Aluminium‑Luchtbatterijtechnologie: EV’s aandrijven met schrootaluminium

Lateraal denken om EV‑beperkingen op te lossen

EV’s hebben de automarkt stormachtig veroverd, met landen als China en Noorwegen die al een sterke marktpenetratie laten zien. Tegelijkertijd blijft de adoptie van EV’s in veel landen achter vanwege een paar belangrijke beperkingen:

• Beperkte actieradius voor goedkopere EV‑modellen.
• Trage laadsnelheid, die in combinatie met de lage actieradius bij regelmatig opladen langeafstandsreizen moeilijk maakt.
• Zorgen over de capaciteit van elektriciteitsnetten om de toevoeging van miljoenen nieuwe EV’s aan te kunnen.

De eerste twee problemen, actieradius en laadsnelheid, probeert de industrie op te lossen met nieuwe batterijchemieën, evenals een sneller en dichter netwerk van laadstations. Maar dit blijft een harde noot om te kraken. We hebben alle potentiële wegen voor nieuwe batterijen in ons artikel “De Toekomst van Energieopslag – Batterijtechnologie op nutschaal” uitgewerkt.

De netproblemen worden verergerd door de intermitterende aard van hernieuwbare energieopwekking. Een piek van EV’s die ’s avonds opladen wanneer mensen thuis zijn van werk en pendelen, is niet welkom wanneer zonne‑energie al buiten beeld is.

Maar een nieuw concept zou al deze problemen tegelijk kunnen oplossen. Wat als we in plaats van te kiezen tussen ICE (interne verbrandingsmotor) & vloeibare fossiele brandstof of EV & batterijen, EV’s konden “bijtanken” met een volledig recyclebare brandstof?

Het energiepuntentieel van aluminium

Aluminium is een zeer veelvoorkomend element op aarde. In feite is het het meest voorkomende metaal op aarde, vóór ijzer, en vormt het 8 % van de aardkorst. Het is ook een metaal dat veel elektriciteit vereist voor de productie, van ruwe bauxiet tot alumina en vervolgens aluminiummetaal. Hierdoor wordt aluminium soms zelfs “bevroren elektriciteit” genoemd.

Ondanks zijn gewone en rustige uiterlijk kan aluminium onder de juiste omstandigheden een zeer reactief metaal zijn en is het gebruikt in vuurwerk; aluminiumpoeder leverde zelfs de vaste raketboosters van de space‑shuttle. In feite is aluminium 2,5 × energie‑dichter dan diesel of benzine.  Maak kennis met aluminium‑luchtbatterijen.

Aluminium‑luchtbatterijen slaan elektriciteit op en produceren deze via de oxidatie en reductie van aluminium. Het laat het aluminiummetaal reageren met lucht en biedt een van de hoogste energiedichtheden van alle momenteel beschikbare batterijtechnologieën. Ze kunnen acht keer lichter & vier keer kleiner zijn dan lithium‑ion.

Aluminium‑luchtbatterijen moeten niet verward worden met aluminium‑ion‑batterijen, die vergelijkbaar zijn met lithium‑ion, maar een ander metaal gebruiken.

Bron: Energy Post

Voordelen van aluminium‑luchtbatterijen

Aangezien de kathode gewoon zuurstof uit de omgevingslucht is, is er geen metalen kathode nodig, waardoor de batterij veel lichter is dan zijn concurrenten.

Een ander voordeel is dat het in wezen een “elektrische motor” is die aluminium in plaats van olie verbruikt en geen spanningsverlies ondervindt bij ontlading zoals batterijsystemen dat doen.

De beperking is dat dit aluminium verbruikt en niet kan worden opgeladen door simpelweg de batterij aan te sluiten. Het lijkt daardoor meer op een gewone AA‑batterij dan op een lithium‑ion‑batterij. Daarom is een systeem voor batterij‑swapping nodig, dat ongeveer 90 seconden duurt, in plaats van een vloeibare brandstof bijtanken of een 10‑15‑minuten elektrische lading.

Een alternatief kan ook een mix van aluminium‑luchtbatterijen + oplaadbare batterijen zijn, waardoor flexibel kan worden gekozen tussen directe lading of door aluminium aangedreven aandrijving, vergelijkbaar met een hybride voertuig, maar zonder fossiele brandstof.

Voordelen voor de infrastructuur

Een sterk argument voor aluminium‑luchtbatterijen is dat er al een goed gevestigde, efficiënte en opgeschaalde industrie bestaat voor aluminiumrecycling — iets wat nog ernstig ontbreekt bij lithium‑ion‑batterijen.

Dit betekent ook dat de aluminium‑luchtbatterijindustrie haar grondstof kan halen uit schrootaluminium dat wordt gewonnen uit oude gebouwen, machines of vliegtuigen en tegelijkertijd energie kan genereren. Over het geheel genomen vereist het systeem geen kritieke/vervuilende/dure hulpbronnen zoals lithium, nikkel, kobalt of zeldzame aardmetalen.

Zoals hierboven genoemd, betekent batterij‑swapping ook dat er geen druk op het elektriciteitsnet ontstaat om direct op te laden wanneer de EV’s bij het laad‑/tankstation aankomen. In plaats daarvan kan de regeneratie van aluminium en het opladen van de batterijen worden uitgevoerd met hernieuwbare energie wanneer er een overschot is.

Tenslotte kan aluminiummetaal niet alleen met groene stroom worden geregenereerd wanneer dat handig is, maar het kan ook gemakkelijk worden opgeslagen zonder veel kosten, aangezien het een stabiel en niet‑giftig vast metaal is dat niet sterk oxideert. Energie kan dus via aluminiumvoorraden voor lange periodes worden opgeslagen, tegen veel lagere opslagkosten dan bij batterijen, ammoniak of waterstof.

Het grootschalig transport van aluminium vereist bovendien geen specifieke infrastructuur zoals waterstof dat doet en kan worden uitgevoerd met gewone vrachtwagens of treinen.

Aluminium‑kosten – Bron: RiAlAiR

Nadelen van aluminium‑luchtbatterijen

Een beperking van aluminium‑luchtbatterijen is de noodzaak van een dicht netwerk van batterij‑swapping stations. Door het gebrek aan standaardisatie van EV’s en de kosten om een voldoende dicht netwerk op te bouwen, is batterij‑swapping vaak een mislukt idee geweest. Dit is nog minder waarschijnlijk voor traditionele batterijconcepten, aangezien de EV‑industrie zich beweegt richting “structurele batterijen” die geïntegreerd zijn in het voertuigframe.

Sommige bedrijven (zie hieronder) werken aan een handmatige batterij‑swap voor aluminium‑luchtbatterijen, waardoor de technologische complexiteit en de noodzaak van een dure swapping‑station sterk worden verminderd, met eenvoudigere leveringsautomaten, zoals voor propaanflessen, die voldoende zijn om de taak uit te voeren. In elk geval moet er een infrastructuur worden opgezet voor het inzamelen en opnieuw opbouwen/herladen van de gebruikte batterijen.

Over het geheel genomen is het concept niet nieuw en werd het voor het eerst in de jaren zestig voorgesteld. Destijds blokkeerde de toxiciteit van het elektrolyt de voortgang van deze technologie. Andere technische problemen kunnen ook aanzienlijk zijn, voornamelijk gerelateerd aan de luchtkathode:

“De trage efficiëntie van de zuurstofreductiereactie vormt de barrière voor de toepassing. Andere problemen omvatten CO₂‑reactie met alkalisch elektrolyt die carbonaat‑precipitaten vormt, waterverdamping naar de open lucht [droogvallen van elektrolyt] en elektrolyt‑penetratie in de poriën van de luchtkathode.” – Bron: Automotive Logistics

Aluminium‑luchtbedrijven

1. Aluma Power

Aluma Power is een Canadees bedrijf gevestigd op het land van de Aamjiwnaang First Nation.

Aluma Power voorziet een volledige cyclusrendement van 43 % en 700 % efficiëntie wanneer aluminium eerst wordt gebruikt voor andere toepassingen zoals het bouwen van autokarossen, gebouwen, vliegtuigen, kassen, boten, enz., voordat het wordt gerecycled tot brandstof.

Bron: Aluma

De unieke aanpak van Aluma Power richt zich op een mechanische methode om de beperkingen van aluminium‑luchtbatterijen, zoals anode‑corrosie en slijtage, te mitigeren door de anode te laten roteren. Dit ontwerp kan elk schrootaluminium gebruiken, inclusief gesmolten motorblokken of frisdrankblikjes. Het is gedocumenteerd in het Amerikaanse octrooi US10978758B2.

De brandstofschijf kan in enkele minuten worden vervangen en gaat tot 130 uur verbruik mee.

Bron: Aluma

Het bedrijf beweert dat zijn schijf‑systeem 70 % minder kapitaalkosten oplevert dan de concurrentie en lagere arbeidskosten voor “storage as a service”.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique in Frankrijk en haar dochteronderneming in het VK, MAL, ontwikkelen aluminium‑luchtbatterijen. Het belangrijkste intellectueel eigendom van het bedrijf is een eigen elektrolyt‑chemie die volgens hen de problemen van anode‑corrosie en pore‑verstopping vermindert.

De website van het bedrijf is nogal minimaal, met voornamelijk enkele nieuwsartikellinks en de aankondiging van een productrelease in 2024. Dit kan enigszins verontrustend zijn, gezien een eerdere aankondiging voor een lancering in Q4 2021.

Het bedrijf lijkt zich te richten op drie verschillende productconcepten:

• Een actieradius‑vergroter van 300 mijl voor EV’s, in bespreking met twee zeer grote automobielbedrijven.
• Een EV‑batterij met een actieradius van 1 500 mijl. MAL heeft een multi‑miljoen‑ponddeal getekend met Austin Electric voor massaproductie van deze batterijen in het VK.
• Conversiekits van £3.500 die gewone brandstofauto’s omvormen tot hybrides.

MAL beweert dat de productie van hun batterij slechts $36/kWh kost in vergelijking met ongeveer $180/kWh voor lithium‑ion‑batterijen. Inclusief de afschrijving van de batterij zou de kosten per mijl dalen tot £0,08, in plaats van £0,50 per mijl voor lithium‑ion.

De technologie kan ook worden toegepast op vliegtuigen, defensiebatterijen en afgelegen energievoorziening op eilanden.

3. RiAlAiR

Het bedrijf richt zich op de productie van aluminium‑luchtbatterijen voor de boot‑ en visserijsector. RiAlAiR biedt een abonnementsservice voor haar batterijen, waardoor de initiële kosten worden verlaagd en vervuiling en hoge brandstofkosten worden verminderd.

De focus op professionele bootgebruikers zoals vissersboten en taxiboten betekent dat het economische argument van goedkopere brandstof sterk aanslaat, en de businesscase hoeft niet te steunen op groene‑energie‑argumenten, maar simpelweg op verhoogde winstgevendheid.

De overstap van fossiele brandstof naar een elektrisch aangedreven boot opent tevens de mogelijkheid om de energievoorziening aan te vullen met zonnepanelen of windturbines op de boot zelf, waardoor de brandstofefficiëntie en de autonomie van de boot nog verder toenemen.

Bron: RiAlAiR

Ten slotte is een elektrische aandrijflijn efficiënter voor bootaandrijving, met 92 % van de energie omgezet in stuwkracht, in plaats van slechts 35 % voor brandstofaangedreven boten (het verschil komt door thermische en mechanische verliezen in ICE‑motoren).

Momenteel verbruiken miljoenen vissersboten jaarlijks 50 miljard liter brandstof, wat 1,2 % van het wereldwijde brandstofverbruik uitmaakt, waarbij de meerderheid een tonnage onder 20 ton heeft en korter is dan 12 meter, voornamelijk in Azië. Er zijn ook 15 miljoen recreatieve boten die potentieel kunnen worden omgeschakeld naar groenere elektrische aandrijving.

Bron: RiAlAiR

Hoewel elektrische aandrijving tot nu toe geen optie was voor boten, lag de beperking altijd in de energiedichtheid van de batterijen. Moderne aluminium‑luchtontwerpen zouden dit kunnen oplossen, waardoor een niche‑maar winstgevende markt voor deze batterijen ontstaat.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy is het enige bedrijf dat we konden vinden dat betrokken is bij aluminium‑luchttechnologie en tevens beursgenoteerd is. Het Israëlische bedrijf ontwikkelt zowel aluminium‑ als zink‑batterijen. Het richt zich op de markt van energie‑back‑ups, mobiliteit/EV’s en energieopslag. Het kijkt ook naar de potentie voor mariene energie, met container‑geïntegreerde batterijen.

Het bedrijf heeft recentelijk een overeenkomst getekend om 300 energie‑back‑up‑systemen te leveren aan het Indiase telecombedrijf Indus Power, evenals een succesvolle test met Cellnex, een ander telecombedrijf. Het test ook zijn systeem met een toonaangevend cloud‑datacenterbedrijf.

Het toonde ook een prototype van een elektrische Tata‑passagiersvoertuig in januari 2023. India staat centraal in de exportstrategie van het bedrijf, met een overeenkomst voor het bouwen van een ecosysteem met Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ), een van de grootste aluminiumproducenten van India.

5. Log9

Dit Indiase bedrijf is de eerste inheemse fabrikant van lithium‑ion‑batterijcellen, die ook haar eigen batterij‑managementsysteem produceert. Het bedrijf maakt batterijen, grafeen‑ultracapacitors en aluminium‑brandstofcellen (AFC).

Het bedrijf werd in 2020 gerapporteerd als zijnde een team van 45 personen dat werkt aan aluminium‑luchtbatterijen. Het besprak ook een prototype voor een last‑mile‑bezorgvoertuig dat 3 000 km kan afleggen op één “lading” in 2021.

Meer recent lijkt het bedrijf zich voornamelijk te hebben geconcentreerd op snel‑opladende lithium‑ion‑batterijen, dus het is onduidelijk of de doelstellingen voor aluminium‑lucht worden bereikt, maar de technologie wordt nog steeds prominent getoond op de startpagina van hun website.

Conclusie

Aluminium‑luchtbatterijen, of misschien beter aluminium‑brandstofcellen genoemd, vormen een zeer interessante alternatieve benadering van de conventionele EV‑ en batterijtechnologie. Door een metalen vaste brandstof te bieden, kan het de meeste obstakels voor EV‑adoptie omzeilen, en tevens het probleem van het beheren van de intermitterende aard van hernieuwbare energie oplossen door het “op te slaan” in gerecycled vast aluminium.

Voorlopig bevindt de technologie zich nog in de kinderschoenen, zonder dat de grootste corporaties of batterijbedrijven er duidelijk aan werken. Dit komt deels doordat het concept radicaal afwijkt van de conventionele wijsheid in de EV‑industrie en een volledig andere vaardigheidsset en productieprocessen vereist.

Het komt ook doordat de technologie vaak door groene beleidsmaatregelen en subsidies valt, waarbij het noch voldoet aan de eisen voor waterstof‑brandstofceltechnologie noch aan de eisen voor oplaadbare batterijen/EV‑beleid. Het lijkt het meest welkom te zijn in India, waar het land gretig is om China in te halen op het gebied van batterijtechnologie en groene energie.