الوقود المعدني كمخزون طاقة مستقبلي؟ عندما يتفوق الألومنيوم والحديد على الهيدروجين.

ما هو الحل لمشكلة نقص الكهرباء في الشتاء؟ يُصنّع الباحثون بطارية المستقبل من مسحوق معدني - لتر واحد من الحديد يكفي لثماني ساعات من الطاقة: ثورةٌ مُهمَلة في مجال تخزين الطاقة.

يواجه التحول في مجال الطاقة تحديًا متناقضًا: فبينما تُنتج محطات الطاقة الشمسية فائضًا من الكهرباء النظيفة في الصيف، وبعضها لا يُستخدم، يُهدد نقصٌ كبيرٌ في الكهرباء خلال أشهر الشتاء القارسة. ويُعدّ هذا الاختلال الموسمي أحد أبرز العقبات المُستمرة في طريق تحقيق الحياد المناخي، ويُواصل إجبار أوروبا على الاعتماد المُكلف على واردات الوقود الأحفوري. وبينما يُركز النقاش العام غالبًا على الهيدروجين كحلٍّ شامل، فإن بديلًا مُحتملًا أكثر تفوقًا ينضج في ظل الأبحاث: تخزين الطاقة في أنواع الوقود المعدنية مثل الألومنيوم والحديد.

هذه الفكرة التي تبدو غير عادية، عند التدقيق فيها، تكشف عن حلٍّ مبتكر وبسيط وفعال. يعتمد مبدأها على دورة كيميائية عكسية: تُستخدم الكهرباء الفائضة في الصيف لاختزال أكاسيد المعادن إلى معادن نقية، تُعدّ ناقلات طاقة عالية الكثافة وآمنة. عند الحاجة، تتفاعل هذه المعادن مع الماء بشكل مُتحكّم، مُطلقةً في الوقت نفسه حرارةً قابلة للاستخدام وهيدروجينًا، يُحوَّل بدوره إلى كهرباء.

المزايا الفيزيائية مذهلة: إذ يخزن لتر واحد من الألومنيوم طاقةً حجميةً تفوق ما يخزنه الهيدروجين المضغوط للغاية بنحو 23 ضعفًا. ويمكن تخزين مسحوق المعدن أو حبيباته ونقله بأمان في درجة حرارة الغرفة وضغط طبيعي، دون الحاجة إلى خزانات ضغط عالٍ باهظة الثمن أو تبريد مُبَرّد. هذا يعني أن الوقود المعدني لا يُحدث ثورةً في تخزين الطاقة الموسمية للمباني والصناعات فحسب، بل يُعيد تنظيم تدفقات الطاقة العالمية أيضًا، ويُمهد الطريق لأوروبا للتخلص من اعتمادها الجيوسياسي على الطاقة. تُثبت المشاريع التجريبية في سويسرا وألمانيا بالفعل أن هذه التقنية ليست مجرد فكرة مختبرية، بل يُمكن أن تُصبح العنصر الأساسي، الذي كان مفقودًا سابقًا، لإمدادات طاقة آمنة ومتجددة بالكامل.

مناسب ل:

• أبحاث جامعة شرق سويسرا للعلوم التطبيقية | الوقود المعدني كناقلات ومُورِّدات للطاقة

ضربة عبقرية سويسرية: كيف يمكن لحبيبات معدنية غير ظاهرة أن تنهي اعتمادنا على الطاقة

يُعدّ تحدي تخزين الطاقة الموسمي أحد أبرز مشاكل التحول في مجال الطاقة. فبينما يتزايد فائض الطاقة الكهروضوئية في أوروبا باطراد خلال فصل الصيف، فإن هذه الطاقة تحديدًا تنعدم خلال أشهر الشتاء المظلمة. وتُعدُّ أنواع الوقود المعدنية، مثل الألومنيوم والحديد، حلاً يتفوق على الهيدروجين، وهو الأكثر شيوعًا، في معايير أساسية، وقد يُحدث نقلة نوعية في قطاع الطاقة.

تواجه أوروبا تحديًا جوهريًا في مجال الطاقة. تتوقع سويسرا وحدها عجزًا في الكهرباء شتاءً يتراوح بين ثمانية وعشرة تيراواط/ساعة بحلول عام ٢٠٥٠، على الرغم من التوسع الهائل في استخدام الطاقة الكهروضوئية. وتواجه ألمانيا والاتحاد الأوروبي بأكمله مشكلة هيكلية مماثلة. فبينما يُنتج توليد الطاقة الشمسية فائضًا في الطاقة خلال الصيف، والذي يجب تقليص بعضه، يُلاحظ نقص حاد في الشتاء. ويتفاقم هذا التفاوت الموسمي مع كل لوحة شمسية إضافية تُركّب على أسطح المنازل والمساحات المفتوحة في أوروبا. في الوقت نفسه، يُفاقم الاعتماد المتزايد على الكهرباء في التدفئة والنقل الطلب على الكهرباء، لا سيما خلال الأشهر الباردة.

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

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

الألومنيوم + الأكسجين → أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃)

الحديد + الأكسجين → أكسيد الحديد (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

تؤدي هذه التفاعلات إلى إطلاق قدر كبير من الحرارة - وهذه هي الطاقة بالتحديد التي نريد استخدامها كشكل من أشكال التخزين.

يعد الهيدروجين (H₂) ناقلًا للطاقة معروفًا اليوم، ولكن من الصعب تخزينه ونقله.

تعتبر الوقود المعدني بديلاً لأنها:

◾️ غنية جدًا بالطاقة،

◾️ قابلة للنقل بسهولة (صلبة، غير متطايرة)،

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

وتستخدم بعض المفاهيم الهيدروجين لتحويل المعدن المؤكسد إلى معدن نقي مرة أخرى.

فيزياء تخزين الطاقة المعدنية

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

تُميّز كثافة الطاقة الوقود المعدني عن بدائله الغازية بشكل أساسي. يحقق الألومنيوم كثافة طاقة نظرية تزيد عن ثمانية كيلوواط/ساعة للكيلوغرام، وكثافة حجمية تزيد عن ثلاثة وعشرين كيلوواط/ساعة للتر. حتى الهيدروجين المضغوط تحت ضغط عالٍ يبلغ سبعمائة بار، لا يحقق سوى حوالي كيلوواط/ساعة للتر حجميًا. يمكن لتر واحد من الحديد أن يزوّد منزلًا ألمانيًا متوسطًا بالطاقة لأكثر من ثماني ساعات، بينما لا يكفي لتر واحد من الهيدروجين المضغوط للغاية لساعة واحدة.

لهذه الخصائص الفيزيائية آثار عملية واسعة النطاق. يمكن تخزين ونقل مساحيق أو حبيبات المعادن في درجة حرارة الغرفة وضغط عادي. لا تتطلب خزانات ضغط عالٍ باهظة الثمن ولا تقنيات تبريد معقدة. تُضاهي متطلبات السلامة متطلبات المواد السائبة التقليدية. يتم تجنب مخاطر الانفجار، كتلك المرتبطة بغبار المعادن الدقيقة، باستخدام حبيبات أكبر. على سبيل المثال، يستخدم معهد SPF السويسري لتكنولوجيا الطاقة الشمسية في OST حبيبات أسلاك الألومنيوم 6060، وهي متوفرة تجاريًا ولا تتطلب أي احتياطات سلامة خاصة.

مقارنة بين المرشحين الماديين

يُعتبر الألومنيوم المرشح الواعد بين أنواع الوقود المعدنية. بفضل كثافته الطاقية العالية، التي تتجاوز نظريًا ثمانية كيلوواط/ساعة للكيلوغرام، يتفوق الألومنيوم بشكل كبير على جميع المعادن غير السامة الأخرى. عند تفاعله مع الماء، يُطلق حوالي خمسين بالمائة من الطاقة المخزنة على شكل حرارة وخمسين بالمائة على شكل هيدروجين. يمكن تحويل الهيدروجين إلى كهرباء في خلية وقود بكفاءة خمسين بالمائة، مما ينتج عنه نسبة إجمالية تبلغ حوالي خمسة وسبعين بالمائة حرارة وخمسة وعشرين بالمائة كهرباء. يُعد هذا المزيج مثاليًا لأنظمة الطاقة في المباني، حيث يسود الطلب على التدفئة عادةً.

يكمن التحدي في إنتاج الألومنيوم في استهلاكه الكثيف للطاقة. يتطلب كل كيلوغرام من الألومنيوم الأولي ما بين 13 و17 كيلوواط/ساعة من الطاقة الكهربائية. ويُنتج استخدام الفحم في هذه العملية ما يصل إلى عشرين كيلوغرامًا من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوغرام من الألومنيوم. وحتى مع استخدام الطاقة المتجددة، تُطلق عملية هول-هيرولت التقليدية حوالي طن ونصف من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الألومنيوم، حيث تُستهلك أنودات الكربون وتتفاعل لتكوين ثاني أكسيد الكربون.

وهنا يكمن الابتكار. ففي مشروع البحث الأوروبي "ريفيل"، يطور علماء بقيادة معهد OST عملية إنتاج ألومنيوم خالية تمامًا من ثاني أكسيد الكربون باستخدام ما يُسمى بالأنودات الخاملة. تتكون هذه الأنودات من سبائك معدنية لا تُستهلك أثناء عملية التحليل الكهربائي، وتُطلق الأكسجين النقي بدلًا من ثاني أكسيد الكربون. ويعمل الشريك الأيسلندي "آيس تيك" بالتوازي على تطبيق هذه التقنية صناعيًا، مستفيدًا من الطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الكهرومائية المتوفرة بسهولة. كما تُسهم شركات ألمانية مثل "تريميت" في دفع عجلة التطوير، وقد بدأت بالفعل تشغيل محطات تجريبية.

يُقدّم الحديد نفسه كبديل عملي. بكثافة طاقة تتراوح بين 0.2 و0.3 كيلوواط/ساعة للكيلوغرام تقريبًا، فهو أقل بكثير من الألومنيوم، ولكنه لا يزال منافسًا قويًا للعديد من تقنيات التخزين الأخرى. الميزة الحاسمة للحديد هي توافره وانخفاض تكلفته. كونه رابع أكثر العناصر وفرة في قشرة الأرض، يتوفر خام الحديد بكميات غير محدودة تقريبًا دون أن يؤثر ذلك بشكل كبير على أسعار السوق العالمية.

يُنتج تفاعل الحديد مع الماء حرارةً قليلةً جدًا. تنتقل جميع الطاقة المُخزّنة إلى الهيدروجين المُنتَج، والذي يُمكن تحويله إلى كهرباء بكفاءة تُقارب خمسين بالمائة. هذه النسبة تجعل الحديد مُلائمًا بشكل خاص للتطبيقات التي يكون فيها الطلب على الكهرباء بالغ الأهمية. تُشغّل مجموعة البحث التي يقودها البروفيسور فيندلين ستارك في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ محطةً تجريبيةً في حرم هونغبيرغ تُخزّن الهيدروجين موسميًا باستخدام أكسيد الحديد. تُعتبر هذه التقنية أرخص بعشر مرات تقريبًا من تخزين الهيدروجين التقليدي.

الاختزال المباشر باستخدام الهيدروجين الأخضر مُستخدمٌ بالفعل في إنتاج الحديد صناعيًا. وتعمل شركاتٌ مثل أرسيلور ميتال وتيسنكروب على الانتقال إلى إنتاج الصلب المعتمد على الهيدروجين. ويمكن استخدام هذه التقنية مباشرةً لتخزين الطاقة. ويتراوح مستوى نضجها بين ستة وسبعة على مقياس من تسعة، مما يجعلها قريبةً من جاهزية السوق. ويمكن تشغيل المصانع عند ضغط عادي ودرجة حرارة حوالي 800 درجة مئوية، مما يحدّ من التعقيد التقني.

يُمثل السيليكون خيارًا ثالثًا. فهو يجمع بين كثافة طاقة عالية، تُشبه الألومنيوم، وتوافر جيد. وباعتباره ثاني أكثر العناصر وفرةً في قشرة الأرض بعد الأكسجين، فإن موارده شبه معدومة. وقد رسخت صناعة الطاقة الشمسية تكنولوجيا إنتاجه. ومع ذلك، فإن أبحاث السيليكون كوسيلة لتخزين الطاقة أقل تقدمًا من أبحاث الألومنيوم والحديد. وتُجري جامعة دارمشتات للتكنولوجيا أبحاثًا على السيليكون في إطار مشروع A-STEAM، ولكن من المرجح أن يستغرق استخدامه في التطبيقات الصناعية عدة سنوات.

اقتصاديات التحول

تعتمد الجدوى الاقتصادية للوقود المعدني بشكل حاسم على تكاليف إنتاج استخلاص المعادن الخالية من الكربون. فمع سعر الألومنيوم التقليدي البالغ حوالي 2650 دولارًا أمريكيًا للطن، ستنشأ تكاليف إضافية تبلغ حوالي 400 دولار أمريكي بحلول عام 2035 في حال تطبيق تقنية الأنود الخامل صناعيًا. على المدى الطويل، من المتوقع أن تستقر التكاليف عند مستوى عام 2020، وإن كان ذلك بفارق يبلغ حوالي 300 دولار أمريكي مقارنةً بالاستمرار الافتراضي للإنتاج التقليدي.

مع ذلك، تُوضع هذه التكاليف الإضافية في سياقها العام. تُقدَّر الاستثمارات في إزالة الكربون من صناعة الألمنيوم بحوالي تريليون دولار، يُخصَّص نصفها تقريبًا لتوفير طاقة منخفضة الانبعاثات. وخُصِّصت ميزانية قدرها مئتا مليار دولار للأقطاب الموجبة منخفضة الكربون. لكن هذه الاستثمارات تُرسي في الوقت نفسه الأساس لسوق تخزين طاقة جديد كليًا يتجاوز بكثير الاستخدام التقليدي للألمنيوم.

تتراوح الكفاءة الكلية لتحويل الكهرباء المتجددة إلى كهرباء وحرارة عبر التخزين المعدني بين 50% و60% لجميع المعادن الثلاثة. تبدو هذه القيمة منخفضة للوهلة الأولى مقارنةً ببطاريات أيونات الليثيوم التي تتراوح كفاءتها بين 85% و95%. ومع ذلك، يجب مراعاة عدة عوامل في التقييم. أولًا، تقتصر المقارنة على التطبيقات ذات فترات التخزين المتقاربة. فالبطاريات مناسبة لساعات وبضعة أيام، بينما الوقود المعدني مناسب لأشهر وسنوات. تزداد تكلفة الكيلوواط/ساعة المُخزّن بشكل كبير في البطاريات ذات فترات التخزين المتزايدة، نظرًا لتوزيع تكاليف الاستثمار على عدد أقل من الدورات.

ثانيًا، يجب اعتبار الحرارة مصدرًا للطاقة قابلًا للاستخدام الكامل. في المباني التي تتطلب تدفئة، يُعدّ نظام توليد الطاقة بنسبة 75% من الحرارة و25% من الكهرباء خيارًا مثاليًا مقارنةً بالكهرباء النقية، والتي تحتاج أولًا إلى تحويلها عبر مضخة حرارية. يتوقع الباحثون السويسريون أن تبلغ تكاليف الكهرباء والتدفئة حوالي 20 سنتًا للكيلوواط/ساعة في الشتاء من أنظمة تخزين الألومنيوم. وهذا يُنافس العديد من خيارات الطاقة البديلة.

يحقق تحويل الطاقة إلى غاز باستخدام الهيدروجين كفاءة تتراوح بين 30% و40% فقط عند إعادة تحويلها إلى كهرباء دون استخدام الحرارة. أما مع الميثان، فتنخفض هذه النسبة إلى حوالي 33%. ولا يمكن تحقيق كفاءة تتجاوز 80%، بناءً على القيمة الحرارية الأعلى، إلا من خلال تحسين توليد الحرارة والطاقة المشترك (CHP) والاستخدام المتسق للحرارة المهدرة. إلا أنه نادرًا ما يتم تحقيق هذه القيم عمليًا. علاوة على ذلك، فإن تخزين ونقل الهيدروجين يتطلبان تكاليف باهظة. ولا يمكن إنشاء كهوف الملح الجوفية إلا في المواقع الجيولوجية المناسبة. أما بالنسبة لدول مثل سويسرا التي تفتقر إلى مثل هذه التكوينات، فلا يبقى أمامها سوى خزانات فوق الأرض باهظة الثمن أو استيرادها كخيارات.

تتفاوت تكاليف تخزين التقنيات المختلفة تفاوتًا كبيرًا. تتراوح تكلفة أنظمة تخزين الطاقة الحرارية الموسمية بين 25 و400 فرنك سويسري لكل ميغاواط/ساعة من الطاقة المخزنة. أما بالنسبة للطاقة الكهربائية، فتبلغ تكاليف محطات توليد الطاقة التي تعمل بالضخ والتخزين حوالي 100 فرنك سويسري لكل ميغاواط/ساعة، لكنها تزيد بأكثر من عشرة أضعاف في أنظمة تخزين الطاقة الموسمية الأخرى. تتراوح تكلفة بطاريات أيونات الليثيوم حاليًا بين 400 و1000 يورو لكل كيلوواط/ساعة من سعة التخزين. ورغم انخفاض هذه الأسعار بشكل كبير، إلا أنها لا تزال باهظة التكلفة للتخزين الموسمي.

تعمل محطات توليد الطاقة المخزنة بالضخ بكفاءة استثنائية في الدورات اليومية والأسبوعية، محققةً كفاءات تتراوح بين 70% و85%. ومع ذلك، بالنسبة للتخزين الموسمي بدورة واحدة فقط سنويًا، ترتفع التكاليف إلى أكثر من 2 يورو لكل كيلوواط/ساعة من الكهرباء الإضافية. كما أن القيود الجغرافية للمواقع المناسبة تحد من إمكانات التوسع. في اقتصادٍ يتحول بالكامل إلى الطاقات المتجددة، ستكون سعات التخزين المخزنة بالضخ الحالية بعيدة كل البعد عن الكفاية.

تكامل النظام وربط القطاعات

تكمن قوة الوقود المعدني في اندماجه السلس في مفهوم الربط القطاعي. يصف هذا المصطلح ربط قطاعات الكهرباء والتدفئة والنقل، التي كانت منفصلة تقليديًا. في حين أن التحول إلى الطاقة المتجددة في قطاع الكهرباء قد قطع شوطًا كبيرًا بالفعل، لا يزال توفير التدفئة والنقل يعتمد بشكل كبير على الوقود الأحفوري. تنفق أوروبا أكثر من ثلاثمائة مليار يورو سنويًا على واردات الفحم والنفط والغاز، وهي أموال تُهدر على اقتصادها.

يُتيح الوقود المعدني مرونةً في ربط القطاعات. في الصيف، تُستخدم الكهرباء الكهروضوئية الفائضة لاختزال أكاسيد المعادن. ويُخزَّن المعدن الناتج. في الشتاء، تحدث الأكسدة، مُنتجةً الحرارة والهيدروجين. تتدفق الحرارة مباشرةً إلى نظام التدفئة، مُقترنةً بمضخة حرارية، مما يزيد من الكفاءة في درجات الحرارة المعتدلة. يُحوَّل الهيدروجين إلى كهرباء في خلية وقود، ثم تُعاد الحرارة المُهدرة من هذه العملية إلى نظام التدفئة.

يُعالج هذا المزيج بدقة المشكلة الرئيسية لأنظمة الطاقة الأوروبية. ففي ألمانيا، يُمثل الطلب على التدفئة حوالي نصف إجمالي الاستهلاك النهائي للطاقة، ويتركز جزء كبير منه في أشهر الشتاء. ويلبي نظام تخزين يُوفر التدفئة بشكل أساسي ويُولّد كميات كبيرة من الكهرباء هذا الطلب على أكمل وجه. وقد أشارت حسابات جامعة لوسيرن للعلوم التطبيقية والفنون إلى أن العزل المُستمر للمباني السكنية، إلى جانب مضخات الحرارة، يُمكن أن يُسد تقريبًا عجز الكهرباء في سويسرا خلال فصل الشتاء. وبالاشتراك مع أنظمة التخزين المعدنية، سيُحقق هذا النظام الاستفادة المثلى من فائض الكهرباء الصيفية، ويضمن إمدادًا شتويًا موثوقًا.

وفقًا لنموذج الباحثين السويسريين، فإن تجهيز جميع المباني السكنية متعددة الوحدات بأنظمة تخزين معدنية يمكن أن يُخفّض بشكل كبير العجز المتوقع في الكهرباء شتاءً، والبالغ ثمانية تيراواط/ساعة بحلول عام ٢٠٥٠. وسيساهم تجهيز نصف هذه المباني فقط بعدة تيراواط/ساعة. ويساهم الهيكل اللامركزي لهذا الحل في تجنب تكاليف توسيع الشبكة، ويعزز أمن الإمداد من خلال التكرار.

تتزايد آفاق التطبيقات الصناعية. تُشكّل حرارة العمليات جزءًا كبيرًا من الطلب الصناعي على الطاقة. يُعدّ الكهربة المباشرة باستخدام المضخات الحرارية، أو غلايات الأقطاب الكهربائية، أو التسخين بالمقاومة أمرًا ممكنًا من الناحية التقنية ومتاحًا بالفعل في نطاقات درجات حرارة متعددة. ومع ذلك، يُمكن للوقود المعدني أن يُقدّم حلاً، خاصةً للعمليات عالية الحرارة واستقرار الحمل الأساسي. يُمكن أن تصل درجة حرارة احتراق مسحوق الحديد إلى أكثر من 1800 درجة مئوية، وهي كافية للعديد من العمليات الصناعية.

يمكن تشغيل محطات الطاقة المُحوّلة العاملة بالفحم باستخدام مساحيق المعادن. ويمكن الاستفادة بشكل كبير من البنية التحتية الحالية للاحتراق، ودوران البخار، وتوليد الطاقة. وسيتم جمع أكسيد المعدن الناتج ونقله إلى منشآت مزودة بطاقة متجددة كافية لخفض الانبعاثات. سيستفيد هذا النهج من المنشآت الحالية، ويحافظ على الوظائف، ويساهم في الوقت نفسه في إزالة الكربون. تدرس جامعة دارمشتات للتكنولوجيا هذا المفهوم كجزء من مبادرة "الدوائر النظيفة" التابعة لها.

التركيز على الصناعة: B2B، والرقمنة (من الذكاء الاصطناعي إلى الواقع المعزز)، والهندسة الميكانيكية، والخدمات اللوجستية، والطاقات المتجددة والصناعة

المزيد عنها هنا:

• مركز إكسبيرت للأعمال

مركز موضوعي يضم رؤى وخبرات:

• منصة المعرفة حول الاقتصاد العالمي والإقليمي والابتكار والاتجاهات الخاصة بالصناعة
• مجموعة من التحليلات والاندفاعات والمعلومات الأساسية من مجالات تركيزنا
• مكان للخبرة والمعلومات حول التطورات الحالية في مجال الأعمال والتكنولوجيا
• مركز موضوعي للشركات التي ترغب في التعرف على الأسواق والرقمنة وابتكارات الصناعة

النضج التكنولوجي وآفاق التطور

يختلف النضج التكنولوجي للمكونات المختلفة اختلافًا كبيرًا. أكسدة المعادن لإطلاق الطاقة معروفة منذ زمن طويل، وتُستخدم بالفعل في تطبيقات متخصصة. تُستخدم جزيئات الألومنيوم والحديد في صواريخ أريان المعززة، والألعاب النارية، وتطبيقات الألعاب النارية الأخرى. وبالتالي، يتم إتقان العمليات الكيميائية الأساسية وفهمها.

التفاعل المُتحكم به مع الماء أو البخار عند درجات حرارة معتدلة لإنتاج الحرارة والهيدروجين هو حاليًا في المرحلة التجريبية. وقد كلف معهد SPF لتكنولوجيا الطاقة الشمسية في رابرزويل بتطوير نموذج أولي طُوّر كجزء من مشروع REVEAL. بمجرد تشغيله، سيُظهر هذا النموذج الأولي كيفية إنتاج الحرارة والكهرباء للمباني من الألومنيوم من خلال عمليات كيميائية. يمكن استخدام الطاقة المُنتجة لتشغيل المباني والمنشآت الصناعية أو تغذيتها بشبكات التدفئة المركزية.

يُشغّل المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ محطة تجريبية لتخزين الهيدروجين المُصنّع من الحديد في حرمه الجامعي في هونغبيرغ. تحتوي ثلاثة خزانات من الفولاذ المقاوم للصدأ، كل منها يحتوي على 600 كيلوغرام من أكسيد الحديد، على ما يقارب عشرة ميغاواط/ساعة من الهيدروجين على المدى الطويل. يُولّد هذا ما بين أربعة وستة ميغاواط/ساعة من الكهرباء، حسب تقنية التحويل المُستخدمة. تعمل المحطة منذ عام 2024، ومن المقرر توسعتها بحلول عام 2026 لتغطية خُمس احتياجات الحرم الجامعي من الكهرباء في فصل الشتاء باستخدام الطاقة الشمسية المُخزّنة موسميًا. يُمكن أن يُوفّر رفع سعة التخزين إلى ألف طن من أكسيد الحديد 2 غيغاواط/ساعة من الكهرباء، وهو ما يُعادل عُشر سعة محطة نانت دي درانس لتوليد الطاقة المُخزّنة بالضخ.

يكمن التحدي التكنولوجي الأكبر في إنتاج المعادن الخالية من الكربون. بالنسبة للحديد، فقد ثبتت فعالية الاختزال المباشر باستخدام الهيدروجين الأخضر صناعيًا. وتقوم العديد من شركات الصلب حاليًا ببناء مصانع تجريبية، وتخطط للانتقال التدريجي بحلول عام 2030 إلى عام 2040. وتتمتع هذه التقنية بمستوى نضج يتراوح بين سبعة وثمانية درجات على مقياس من تسعة، وبالتالي فهي تقترب من مرحلة التوافر التجاري.

تقنية الأنود الخامل على وشك تحقيق نقلة نوعية في صناعة الألمنيوم. تُشغّل شركة تريميت في إيسن مصنعًا تجريبيًا في ظروف إنتاجية منذ عام ٢٠٢٤. وتتوقع الشركة تطبيقها صناعيًا بحلول عام ٢٠٤٠ وتحقيق الحياد المناخي بحلول عام ٢٠٤٥. كما تستثمر شركات عالمية مثل نورسك هيدرو وريو تينتو بكثافة في هذه التقنية. وقد اشترت شركة آبل بالفعل أول شحنة من الألمنيوم من مصنع تجريبي مزود بأنودات خاملة لاستخدامها في الهواتف الذكية. وهذا يُظهر الأهمية التجارية لهذه التقنية ومصداقيتها.

لا يزال التوسع عاملاً حاسماً. يبلغ الإنتاج العالمي السنوي من الألومنيوم حوالي سبعين مليون طن، بينما يبلغ إنتاج الصلب قرابة ملياري طن. وستكون هناك حاجة إلى طاقة إنتاجية إضافية للمساهمة بشكل كبير في تخزين الطاقة الموسمي. ومع ذلك، لن يؤدي هذا بالضرورة إلى زعزعة استقرار أسواق السلع الأساسية. يُعد الألومنيوم والحديد من أكثر العناصر وفرةً في قشرة الأرض، ومواردهما تكاد تكون غير محدودة. وسيكون الإنتاج محدوداً بشكل أساسي بتوفر الطاقة المتجددة بأسعار معقولة.

وهنا تحديدًا تكمن فرصةٌ حاسمة. فالمناطق التي تتمتع بظروفٍ ممتازة للطاقة المتجددة، ولكن الطلب المحلي عليها منخفض، يمكن أن تصبح منتجةً للمعادن. فأيسلندا، بفضل طاقتها الحرارية الأرضية والكهرومائية، وشمال أفريقيا بأشعة شمسها الساطعة، وباتاغونيا بمواردها من الرياح، قادرةٌ على إنتاج المعادن للتصدير على نطاقٍ واسع. فالنقل سهلٌ وآمن. ويمكن 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 يُحدث تغييرًا جذريًا في تدفقات التجارة العالمية. تنفق أوروبا أكثر من ثلاثمائة مليار يورو سنويًا على واردات الوقود الأحفوري، بينما تنفق ألمانيا وحدها ما بين ثمانين ومائة وثلاثين مليار يورو. تتدفق هذه المبالغ الطائلة بشكل كبير إلى دول ذات أنظمة استبدادية غالبًا ما تتعارض سياساتها مع القيم الأوروبية. يُسهم تمويل هذه الواردات في عدم الاستقرار الجيوسياسي ويجعل أوروبا عرضة للابتزاز، كما أظهرت أزمات الطاقة الأخيرة بشكل مؤلم.

يمكن أن يُسهم الانتقال إلى ناقلات الطاقة المعدنية في حل هذه التبعيات، مع تمكين شراكات جديدة في الوقت نفسه. ستكتسب البلدان التي تتمتع بوفرة من الموارد المتجددة، لكن التصنيع المحلي فيها محدود، آفاقًا تصديرية قيّمة. يمكن للمغرب، بفضل إمكاناته الشمسية؛ وتشيلي، بفضل قدرتها على توليد طاقة الرياح والطاقة الحرارية الأرضية؛ أو أستراليا، بفضل مساحتها الشاسعة المناسبة للطاقة المتجددة، أن تُصبح منتجةً للمعادن. هذه الدول ديمقراطية في الغالب، وتتشارك قيمًا أساسية مع أوروبا. وبالتالي، ستساهم واردات الطاقة في تمويل التنمية بدلًا من دعم الأنظمة الاستبدادية.

يختلف الاقتصاد الدائري للوقود المعدني اختلافًا جوهريًا عن الاقتصاد الدائري للوقود الأحفوري. فالفحم والنفط والغاز تُحرق بشكل لا رجعة فيه، وتتحول إلى غازات دفيئة. أما المعادن، فتدور في حلقة مغلقة. ويُنقل المعدن المؤكسد إلى وحدة الاختزال ويُعاد تحميله. ويمكن نظريًا تكرار هذه الدورة لعدد غير محدود من المرات دون أي فقدان أو تدهور للمواد. وقد لاحظ باحثون في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ أن سعة تخزين مفاعلات الحديد لديهم تزداد بشكل طفيف مع كل دورة.

لهذا النهج الدائري آثار اقتصادية بعيدة المدى. فالاستثمار في إنتاج المعادن يُغطي تكاليفه على مدار دورات متعددة. وعلى عكس البطاريات التي تتناقص سعتها مع كل دورة، تظل أنظمة تخزين المعادن صالحة للاستخدام إلى أجل غير مسمى. ورغم أن الاستثمارات الأولية في مصانع الاختزال والأكسدة، وكذلك في المعدن نفسه، قد تكون كبيرة، إلا أن تكلفة الكيلوواط/الساعة المُخزَّنة تصبح تنافسية على مر العقود.

تفترض حسابات الباحثين السويسريين النموذجية أن تكاليف الكهرباء والحرارة الناتجة عن نظام تخزين الألمنيوم تبلغ حوالي عشرين سنتًا للكيلوواط/ساعة. وهذا يتماشى مع تكاليف إنتاج الطاقات المتجددة، وهو أقل بكثير من تكاليف كهرباء ذروة الحمل في أشهر الشتاء. مع تزايد النضج التكنولوجي وتوسع نطاقه، من المتوقع أن تنخفض التكاليف أكثر. يُظهر تاريخ الطاقة الكهروضوئية وطاقة الرياح مدى إمكانية تحقيق انخفاضات كبيرة في التكاليف بفضل تأثيرات منحنى التعلم.

المخاطر والتحديات

على الرغم من إمكاناتها الواعدة، لا تزال هناك تحديات ومخاطر كبيرة. لم يكتمل التطور التكنولوجي بعد. على وجه الخصوص، بدأ إنتاج الألومنيوم الخالي من ثاني أكسيد الكربون باستخدام الأنودات الخاملة للتو في الانتقال إلى التطبيق الصناعي. وقد باءت محاولات عديدة سابقة لتطوير هذه التقنية بالفشل. ويُعرف الأنود الخامل بأنه على وشك الاكتمال دائمًا، دون تحقيق أي تقدم يُذكر.

تُشكّل تكاليف الكهرباء المتزايدة مشكلةً. فالأنودات الخاملة لا تُطلق ثاني أكسيد الكربون فحسب، بل إنها أيضًا لا تُوفّر طاقةً عمليةً مثل أنودات الكربون. وبالتالي، يزداد الطلب على الكهرباء لكل طن من الألمنيوم. ومع ارتفاع تكاليف الطاقة أصلًا في أوروبا، قد يُضعف ذلك القدرة التنافسية. وقد ينتقل إنتاج الألمنيوم أكثر إلى مناطق ذات طاقة رخيصة للغاية، بينما ستُصبح أوروبا مُجرّد مُستورد.

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

متطلبات البنية التحتية كبيرة. ستكون هناك حاجة إلى ملايين أنظمة التخزين اللامركزية أو المرافق المركزية الكبيرة للمساهمة بشكل كبير في إمدادات الطاقة الشتوية. يتطلب بناء هذه البنية التحتية وقتًا ورأس مالًا وإرادة سياسية. قد تمتد فترات الاسترداد لهذه الأنظمة لعقود، مما قد يُثني المستثمرين من القطاع الخاص. ومن المرجح أن تكون الإعانات الحكومية والحوافز التنظيمية ضرورية.

يجب دراسة الأثر البيئي للتوسع الهائل في إنتاج المعادن دراسةً نقدية. فحتى لو كانت عملية الإنتاج خالية من الكربون، فإنها تستهلك كميات هائلة من الكهرباء. ويجب أن تأتي هذه الكهرباء، بالإضافة إلى جميع احتياجات الطاقة الأخرى، من مصادر متجددة. فالأراضي اللازمة لمحطات طاقة الرياح والطاقة الشمسية شاسعة. علاوة على ذلك، يتطلب استخراج البوكسيت للألمنيوم تعدينًا واسع النطاق، مع ما يترتب عليه من آثار بيئية واجتماعية.

إن القبول العام لتقنيات الطاقة الجديدة هش. فكل منشأة صناعية كبيرة تواجه مقاومة محلية. كما أن بناء توربينات الرياح، ومحطات الطاقة الشمسية، وخطوط الكهرباء يُؤجل أو يُمنع بانتظام 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 أمرًا بالغ الأهمية.

وجهات نظر استراتيجية لأوروبا

بالنسبة لأوروبا، يُتيح تطوير الوقود المعدني فرصةً استراتيجيةً لترسيخ الريادة التكنولوجية في سوقٍ مستقبلية. وتُعدّ مؤسسات البحث السويسرية والألمانية من بين المؤسسات الرائدة عالميًا في هذا المجال. يجمع مشروع REVEAL شركاء أوروبيين رائدين. وتتوافر الخبرة الصناعية في علم المعادن، وهندسة العمليات الكيميائية، وتكامل أنظمة الطاقة بسهولة في أوروبا.

يمكن لاستراتيجية أوروبية منسقة أن تتضمن عدة عناصر. أولًا، مواصلة وتكثيف تمويل الأبحاث. لقد أتاحت الاستثمارات السابقة تحقيق تقدم كبير. ومن شأن زيادة التمويل أن يعزز الريادة التكنولوجية. ثانيًا، وضع حوافز تنظيمية لدخول السوق. ويمكن لتعريفات التغذية أو منح الاستثمار أن تحفز الجهات التي تتبنى هذه التكنولوجيا مبكرًا.

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

لا ينبغي الاستهانة بالبعد الجيوسياسي. فانخفاض الاعتماد على واردات الوقود الأحفوري يزيد بشكل كبير من حرية العمل السياسي لأوروبا. كما أن القدرة على ضمان إمدادات الطاقة في الشتاء من مصادر محلية أو دولية موثوقة تعزز القدرة على مواجهة الصدمات الخارجية. كما أن تنويع مصادر الطاقة وسلاسل التوريد يقلل من احتمالية تعرض أوروبا للابتزاز من قبل الأنظمة الاستبدادية.

في الوقت نفسه، تنشأ تبعيات جديدة. قد تعتمد أوروبا على واردات المعادن، كما هو الحال مع اعتمادها الحالي على الوقود الأحفوري. يكمن الفرق في قابلية المعادن للانعكاس والتدوير، إذ يُمكن إعادة تدويرها واستخدامها، مما يُجنّب الندرة الوجودية التي تُعاني منها الموارد الأحفورية المحدودة. علاوة على ذلك، يُمكن، من حيث المبدأ، تحديد موقع الإنتاج داخل أوروبا، شريطة توافر طاقة متجددة كافية وبأسعار معقولة.

مستقبل تخزين الطاقة

لن يكون الوقود المعدني الحل الوحيد لتحديات التحول في مجال الطاقة، بل سيكون جزءًا من محفظة متنوعة من تقنيات التخزين. ستحتفظ بطاريات أيونات الليثيوم بقوتها على المدى القصير (ساعات إلى أيام). وستظل محطات الطاقة الكهرومائية التي تعمل بالضخ والتخزين ضرورية لاستقرار الشبكة وموازنة التقلبات اليومية والأسبوعية. وسيُستخدم الهيدروجين في الصناعة كغاز معالجة وعامل اختزال.

للوقود المعدني مكانة خاصة في التخزين الموسمي طويل الأمد، وخاصةً لتوفير الحرارة. فهو يجمع بين مزايا كثافة الطاقة العالية، وسهولة التعامل، وانخفاض تكلفة المواد الخام، وإمكانية الربط الجيد بين القطاعات. هذا المزيج يجعله متفوقًا على التقنيات الأخرى. وسيُظهر المزيد من التطوير مدى إمكانية تحقيق هذه المزايا النظرية عمليًا، ومدى سرعة تحقيقها.

ستكون السنوات القادمة حاسمة. هناك العديد من المصانع التجريبية قيد التشغيل أو الإنشاء حاليًا. ستكشف الخبرة المكتسبة من هذه المشاريع مدى استيفاء التوقعات الفنية والاقتصادية. سيحدد تطوير تقنية الأنود الخامل إمكانية إنتاج الألومنيوم الخالي من ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع. وسيحدد استعداد الصناعة وصانعي السياسات للاستثمار في هذه التقنية الإطار الزمني.

يتطلب دمج أنظمة تخزين المعادن في أنظمة الطاقة الحالية ابتكارًا تكنولوجيًا، بالإضافة إلى ابتكارات تنظيمية وسوقية. يجب تطوير نماذج أعمال جديدة تراعي الخصائص المحددة لتخزين المعادن. وتُعدّ العقود طويلة الأجل بين المنتجين ومشغلي التخزين وموردي الطاقة ضرورية لضمان أمن الاستثمار. ويجب أن ينعكس تقييم الفوائد المناخية والمتعلقة بالطاقة في أسعار السوق المناسبة أو آليات الدعم.

يجب توسيع نطاق النقاش العام حول تخزين الطاقة. لفترة طويلة، ركّز النقاش على الهيدروجين كحلٍّ عالميٍّ مُفترض. لكن الواقع أكثر تعقيدًا. فالتطبيقات المختلفة تتطلب حلولًا مختلفة. تستحق الوقودات المعدنية مكانةً بارزةً في هذا المجال. فمزاياها بالغة الأهمية لا يُمكن تجاهلها، وإمكاناتها هائلةٌ جدًا بحيث لا يُمكن إهمالها.

يُعدّ تحوّل نظام الطاقة أحد أكبر التحديات التكنولوجية والاقتصادية في هذا القرن. فهو يتطلب شجاعة الابتكار، ورغبة في الاستثمار، وانفتاحًا على حلول جديدة. ويُقدّم الوقود المعدني أحد هذه الحلول. فهو أكثر من مجرد فضولٍ مختبري مثير للاهتمام. بل يُمكن أن يُحدث نقلة نوعية في مجال تخزين الطاقة الموسمية، وركيزة أساسية لسد فجوة الكهرباء في الشتاء، ومسارًا نحو تحقيق الاستقلال في مجال الطاقة. فهو بديل لا يحل محل الهيدروجين، بل يُكمّله بفعالية ويتفوق عليه في بعض التطبيقات. يستحقّ المزيد من التطوير الاهتمام والدعم والتدقيق النقدي. وستُظهر السنوات القادمة ما إذا كان الوقود المعدني قادرًا على الوفاء بوعوده.

تتمتع Xpert.Digital بمعرفة متعمقة بمختلف الصناعات. يتيح لنا ذلك تطوير استراتيجيات مصممة خصيصًا لتناسب متطلبات وتحديات قطاع السوق المحدد لديك. ومن خلال التحليل المستمر لاتجاهات السوق ومتابعة تطورات الصناعة، يمكننا التصرف ببصيرة وتقديم حلول مبتكرة. ومن خلال الجمع بين الخبرة والمعرفة، فإننا نولد قيمة مضافة ونمنح عملائنا ميزة تنافسية حاسمة.

المزيد عنها هنا:

• استخدم خبرة Xpert.Digital 5x في حزمة واحدة - بدءًا من 500 يورو شهريًا فقط

☑️ لغة العمل لدينا هي الإنجليزية أو الألمانية

☑️ جديد: المراسلات بلغتك الوطنية!

 

سأكون سعيدًا بخدمتك وفريقي كمستشار شخصي.

يمكنك الاتصال بي عن طريق ملء نموذج الاتصال أو ببساطة اتصل بي على +49 89 89 674 804 (ميونخ) . عنوان بريدي الإلكتروني هو: ولفنشتاين ∂ xpert.digital

إنني أتطلع إلى مشروعنا المشترك.

 

 

☑️ دعم الشركات الصغيرة والمتوسطة في الإستراتيجية والاستشارات والتخطيط والتنفيذ

☑️ إنشاء أو إعادة تنظيم الإستراتيجية الرقمية والرقمنة

☑️ توسيع عمليات البيع الدولية وتحسينها

☑️ منصات التداول العالمية والرقمية B2B

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