetta vuodessa, mikä on 1,2 % maailmanlaajuisesta polttoaineenkulutuksesta, suurin osa alle 20 tonnin tonnitoista ja alle 12 metrin pituudesta, pääosin Aasiassa. Lisäksi on 15 miljoonaa vapaa‑ajan venettä, joilla on potentiaalia siirtyä vihreämpään sähköpropulsioon.

Lähde: RiAlAiR

Vaikka sähköpropulsio on ollut aluksi epäonnistunut veneiden vetämisessä, rajoitteena on ollut akkujen energiapitoisuus. Tämä on se, mitä modernit alumiini‑ilma‑suunnitelmat voivat ratkaista, mahdollisesti luoden kapean mutta kannattavan markkinan näille akuille.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy on ainoa alumiini‑ilma‑tekniikkaan erikoistunut yritys, jonka löysimme, ja se on myös julkisesti noteerattu. Israelilainen yritys kehittää sekä alumiini‑ että sinkkipohjaisia akkuja. Se kohdistaa markkinat varmuusvirtoihin, liikkuvuuteen/EV:ihin ja energiavarastointiin. Lisäksi se tarkastelee mahdollisuutta merelliseen energiaan, kontti‑akulla varustettuna.

Yritys on äskettäin allekirjoittanut sopimuksen toimittaa 300 varmuusvirta‑järjestelmää intialaiselle teleyritykselle Indus Power, sekä onnistuneen testin Cellnexin kanssa, toisen teleyrityksen. Se testaa myös järjestelmäänsä johtavan pilvipalvelukeskuksen kanssa.

Se esitteli prototyypin sähköisestä Tata‑matkustajaveturista tammikuussa 2023. Intia on yrityksen vientistrategian keskiössä, ja se on allekirjoittanut sopimuksen ekosysteemin rakentamisesta Hindalco Industries Limitedin kanssa, joka on yksi Intian suurimmista alumiinintuottajista.

5. Log9

Tämä intialainen yritys on ensimmäinen kotimainen litium‑ioni‑akku‑solun valmistaja, joka myös tuottaa omaa akku‑hallintajärjestelmäänsä. Yritys valmistaa akkuja, grafeeni‑ultra‑kondensaattoreita ja alumiini‑polttokennoja (AFC).

Yritys raportoi vuonna 2020, että sillä on 45 henkilön tiimi työskentelemässä alumiini‑ilma‑akuilla. Se on myös keskustellut prototyypistä, joka kykenee kuljettamaan 3 000 km yhdellä “ladalla” viime vuonna 2021.

Viime aikoina yritys on näyttänyt keskittyvänsä pääasiassa nopeaan lataukseen suunnattuihin litium‑ioni‑akuisiin, joten on epäselvää, onko alumiini‑ilma‑tavoitteet toteutuneet, mutta teknologia on silti esillä näkyvästi yrityksen kotisivun etusivulla.

Yhteenveto

Alumiini‑ilma‑akut, tai ehkä alumiini‑polttokennoja, olisi parempi termi, ovat erittäin mielenkiintoinen vaihtoehto perinteiselle EV‑ ja akkuteknologialle. Tarjoamalla metallisen kiinteän polttoaineen ne voisivat kiertää suurimman osan EV‑käyttöönoton esteistä, sekä ratkaista uusiutuvan energian vaihtelevuuden hallinnan “varastoimalla” sen kierrätettyyn kiinteään alumiiniin.

Toistaiseksi teknologia on vielä varhaisessa kehitysvaiheessa, eikä suurimmat korporaatiot tai akkuyritykset näytä työskentelevän sen parissa. Tämä johtuu osittain siitä, että konsepti poikkeaa radikaalisti perinteisestä EV‑teollisuuden ajattelusta ja vaatisi täysin erilaisia taitoja ja valmistusprosesseja.

Se johtuu myös siitä, että teknologia ei sovi vihreisiin politiikkoihin ja tukijärjestelmiin, eikä se täytä eikä vety‑polttokenno‑teknologian että ladattavien akku‑/EV‑politiikkojen vaatimuksia. Se näyttää saavan eniten suosiota Intiassa, jossa maa on innokas kiihdyttämään perääntään Kiinan kanssa akkuteknologiassa ja vihreässä energiassa.