هل ستكون الوقود المعدني هو تخزين الطاقة في المستقبل؟ عندما يتفوق الألومنيوم والحديد على الهيدروجين

هل الحل لنقص الكهرباء في فصل الشتاء؟ يقوم الباحثون بصنع بطارية المستقبل من مسحوق معدني - لتر واحد من الحديد يكفي لثماني ساعات من الطاقة: ثورة غير متوقعة في مجال تخزين الطاقة

يواجه التحول في قطاع الطاقة تحديًا متناقضًا: فبينما تُنتج محطات الطاقة الشمسية فائضًا من الكهرباء النظيفة في الصيف، يُهدر جزء منه، يُهدد نقصٌ كبيرٌ في الكهرباء خلال أشهر الشتاء المظلمة والباردة. يُعد هذا الخلل الموسمي أحد أبرز العقبات التي تعترض طريق الحياد المناخي، ويُجبر أوروبا على الاستمرار في الاعتماد المكلف على واردات الوقود الأحفوري. وبينما يركز النقاش العام غالبًا على الهيدروجين كحلٍّ جذري، يتبلور بديلٌ واعدٌ في خضم الأبحاث: تخزين الطاقة في وقود معدني كالألومنيوم والحديد.

هذه الفكرة التي تبدو غريبة للوهلة الأولى، تكشف عند التدقيق فيها عن كونها حلاً بسيطاً وفعالاً للغاية. يقوم مبدأها على دورة كيميائية عكسية: حيث يُستخدم فائض الكهرباء الصيفية لاختزال أكاسيد المعادن إلى معادن نقية، والتي تعمل كناقلات طاقة عالية الكثافة وآمنة. وعند الحاجة، تتفاعل هذه المعادن بطريقة مضبوطة مع الماء، مطلقةً في الوقت نفسه حرارة قابلة للاستخدام وهيدروجين، والذي يُحوّل بدوره إلى كهرباء.

المزايا الفيزيائية مذهلة: يخزن لتر واحد من الألومنيوم طاقةً تفوق حجميًا طاقة الهيدروجين المضغوط عاليًا بنحو 23 ضعفًا. ويمكن تخزين مسحوق أو حبيبات المعدن ونقلها بأمان في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي العادي، دون الحاجة إلى خزانات ضغط عالية باهظة الثمن أو تبريد فائق. هذا يعني أن الوقود المعدني لا يمكنه فقط إحداث ثورة في تخزين الطاقة الموسمية للمباني والصناعة، بل يمكنه أيضًا إعادة تنظيم تدفقات الطاقة العالمية وتمهيد الطريق أمام أوروبا للتخلص من اعتمادها الجيوسياسي على الطاقة. وتُظهر المشاريع التجريبية في سويسرا وألمانيا بالفعل أن هذه التقنية تتجاوز كونها مجرد فكرة مخبرية، بل يمكن أن تصبح العنصر الحاسم الذي كان مفقودًا سابقًا لتوفير إمدادات طاقة آمنة ومتجددة بالكامل.

ذو صلة بهذا الموضوع:

• أبحاث OST – جامعة شرق سويسرا للعلوم التطبيقية | الوقود المعدني كناقلات وموردين للطاقة

عبقرية سويسرية: كيف يمكن لحبيبة معدنية غير ظاهرة أن تنهي اعتمادنا على الطاقة؟

يُعدّ تحدّي تخزين الطاقة الموسمية من أبرز المشكلات المستعصية في مجال التحوّل الطاقي. فبينما يتزايد فائض الكهرباء الكهروضوئية في أوروبا خلال فصل الصيف، إلا أن هذه الطاقة تحديدًا تُصبح شحيحة خلال أشهر الشتاء المظلمة. وتُبشّر أنواع الوقود المعدني، كالألومنيوم والحديد، بحلّ يتفوّق على الهيدروجين، الأكثر استخدامًا، في جوانب حاسمة، وقد يُحدث تحوّلًا جذريًا في قطاع الطاقة.

تواجه أوروبا تحديًا جوهريًا في مجال الطاقة. تتوقع سويسرا وحدها عجزًا في الكهرباء خلال فصل الشتاء يتراوح بين ثمانية وعشرة تيراواط/ساعة بحلول عام 2050، على الرغم من التوسع الهائل في استخدام الطاقة الشمسية الكهروضوئية. وتواجه ألمانيا والاتحاد الأوروبي بأكمله مشكلة هيكلية مماثلة. فبينما يُولّد توليد الطاقة الشمسية فائضًا في الطاقة خلال فصل الصيف، ما يستدعي تقليص بعضه، إلا أن هناك نقصًا حادًا في فصل الشتاء. ويتفاقم هذا التفاوت الموسمي مع كل لوحة شمسية إضافية تُركّب على أسطح المنازل والمساحات المفتوحة في أوروبا. وفي الوقت نفسه، يُؤدي التوسع المتزايد في استخدام الكهرباء في التدفئة والنقل إلى زيادة الطلب على الكهرباء، لا سيما خلال الأشهر الباردة، بشكلٍ أكثر إلحاحًا.

يُبرز اعتماد أوروبا على واردات الوقود الأحفوري في مجال الطاقة الحاجة المُلحة إلى حلول تخزين مستدامة. تُصدّر ألمانيا ما بين 80 و130 مليار يورو سنويًا مقابل الفحم والنفط والغاز، بينما يُصدّر الاتحاد الأوروبي ككل أكثر من 300 مليار يورو. هذه المبالغ الطائلة تُهدر خارج البلاد بدلًا من استثمارها في البنية التحتية المحلية والتقنيات المستقبلية. علاوة على ذلك، أظهرت الاضطرابات الجيوسياسية في السنوات الأخيرة بوضوح المخاطر المرتبطة بهذا الاعتماد.

تتطلب أنواع الوقود المعدني مثل الألومنيوم والحديد الأكسجين (O₂) لإطلاق الطاقة. يشبه هذا التفاعل الاحتراق، ولكنه غالباً ما يتخذ شكل الأكسدة، على سبيل المثال:

الألومنيوم + الأكسجين → أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)

الحديد + الأكسجين → أكسيد الحديد (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

تُطلق هذه التفاعلات الكثير من الحرارة - وهذه الطاقة تحديداً هي التي يرغب المرء في استخدامها كشكل من أشكال التخزين.

يُعد الهيدروجين (H₂) ناقلاً معروفاً للطاقة اليوم، ولكنه من الصعب تخزينه ونقله.

تُعتبر أنواع الوقود المعدني بديلاً لأنها:

◾️ غنية جداً بالطاقة،

◾️ سهل النقل (صلب، غير متطاير)،

◾️ قابلة لإعادة الاستخدام - يمكن إعادة تدوير الأكاسيد واختزالها مرة أخرى إلى معدن، وغالبًا ما يتم ذلك باستخدام الكهرباء المتجددة.

بل إن بعض المفاهيم تستخدم الهيدروجين لتحويل المعدن المؤكسد إلى معدن نقي.

فيزياء تخزين الطاقة المعدنية

يعتمد المبدأ الأساسي للوقود المعدني على قابلية انعكاس كيميائية فائقة. يمكن شحن معادن مثل الألومنيوم والحديد والسيليكون بالطاقة الكهربائية من خلال عملية اختزال، ينطلق خلالها الأكسجين من أكاسيدها. تعمل المعادن النقية الناتجة كأجهزة تخزين طاقة مضغوطة للغاية. عند الحاجة، تُعكس هذه العملية، حيث يتفاعل المعدن مع الماء أو البخار، منتجًا الهيدروجين والحرارة. يمكن استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود لتوليد الكهرباء، بينما يمكن توجيه الحرارة مباشرةً إلى أنظمة التدفئة.

تُعدّ كثافة الطاقة العامل الأساسي الذي يُميّز الوقود المعدني عن بدائله الغازية. يُحقق الألومنيوم كثافة طاقة نظرية تزيد عن ثمانية كيلوواط ساعة لكل كيلوغرام، وكثافة حجمية تزيد عن ثلاثة وعشرين كيلوواط ساعة لكل لتر. حتى الهيدروجين المضغوط تحت ضغط عالٍ يصل إلى 700 بار لا يُحقق سوى حوالي كيلوواط ساعة واحد لكل لتر من حيث الكثافة الحجمية. يُمكن لتر واحد من الحديد أن يُزوّد ​​منزلًا ألمانيًا متوسطًا بالطاقة لأكثر من ثماني ساعات، بينما لا يكفي لتر واحد من الهيدروجين المضغوط بشدة لأكثر من ساعة واحدة.

لهذه الخصائص الفيزيائية آثار عملية واسعة النطاق. إذ يُمكن تخزين ونقل مساحيق أو حبيبات المعادن في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي العادي، دون الحاجة إلى خزانات ضغط عالية باهظة الثمن أو تقنيات تبريد معقدة. وتُعدّ متطلبات السلامة مماثلة لتلك الخاصة بالمواد التقليدية السائبة. كما يُمكن تجنب مخاطر الانفجار، كتلك المرتبطة بغبار المعادن الناعم، باستخدام حبيبات أكبر حجمًا. فعلى سبيل المثال، يعمل المعهد السويسري لتكنولوجيا الطاقة الشمسية (SPF) التابع لمعهد العلوم والتكنولوجيا (OST) بحبيبات أسلاك الألمنيوم 6060، المتوفرة تجاريًا والتي لا تتطلب أي احتياطات سلامة خاصة.

مقارنة بين المواد المرشحة

يُعتبر الألومنيوم من أكثر أنواع الوقود المعدني الواعدة. فبفضل كثافة طاقته العالية التي تتجاوز نظرياً ثمانية كيلوواط ساعة لكل كيلوغرام، يتفوق بشكل ملحوظ على جميع المعادن غير السامة الأخرى. عند تفاعله مع الماء، يُطلق ما يقارب نصف الطاقة المخزنة على شكل حرارة، والنصف الآخر على شكل هيدروجين. ويمكن تحويل الهيدروجين إلى كهرباء في خلية وقود بكفاءة 50%، مما ينتج عنه نسبة إجمالية تقارب 75% حرارة و25% كهرباء. هذا المزيج مثالي لأنظمة الطاقة في المباني، حيث يغلب الطلب على الحرارة عادةً.

يكمن التحدي في إنتاج الألومنيوم في استهلاكه المكثف للطاقة. إذ يتطلب إنتاج كيلوغرام واحد من الألومنيوم الخام ما يقارب 13 إلى 17 كيلوواط/ساعة من الطاقة الكهربائية. ويؤدي استخدام الطاقة المولدة من الفحم في هذه العملية إلى إنتاج ما يصل إلى 20 كيلوغرامًا من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من الألومنيوم. وحتى عند استخدام الطاقة المتجددة، فإن عملية هول-هيرولت التقليدية لا تزال تُطلق حوالي طن ونصف من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الألومنيوم، وذلك نتيجة استهلاك مصاعد الكربون وتفاعلها لتكوين ثاني أكسيد الكربون.

هنا يكمن الابتكار. ففي مشروع البحث الأوروبي "ريفيل"، يعمل علماء بقيادة معهد العلوم والتكنولوجيا (OST) على تطوير عملية إنتاج ألومنيوم خالية تمامًا من ثاني أكسيد الكربون، باستخدام ما يُعرف بالأنودات الخاملة. تتكون هذه الأنودات من سبائك معدنية لا تُستهلك خلال عملية التحليل الكهربائي، وتُطلق الأكسجين النقي بدلًا من ثاني أكسيد الكربون. ويعمل الشريك الأيسلندي "آيس تيك" بالتوازي على التطبيق الصناعي لهذه التقنية، مستفيدًا من الطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الكهرومائية المتاحة بسهولة. كما تُسهم شركات ألمانية مثل "ترايمت" في دفع عجلة التطوير، وقد قامت بالفعل بتشغيل محطات تجريبية.

يُعدّ الحديد بديلاً عملياً. فمع كثافة طاقة تتراوح بين 0.2 و0.3 كيلوواط ساعة لكل كيلوغرام، تُعتبر كثافته أقل بكثير من كثافة طاقة الألومنيوم، ولكنه مع ذلك يُنافس العديد من تقنيات تخزين الطاقة الأخرى. وتكمن الميزة الحاسمة للحديد في وفرته وانخفاض تكلفته. وباعتباره رابع أكثر العناصر وفرةً في قشرة الأرض، يتوفر خام الحديد بكميات غير محدودة تقريباً دون التأثير بشكل كبير على أسعار السوق العالمية.

ينتج عن تفاعل الحديد مع الماء كمية ضئيلة جدًا من الحرارة. تُنقل الطاقة المخزنة بالكامل إلى الهيدروجين الناتج، والذي يمكن تحويله إلى كهرباء بكفاءة تقارب 50%. هذه النسبة تجعل الحديد خيارًا جذابًا للغاية للتطبيقات التي يكون فيها الطلب على الكهرباء بالغ الأهمية. يدير فريق بحثي بقيادة البروفيسور فيندلين ستارك في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ محطة تجريبية في حرم هونغربرغ الجامعي، حيث يتم تخزين الهيدروجين موسميًا باستخدام أكسيد الحديد. تُعتبر هذه التقنية أرخص بعشر مرات تقريبًا من تقنيات تخزين الهيدروجين التقليدية.

يُعدّ الاختزال المباشر باستخدام الهيدروجين الأخضر تقنية راسخة في صناعة الحديد. وتعمل شركات مثل أرسيلور ميتال وثيسن كروب على التحوّل إلى إنتاج الصلب باستخدام الهيدروجين. ويمكن استخدام هذه التقنية مباشرةً لتخزين الطاقة. ويتراوح مستوى نضجها بين ستة وسبعة من تسعة، ما يجعلها قريبة من الجاهزية للتسويق. ويمكن تشغيل المصانع عند الضغط الجوي العادي ودرجة حرارة تقارب 800 درجة مئوية، مما يحدّ من تعقيدها التقني.

يمثل السيليكون خيارًا ثالثًا. فهو يجمع بين كثافة طاقة عالية، مماثلة للألومنيوم، وتوافر جيد. وباعتباره ثاني أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض بعد الأكسجين، فإنه لا يعاني عمليًا من أي قيود على الموارد. كما أن تقنية إنتاجه راسخة بفضل صناعة الطاقة الشمسية. مع ذلك، فإن الأبحاث المتعلقة بالسيليكون كوسيط لتخزين الطاقة أقل تقدمًا من تلك المتعلقة بالألومنيوم والحديد. تجري جامعة دارمشتات التقنية أبحاثًا حول السيليكون ضمن مشروع A-STEAM، ولكن من المرجح أن يستغرق الأمر عدة سنوات قبل استخدامه في التطبيقات الصناعية.

اقتصاديات التحول

تعتمد الجدوى الاقتصادية للوقود المعدني بشكل حاسم على تكاليف إنتاج استخلاص المعادن الخالية من الكربون. عند سعر الألومنيوم التقليدي البالغ حوالي 2650 دولارًا للطن، ستظهر تكاليف إضافية تُقدّر بنحو 400 دولار في عام 2035 في حال تطبيق تقنية الأنود الخامل صناعيًا. على المدى الطويل، من المتوقع أن تستقر التكاليف عند مستوى عام 2020، مع زيادة تُقدّر بنحو 300 دولار مقارنةً بالاستمرار الافتراضي للإنتاج التقليدي.

مع ذلك، تُوضع هذه التكاليف الإضافية في سياقها العام. تُقدّر الاستثمارات في خفض انبعاثات الكربون في صناعة الألومنيوم بنحو تريليون دولار، خُصص نصفها تقريبًا لتوفير طاقة منخفضة الانبعاثات. كما رُصدت ميزانية قدرها مئتا مليار دولار للأنودات منخفضة الكربون. لكن هذه الاستثمارات تُرسّخ في الوقت نفسه الأساس لسوق جديدة كليًا لتخزين الطاقة، تتجاوز بكثير الاستخدام التقليدي للألومنيوم.

تتراوح الكفاءة الإجمالية لتحويل الطاقة المتجددة إلى كهرباء وحرارة عبر التخزين المعدني بين 50 و60% لجميع المعادن الثلاثة. قد تبدو هذه القيمة منخفضة للوهلة الأولى مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون التي تتراوح كفاءتها بين 85 و95%. مع ذلك، يجب مراعاة عدة عوامل عند التقييم. أولًا، لا تنطبق المقارنة إلا على التطبيقات ذات فترات التخزين المتقاربة. فالبطاريات مناسبة للتخزين لساعات أو أيام، بينما الوقود المعدني مناسب للتخزين لأشهر أو سنوات. ترتفع تكلفة الكيلوواط/ساعة المخزنة بشكل كبير في البطاريات مع زيادة مدة التخزين، نظرًا لتوزيع تكاليف الاستثمار على عدد أقل من دورات التخزين.

ثانيًا، يجب أخذ الحرارة في الحسبان كمصدر طاقة قابل للاستخدام بالكامل. في المباني التي تتطلب التدفئة، يُعدّ نظامٌ بنسبة 75% حرارة و25% كهرباء أكثر مثالية من الكهرباء النقية التي تحتاج أولًا إلى تحويلها عبر مضخة حرارية. ويتوقع الباحثون السويسريون أن تصل تكاليف الكهرباء والتدفئة إلى حوالي 20 سنتيمًا لكل كيلوواط ساعة في الشتاء من أنظمة تخزين الألومنيوم. وهذا من شأنه أن يُنافس العديد من خيارات إمداد الطاقة البديلة.

لا تتجاوز كفاءة تحويل الطاقة إلى غاز باستخدام الهيدروجين 30 إلى 40% عند تحويلها مباشرةً إلى كهرباء دون الاستفادة من الحرارة. ومع عملية الميثان، تنخفض هذه النسبة إلى حوالي 33%. ولا يمكن تحقيق كفاءة تتجاوز 80%، بناءً على القيمة الحرارية العليا، إلا من خلال أنظمة التوليد المشترك للحرارة والطاقة المُحسّنة والاستخدام الأمثل للحرارة المهدرة. إلا أنه من النادر الوصول إلى هذه النسب عمليًا. علاوة على ذلك، يُكبّد تخزين الهيدروجين ونقله تكاليف باهظة. ولا يُمكن إنشاء كهوف ملحية تحت الأرض إلا في المواقع الجيولوجية الملائمة. أما بالنسبة لدول مثل سويسرا التي تفتقر إلى هذه التكوينات، فلا يبقى أمامها سوى الخزانات السطحية باهظة الثمن أو الاستيراد.

تتفاوت تكاليف تخزين الطاقة باختلاف التقنيات بشكل كبير. تتراوح تكلفة أنظمة تخزين الطاقة الحرارية الموسمية بين 25 و400 فرنك سويسري لكل ميغاواط ساعة من الطاقة المخزنة. أما بالنسبة للطاقة الكهربائية، فتبلغ تكلفة محطات الطاقة الكهرومائية التي تعمل بنظام التخزين بالضخ حوالي 100 فرنك سويسري لكل ميغاواط ساعة، لكنها ترتفع بأكثر من عشرة أضعاف بالنسبة لأنظمة تخزين الطاقة الموسمية الأخرى. تتراوح تكلفة بطاريات الليثيوم أيون حاليًا بين 400 و1000 يورو لكل كيلوواط ساعة من سعة التخزين. ورغم انخفاض هذه الأسعار بشكل كبير، إلا أنها لا تزال باهظة الثمن بالنسبة للتخزين الموسمي.

تعمل محطات تخزين الطاقة بالضخ بكفاءة استثنائية في الدورات اليومية والأسبوعية، حيث تصل كفاءتها إلى ما بين 70 و85 بالمئة. مع ذلك، ترتفع التكاليف في حالة التخزين الموسمي الذي يقتصر على دورة واحدة في السنة إلى أكثر من يوروين لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء الإضافية. كما أن القيود الجغرافية للمواقع المناسبة تحدّ من إمكانيات التوسع. وفي اقتصاد ينتقل بالكامل إلى مصادر الطاقة المتجددة، ستكون قدرات التخزين بالضخ الحالية غير كافية على الإطلاق.

تكامل الأنظمة وربط القطاعات

تكمن قوة الوقود المعدني في اندماجه السلس ضمن مفهوم ترابط القطاعات، الذي يصف ربط قطاعات الكهرباء والتدفئة والنقل التي كانت منفصلة تقليديًا. وبينما قطعت عملية التحول إلى الطاقة المتجددة في قطاع الكهرباء شوطًا كبيرًا، لا يزال قطاعا التدفئة والنقل يعتمدان بشكل كبير على الوقود الأحفوري. وتنفق أوروبا ما يزيد عن ثلاثمائة مليار يورو سنويًا على واردات الفحم والنفط والغاز، وهي أموال تُهدر على اقتصادها المحلي.

تُتيح أنواع الوقود المعدني ربط القطاعات بمرونة. ففي الصيف، يُستخدم فائض الطاقة الكهروضوئية لاختزال أكاسيد المعادن، ويُخزّن المعدن الناتج. أما في الشتاء، فتحدث عملية الأكسدة، مُنتجةً حرارةً وهيدروجينًا. تتدفق الحرارة مباشرةً إلى نظام التدفئة، الذي يُفضّل ربطه بمضخة حرارية، مما يزيد من كفاءته في درجات الحرارة المعتدلة. يُحوّل الهيدروجين إلى كهرباء في خلية وقود، ثم تُعاد الحرارة المُهدرة من هذه العملية إلى نظام التدفئة.

يُعالج هذا المزيج بدقة المشكلة الأساسية لأنظمة الطاقة الأوروبية. ففي ألمانيا، يُمثل الطلب على التدفئة ما يقارب نصف إجمالي استهلاك الطاقة النهائي، ويتركز جزء كبير منه خلال أشهر الشتاء. ويُلبي نظام تخزين الطاقة، الذي يُوفر التدفئة بشكل أساسي مع توليد كميات كبيرة من الكهرباء، هذا الطلب على أكمل وجه. وقد حسبت جامعة لوسيرن للعلوم التطبيقية والفنون أن العزل الحراري المُحكم للمباني السكنية، بالإضافة إلى استخدام المضخات الحرارية، يُمكن أن يُزيل فعلياً نقص الكهرباء في سويسرا خلال فصل الشتاء. وبالاقتران مع أنظمة التخزين المعدنية، سيُمكن لهذا النظام من الاستفادة المثلى من فائض الكهرباء الصيفية وضمان إمداد موثوق به خلال فصل الشتاء.

وفقًا لنموذج الباحثين السويسريين، فإن تزويد جميع المباني السكنية متعددة الأسر بأنظمة تخزين معدنية من شأنه أن يقلل بشكل كبير من النقص المتوقع في الكهرباء خلال فصل الشتاء، والذي سيبلغ ثمانية تيراواط ساعة بحلول عام 2050. كما أن تزويد نصف هذه المباني فقط سيساهم في توفير عدة تيراواط ساعة. ويتجنب الهيكل اللامركزي لهذا الحل تكاليف توسيع الشبكة الباهظة، ويعزز أمن الإمداد من خلال توفير أنظمة احتياطية.

تتزايد الآفاق المتاحة للتطبيقات الصناعية. تمثل حرارة العمليات جزءًا كبيرًا من الطلب على الطاقة الصناعية. يُعدّ التوليد المباشر للطاقة الكهربائية باستخدام المضخات الحرارية، أو غلايات الأقطاب الكهربائية، أو التسخين المقاوم، ممكنًا تقنيًا ومتاحًا بالفعل للعديد من نطاقات درجات الحرارة. مع ذلك، يمكن للوقود المعدني أن يُقدّم حلًا، لا سيما للعمليات ذات درجات الحرارة العالية ولضمان استقرار الحمل الأساسي. إذ يمكن أن تصل درجة حرارة احتراق مسحوق الحديد إلى أكثر من 1800 درجة مئوية، وهي كافية للعديد من العمليات الصناعية.

يمكن تشغيل محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم بعد تحويلها باستخدام مساحيق المعادن. ويمكن الاستفادة بشكل كبير من البنية التحتية القائمة للاحتراق وتدوير البخار وتوليد الطاقة. وسيتم جمع أكسيد المعدن الناتج ونقله إلى مرافق تتمتع بوفرة من الطاقة المتجددة لاختزاله. من شأن هذا النهج الاستفادة من المرافق القائمة، والحفاظ على الوظائف، والمساهمة في خفض انبعاثات الكربون في الوقت نفسه. وتدرس جامعة دارمشتات التقنية هذا المفهوم كجزء من مبادرة الدوائر النظيفة.

مجالات التركيز الصناعية: الأعمال التجارية بين الشركات، والتحول الرقمي (من الذكاء الاصطناعي إلى الواقع الممتد)، والهندسة الميكانيكية، والخدمات اللوجستية، والطاقات المتجددة، والصناعة

للمزيد من المعلومات، انقر هنا:

• مركز أعمال الخبراء

مركز متخصص يقدم رؤى وخبرات:

• منصة معرفية تغطي الاقتصادات العالمية والإقليمية والابتكار والاتجاهات الخاصة بكل صناعة
• مجموعة من التحليلات والرؤى والمعلومات الأساسية من مجالات تركيزنا الرئيسية
• مكانٌ للخبرة والمعلومات حول التطورات الحالية في مجال الأعمال والتكنولوجيا
• مركز للشركات التي تسعى للحصول على معلومات حول الأسواق والتحول الرقمي والابتكارات الصناعية

النضج التكنولوجي وآفاق التنمية

يتباين مستوى النضج التقني للمكونات المختلفة تبايناً كبيراً. فعملية أكسدة المعادن لإطلاق الطاقة معروفة منذ زمن طويل، وتُستخدم بالفعل في تطبيقات متخصصة. تُستخدم جزيئات الألومنيوم والحديد في صواريخ أريان المعززة، والألعاب النارية، وغيرها من التطبيقات النارية. ولذلك، فإن العمليات الكيميائية الأساسية متقنة ومفهومة.

يخضع التفاعل المُتحكم به مع الماء أو البخار عند درجات حرارة معتدلة لإنتاج الحرارة والهيدروجين حاليًا للمرحلة التجريبية. وقد كلّف معهد SPF لتكنولوجيا الطاقة الشمسية في رابرسويل بتطوير نموذج أولي كجزء من مشروع REVEAL. وبمجرد تشغيله، سيُظهر هذا النموذج كيفية إنتاج الحرارة والكهرباء للمباني من الألومنيوم من خلال عمليات كيميائية. ويمكن استخدام الطاقة المُنتجة لتشغيل المباني والمنشآت الصناعية أو تغذيتها في شبكات التدفئة المركزية.

تدير جامعة ETH زيورخ محطة تجريبية لتخزين الهيدروجين باستخدام الحديد في حرمها الجامعي في هونغربرغ. تستطيع ثلاثة خزانات من الفولاذ المقاوم للصدأ، يحتوي كل منها على 600 كيلوغرام من أكسيد الحديد، تخزين ما يقارب عشرة ميغاواط/ساعة من الهيدروجين على المدى الطويل. وينتج عن ذلك ما بين أربعة وستة ميغاواط/ساعة من الكهرباء، وذلك بحسب تقنية التحويل المستخدمة. تعمل المحطة منذ عام 2024، ومن المقرر توسيعها بحلول عام 2026 لتغطية خُمس احتياجات الحرم الجامعي من الكهرباء خلال فصل الشتاء باستخدام الطاقة الشمسية المخزنة موسمياً. ويمكن أن يؤدي رفع سعة التخزين إلى ألف طن من أكسيد الحديد إلى إنتاج غيغاواط/ساعة من الكهرباء، أي ما يعادل عُشر سعة محطة نانت دو درانس لتخزين الطاقة بالضخ.

يكمن التحدي التكنولوجي الأكبر في إنتاج المعادن الخالية من الكربون. بالنسبة للحديد، فقد ثبتت جدوى الاختزال المباشر باستخدام الهيدروجين الأخضر صناعيًا. وتقوم العديد من شركات الصلب حاليًا ببناء مصانع تجريبية وتخطط لانتقال تدريجي بحلول عامي 2030 و2040. وقد بلغت هذه التقنية مستوى نضج يتراوح بين سبعة وثمانية من أصل تسعة، وبالتالي فهي تقترب من التوافر التجاري.

تُوشك تقنية الأنود الخامل على إحداث نقلة نوعية في صناعة الألومنيوم. وتُشغّل شركة تريمت في مدينة إيسن مصنعًا تجريبيًا يعمل بظروف الإنتاج منذ عام 2024. وتتوقع الشركة تطبيق هذه التقنية على نطاق صناعي بحلول عام 2040، وتحقيق الحياد المناخي بحلول عام 2045. كما تستثمر شركات عالمية كبرى، مثل نورسك هيدرو وريو تينتو، بكثافة في هذه التقنية. وقد اشترت شركة آبل بالفعل أول شحنة من الألومنيوم من مصنع تجريبي يستخدم الأنودات الخاملة في تصنيع الهواتف الذكية، مما يُبرز الأهمية التجارية لهذه التقنية وجدواها.

لا يزال التوسع عاملاً حاسماً. يبلغ الإنتاج العالمي السنوي من الألومنيوم حوالي سبعين مليون طن، بينما يقارب إنتاج الصلب ملياري طن. وسيتطلب الأمر طاقة إنتاجية إضافية للمساهمة بشكل فعّال في تخزين الطاقة الموسمية. مع ذلك، لن يؤدي هذا بالضرورة إلى زعزعة استقرار أسواق السلع. يُعدّ الألومنيوم والحديد من أكثر العناصر وفرةً في قشرة الأرض، ومواردهما غير محدودة عملياً. وسيكون الإنتاج محدوداً بشكل أساسي بتوفر الطاقة المتجددة بأسعار معقولة.

هنا تكمن فرصة بالغة الأهمية. فالمناطق التي تتمتع بظروف مثالية للطاقة المتجددة ولكن بانخفاض الطلب المحلي عليها، يُمكن أن تُصبح منتجة للمعادن. على سبيل المثال، يُمكن لأيسلندا، بما تملكه من طاقة حرارية أرضية ومائية، وشمال أفريقيا، بشمسها الساطعة، وباتاغونيا، بمواردها من طاقة الرياح، إنتاج المعادن للتصدير على نطاق واسع. النقل سهل وآمن، إذ يُمكن لسفن الحاويات نقل حبيبات المعادن في الظروف العادية، دون المخاطر والتكاليف المرتبطة بالهيدروجين السائل أو الغاز الطبيعي المسال.

إعادة النظر في تدفقات الطاقة العالمية

إن تدويل إمدادات الطاقة عبر ناقلات الطاقة المعدنية من شأنه أن يُغير جذرياً تدفقات التجارة العالمية. تنفق أوروبا ما يزيد عن ثلاثمائة مليار يورو سنوياً على واردات الوقود الأحفوري، وتنفق ألمانيا وحدها ما بين ثمانين ومائة وثلاثين مليار يورو. وتتدفق هذه المبالغ الطائلة في معظمها إلى دول ذات أنظمة استبدادية تتعارض سياساتها غالباً مع القيم الأوروبية. ويساهم تمويل هذه الواردات في زعزعة الاستقرار الجيوسياسي، ويجعل أوروبا عرضة للابتزاز، كما أثبتت أزمات الطاقة الأخيرة ذلك بوضوح.

قد يُسهم التحول إلى ناقلات الطاقة المعدنية في حل هذه التبعيات، مع إتاحة الفرصة في الوقت نفسه لعقد شراكات جديدة. وستكتسب الدول التي تتمتع بوفرة في الموارد المتجددة ولكن بتصنيع محلي محدود، آفاقًا تصديرية قيّمة. فالمغرب، بما يملكه من إمكانات في مجال الطاقة الشمسية؛ وتشيلي، بما تملكه من طاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية؛ وأستراليا، بمساحاتها الشاسعة الملائمة للطاقة المتجددة، يُمكن أن تُصبح من مُنتجي المعادن. وتُعدّ هذه الدول في غالبيتها دولًا ديمقراطية، وتتشارك مع أوروبا قيمًا أساسية. وبالتالي، ستُسهم واردات الطاقة في تمويل التنمية بدلًا من دعم الأنظمة الاستبدادية.

يختلف الاقتصاد الدائري للوقود المعدني اختلافًا جوهريًا عن اقتصاد الوقود الأحفوري. فالفحم والنفط والغاز تُحرق بشكل لا رجعة فيه وتتحول إلى غازات دفيئة. أما المعادن، فتدور في حلقة مغلقة. يُنقل المعدن المؤكسد عائدًا إلى مصنع الاختزال ويُعاد استخدامه. ويمكن نظريًا تكرار هذه الدورة عددًا غير محدود من المرات دون أي فقدان أو تدهور للمادة. وقد لاحظ باحثون في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich) أن سعة تخزين مفاعلات الحديد لديهم تزداد قليلًا مع كل دورة.

لهذا النهج الدائري آثار اقتصادية بعيدة المدى. فالاستثمار في إنتاج المعادن يُعوّض تكلفته على مدى دورات عديدة. وعلى عكس البطاريات، التي تتناقص سعتها مع كل دورة، تظل أنظمة التخزين المعدنية قابلة للاستخدام إلى أجل غير مسمى. ورغم أن الاستثمارات الأولية في محطات الاختزال والأكسدة، وكذلك في المعدن نفسه، قد تكون كبيرة، إلا أن تكلفة الكيلوواط/ساعة المخزنة تصبح تنافسية على مدى عقود.

تفترض حسابات النموذج التي أجراها الباحثون السويسريون تكلفة تبلغ حوالي عشرين سنتيمًا لكل كيلوواط ساعة من الكهرباء والحرارة المُنتجة من نظام تخزين مصنوع من الألومنيوم. ويتماشى هذا مع تكاليف إنتاج الطاقات المتجددة، وهو أقل بكثير من تكاليف ذروة استهلاك الكهرباء في أشهر الشتاء. ومع ازدياد نضج التكنولوجيا وتوسع نطاقها، يُتوقع انخفاض التكاليف أكثر. ويُظهر تاريخ الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح مدى الانخفاض الكبير في التكاليف الذي يمكن تحقيقه بفضل تأثيرات منحنى التعلم.

المخاطر والتحديات

على الرغم من إمكاناتها الواعدة، لا تزال هناك تحديات ومخاطر كبيرة. فالتطوير التكنولوجي لم يكتمل بعد. وعلى وجه الخصوص، فإن إنتاج الألومنيوم الخالي من ثاني أكسيد الكربون باستخدام الأنودات الخاملة ما زال في بداياته، ويتجه نحو التطبيق الصناعي. وقد باءت محاولات عديدة سابقة لتطبيق هذه التقنية بالفشل. ويُعرف عن الأنود الخامل أنه دائمًا ما يكون على وشك الاكتمال، دون أن يحقق أي تقدم ملموس.

تُشكل تكاليف الكهرباء المتزايدة مشكلة. فالأنودات الخاملة لا تُطلق ثاني أكسيد الكربون فحسب، بل لا تُوفر طاقةً للمعالجة كما تفعل الأنودات الكربونية. وبالتالي، يزداد الطلب على الكهرباء لكل طن من الألومنيوم. ومع ارتفاع تكاليف الطاقة في أوروبا أصلاً، قد يُضعف هذا القدرة التنافسية. وقد ينتقل إنتاج الألومنيوم إلى مناطق ذات طاقة رخيصة، بينما تُصبح أوروبا مُستورداً فقط.

تشتد المنافسة على الطاقة المتجددة، وتسعى قطاعات عديدة إلى التحول نحو الكهرباء. يحتاج القطاع الصناعي إلى الهيدروجين الأخضر للعمليات الكيميائية وإنتاج الصلب. ويتجه قطاع النقل نحو الكهرباء مع وجود ملايين المركبات الكهربائية. وتستهلك البنى التحتية الرقمية، بما فيها مراكز البيانات، كميات متزايدة من الكهرباء. وفي ظل هذه البيئة التنافسية، لا تزال حلول تخزين الطاقة المعدنية بحاجة إلى إثبات جدواها الاقتصادية.

تُعدّ متطلبات البنية التحتية هائلة. إذ يتطلب الأمر ملايين أنظمة التخزين اللامركزية أو منشآت مركزية ضخمة للمساهمة بشكل فعّال في إمدادات الطاقة الشتوية. ويتطلب بناء هذه البنية التحتية وقتاً ورأس مال وإرادة سياسية. وقد تمتد فترات استرداد تكلفة هذه الأنظمة لعقود، مما قد يُثني المستثمرين من القطاع الخاص. ومن المرجح أن تكون الإعانات الحكومية والحوافز التنظيمية ضرورية.

يجب دراسة الأثر البيئي لإنتاج المعادن المتوسعة على نطاق واسع دراسةً دقيقة. فحتى لو كانت عملية الإنتاج محايدة للكربون، فإنها تستهلك كميات هائلة من الكهرباء. ويجب أن تأتي هذه الكهرباء، بالإضافة إلى جميع احتياجات الطاقة الأخرى، من مصادر متجددة. كما أن الأراضي اللازمة لمحطات طاقة الرياح والطاقة الشمسية المطلوبة شاسعة. علاوة على ذلك، يتطلب استخراج البوكسيت لإنتاج الألومنيوم عمليات تعدين واسعة النطاق وما يترتب عليها من آثار بيئية واجتماعية.

إن تقبّل الجمهور لتقنيات الطاقة الجديدة أمرٌ هشّ. فكلّ مصنع صناعي واسع النطاق يواجه مقاومة محلية. ويتأخر بناء توربينات الرياح ومحطات الطاقة الشمسية وخطوط نقل الطاقة أو يُعرقل بشكل متكرر بسبب مبادرات المواطنين. وقد تواجه مصانع اختزال المعادن، التي تعمل في درجات حرارة عالية وتستهلك كميات كبيرة من الكهرباء، مقاومة مماثلة. لذا، يُعدّ التواصل الشفاف بشأن الفوائد والمخاطر والآثار البيئية أمراً بالغ الأهمية.

وجهات نظر استراتيجية لأوروبا

بالنسبة لأوروبا، يُمثل تطوير الوقود المعدني فرصة استراتيجية لترسيخ الريادة التكنولوجية في سوق المستقبل. وتُعدّ المؤسسات البحثية السويسرية والألمانية من بين المؤسسات الرائدة عالميًا في هذا المجال. ويجمع مشروع REVEAL شركاء أوروبيين بارزين. وتتوفر في أوروبا خبرات صناعية واسعة في مجالات علم المعادن، وهندسة العمليات الكيميائية، وتكامل أنظمة الطاقة.

قد تتضمن استراتيجية أوروبية منسقة عدة عناصر. أولاً، مواصلة وتكثيف تمويل البحوث. فقد أتاحت الاستثمارات السابقة إحراز تقدم كبير، ومن شأن زيادة التمويل تعزيز الريادة التكنولوجية. ثانياً، وضع حوافز تنظيمية لدخول السوق، حيث يمكن لتعريفات التغذية أو منح الاستثمار أن تحفز الشركات الرائدة في تبني التقنيات الحديثة.

ثالثًا، الاندماج في استراتيجية البنية التحتية للطاقة الأوروبية. يمكن توسيع شبكات الهيدروجين المخطط لها لتشمل أيضًا ناقلات الطاقة المعدنية. ويمكن إعادة توظيف البنية التحتية الحالية للغاز جزئيًا. رابعًا، التعاون الدولي مع الدول التي توفر ظروفًا مثالية لإنتاج المعادن. ويمكن أن تخلق شراكات التنمية مع دول شمال إفريقيا، والاستثمارات في قدرات الإنتاج في أمريكا الجنوبية، أو نقل التكنولوجيا إلى آسيا، أوضاعًا مربحة للجميع.

لا ينبغي الاستهانة بالبعد الجيوسياسي. فخفض الاعتماد على واردات الوقود الأحفوري يعزز بشكل كبير حرية أوروبا السياسية. كما أن القدرة على ضمان إمدادات الطاقة في فصل الشتاء من مصادر محلية أو دولية موثوقة تعزز القدرة على الصمود في وجه الصدمات الخارجية. ويساهم تنويع مصادر الطاقة وسلاسل الإمداد في الحد من احتمالية الابتزاز من قبل الأنظمة الاستبدادية.

في الوقت نفسه، تنشأ تبعيات جديدة. قد تصبح أوروبا معتمدة على واردات المعادن، على غرار اعتمادها الحالي على الوقود الأحفوري. ويكمن الاختلاف في قابلية المعادن للتدوير وإعادة الاستخدام، مما يجنبها الندرة الوجودية التي تُعاني منها موارد الوقود الأحفوري المحدودة. علاوة على ذلك، يمكن، من حيث المبدأ، توطين الإنتاج داخل أوروبا، شريطة توفر طاقة متجددة كافية وبأسعار معقولة.

مستقبل تخزين الطاقة

لن تكون أنواع الوقود المعدني الحل الوحيد لتحديات التحول الطاقي، بل ستكون جزءًا من مجموعة متنوعة من تقنيات التخزين. وستحافظ بطاريات الليثيوم أيون على كفاءتها على المدى القصير، من ساعات إلى أيام. وستبقى محطات الطاقة الكهرومائية ذات التخزين بالضخ ضرورية لاستقرار الشبكة الكهربائية وموازنة التقلبات اليومية والأسبوعية. وسيُستخدم الهيدروجين في الصناعة كغاز معالجة وعامل اختزال.

تُستخدم أنواع الوقود المعدني في مجال التخزين الموسمي طويل الأمد، وخاصةً لتوفير التدفئة. فهي تجمع بين مزايا كثافة الطاقة العالية، وسهولة التداول، وانخفاض تكلفة المواد الخام، والتكامل الجيد مع القطاعات الأخرى. هذا المزيج يجعلها متفوقة على التقنيات الأخرى. وسيُظهر التطوير المستقبلي إمكانية تحقيق هذه المزايا النظرية عمليًا، وسرعة ذلك.

ستكون السنوات القادمة حاسمة. هناك العديد من المصانع التجريبية قيد التشغيل أو الإنشاء حاليًا. ستكشف الخبرة المكتسبة من هذه المشاريع ما إذا كانت التوقعات التقنية والاقتصادية قد تحققت. سيحدد تطوير تقنية الأنود الخامل ما إذا كان إنتاج الألومنيوم الخالي من ثاني أكسيد الكربون سيصبح ممكنًا بالفعل على نطاق واسع. وستحدد رغبة الصناعة وصناع السياسات في الاستثمار في هذه التقنية الإطار الزمني لذلك.

يتطلب دمج أنظمة تخزين الطاقة المعدنية في أنظمة الطاقة القائمة ابتكارًا تقنيًا، فضلًا عن ابتكارات تنظيمية وسوقية. يجب تطوير نماذج أعمال جديدة تراعي الخصائص المميزة لتخزين الطاقة المعدنية. كما أن العقود طويلة الأجل بين المنتجين ومشغلي أنظمة التخزين وموردي الطاقة ضرورية لضمان أمان الاستثمار. ويجب أن ينعكس تقييم الفوائد المتعلقة بالمناخ والطاقة في أسعار السوق المناسبة أو آليات الدعم.

يجب توسيع نطاق النقاش العام حول تخزين الطاقة. فقد ركز النقاش لفترة طويلة بشكل أحادي على الهيدروجين باعتباره حلاً شاملاً مزعوماً. لكن الواقع أكثر تعقيداً، إذ تتطلب التطبيقات المختلفة حلولاً مختلفة. وتستحق أنواع الوقود المعدني مكانة بارزة في هذا السياق، فمزاياها بالغة الأهمية ولا يمكن تجاهلها، وإمكاناتها هائلة ولا ينبغي إغفالها.

يُعدّ تحويل نظام الطاقة أحد أعظم التحديات التكنولوجية والاقتصادية في هذا القرن. ويتطلب ذلك شجاعة الابتكار، واستعدادًا للاستثمار، وانفتاحًا على الحلول الجديدة. تُقدّم أنواع الوقود المعدني أحد هذه الحلول، فهي ليست مجرد فضول مختبري مثير للاهتمام، بل يُمكن أن تُحدث نقلة نوعية في تخزين الطاقة الموسمية، وتُشكّل لبنة أساسية لسدّ فجوة الكهرباء الشتوية، وتُمهّد الطريق نحو الاستقلال في مجال الطاقة. إنها بديل لا يُغني عن الهيدروجين، بل يُكمّله بفعالية ويتفوّق عليه في بعض التطبيقات. يستحقّ تطويرها المزيد من الاهتمام والدعم والدراسة المتأنية. وستُظهر السنوات القادمة ما إذا كانت أنواع الوقود المعدني قادرة على تحقيق وعودها.

تتمتع شركة Xpert.Digital بمعرفة متعمقة في مختلف القطاعات، مما يُمكّننا من تطوير استراتيجيات مُصممة خصيصًا لتتوافق بدقة مع متطلبات وتحديات قطاع السوق الخاص بكم. ومن خلال التحليل المستمر لاتجاهات السوق ومتابعة تطورات القطاع، نستطيع اتخاذ إجراءات استباقية وتقديم حلول مبتكرة. إن الجمع بين الخبرة والكفاءة يُولّد قيمة مضافة ويمنح عملاءنا ميزة تنافسية حاسمة.

للمزيد من المعلومات، انقر هنا:

• استفد من خبرة Xpert.Digital في 5 مجالات في باقة واحدة - ابتداءً من 500 يورو شهريًا فقط

☑️ لغة أعمالنا هي الإنجليزية أو الألمانية

☑️ جديد: مراسلات بلغتك الأم!

 

يسعدني أنا وفريقي أن نكون متاحين لكم بصفتنا مستشاركم الشخصي.

يمكنكم التواصل معي عبر ملء نموذج الاتصال هنا wolfenstein@xpert.digital:أو الاتصال بي مباشرةً على الرقم +49 7348 4088 965. عنوان بريدي الإلكتروني هو

أتطلع إلى مشروعنا المشترك.

 

 

☑️ دعم الشركات الصغيرة والمتوسطة في مجالات الاستراتيجية والاستشارات والتخطيط والتنفيذ

☑️ إنشاء أو إعادة تنظيم الاستراتيجية الرقمية والتحول الرقمي

☑️ توسيع وتحسين عمليات المبيعات الدولية

☑️ منصات التداول العالمية والرقمية بين الشركات

☑️ تطوير الأعمال الرائدة / التسويق / العلاقات العامة / المعارض التجارية