Aluminium-luftbatterier: elbilar med återvunnet aluminium

Nya sätt att hantera elbilarnas begränsningar

Elbilar har fått starkt genomslag på marknader som Kina och Norge. I många andra länder begränsas användningen fortfarande av flera faktorer:

• Kort räckvidd hos billigare elbilsmodeller.
• Laddningstider och täta laddstopp som kan försvåra långresor.
• Oro för elnätens förmåga att försörja miljontals nya elbilar.

Industrin försöker förbättra räckvidden och laddningshastigheten genom nya batterikemier och tätare nät av snabbladdare. Utmaningarna är fortfarande betydande. Vi undersöker olika batteritekniker i artikeln ”Framtidens mobilitet – batteriteknik”.

Variationen i förnybar elproduktion behöver också hanteras. Många elbilar laddas på kvällen när människor kommer hem från arbetet och solproduktionen minskar, vilket kan öka belastningen på lokala elnät.

En annan möjlighet är att använda ett återvinningsbart metallbränsle. I stället för att enbart välja mellan förbränningsmotorer med flytande bränsle och elbilar med uppladdningsbara batterier skulle elfordon kunna ”tankas” med aluminium.

Aluminiums energipotential

Aluminium är den vanligaste metallen i jordskorpan och utgör omkring 8 procent av den. Tillverkningen från bauxit via aluminiumoxid till metall kräver mycket energi. Därför kallas aluminium ibland ”frusen elektricitet”.

Aluminium kan vara mycket reaktivt under rätt förhållanden. Aluminiumpulver används exempelvis i fyrverkerier och användes i rymdfärjans fasta raketbränsle. Metallens kemiska energiinnehåll per volym kan vara ungefär 2,5 gånger diesels eller bensins. Detta är inte samma sak som ett komplett batteris användbara elektriska energitäthet.

Aluminium-luftbatterier producerar elektricitet när aluminium oxideras vid anoden och syre från luften reduceras vid katoden. Tekniken kan ge hög energitäthet. RiAlAiR beskriver sina system som upp till åtta gånger lättare och fyra gånger mindre än jämförda litiumjonlösningar; det är företagets produktjämförelse, inte en allmän garanti för alla batteripaket.

Aluminium-luftbatterier ska inte förväxlas med aluminiumjonbatterier, som bygger på en annan elektrokemisk princip med aluminiumjoner som laddningsbärare.

Källa: Energy Post

Fördelar med aluminium-luftbatterier

Syre hämtas från omgivningsluften i stället för att hela det aktiva katodmaterialet lagras i batteriet. Luftkatoden behöver fortfarande en ledande struktur och katalysator. Detta kan minska vikten.

Systemet fungerar som en elektrokemisk generator som förbrukar aluminium och driver en elmotor. Spänningsstabiliteten beror på konstruktion och belastning; det är inte en motor som automatiskt håller konstant spänning under all urladdning.

Vattenbaserade aluminium-luftsystem av detta slag kan inte laddas genom att bara anslutas till ett eluttag. Förbrukade aluminiumanoder behöver bytas och reaktionsprodukterna återvinnas. MAL har beskrivit ett mål om cirka 90 sekunders byte, vilket är ett konstruktionsmål och inte en generell bytestid för tekniken. Det skiljer sig från både tankning med flytande bränsle och 10–15 minuters snabbladdning.

Ett alternativ är att kombinera aluminium-luftsystem med uppladdningsbara batterier. Då kan fordonet använda direkt laddad el eller aluminium som energibärare efter behov, ungefär som ett hybridfordon utan att behöva fossilt bränsle ombord.

Fördelar för infrastrukturen

En fördel är att det redan finns en etablerad storskalig industri för återvinning av aluminiumskrot. Även litiumjonbatterier återvinns, men återvinningskedjorna och processerna skiljer sig åt.

Lämpligt bearbetat aluminiumskrot från exempelvis byggnader, maskiner eller flygplan kan användas som råmaterial. Aluminiumanoden behöver inte litium, nickel eller kobolt. Återvinning av metallskrot ska dock skiljas från återbildning av metall ur batteriets oxidationsprodukter, som kräver betydande energitillförsel.

Anodbyte kan flytta en del av energibehovet från själva tankstationen till produktionen och återvinningen av aluminium. Dessa processer kan planeras när förnybar el finns tillgänglig. Energibehovet försvinner alltså inte, utan flyttas i tid och rum.

Aluminiummetall är ett stabilt fast material vars skyddande oxidskikt begränsar fortsatt oxidation. Den kan därför lagras och transporteras under lång tid. Den totala kostnaden jämfört med batterier, ammoniak eller vätgas beror på hela energikedjan och användningen.

Transport av fast aluminium kan ske med vanliga lastbilar eller tåg och kräver inte samma trycksatta eller kryogena infrastruktur som vissa vätgaslösningar.

Aluminiumkostnad – Källa: RiAlAiR

Nackdelar med aluminium-luftbatterier

Anodbyte kräver ett fungerande nät för distribution och insamling. Brist på standardisering och höga infrastrukturkostnader har försvårat flera tidigare batteribytessatsningar. Strukturella batterier som integreras i fordonsramen kan också komplicera byte av hela batteripaket, men innebär inte att alla former av anodbyte måste misslyckas.

Vissa företag utvecklar skivor som ska kunna bytas för hand. Det kan minska behovet av komplicerade bytesstationer och möjliggöra enklare distributionsautomater, ungefär som utbyte av gasolflaskor. Insamling av förbrukat material och energiintensiv återbildning av metall behöver fortfarande organiseras.

Aluminium-luftbatterier studerades redan på 1960-talet. Elektrolytens egenskaper och säkerhet är viktiga, men även anodkorrosion, oönskad vätgasbildning och luftkatodens reaktionshastighet begränsar tekniken:

”Den långsamma syrereduktionsreaktionen är ett hinder för tillämpningen. Andra problem är att koldioxid reagerar med alkalisk elektrolyt och bildar karbonatutfällningar, att vatten avdunstar så att elektrolyten torkar och att elektrolyt tränger in i luftkatodens porer.” – Källa: Automotive Logistics

Företag inom aluminium-luftteknik

1. Aluma Power

AlumaPower är ett kanadensiskt företag med verksamhet på Aamjiwnaang First Nations mark vid Sarnia.

AlumaPower har angett en beräknad verkningsgrad för hela cykeln på 43 procent och även beskrivit ett scenario med ”700 procent”, där aluminium först används i exempelvis bilar, byggnader, flygplan, växthus eller båtar innan det blir bränsle. Den senare siffran kan inte tolkas som vanlig energiomvandlingsverkningsgrad: återanvändning av material skapar inte energi och återbildning av aluminium kräver energi.

Källa: Aluma

AlumaPower använder en roterande anod för att hantera bland annat korrosion och ojämn förbrukning. Lämpligt bearbetade aluminiumlegeringar kan komma från exempelvis omsmälta motorblock eller dryckesburkar. Konstruktionen beskrivs i det amerikanska patentet US10978758B2.

Enligt företagets historiska uppgifter kan bränsleskivan bytas på några minuter och räcka i upp till 130 timmar, beroende på belastning och konstruktion.

Källa: Aluma

Företaget uppgav att skivsystemet skulle kunna sänka kapitalkostnaden med 70 procent jämfört med de lösningar det jämförde med och även minska arbetskostnaderna i en modell där energilagring erbjuds som tjänst. Detta är företagets beräkningar, inte ett generellt verifierat utfall.

2. Métalectrique SAS & MAL Research & Development

Métalectrique har sitt ursprung i Frankrike. Verksamheten bakom MAL Research & Development är nu baserad i Storbritannien.

I den information som granskades för artikeln 2023 hänvisade företagets webbplats främst till nyhetsartiklar och en planerad produktlansering 2024. En tidigare intervju hade angett fjärde kvartalet 2021 som planerad lansering. Planerna ska skiljas från bekräftade kommersiella leveranser.

Företaget beskrev tre produktkoncept:

• En räckviddsförlängare för elbilar med omkring 300 miles, cirka 480 kilometer, extra räckvidd. Företaget uppgav att konceptet diskuterades med två stora biltillverkare.
• Ett elbilssystem med uppgiven räckvidd på 1 500 miles, cirka 2 400 kilometer. Ett avtal på flera miljoner pund med Austin Electric om planerad brittisk massproduktion rapporterades, vilket inte i sig visar att sådan produktion inleddes.
• Ombyggnadssatser för 3 500 pund som enligt den rapporterade planen skulle göra vanliga bränsledrivna bilar till hybrider.

MAL uppgav historiskt en tillverkningskostnad på 36 dollar/kWh, jämfört med omkring 180 dollar/kWh för den litiumjonlösning företaget använde som jämförelse. Med batteriets avskrivning inkluderad angavs 0,08 pund per mile mot 0,50 pund per mile. Dessa är företagets dåtida kalkyler. Tekniken föreslogs också för flygplan, försvarstillämpningar och elförsörjning på avlägsna öar.

3. RiAlAiR

RiAlAiR utvecklar aluminium-luftsystem för båt- och fiskerinäringen. Företaget beskriver en prenumerationsmodell som ska minska kundens initiala kostnad och ersätta en del av användningen av fossila bränslen.

För yrkesbrukare, som fiskebåtar och taxibåtar, kan lägre driftskostnader vara ett viktigt argument tillsammans med minskade lokala utsläpp.

Eldrivna båtar kan också komplettera energiförsörjningen med solpaneler eller vindkraft, beroende på båtens utformning och användningsprofil.

Källa: RiAlAiR

RiAlAiR jämför elektriska drivsystem med cirka 92 procents verkningsgrad med förbränningsmotorer kring 35 procent. Det gäller drivlinan, inte hela aluminiumets energi- och återvinningskedja eller hur effektivt propellern omvandlar energin till framdrivning.

RiAlAiR uppskattar fiskebåtarnas bränsleförbrukning till omkring 50 miljarder liter per år, främst i Asien. Företaget beskriver många av båtarna som kortare än 12 meter och mindre än 20 i bruttodräktighet, ett volymmått och inte en vikt på 20 ton. Den ursprungliga marknadsbedömningen angav också 1,2 procent av den globala bränsleförbrukningen och cirka 15 miljoner fritidsbåtar som möjlig marknad.

Källa: RiAlAiR

Eldrivna båtar finns redan, men batteriers vikt och energitäthet begränsar vissa användningar. Aluminium-luftsystem skulle kunna skapa ytterligare möjligheter, särskilt där anodbyte och insamling kan organiseras ekonomiskt.

4. Phinergy (PNRG.TA)

Phinergy är ett israeliskt börsnoterat företag, med handel på Tel Aviv-börsen sedan 2021. Det utvecklar aluminium- och zinkbaserade system för reservkraft, mobilitet och energilagring samt undersöker marina tillämpningar med containerbaserade lösningar.

Under 2023 meddelade företaget ett avtal om 300 reservkraftsystem för Indus Towers i Indien. Cellnex hade redan i november 2022 beskrivit ett pilotprojekt med Phinergys system. Phinergy uppgav också tester tillsammans med ett ledande molndatacenterföretag.

En Tata Tiago-prototyp med tekniken visades i januari 2023. Indien är en viktig marknad: i juli 2022 ingick Phinergy, IndianOil–Phinergy-samarbetet IOP och Hindalco Industries Limited (HINDALCO.BO ) ett samförståndsavtal om aluminiumplattor, pilotutveckling och återvinning för aluminium-luftsystem.

5. Log9

Indiska Log9 utvecklar battericeller och batterihanteringssystem. Verksamheten omfattar även grafenbaserade ultrakondensatorer och aluminiumbränsleceller, AFC.

Företaget rapporterades 2020 ha omkring 45 personer som arbetade med aluminium-luftteknik. År 2021 beskrevs också en prototyp för leveranser på den sista transportsträckan med uppgiven räckvidd på 3 000 kilometer per metallpåfyllning, inte per vanlig elektrisk laddning.

I den marknadsbild som granskades 2023 låg stor vikt vid snabbladdande litiumjonbatterier. Den kommersiella utvecklingen av de tidigare aluminium-luftmålen var mindre tydlig, även om tekniken fortfarande ingick i företagets utvecklingsarbete.

Slutsats

Aluminium-luftbatterier, eller elektrokemiska generatorer med aluminiumbränsle, erbjuder en annan väg för eldrift och energilagring. Det fasta metallbränslet kan förenkla transport och påfyllning av energi. En bedömning behöver samtidigt omfatta metallproduktion, återbildning, energiförluster och insamlingssystem.

Många tillämpningar befann sig 2023 fortfarande i utvecklings- eller pilotstadiet. Samarbeten med Tata, Indian Oil och Hindalco visar redan ett industriellt intresse, även om det inte innebär bred kommersiell användning.

Tekniken kräver andra leveranskedjor och processer än vanliga uppladdningsbara batterier. Vilket stöd den kan få beror på respektive politiks regler. Indien är en viktig marknad för utveckling och tester av inhemsk energiteknik.