Aluminium-luftbatterier: elbiler med gjenvunnet aluminium

Nye måter å håndtere elbilenes begrensninger på

Elbiler har fått stor utbredelse i markeder som Kina og Norge. I mange andre land begrenses bruken fortsatt av noen viktige forhold:

• Lav rekkevidde for billigere elbilmodeller.
• Ladetid og hyppige ladestopp som kan gjøre lange reiser vanskeligere.
• Behovet for å tilpasse strømnettet til millioner av nye elbiler.

Industrien forsøker å forbedre rekkevidde og ladehastighet gjennom nye batterikjemier og tettere nettverk av hurtigladere. Utfordringene er fortsatt betydelige. Vi gjennomgår forskjellige batteriteknologier i artikkelen «Fremtidens mobilitet – batteriteknologi».

Variabel produksjon av sol- og vindkraft krever også planlegging. Mange elbiler lades om kvelden når folk kommer hjem fra jobb og solproduksjonen avtar, noe som kan øke belastningen på lokale nett.

Et annet alternativ er å bruke et resirkulerbart metallbrensel. I stedet for bare å velge mellom forbrenningsmotorer med flytende drivstoff og elbiler med oppladbare batterier kunne elektriske kjøretøy «fylles» med aluminium.

Energipotensialet til aluminium

Aluminium er det vanligste metallet i jordskorpen og utgjør rundt 8 prosent av den. Produksjon fra bauksitt via aluminiumoksid til metall krever mye energi. Derfor omtales aluminium noen ganger som «frossen elektrisitet».

Aluminium kan være svært reaktivt under riktige forhold. Pulveret brukes blant annet i fyrverkeri og ble brukt i romfergens faste rakettbrensel. Metallets kjemiske energiinnhold per volum kan være omtrent 2,5 ganger det i diesel eller bensin. Dette må ikke forveksles med den tilgjengelige elektriske energitettheten i et komplett batterisystem.

Aluminium‑luftbatterier produserer elektrisitet når aluminium oksideres ved anoden og oksygen fra luften reduseres ved katoden. Teknologien kan gi høy energitetthet. RiAlAiR beskriver sine systemer som opptil åtte ganger lettere og fire ganger mindre enn litiumionløsningene selskapet sammenligner med. Dette er en produktpåstand, ikke en generell garanti for alle batteripakker.

Aluminium-luftbatterier må ikke forveksles med aluminiumionbatterier, som bygger på en annen elektrokjemisk mekanisme med aluminiumioner som ladningsbærere.

Kilde: Energy Post

Fordeler med aluminium‑luftbatterier

Oksygen hentes fra luften i stedet for at alt aktivt katodemateriale lagres i batteriet. Luftkatoden trenger fortsatt en ledende struktur og en katalysator. Dette kan redusere vekten.

Systemet er en elektrokjemisk generator som forbruker aluminium og leverer strøm til en elektrisk motor. Spenningens stabilitet avhenger av konstruksjon og belastning; den er ikke automatisk konstant gjennom hele utladingen.

Vannbaserte aluminium-luftsystemer av denne typen kan ikke lades ved å kobles til strømnettet. Forbrukte aluminiumanoder må byttes, og reaksjonsproduktene må behandles for å gjenvinne metall. MAL har beskrevet et mål om bytte på rundt 90 sekunder, ikke en universell byttetid. Dette skiller seg fra både fylling av flytende drivstoff og 10–15 minutters hurtiglading.

Et alternativ er å kombinere aluminium-luftsystemer med oppladbare batterier. Kjøretøyet kan da bruke direkte ladet strøm eller aluminium som energibærer etter behov, omtrent som en hybrid uten behov for fossilt drivstoff om bord.

Fordeler med infrastruktur

En fordel er den etablerte industrien for gjenvinning av aluminiumskrap. Litiumionbatterier gjenvinnes også, men innsamlingssystemene og prosessene er forskjellige.

Egnet, bearbeidet aluminiumskrap fra bygninger, maskiner eller fly kan brukes som råmateriale. Aluminiumanoden trenger ikke litium, nikkel eller kobolt. Omsmelting av metallskrap må likevel skilles fra regenerering av metall fra batteriets oksidasjonsprodukter, som krever betydelig energitilførsel.

Anodebytte kan flytte energibehov fra selve fyllestasjonen til produksjon og gjenvinning av aluminium. Disse prosessene kan planlegges når fornybar kraft er tilgjengelig. Energibehovet forsvinner ikke, men flyttes i tid og sted.

Aluminium er et stabilt fast materiale med et beskyttende oksidlag som begrenser videre oksidasjon. Det kan derfor lagres lenge. Kostnaden sammenlignet med batterier, ammoniakk eller hydrogen avhenger av hele energikjeden og bruksområdet.

Fast aluminium kan fraktes med vanlige lastebiler eller tog og trenger ikke samme trykksatte eller kryogene infrastruktur som enkelte hydrogenløsninger.

Aluminiumkostnad – Kilde: RiAlAiR

Ulemper med aluminium‑luftbatterier

Anodebytte krever fungerende distribusjon og innsamling. Manglende standardisering og kostbare nettverk har vanskeliggjort flere tidligere batteribytteprosjekter. Strukturelle batterier integrert i bilrammen kan også komplisere bytte av hele batteripakker, men betyr ikke at alle former for anodebytte må mislykkes.

Noen selskaper utvikler skiver som skal kunne byttes for hånd. Det kan redusere behovet for avanserte byttestasjoner og gjøre enklere distribusjonsautomater mulige, omtrent som utveksling av propanflasker. Innsamling og energikrevende regenerering av metall må fortsatt organiseres.

Aluminium-luftbatterier ble undersøkt allerede på 1960-tallet. Elektrolyttens egenskaper og sikkerhet er viktige, men også anodekorrosjon, uønsket hydrogendannelse og langsom oksygenreduksjon begrenser teknologien:

«Den langsomme oksygenreduksjonsreaksjonen er et hinder for anvendelsen. Andre problemer omfatter at karbondioksid reagerer med alkalisk elektrolytt og danner karbonatutfellinger, vannfordamping slik at elektrolytten tørker ut og inntrenging av elektrolytt i luftkatodens porer.» – Kilde: Automotive Logistics

Aluminium‑luftbatteriselskaper

1. Aluma Power

AlumaPower er et kanadisk selskap med virksomhet på Aamjiwnaang First Nations landområder ved Sarnia.

AlumaPower har oppgitt en beregnet virkningsgrad for hele syklusen på 43 prosent og beskrevet et scenario med «700 prosent», der aluminium først brukes i biler, bygninger, fly, drivhus eller båter før det blir brensel. Sistnevnte tall kan ikke tolkes som vanlig energiomvandlingsvirkningsgrad: gjenbruk av materialer skaper ikke energi, og regenerering av aluminium krever energi.

Kilde: Aluma

AlumaPower bruker en roterende anode for å håndtere blant annet korrosjon og ujevn slitasje. Egnet bearbeidet aluminium kan komme fra eksempelvis omsmeltede motorblokker eller drikkebokser. Konstruksjonen beskrives i det amerikanske patentet US10978758B2.

Ifølge selskapets historiske opplysninger kan brenselskiven byttes på noen minutter og vare i opptil 130 timer, avhengig av belastning og konstruksjon.

Kilde: Aluma

Selskapet oppga at skivesystemet kunne redusere kapitalkostnadene med 70 prosent sammenlignet med løsningene det sammenlignet med, samt senke arbeidskostnadene i en modell der energilagring tilbys som tjeneste. Dette er selskapets beregninger.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique har sitt opphav i Frankrike, mens virksomheten bak MAL Research & Development nå er basert i Storbritannia. Selskapet beskriver en egen elektrolyttkjemi som skal redusere anodekorrosjon og tilstopping av porer.

Selskapets nettsted viste i materialet som ble gjennomgått i 2023 hovedsakelig nyhetslenker og en planlagt produktlansering i 2024. Tidligere hadde selskapet omtalt en planlagt lansering i fjerde kvartal 2021. Planlagte lanseringer må skilles fra dokumenterte kommersielle leveranser.

Selskapet beskrev tre produktkonsepter:

• En rekkeviddeforlenger for elbiler med rundt 300 miles, cirka 480 kilometer, ekstra rekkevidde. Selskapet oppga at konseptet ble diskutert med to store bilprodusenter.
• Et elbilsystem med oppgitt rekkevidde på 1 500 miles, cirka 2 400 kilometer. En avtale på flere millioner pund med Austin Electric om planlagt britisk masseproduksjon ble rapportert, uten at avtalen alene dokumenterer slik produksjon.
• Ombyggingssett til 3 500 pund som etter den rapporterte planen skulle gjøre vanlige drivstoffbiler til hybrider.

MAL oppga historisk en produksjonskostnad på 36 dollar/kWh, sammenlignet med rundt 180 dollar/kWh for litiumionløsningen i selskapets sammenligning. Med batteriets avskrivning inkludert ble kjørekostnaden oppgitt til 0,08 pund per mile, mot 0,50 pund per mile. Dette er selskapets daværende kalkyler. Teknologien ble også foreslått brukt i fly, forsvarssystemer og strømforsyning på avsidesliggende øyer.

3. RiAlAiR

RiAlAiR utvikler aluminium-luftsystemer for båt- og fiskerinæringen. Selskapet beskriver en abonnementsmodell som skal redusere kundenes startkostnader og erstatte noe av bruken av fossilt drivstoff.

For yrkesbrukere, som fiskebåter og taxibåter, kan lavere driftskostnader være et viktig argument sammen med reduserte lokale utslipp.

Elektriske båter kan også supplere energiforsyningen med solpaneler eller vindturbiner, avhengig av båtens utforming og bruk.

Kilde: RiAlAiR

RiAlAiR sammenligner elektriske drivlinjer med rundt 92 prosent virkningsgrad med forbrenningsmotorer rundt 35 prosent. Dette gjelder drivlinjen, ikke hele aluminiumets energi- og gjenvinningskjede eller propellens evne til å omsette energien til fremdrift.

RiAlAiR anslår fiskebåtenes drivstofforbruk til rundt 50 milliarder liter årlig, hovedsakelig i Asia. Mange av båtene beskrives som kortere enn 12 meter og under 20 i bruttotonnasje, et volummål og ikke en vekt på 20 tonn. Den opprinnelige markedsvurderingen oppga også 1,2 prosent av verdens drivstofforbruk og rundt 15 millioner fritidsbåter som mulig marked.

Kilde: RiAlAiR

Elektriske båter finnes allerede, men batterienes vekt og energitetthet begrenser enkelte bruksområder. Aluminium-luftsystemer kan skape ytterligere muligheter der anodebytte og innsamling lar seg organisere økonomisk.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy er et israelsk børsnotert selskap med handel på Tel Aviv-børsen siden 2021. Det utvikler aluminium- og sinkbaserte systemer rettet mot reservestrøm, mobilitet og elbiler samt energilagring. Selskapet undersøker også maritime anvendelser med containerbaserte batterisystemer.

I 2023 kunngjorde selskapet en avtale om 300 reservestrømsystemer til Indus Towers i India. Cellnex hadde allerede i november 2022 beskrevet et pilotprosjekt med Phinergys teknologi. Phinergy oppga også testing sammen med et ledende skydatasenterselskap.

Selskapet viste en Tata Tiago-prototype med teknologien i januar 2023. India er et viktig marked. I juli 2022 inngikk Phinergy, IndianOil–Phinergy-samarbeidet IOP og aluminiumprodusenten Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) en intensjonsavtale om aluminiumsplater, pilotutvikling og gjenvinning for aluminium-luftsystemer.

5. Log9

Indiske Log9 utvikler battericeller og batteristyringssystemer. Virksomheten omfatter også grafenbaserte ultrakondensatorer og aluminiumbrenselceller, AFC.

Selskapet ble i 2020 omtalt som et team på rundt 45 personer som arbeidet med aluminium-luftteknologi. I 2021 beskrev det også en prototype for distribusjon på den siste transportetappen med oppgitt rekkevidde på 3 000 kilometer per metallpåfylling, ikke per vanlig elektrisk lading.

I markedsbildet som ble gjennomgått i 2023, la selskapet stor vekt på hurtiglading av litiumionbatterier. Den kommersielle utviklingen av de tidligere aluminium-luftmålene var mindre tydelig, selv om teknologien fortsatt inngikk i utviklingsarbeidet.

Konklusjon

Aluminium-luftbatterier, eller elektrokjemiske generatorer med aluminiumbrensel, tilbyr en annen vei til elektrisk drift og energilagring. Fast metallbrensel kan forenkle transport og påfylling av energi. Vurderingen må samtidig omfatte metallproduksjon, regenerering, energitap og innsamlingssystemer.

Mange anvendelser var i 2023 fortsatt under utvikling eller i pilotfasen. Samarbeid med Tata, Indian Oil og Hindalco viser industriell interesse, uten at dette innebærer bred kommersiell bruk.

Teknologien krever andre forsyningskjeder og prosesser enn vanlige oppladbare batterier. Mulig offentlig støtte avhenger av reglene i den enkelte ordningen. India er et viktig marked for utvikling og testing av innenlandsk energiteknologi.