Metallilised kütused tuleviku energia salvestamiseks? Kui alumiinium ja raud edestavad vesinikku.

Lahendus talvisele elektrienergia puudujäägile? Teadlased valmistavad metallipulbrist tuleviku aku – üks liiter rauda 8 tunniks energiat: tähelepanuta jäetud revolutsioon energia salvestamises.

Energiaüleminek seisab silmitsi paradoksaalse väljakutsega: samal ajal kui päikeseelektrijaamad toodavad suvel puhta elektri ülejääki, millest osa jääb kasutamata, ähvardab pimedatel ja külmadel talvekuudel märkimisväärne elektrienergia defitsiit. See hooajaline tasakaalustamatus on üks püsivamaid takistusi kliimaneutraalsuse teel ning sunnib Euroopat jätkuvalt kulukasse sõltuvusse fossiilkütuste impordist. Kuigi avalik arutelu keskendub sageli vesinikule kui imerohule, on uuringute varjus küpsemas potentsiaalselt parem alternatiiv: energia salvestamine metallilistes kütustes, nagu alumiinium ja raud.

See pealtnäha ebatavaline idee osutub lähemal uurimisel geniaalselt lihtsaks ja töökindlaks lahenduseks. Põhimõte põhineb pöörduval keemilisel tsüklil: suvist liigset elektrit kasutatakse metallioksiidide redutseerimiseks puhasteks metallideks, mis toimivad äärmiselt tihedate ja ohutute energiakandjatena. Vajadusel reageerivad need metallid kontrollitud viisil veega, vabastades samaaegselt kasutatavat soojust ja vesinikku, mis seejärel muundatakse tagasi elektriks.

Füüsikalised eelised on hämmastavad: üks liiter alumiiniumi salvestab mahuliselt umbes 23 korda rohkem energiat kui tugevalt kokkusurutud vesinik. Metallipulbrit või -graanuleid saab ohutult säilitada ja transportida toatemperatuuril ja normaalrõhul – ilma kallite kõrgsurvepaakide või krüogeense jahutuseta. See tähendab, et metallilised kütused võiksid mitte ainult muuta hoonete ja tööstuse hooajalist energia salvestamist, vaid ka ümber korraldada globaalseid energiavooge ja sillutada teed Euroopale geopoliitilise energiasõltuvuse kaotamiseks. Pilootprojektid Šveitsis ja Saksamaal näitavad juba, et see tehnoloogia on palju enamat kui lihtsalt laboriidee – sellest võib saada turvalise ja täielikult taastuva energiavarustuse oluline, seni puuduv komponent.

Sobib selleks:

• OST Research – Ida-Šveitsi Rakenduskõrgkool | Metallilised kütused energiakandjate ja tarnijatena

Šveitsi geeniuse löök: kuidas silmapaistmatu metallgranulaat võiks lõpetada meie energiasõltuvuse

Hooajalise energia salvestamise väljakutse on energiasiirde üks püsivamaid probleeme. Samal ajal kui suvine fotogalvaanilise elektri ülejääk Euroopas pidevalt suureneb, on just sellest energiast pimedatel talvekuudel puudus. Metallilised kütused, nagu alumiinium ja raud, lubavad pakkuda lahendust, mis on oluliste parameetrite poolest parem kui silmapaistvam vesinik ja võib energiasektorit põhjalikult muuta.

Euroopa seisab silmitsi põhimõttelise energiaprobleemiga. Ainuüksi Šveits prognoosib 2050. aastaks talvist elektrienergia defitsiiti umbes kaheksa kuni kümne teravatt-tunni võrra, hoolimata fotogalvaanika ulatuslikust laienemisest. Saksamaa ja kogu Euroopa Liit maadlevad sarnase struktuurilise probleemiga. Samal ajal kui suvel tekitab päikeseenergia tootmine üleliigset võimsust, millest osa tuleb piirata, on talvel silmatorkav puudujääk. See hooajaline erinevus süveneb iga uue päikesepaneeli paigaldamisega Euroopa katustele ja avatud aladele. Samal ajal muudab kütte ja transpordi suurenev elektrifitseerimine elektrienergia nõudluse, eriti külmematel kuudel, veelgi kriitilisemaks.

Euroopa energiasõltuvus fossiilkütuste impordist rõhutab säästvate salvestuslahenduste pakilise vajadust. Saksamaa kannab igal aastal välismaale 80–130 miljardit eurot söe, nafta ja gaasi eest, samas kui Euroopa Liit tervikuna kannab üle üle 300 miljardi euro. Need tohutud summad voolavad riigist välja, selle asemel et investeerida siseriiklikku taristusse ja tulevikutehnoloogiatesse. Lisaks on viimaste aastate geopoliitilised murrangud valusalt näidanud selle sõltuvusega seotud riske.

Metallilised kütused, näiteks alumiinium ja raud, vajavad energia vabastamiseks hapnikku (O₂). Reaktsioon sarnaneb põlemisega, kuid toimub sageli oksüdatsiooni vormis, nt:

Alumiinium + hapnik → alumiiniumoksiid (Al₂O₃)

Raud + hapnik → Raudoksiid (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

Need reaktsioonid vabastavad palju soojust – ja just seda energiat soovitaksegi kasutada salvestamise vormina.

Vesinik (H₂) on tänapäeval tuntud energiakandja, kuid seda on keeruline säilitada ja transportida.

Metallilisi kütuseid peetakse alternatiiviks, kuna need:

◾️ on väga energiarikkad,

◾️ kergesti transporditav (tahke, mitte lenduv),

◾️ on korduvkasutatavad – oksiide saab taaskasutada ja metalliks taandada, sageli taastuvenergiat kasutades.

Mõned kontseptsioonid kasutavad isegi vesinikku oksüdeeritud metalli puhtaks metalliks muutmiseks.

Metallilise energia salvestamise füüsika

Metalliliste kütuste põhiprintsiip põhineb elegantsel keemilisel pöörduvusel. Metalle, nagu alumiinium, raud või räni, saab redutseerimisprotsessi käigus laadida elektrienergiaga, mille käigus vabaneb nende oksiidivormidest hapnik. Saadud puhtad metallid toimivad tugevalt kokkusurutud energiasalvestitena. Vajadusel see protsess pööratakse tagasi. Metall reageerib vee või auruga, tootes vesinikku ja soojust. Vesinikku saab kasutada kütuseelementides elektri tootmiseks, samas kui soojust saab otse küttesüsteemidesse suunata.

Energiatihedus eristab metallikütuseid gaasilistest alternatiividest põhimõtteliselt. Alumiiniumi teoreetiline energiatihedus on üle kaheksa kilovatt-tunni kilogrammi kohta ja mahuline tihedus üle kahekümne kolme kilovatt-tunni liitri kohta. Isegi seitsmesaja baari juures kõrge rõhu all kokkusurutud vesinik saavutab mahuliselt vaid umbes ühe kilovatt-tunni liitri kohta. Üks liiter rauda suudaks varustada keskmist Saksa leibkonda energiaga enam kui kaheksaks tunniks, samas kui ühest liitrist tugevalt kokkusurutud vesinikust ei jätkuks isegi üheks tunniks.

Nendel füüsikalistel omadustel on kaugeleulatuvad praktilised tagajärjed. Metallipulbreid või -graanuleid saab säilitada ja transportida toatemperatuuril ja normaalrõhul. Pole vaja kalleid kõrgsurvemahuteid ega keerukat jahutustehnoloogiat. Ohutusnõuded on võrreldavad tavapäraste puistematerjalide omadega. Plahvatusohtu, näiteks peene metallitolmuga seotud ohtu, saab vältida suuremate graanulite kasutamisega. Näiteks Šveitsi SPF Päikesetehnoloogia Instituut OST-s töötab alumiinium 6060 traadigraanulitega, mis on kaubanduslikult saadaval ja ei vaja erilisi ohutusabinõusid.

Materjalikandidaatide võrdlus

Alumiiniumi peetakse metalliliste kütuste seas kõige lootustandvamaks kandidaadiks. Oma kõrge energiatihedusega, mis teoreetiliselt ületab kaheksa kilovatt-tundi kilogrammi kohta, ületab see oluliselt kõiki teisi mittetoksilisi metalle. Veega reageerides vabaneb umbes pool salvestatud energiast soojusena ja pool pool vesinikuna. Viimast saab kütuseelemendis viiekümneprotsendilise efektiivsusega muundada elektrienergiaks, mille tulemuseks on kokku umbes seitsekümmend viis protsenti soojust ja kakskümmend viis protsenti elektrit. See kombinatsioon sobib ideaalselt hoonete energiasüsteemide jaoks, kus soojusvajadus on tavaliselt valdav.

Alumiiniumi puhul seisneb väljakutse selle energiamahukas tootmises. Primaaralumiiniumi kilogrammi kohta on vaja ligikaudu kolmteist kuni seitseteist kilovatt-tundi elektrienergiat. Söeküttel töötava elektri kasutamine selles protsessis tekitab kuni kakskümmend kilogrammi süsinikdioksiidi alumiiniumi kilogrammi kohta. Isegi taastuvenergia kasutamisel eraldab tavapärane Hall-Héroulti protsess ikkagi umbes poolteist tonni süsinikdioksiidi alumiiniumi tonni kohta, kuna süsinikanoodid tarbitakse ja reageerivad süsinikdioksiidi moodustamiseks.

Siin tulebki mängu innovatsioon. Euroopa teadusprojektis REVEAL töötavad OST juhitud teadlased välja täiesti süsinikdioksiidivaba alumiiniumitootmisprotsessi, kasutades nn inertseid anoode. Need anoodid koosnevad metallisulamitest, mida elektrolüüsiprotsessi käigus ei tarbita ja mis eraldavad süsinikdioksiidi asemel puhast hapnikku. Islandi partner IceTec töötab paralleelselt selle tehnoloogia tööstusliku rakendamise kallal, kasutades kergesti kättesaadavat geotermilist ja hüdroelektrienergiat. Saksa ettevõtted, näiteks Trimet, on samuti arenduse edasiviijad ja on juba tellinud demonstratsioonitehased.

Raud pakub end pragmaatilise alternatiivina. Energiatihedusega umbes 0,2–0,3 kilovatt-tundi kilogrammi kohta on see oluliselt madalam kui alumiiniumil, kuid on siiski konkurentsivõimeline paljude teiste salvestustehnoloogiatega võrreldes. Raua otsustavaks eeliseks on selle kättesaadavus ja madal hind. Maakoore neljanda kõige levinuma elemendina on rauamaak saadaval praktiliselt piiramatus koguses, ilma et see mõjutaks oluliselt maailmaturu hindu.

Raua reaktsioon veega tekitab väga vähe soojust. Kogu salvestatud energia kandub üle toodetud vesinikule, mida saab seejärel umbes viiekümne protsendilise efektiivsusega elektriks muuta. See suhe muudab raua eriti atraktiivseks rakenduste jaoks, kus elektrienergia nõudlus on ülimalt oluline. Professor Wendelin Starki juhitud uurimisrühm ETH Zürichi ülikoolis käitab Hönggerbergi ülikoolilinnakus piloottehast, mis salvestab vesinikku hooajaliselt raudoksiidi abil. Seda tehnoloogiat peetakse umbes kümme korda odavamaks kui tavapärast vesiniku salvestamist.

Otsene redutseerimine rohelise vesinikuga on raua tootmisel juba tööstuslikult sisse seatud. Ettevõtted nagu ArcelorMittal ja thyssenkrupp töötavad ülemineku kallal vesinikupõhisele terasetootmisele. Seda tehnoloogiat saab otse energia salvestamiseks kasutada. Selle küpsusaste on üheksa-punkti skaalal kuus kuni seitse, mis läheneb turuvalmidusele. Tehased saavad töötada normaalrõhul ja umbes 800 kraadi Celsiuse juures, mis piirab tehnilist keerukust.

Räni on kolmas võimalus. See ühendab endas alumiiniumiga sarnase kõrge energiatiheduse hea kättesaadavusega. Kuna tegemist on hapniku järel maakoores arvukuselt teise elemendiga, siis ressursipiirangud praktiliselt puuduvad. Tänu päikeseenergia tööstusele on tootmistehnoloogia hästi välja kujunenud. Räni kui energia salvestamise keskkonna uuringud on aga vähem arenenud kui alumiiniumi ja raua puhul. Darmstadti Tehnikaülikool uurib räni A-STEAM projekti raames, kuid tõenäoliselt läheb veel mitu aastat, enne kui seda tööstuslikes rakendustes kasutatakse.

Ümberkujundamise majandusteadus

Metalliliste kütuste majanduslik tasuvus sõltub oluliselt süsinikuvaba metallide kaevandamise tootmiskuludest. Tavapärase alumiiniumi hinna juures, mis on ligikaudu 2650 dollarit tonni kohta, tekiksid inertse anoodi tehnoloogia tööstusliku rakendamise korral 2035. aastal ligikaudu 400 dollari suurused lisakulud. Pikas perspektiivis eeldatakse kulude stabiliseerumist 2020. aasta tasemele, ehkki võrreldes tavapärase tootmise hüpoteetilise jätkumisega on hind ligikaudu 300 dollarit kõrgem.

Neid lisakulusid vaadeldakse aga üldises kontekstis. Alumiiniumitööstuse dekarboniseerimisse tehtavate investeeringute suurus on hinnanguliselt umbes triljon dollarit, millest umbes pool on ette nähtud vähese süsinikuheitega energia tootmiseks. Vähese süsinikuheitega anoodide jaoks on eelarves ette nähtud kakssada miljardit dollarit. Kuid need investeeringud loovad samal ajal aluse täiesti uuele energia salvestamise turule, mis ulatub alumiiniumi traditsioonilisest kasutamisest kaugemale.

Taastuvenergia elektrienergiaks ja soojuseks muundamise üldine efektiivsus metalli salvestamise teel jääb kõigi kolme metalli puhul vahemikku viiskümmend kuni kuuskümmend protsenti. See väärtus tundub esialgu madal võrreldes liitiumioonakudega, mille efektiivsus on kaheksakümmend viis kuni üheksakümmend viis protsenti. Hindamisel tuleb aga arvesse võtta mitmeid tegureid. Esiteks on võrdlus asjakohane ainult rakenduste puhul, mille puhul on võrreldav salvestusaeg. Akud sobivad tundideks kuni mõneks päevaks, metallikütused aga kuudeks kuni aastateks. Kilovatt-tunni salvestamise hind suureneb akude puhul dramaatiliselt pikeneva salvestusaja korral, kuna investeerimiskulud jaotatakse vähemate tsüklite peale.

Teiseks tuleb soojust arvestada täielikult kasutatava energiaallikana. Küttevajadusega hoonetes on 75 protsenti soojusest ja 25 protsenti elektrist koosnev süsteem potentsiaalselt ideaalsem kui puhas elekter, mis tuleb kõigepealt soojuspumba abil ümber töödelda. Šveitsi teadlased prognoosivad alumiiniumist salvestussüsteemide elektri- ja küttekuludeks talvel umbes 20 senti kilovatt-tunni kohta. See oleks konkurentsivõimeline paljude alternatiivsete energiavarustusvõimalustega.

Vesiniku abil elektrist gaasi tootmisel saavutatakse vaid 30–40-protsendiline efektiivsus, kui see lihtsalt elektriks tagasi muundatakse ilma soojust kasutamata. Metaniseerimise korral langeb see umbes 33 protsendini. Ainult optimeeritud koostootmise (CHP) ja järjepideva jääksoojuse kasutamise korral on võimalik saavutada üle 80-protsendiline efektiivsus, mis põhineb kõrgemal kütteväärtusel. Praktikas saavutatakse need väärtused aga harva. Lisaks kaasnevad vesiniku ladustamise ja transpordiga märkimisväärsed kulud. Maa-alused soolakoopad on teostatavad ainult geoloogiliselt sobivates kohtades. Selliste riikide nagu Šveits jaoks, kus selliseid moodustisi pole, jäävad valikuteks vaid kallid maapealsed mahutid või import.

Erinevate tehnoloogiate salvestuskulud on väga erinevad. Hooajalised soojusenergia salvestussüsteemid maksavad 25–400 Šveitsi franki iga salvestatud energia megavatt-tunni kohta. Elektrienergia puhul on pumpelektrijaamade kulud umbes 100 franki megavatt-tunni kohta, kuid teiste hooajaliste energiasalvestussüsteemide puhul suurenevad need enam kui kümme korda. Liitiumioonakud maksavad praegu 400–1000 eurot kilovatt-tunni salvestusmahu kohta. Kuigi need hinnad on drastiliselt langenud, on need hooajaliseks salvestamiseks endiselt liiga kallid.

Pumpelektrijaamad toimivad erakordselt hästi nii päevaste kui ka iganädalaste tsüklite korral, saavutades 70–85-protsendilise efektiivsuse. Hooajalise salvestamise korral, kus tsükkel on vaid üks aastas, tõusevad kulud aga üle kahe euro kilovatt-tunni täiendava elektrienergia kohta. Sobivate asukohtade geograafilised piirangud piiravad veelgi laienemispotentsiaali. Täielikult taastuvenergiale üle läinud majanduses oleksid olemasolevad pumpelektrijaamade võimsused kaugeltki ebapiisavad.

Süsteemide integreerimine ja sektorite ühendamine

Metalliliste kütuste tugevus seisneb nende sujuvas integreerimises sektorite ühendamise kontseptsiooni. See termin kirjeldab traditsiooniliselt eraldi seisvate sektorite – elektri, soojuse ja liikuvuse – ühendamist. Kuigi üleminek taastuvenergiale elektrienergia sektoris on juba hästi edenenud, sõltuvad soojusvarustus ja transport endiselt suuresti fossiilkütustest. Euroopa kulutab igal aastal üle kolmesaja miljardi euro söe, nafta ja gaasi impordile – raha, mis läheb tema enda majandusele kaotsi.

Metallilised kütused võimaldavad paindlikku sektorite ühendamist. Suvel kasutatakse fotogalvaanilise elektri ülejääki metallioksiidide redutseerimiseks. Saadud metall ladustatakse. Talvel toimub oksüdeerumine, mille käigus toodetakse soojust ja vesinikku. Soojus voolab otse küttesüsteemi, ideaaljuhul ühendatuna soojuspumbaga, mis suurendab efektiivsust leebematel temperatuuridel. Vesinik muundatakse kütuseelemendis elektriks ja selle protsessi jääksoojus suunatakse seejärel tagasi küttesüsteemi.

See kombinatsioon lahendab täpselt Euroopa energiasüsteemide keskse probleemi. Saksamaal moodustab küttevajadus umbes poole kogu energia lõpptarbimisest. Märkimisväärne osa sellest koondub talvekuudele. Salvestussüsteem, mis varustab peamiselt soojusega ja toodab samal ajal ka märkimisväärses koguses elektrit, vastab sellele nõudlusprofiilile ideaalselt. Luzerni rakendusteaduste ja kunstide ülikool on arvutanud, et elamute järjepidev soojustamine koos soojuspumpadega võiks praktiliselt kõrvaldada Šveitsi talvise elektrienergia puudujäägi. Koos metallsalvestussüsteemidega kasutaks selline süsteem optimaalselt suvise elektrienergia ülejääki ja tagaks usaldusväärse talvise varustuse.

Šveitsi teadlaste mudeli kohaselt võiks kõigi mitmepereelamute varustamine metallsalvestussüsteemidega oluliselt vähendada eeldatavat talvist elektrienergia puudujääki kaheksa teravatt-tunni võrra aastaks 2050. Vaid poolte kõigi mitmepereelamute varustamine annaks mitu teravatt-tundi. Selle lahenduse detsentraliseeritud struktuur väldib kulukaid võrgu laiendamise meetmeid ja suurendab varustuskindlust koondamise kaudu.

Tööstuslike rakenduste jaoks on tekkimas uusi perspektiive. Protsessisoojus moodustab märkimisväärse osa tööstuslikust energiavajadusest. Otsene elektrifitseerimine soojuspumpade, elektroodkatelde või takistuskütte abil on tehniliselt teostatav ja juba saadaval paljudes temperatuurivahemikes. Metallilised kütused võivad aga pakkuda lahendust, eriti kõrge temperatuuriga protsesside ja baaskoormuse stabiilsuse tagamiseks. Rauapulbri põlemisel võib temperatuur ulatuda üle 1800 kraadi Celsiuse järgi, mis on piisav paljude tööstusprotsesside jaoks.

Ümber ehitatud söeküttel töötavaid elektrijaamu saaks käitada metallipulbritega. Olemasolevat põletamise, auru ringluse ja elektri tootmise infrastruktuuri saaks suures osas ära kasutada. Saadud metallioksiid kogutaks ja transporditaks vähendamiseks rajatistesse, kus on palju taastuvenergiat. See lähenemisviis kasutaks olemasolevaid rajatisi, säilitaks töökohti ja aitaks samal ajal kaasa dekarboniseerimisele. Darmstadti Tehnikaülikool uurib seda kontseptsiooni oma puhaste ringkondade algatuse raames.

Meie EL-i ja Saksamaa valdkonna asjatundlikkus äriarenduse, müügi ja turunduse alal - pilt: Xpert.Digital

Tööstusharu fookus: B2B, digitaliseerimine (tehisintellektist XR-ini), masinaehitus, logistika, taastuvenergia ja tööstus

Lisateavet selle kohta siin:

• Xpert Business Hub

Teemakeskus koos teadmiste ja ekspertiisiga:

• Teadmisplatvorm globaalse ja regionaalse majanduse, innovatsiooni ja tööstusharude suundumuste kohta
• Analüüside, impulsside ja taustteabe kogumine meie fookusvaldkondadest
• Koht ekspertiisi ja teabe saamiseks äri- ja tehnoloogiavaldkonna praeguste arengute kohta
• Teemakeskus ettevõtetele, kes soovivad õppida turgude, digitaliseerimise ja valdkonna uuenduste kohta

Tehnoloogiline küpsus ja arenguväljavaated

Erinevate komponentide tehnoloogiline küpsus on märkimisväärselt erinev. Metallide oksüdeerimine energia vabastamiseks on olnud tuntud juba pikka aega ja seda kasutatakse juba spetsiaalsetes rakendustes. Alumiiniumi- ja rauaosakesi kasutatakse Ariane kanderakettides, ilutulestikutes ja muudes pürotehnilistes rakendustes. Seega on põhilised keemilised protsessid omandatud ja mõistetud.

Kontrollitud reaktsioon vee või auruga mõõdukal temperatuuril soojuse ja vesiniku tootmiseks on praegu katsefaasis. Rapperswilis asuv SPF Päikesetehnoloogia Instituut on tellinud REVEAL projekti raames välja töötatud prototüübi. Kui see prototüüp tööle hakkab, demonstreerib see, kuidas alumiiniumist saab keemiliste protsesside abil hoonetele soojust ja elektrit toota. Toodetud energiat saab kasutada hoonete ja tööstusettevõtete energiaallikana või suunata kaugküttevõrkudesse.

ETH Zürich haldab oma Hönggerbergi ülikoolilinnakus rauapõhise vesiniku salvestamise katsetehast. Kolm roostevabast terasest mahutit, millest igaüks sisaldab 600 kilogrammi raudoksiidi, suudavad pikas perspektiivis salvestada umbes kümme megavatt-tundi vesinikku. See toodab olenevalt muundamise tehnoloogiast neli kuni kuus megavatt-tundi elektrienergiat. Tehas on töötanud alates 2024. aastast ja selle laiendamine on kavandatud 2026. aastaks, et katta viiendik ülikoolilinnaku talvisest elektrienergiavajadusest hooajaliselt salvestatud päikeseenergiaga. Raudoksiidi tootmise suurendamine tuhande tonnini võiks anda kaks gigavatt-tundi elektrienergiat, mis on võrreldav kümnendikuga Nant de Drance'i pumpelektrijaama võimsusest.

Suurim tehnoloogiline väljakutse seisneb süsinikuvabas metallitootmises. Raua puhul on otsene redutseerimine rohelise vesiniku abil juba tööstuslikult tõestatud. Mitmed teraseettevõtted ehitavad praegu demonstratsioonitehaseid ja plaanivad järkjärgulist üleminekut aastatel 2030–2040. Tehnoloogia küpsusaste on umbes seitse kuni kaheksa üheksa-punkti skaalal ja seega läheneb see kaubanduslikule kättesaadavusele.

Inertsete anoodide tehnoloogia on alumiiniumitööstuses läbimurde äärel. Trimet Essenis on alates 2024. aastast käitanud demonstratsioonitehast tootmistingimustes. Ettevõte eeldab tööstuslikku rakendamist 2040. aastaks ja kliimaneutraalsust 2045. aastaks. Rahvusvahelised korporatsioonid, nagu Norsk Hydro ja Rio Tinto, investeerivad samuti sellesse tehnoloogiasse suuri investeeringuid. Apple on juba ostnud esimese alumiiniumisaadetise piloottehasest, mis sisaldab inertseid anoode nutitelefonides kasutamiseks. See näitab tehnoloogia ärilist huvi ja usaldusväärsust.

Mastaapimine on endiselt kriitilise tähtsusega tegur. Alumiiniumi aastane toodang on maailmas umbes seitsekümmend miljonit tonni, terasetootmine aga ligi kaks miljardit tonni. Hooajalise energia salvestamise oluliseks panuseks oleks vaja täiendavat tootmisvõimsust. See ei aga tingimata destabiliseeriks kaubaturge. Alumiinium ja raud on maakoore ühed rikkalikumad elemendid. Nende ressursid on praktiliselt piiramatud. Tootmist piiraks peamiselt taskukohase taastuvenergia kättesaadavus.

Just siin peitubki oluline võimalus. Piirkonnad, kus on suurepärased taastuvenergia tingimused, kuid madal kohalik nõudlus, võiksid saada metallitootjateks. Island oma geotermilise ja hüdroelektrienergiaga, Põhja-Aafrika intensiivse päikesepaistega või Patagoonia oma tuulevarudega võiksid toota metalle suures mahus ekspordiks. Transport on lihtne ja ohutu. Konteinerlaevad saavad transportida metalligraanuleid tavapärastes tingimustes, ilma vedela vesiniku või veeldatud maagaasiga seotud riskide ja kuludeta.

Globaalsete energiavoogude ümbermõtestamine

Metalliliste energiakandjate kaudu energiavarustuse rahvusvahelistumine muudaks põhjalikult ülemaailmseid kaubandusvooge. Euroopa kulutab fossiilkütuste impordile igal aastal üle kolmesaja miljardi euro. Ainuüksi Saksamaa kulutab 80–130 miljardit eurot. Need tohutud summad voolavad suures osas autoritaarsete režiimidega riikidesse, mille poliitika on sageli vastuolus Euroopa väärtustega. Nende imporditehingute rahastamine aitab kaasa geopoliitilisele ebastabiilsusele ja muudab Euroopa väljapressimise suhtes haavatavaks, nagu hiljutised energiakriisid on valusalt näidanud.

Metallilistele energiakandjatele üleminek võiks need sõltuvused lahendada, võimaldades samal ajal uusi partnerlussuhteid. Riigid, kus on külluslikult taastuvaid ressursse, kuid piiratud siseriiklik industrialiseerimine, saaksid väärtusliku ekspordiperspektiivi. Maroko oma päikeseenergia potentsiaaliga; Tšiili oma tuule- ja geotermilise võimsusega; või Austraalia oma ulatusliku taastuvenergia jaoks sobiva maa-alaga võiksid saada metallitootjateks. Need riigid on valdavalt demokraatiad ja jagavad Euroopaga põhiväärtusi. Seega aitaks energiaimport kaasa arengu rahastamisele, mitte ei toetaks autokraatiaid.

Metalliliste kütuste ringmajandus erineb põhimõtteliselt fossiilkütuste omast. Kivisüsi, nafta ja gaas põletatakse pöördumatult ning muudetakse kasvuhoonegaasideks. Metallid seevastu ringlevad suletud ahelas. Oksüdeeritud metall transporditakse tagasi redutseerimisjaama ja laaditakse uuesti. Seda tsüklit saab teoreetiliselt korrata piiramatu arv kordi ilma materjalikadude või lagunemiseta. ETH Zürichi teadlased on isegi täheldanud, et nende rauast reaktorite hoiustamisvõimsus suureneb iga tsükliga veidi.

Sellel ringmajandusel on kaugeleulatuvad majanduslikud tagajärjed. Investeering metalli tootmisse tasub end ära arvukate tsüklite jooksul. Erinevalt akudest, mille mahtuvus iga tsükliga väheneb, jäävad metalli salvestussüsteemid igaveseks kasutatavaks. Kuigi esialgsed investeeringud redutseerimis- ja oksüdeerimisjaamadesse ning metalli endasse võivad olla märkimisväärsed, muutuvad aastakümnete jooksul salvestatud kilovatt-tunni hinnad konkurentsivõimeliseks.

Šveitsi teadlaste mudelarvutused eeldavad alumiiniumist akumulatsioonisüsteemi elektri- ja soojusenergia maksumuseks umbes kakskümmend senti kilovatt-tunni kohta. See on kooskõlas taastuvenergia tootmiskuludega ja oluliselt madalam kui talvekuudel tippkoormuse elektrienergia maksumus. Tehnoloogilise küpsuse ja mastaapsuse kasvades eeldatakse kulude edasist langust. Fotogalvaanika ja tuuleenergia ajalugu näitab, kui dramaatilist kulude vähenemist saab õppekõvera efektide tõttu saavutada.

Riskid ja väljakutsed

Vaatamata paljulubavale potentsiaalile on endiselt märkimisväärseid väljakutseid ja riske. Tehnoloogiline areng pole veel lõppenud. Eelkõige on inertsete anoodide abil süsinikdioksiidivaba alumiiniumi tootmine alles hakanud üle minema tööstuslikule rakendamisele. Arvukad varasemad katsed selle tehnoloogia loomiseks on ebaõnnestunud. Inertsel anoodil on maine, et see on alati valmimise äärel, kuid läbimurret ei saavutata.

Suurenenud elektrienergiakulud tekitavad probleemi. Inertsed anoodid mitte ainult ei eralda süsinikdioksiidi, vaid ei anna ka protsessienergiat nagu süsinikanoodid. Seetõttu suureneb elektrienergiavajadus alumiiniumi tonni kohta. Arvestades Euroopas juba niigi kõrgeid energiakulusid, võib see kahjustada konkurentsivõimet. Alumiiniumitootmine võib veelgi enam nihkuda eriti odava energiaga piirkondadesse, samas kui Euroopast saaks pelgalt importija.

Konkurents taastuvenergia pärast tiheneb. Paljud sektorid püüdlevad elektrifitseerimise poole. Tööstus vajab rohelist vesinikku keemiliste protsesside ja terasetootmise jaoks. Transport elektrifitseeritakse miljonite elektriautodega. Digitaalsed infrastruktuurid koos andmekeskustega tarbivad üha rohkem elektrit. Selles konkurentsitihedas keskkonnas peavad metallilised salvestuslahendused oma majanduslikku paremust veel tõestama.

Taristunõuded on märkimisväärsed. Talvise energiavarustuse oluliseks panuseks oleks vaja miljoneid detsentraliseeritud salvestussüsteeme või suuri tsentraliseeritud rajatisi. Selle taristu ehitamine nõuab aega, kapitali ja poliitilist tahet. Selliste süsteemide tasuvusaeg võib ulatuda aastakümnetesse, mis võib erainvestoreid eemale peletada. Tõenäoliselt oleks vaja valitsuse toetusi ja regulatiivseid stiimuleid.

Massiivselt laienenud metallitootmise keskkonnamõju tuleb kriitiliselt hinnata. Isegi kui tootmisprotsess on süsinikuneutraalne, tarbib see tohutul hulgal elektrit. See elekter peab lisaks kõigile muudele energiavajadustele pärinema taastuvatest allikatest. Vajalike tuule- ja päikeseelektrijaamade jaoks on vaja märkimisväärset maad. Lisaks nõuab alumiiniumi saamiseks boksiidi kaevandamine ulatuslikku kaevandamist koos sellega kaasnevate ökoloogiliste ja sotsiaalsete tagajärgedega.

Uute energiatehnoloogiate avalik omaksvõtt on habras. Iga suur tööstusettevõte kohtab kohalikku vastuseisu. Tuuleturbiinide, päikeseparkide ja elektriliinide ehitamist lükatakse kodanikualgatuste tõttu regulaarselt edasi või takistatakse seda. Metallide redutseerimise tehased, mis töötavad kõrgel temperatuuril ja tarbivad märkimisväärses koguses elektrit, võivad kohata sarnast vastuseisu. Läbipaistev suhtlus eeliste, riskide ja keskkonnamõjude kohta on hädavajalik.

Euroopa strateegilised perspektiivid

Euroopa jaoks pakub metallikütuste arendamine strateegilist võimalust luua tehnoloogiline juhtpositsioon tulevasel turul. Šveitsi ja Saksamaa teadusasutused on selles valdkonnas maailma juhtivate institutsioonide hulgas. REVEAL projekt koondab Euroopa juhtivaid partnereid. Tööstusalane ekspertiis metallurgia, keemiaprotsesside inseneriteaduse ja energiasüsteemide integreerimise valdkonnas on Euroopas hõlpsasti kättesaadav.

Koordineeritud Euroopa strateegia võiks hõlmata mitut elementi. Esiteks, teadusuuringute rahastamise jätkamine ja intensiivistamine. Varasemad investeeringud on võimaldanud märkimisväärset edu. Rahastamise suurendamine suurendaks tehnoloogilist edumaad. Teiseks, turule sisenemise regulatiivsete stiimulite loomine. Soodustariifid või investeerimistoetused võiksid motiveerida varajasi kasutuselevõtjaid.

Kolmandaks, integreerimine Euroopa energiainfrastruktuuri strateegiasse. Kavandatud vesinikuvõrke saaks laiendada, et need mahutaksid ka metallilisi energiakandjaid. Olemasolevat gaasiinfrastruktuuri saaks osaliselt ümber kujundada. Neljandaks, rahvusvaheline koostöö riikidega, mis pakuvad ideaalseid tingimusi metallide tootmiseks. Arengupartnerlused Põhja-Aafrika riikidega, investeeringud Lõuna-Ameerika tootmisvõimsustesse või tehnoloogiasiire Aasiasse võiksid luua kõigile kasulikke olukordi.

Geopoliitilist mõõdet ei tohiks alahinnata. Vähenenud sõltuvus fossiilkütuste impordist suurendab oluliselt Euroopa poliitilist tegevusvabadust. Võimalus tagada talvel energiavarustus kodumaistest või usaldusväärsetest rahvusvahelistest allikatest tugevdab vastupanuvõimet välistele šokkidele. Energiaallikate ja tarneahelate mitmekesistamine vähendab autoritaarsete režiimide väljapressimise võimalust.

Samal ajal tekivad uued sõltuvused. Euroopa võib potentsiaalselt muutuda sõltuvaks metallide impordist, sarnaselt praegusele sõltuvusele fossiilkütustest. Erinevus seisneb metallide pöörduvuses ja ringluses. Neid saab ringlusse võtta ja taaskasutada. See väldib piiratud fossiilkütuste puhul esinevat eksistentsiaalset nappust. Lisaks võiks tootmine põhimõtteliselt toimuda Euroopas, kui on olemas piisavalt ja taskukohast taastuvenergiat.

Energia salvestamise tulevik

Metallilised kütused ei ole energiasiirde väljakutsete ainus lahendus. Pigem on need osa mitmekesisest salvestustehnoloogiate portfellist. Liitiumioonakud säilitavad oma võimsuse lühiajaliselt, tundidest päevadeni. Pumphüdroelektrijaamad jäävad võrgu stabiliseerimiseks ja igapäevaste ning iganädalaste kõikumiste tasakaalustamiseks hädavajalikuks. Vesinikku on tööstuses vaja protsessigaasina ja redutseerijana.

Metallilistel kütustel on hooajalises pikaajalises ladustamises, peamiselt soojusenergia tarnimiseks, oma nišš. Siin ühendavad nad endas suure energiatiheduse, käsitsemise lihtsuse, odavate toorainete ja hea sektorite vahelise seotuse eelised. See kombinatsioon muudab need teistest tehnoloogiatest paremaks. Edasine areng näitab, kas ja kui kiiresti neid teoreetilisi eeliseid praktikas realiseerida saab.

Lähiaastad on otsustava tähtsusega. Praegu töötab või ehitatakse mitu katsetehast. Nendest projektidest saadud kogemused näitavad, kas tehnilised ja majanduslikud ootused on täidetud. Inertse anoodi tehnoloogia arendamine määrab, kas süsinikdioksiidivaba alumiiniumi tootmine on tegelikult suures mahus võimalik. Ajakava määrab tööstuse ja poliitikakujundajate valmisolek sellesse tehnoloogiasse investeerida.

Metallisalvestussüsteemide integreerimine olemasolevatesse energiasüsteemidesse nõuab lisaks tehnoloogilisele innovatsioonile ka regulatiivset ja turuga seotud innovatsiooni. Tuleb välja töötada uued ärimudelid, mis võtavad arvesse metallisalvestuse eripärasid. Pikaajalised lepingud tootjate, salvestusoperaatorite ja energiatarnijate vahel on vajalikud investeerimiskindluse tagamiseks. Kliima- ja energiaga seotud eeliste hindamine peab kajastuma sobivates turuhindades või toetusmehhanismides.

Avalikku arutelu energia salvestamise üle tuleb laiendada. Liiga kaua on arutelu keskendunud ühekülgselt vesinikule kui väidetavalt universaalsele lahendusele. Tegelikkus on keerulisem. Erinevad rakendused nõuavad erinevaid lahendusi. Metallilised kütused väärivad selles maastikus silmapaistvat kohta. Nende eelised on liiga märkimisväärsed, et neid ignoreerida. Nende potentsiaal on liiga suur, et seda kasutamata jätta.

Energiasüsteemi ümberkujundamine on selle sajandi üks suurimaid tehnoloogilisi ja majanduslikke väljakutseid. See nõuab julgust uuendusteks, investeerimisvalmidust ja avatust uutele lahendustele. Metallilised kütused pakuvad ühte sellist lahendust. Need on enamat kui lihtsalt huvitav laboriuristum. Neist võib saada hooajalise energia salvestamise mängumuutja, talvise elektrienergia puudujäägi lahendamise ehituskivi ja tee energiasõltumatuse poole. Need on alternatiiv, mis ei asenda vesinikku, kuid täiendab seda tõhusalt ja ületab seda mõnes rakenduses. Edasine areng väärib tähelepanu, toetust ja kriitilist kontrolli. Lähiaastad näitavad, kas metallilised kütused suudavad oma lubadusi täita.

Saage kasu Xpert.Digitali ulatuslikust, viiekordsest asjatundlikkusest terviklikus teenustepaketis | Teadus- ja arendustegevus, XR, PR ja digitaalse nähtavuse optimeerimine - Pilt: Xpert.Digital

Xpert.digital on sügavad teadmised erinevates tööstusharudes. See võimaldab meil välja töötada kohandatud strateegiad, mis on kohandatud teie konkreetse turusegmendi nõuetele ja väljakutsetele. Analüüsides pidevalt turusuundumusi ja jätkates tööstuse arengut, saame tegutseda ettenägelikkusega ja pakkuda uuenduslikke lahendusi. Kogemuste ja teadmiste kombinatsiooni abil genereerime lisaväärtust ja anname klientidele otsustava konkurentsieelise.

Lisateavet selle kohta siin:

• Kasutage Xpert.digital 5 -kordist kompetentsi ühes paketis alates 500 €/kuus

☑️ Meie ärikeel on inglise või sakslane

☑️ Uus: kirjavahetus teie riigikeeles!

Konrad Wolfenstein

Mul on hea meel, et olete teile ja minu meeskonnale isikliku konsultandina kättesaadav.

Võite minuga ühendust võtta, täites siin kontaktvormi või helistage mulle lihtsalt telefonil +49 89 674 804 (München) . Minu e -posti aadress on: Wolfenstein ∂ xpert.digital

Ootan meie ühist projekti.

☑️ VKE tugi strateegia, nõuannete, planeerimise ja rakendamise alal

☑️ digitaalse strateegia loomine või ümberpaigutamine ja digiteerimine

☑️ Rahvusvaheliste müügiprotsesside laiendamine ja optimeerimine

☑️ Globaalsed ja digitaalsed B2B kauplemisplatvormid

☑️ teerajajate äriarendus / turundus / PR / mõõde