דלקים מתכתיים כאמצעי אחסון אנרגיה של העתיד? כאשר אלומיניום וברזל עוקפים את המימן.

הפתרון לפער החשמלי בחורף? חוקרים מייצרים את סוללת העתיד מאבקת מתכת - ליטר ברזל אחד ל-8 שעות של חשמל: המהפכה המתעלמת באגירת אנרגיה.

המעבר האנרגטי ניצב בפני אתגר פרדוקסלי: בעוד שתחנות כוח סולאריות מייצרות עודף של חשמל נקי בקיץ, שחלקו אינו בשימוש, מחסור משמעותי בחשמל מאיים במהלך חודשי החורף החשוכים והקרים. חוסר איזון עונתי זה הוא אחד המכשולים המתמשכים ביותר בדרך לנייטרליות אקלימית וממשיך לאלץ את אירופה לתלות יקרה ביבוא דלקים מאובנים. בעוד שהדיון הציבורי מתמקד לעתים קרובות במימן כתרופה למכה, אלטרנטיבה שעשויה להיות עדיפה מבשילה בצל המחקר: אחסון אנרגיה בדלקים מתכתיים כמו אלומיניום וברזל.

רעיון זה, שנראה יוצא דופן, מתגלה במבט מקרוב כפתרון פשוט וחזק להפליא. העיקרון מבוסס על מחזור כימי הפיך: עודפי חשמל בקיץ משמשים להפחתת תחמוצות מתכת למתכות טהורות, המשמשות כנושאי אנרגיה צפופים ובטוחים ביותר. בעת הצורך, מתכות אלו מגיבות באופן מבוקר עם מים, ובמקביל משחררות חום ומימן שמישים, אשר לאחר מכן מומרים בחזרה לחשמל.

היתרונות הפיזיים מדהימים: ליטר אחד של אלומיניום אוגר בערך פי 23 יותר אנרגיה מבחינה נפחית מאשר מימן דחוס מאוד. ניתן לאחסן ולהעביר את אבקת המתכת או את הגרגירים שלה בבטחה בטמפרטורת החדר ובלחץ רגיל - ללא מיכלי לחץ גבוה יקרים או קירור קריוגני. משמעות הדבר היא שדלקים מתכתיים יכולים לא רק לחולל מהפכה באחסון אנרגיה עונתי עבור מבנים ותעשייה, אלא גם לארגן מחדש את זרימת האנרגיה העולמית ולסלול את הדרך לאירופה להימלט מתלותה הגיאופוליטית באנרגיה. פרויקטים פיילוט בשוויץ ובגרמניה כבר מדגימים שטכנולוגיה זו היא הרבה יותר מרעיון מעבדתי בלבד - היא יכולה להפוך למרכיב המכריע, שחסר בעבר, לאספקת אנרגיה בטוחה ומתחדשת לחלוטין.

מתאים לכך:

• מחקר OST – אוניברסיטת מזרח שוויץ למדעים יישומיים | דלקים מתכתיים כנושאי אנרגיה וספקים

גאונות שוויצרית: כיצד גרגיר מתכת נסתר יכול לשים קץ לתלות שלנו באנרגיה

אתגר אגירת האנרגיה העונתית הוא אחת הבעיות המתמשכות ביותר של המעבר האנרגטי. בעוד שעודף החשמל הפוטו-וולטאי באירופה בקיץ גדל בהתמדה, דווקא אנרגיה זו חסרה בחודשי החורף החשוכים. דלקים מתכתיים כמו אלומיניום וברזל מבטיחים פתרון עדיף על המימן הבולט יותר בפרמטרים מכריעים ויכול לשנות באופן מהותי את מגזר האנרגיה.

אירופה ניצבת בפני אתגר אנרגטי מהותי. שוויץ לבדה צופה מחסור בחשמל בחורף של כשמונה עד עשר טרה-וואט-שעה עד שנת 2050, למרות הרחבה מסיבית של אנרגיה פוטו-וולטאית. גרמניה וכל האיחוד האירופי מתמודדים עם בעיה מבנית דומה. בעוד שייצור אנרגיה סולארית יוצר עודף קיבולת בקיץ, שחלקו חייב להיות מוגבל, בחורף קיים מחסור בולט. פער עונתי זה מחמיר עם כל פאנל סולארי נוסף המותקן על גגות ובשטחים פתוחים באירופה. במקביל, החשמול הגובר של חימום ותחבורה הופך את הביקוש לחשמל, במיוחד בחודשים הקרים, לחיובי עוד יותר.

תלותה של אירופה בתחום האנרגיה ביבוא דלקים מאובנים מדגישה את הצורך הדחוף בפתרונות אחסון בני קיימא. גרמניה מעבירה בין 80 ל-130 מיליארד יורו מדי שנה עבור פחם, נפט וגז לחו"ל, בעוד שהאיחוד האירופי בכללותו מעביר יותר מ-300 מיליארד יורו. סכומים עצומים אלה זורמים מהמדינה במקום להיות מושקעים בתשתיות מקומיות ובטכנולוגיות עתידיות. יתר על כן, הטלטלות הגיאופוליטיות של השנים האחרונות הדגימו בצורה כואבת את הסיכונים הכרוכים בתלות זו.

דלקים מתכתיים כמו אלומיניום וברזל דורשים חמצן (O₂) כדי לשחרר אנרגיה. התגובה דומה לבעירה, אך לרוב היא לובשת צורה של חמצון, למשל:

אלומיניום + חמצן → תחמוצת אלומיניום (Al₂O₃)

ברזל + חמצן → תחמוצת ברזל (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

תגובות אלה משחררות הרבה חום - ודווקא באנרגיה הזו רוצים להשתמש כצורת אחסון.

מימן (H₂) הוא נשא אנרגיה ידוע כיום, אך קשה לאחסן ולהעביר אותו.

דלקים מתכתיים נחשבים לחלופה משום שהם:

◾️ עשירים מאוד באנרגיה,

◾️ קל להובלה (מוצק, לא נדיף),

◾️ ניתנים לשימוש חוזר - ניתן למחזר תחמוצות ולהפוך אותן למתכת, לרוב באמצעות חשמל מתחדש.

חלק מהמושגים אף משתמשים במימן כדי להמיר מתכת מחומצנת בחזרה למתכת טהורה.

הפיזיקה של אחסון אנרגיה מתכתית

העיקרון הבסיסי של דלקים מתכתיים מבוסס על הפיכות כימית אלגנטית. מתכות כמו אלומיניום, ברזל או סיליקון יכולות להיטען באנרגיה חשמלית בתהליך חיזור, שבמהלכו משתחרר חמצן מצורות התחמוצת שלהן. המתכות הטהורות המתקבלות משמשות כאמצעי אחסון אנרגיה דחוסים מאוד. בעת הצורך, תהליך זה מתהפך. המתכת מגיבה עם מים או קיטור, ומייצרת מימן וחום. ניתן להשתמש במימן בתאי דלק לייצור חשמל, בעוד שהחום יכול להיות מועבר ישירות למערכות חימום.

צפיפות אנרגיה מבדילה באופן מהותי דלקים מתכתיים מדלקים גזיים. אלומיניום משיג צפיפות אנרגיה תיאורטית של מעל שמונה קילוואט-שעה לקילוגרם וצפיפות נפחית של יותר מעשרים ושלושה קילוואט-שעה לליטר. אפילו מימן דחוס בלחץ גבוה של שבע מאות בר משיג רק כקילוואט-שעה לליטר נפחית. ליטר אחד של ברזל יכול לספק אנרגיה למשק בית גרמני ממוצע במשך יותר משמונה שעות, בעוד שליטר אחד של מימן דחוס מאוד לא יספיק אפילו לשעה אחת.

לתכונות פיזיקליות אלו השלכות מעשיות מרחיקות לכת. ניתן לאחסן ולהעביר אבקות או גרגירים של מתכת בטמפרטורת החדר ובלחץ רגיל. לא נדרשים מיכלי לחץ גבוה יקרים ולא טכנולוגיית קירור מורכבת. דרישות הבטיחות דומות לאלו של חומרים בתפזורת קונבנציונליים. סכנות פיצוץ, כמו אלו הקשורות לאבק מתכת דק, נמנעות על ידי שימוש בגרגירים גדולים יותר. המכון השוויצרי SPF לטכנולוגיה סולארית ב-OST, לדוגמה, עובד עם גרגירי תיל מאלומיניום 6060, הזמינים מסחרית ואינם דורשים אמצעי זהירות מיוחדים.

השוואה בין המועמדים החומריים

אלומיניום נחשב למועמד המבטיח ביותר מבין הדלקים המתכתיים. עם צפיפות האנרגיה הגבוהה שלו, תיאורטית מעל שמונה קילוואט-שעה לקילוגרם, הוא עולה משמעותית על כל שאר המתכות הלא רעילות. כאשר הוא מגיב עם מים, כחמישים אחוז מהאנרגיה המאוחסנת משתחררת כחום וחמישים אחוז כחום. האחרון יכול להיות מומר לחשמל בתא דלק ביעילות של חמישים אחוז, וכתוצאה מכך יחס כולל של כ-75 אחוז חום ועשרים וחמישה אחוז חשמל. שילוב זה מתאים באופן אידיאלי לבניית מערכות אנרגיה, שבהן ביקוש החום בדרך כלל שולט.

האתגר באלומיניום טמון בייצורו עתיר האנרגיה. נדרשות כשלושה עשר עד שבעה עשר קילוואט-שעה של אנרגיה חשמלית לכל קילוגרם של אלומיניום ראשוני. שימוש באנרגיה פחמית בתהליך זה מייצר עד עשרים קילוגרם של פחמן דו-חמצני לכל קילוגרם של אלומיניום. גם כאשר משתמשים באנרגיה מתחדשת, תהליך Hall-Héroult הקונבנציונלי עדיין משחרר כטונה וחצי של פחמן דו-חמצני לכל טון של אלומיניום, כאשר אנודות הפחמן נצרכות ומגיבות ליצירת פחמן דו-חמצני.

כאן נכנסת לתמונה החדשנות. בפרויקט המחקר האירופי REVEAL, מדענים בראשות OST מפתחים תהליך ייצור אלומיניום נטול פחמן דו-חמצני לחלוטין באמצעות אנודות אינרטיות. אנודות אלו מורכבות מסגסוגות מתכת שאינן נצרכות במהלך תהליך האלקטרוליזה ומשחררות חמצן טהור במקום פחמן דו-חמצני. השותפה האיסלנדית IceTec עובדת במקביל על יישום תעשייתי של טכנולוגיה זו, תוך ניצול אנרגיה גיאותרמית והידרואלקטרית זמינה בקלות. חברות גרמניות כמו Trimet גם הן מקדמות את הפיתוח וכבר הזמינו מתקני הדגמה.

ברזל מציג את עצמו כחלופה פרגמטית. עם צפיפות אנרגיה של כ-0.2 עד 0.3 קילוואט-שעה לקילוגרם, הוא נמוך משמעותית מאלומיניום, אך עדיין נותר תחרותי מול טכנולוגיות אחסון רבות אחרות. היתרון המכריע של ברזל הוא זמינותו ועלותו הנמוכה. בתור היסוד הרביעי בשכיחותו בקרום כדור הארץ, עפרת ברזל זמינה בכמויות כמעט בלתי מוגבלות מבלי להשפיע באופן מהותי על מחירי השוק העולמי.

התגובה של ברזל עם מים מייצרת מעט מאוד חום. כל האנרגיה המאוחסנת מועברת למימן המיוצר, אשר לאחר מכן ניתן להמיר אותו לחשמל ביעילות של כחמישים אחוז. יחס זה הופך את הברזל לאטרקטיבי במיוחד עבור יישומים בהם ביקוש החשמל הוא עליון. קבוצת המחקר בראשות פרופסור וונדלין סטארק ב-ETH ציריך מפעילה מפעל פיילוט בקמפוס הונגרברג, אשר אוגר מימן עונתי באמצעות תחמוצת ברזל. טכנולוגיה זו נחשבת לזולה פי עשרה מאחסון מימן קונבנציונלי.

חיזור ישיר עם מימן ירוק כבר מבוסס בתעשייה לייצור ברזל. חברות כמו ארסלורמיטאל וטיסנקרופ עובדות על המעבר לייצור פלדה מבוסס מימן. טכנולוגיה זו יכולה לשמש ישירות לאגירת אנרגיה. רמת הבשלות שלה היא בין שש לשבע בסולם של תשע, ובכך מתקרבת למוכנות לשוק. ניתן להפעיל את המפעלים בלחץ רגיל ובסביבות 800 מעלות צלזיוס, מה שמגביל את המורכבות הטכנית.

סיליקון מייצג אפשרות שלישית. הוא משלב צפיפות אנרגיה גבוהה, בדומה לאלומיניום, עם זמינות טובה. בתור היסוד השני בשכיחותו בקרום כדור הארץ אחרי חמצן, כמעט ואין אילוצי משאבים. טכנולוגיית הייצור מבוססת היטב הודות לתעשיית הסולארית. עם זאת, המחקר על סיליקון כמדיום לאגירת אנרגיה פחות מתקדם מאשר עבור אלומיניום וברזל. אוניברסיטת TU Darmstadt חוקרת סיליקון במסגרת פרויקט A-STEAM, אך סביר להניח שיעברו מספר שנים עד שישמש ביישומים תעשייתיים.

הכלכלה של הטרנספורמציה

הכדאיות הכלכלית של דלקים מתכתיים תלויה באופן מכריע בעלויות הייצור של הפקת מתכת נטולת פחמן. במחיר אלומיניום קונבנציונלי של כ-2,650 דולר לטון, עלויות נוספות של כ-400 דולר יתעוררו בשנת 2035 אם טכנולוגיית האנודה האינרטית תיושם באופן תעשייתי. בטווח הארוך, העלויות צפויות להתייצב ברמה של 2020, אם כי עם פרמיה של כ-300 דולר בהשוואה להמשך היפותטי של ייצור קונבנציונלי.

עם זאת, עלויות נוספות אלה נלקחות בחשבון בהקשר הכולל. השקעות בפיזור פחמן מתעשיית האלומיניום מוערכות בכטריליון דולר, מתוכם כמחצית מיועדת לאספקת אנרגיה דלת פליטות. מאתיים מיליארד דולר מתוקצבים לאנודות דלות פחמן. אך השקעות אלו מניחות בו זמנית את היסודות לשוק אחסון אנרגיה חדש לחלוטין, המשתרע הרבה מעבר לשימוש המסורתי באלומיניום.

היעילות הכוללת של המרת חשמל מתחדש בחזרה לחשמל וחום באמצעות אחסון מתכתי נעה בין חמישים לשישים אחוז עבור שלוש המתכות. ערך זה נראה בתחילה נמוך בהשוואה לסוללות ליתיום-יון עם יעילות של שמונים וחמישה עד תשעים וחמישה אחוזים. עם זאת, יש לקחת בחשבון מספר גורמים בהערכה. ראשית, ההשוואה רלוונטית רק ליישומים עם משכי אחסון דומים. סוללות מתאימות לשעות עד מספר ימים, בעוד שדלקים מתכתיים מתאימים לחודשים עד שנים. העלות לקילוואט-שעה מאוחסנת עולה באופן דרמטי עבור סוללות עם עלייה במשך האחסון, מכיוון שעלויות ההשקעה מתפרשות על פני פחות מחזורים.

שנית, יש לקחת בחשבון חום כמקור אנרגיה שמיש לחלוטין. בבניינים עם דרישות חימום, מערכת עם 75 אחוז חום ו-25 אחוז חשמל היא פוטנציאלית אידיאלית יותר מחשמל טהור, שיש קודם כל להמיר באמצעות משאבת חום. החוקרים השוויצרים צופים עלויות חשמל וחימום של כ-20 סנט לקילוואט-שעה בחורף ממערכות אגירת אלומיניום. זה יהיה תחרותי עם אפשרויות רבות לאספקת אנרגיה חלופית.

יעילות של אנרגיה מגז (Power to Gas) עם מימן משיגה יעילות של 30 עד 40 אחוזים בלבד כאשר ממירים אותה לחשמל ללא ניצול חום. עם מתאניזציה, יעילות זו יורדת לכ-33 אחוזים. רק עם אופטימיזציה של חימום וחשמל משולב (CHP) וניצול עקבי של חום פסולת ניתן להשיג יעילות של מעל 80 אחוזים, בהתבסס על ערך החימום הגבוה יותר. אולם, בפועל, ערכים אלה כמעט ולא מושגים. יתר על כן, אחסון והובלת מימן כרוכים בעלויות ניכרות. מערות מלח תת-קרקעיות אפשריות רק במקומות המתאימים מבחינה גיאולוגית. עבור מדינות כמו שוויץ ללא תצורות כאלה, נותרו רק מיכלי מלח יקרים מעל הקרקע או יבוא כאופציה.

עלויות האחסון של טכנולוגיות שונות משתנות באופן משמעותי. מערכות אחסון אנרגיה תרמית עונתיות עולות בין 25 ל-400 פרנק שוויצרי למגה-וואט-שעה של אנרגיה מאוחסנת. עבור אנרגיה חשמלית, העלויות עבור תחנות כוח אגירה שאובה הן כ-100 פרנק למגה-וואט-שעה, אך עולות ביותר מפי עשרה עבור מערכות אחסון אנרגיה עונתיות אחרות. סוללות ליתיום-יון עולות כיום בין 400 ל-1,000 יורו לקילוואט-שעה של קיבולת אחסון. בעוד שמחירים אלה ירדו באופן דרסטי, הם נותרו יקרים באופן בלתי אפשרי עבור אחסון עונתי.

תחנות כוח לאגירת חשמל שאובה מתפקדות בצורה יוצאת דופן במחזורים יומיים ושבועיים, ומשיגות יעילות של 70 עד 85 אחוזים. עם זאת, עבור אחסון עונתי עם מחזור אחד בלבד בשנה, העלויות עולות ליותר משני יורו לקילוואט-שעה של חשמל נוסף. המגבלות הגיאוגרפיות של מיקומים מתאימים מגבילות עוד יותר את פוטנציאל ההתרחבות. בכלכלה שעוברת במלואה לאנרגיות מתחדשות, קיבולות האגירה השאובה הקיימות יהיו רחוקות מלהספיק.

אינטגרציה מערכתית וצימוד מגזרים

כוחם של דלקים מתכתיים טמון בשילובם החלק במושג צימוד המגזרים. מונח זה מתאר את הקישור בין המגזרים הנפרדים באופן מסורתי של חשמל, חום וניידות. בעוד שהמעבר לאנרגיה מתחדשת במגזר החשמל כבר מתקדם, אספקת חום ותחבורה נותרו תלויים במידה רבה בדלקים מאובנים. אירופה מוציאה למעלה משלוש מאות מיליארד יורו מדי שנה על יבוא פחם, נפט וגז - כסף שאובד לכלכלתה שלה.

דלקים מתכתיים מאפשרים צימוד גמיש של מגזרים. בקיץ, עודפי חשמל פוטו-וולטאי משמשים להפחתת תחמוצות מתכת. המתכת המתקבלת מאוחסנת. בחורף, מתרחש חמצון, המייצר חום ומימן. החום זורם ישירות למערכת החימום, באופן אידיאלי בשילוב עם משאבת חום, אשר מגבירה את היעילות בטמפרטורות מתונות יותר. המימן מומר לחשמל בתא דלק, וחום השימור מתהליך זה מוזרם בחזרה למערכת החימום.

שילוב זה מטפל בדיוק בבעיה המרכזית של מערכות האנרגיה האירופיות. בגרמניה, צריכת החימום מהווה כמחצית מסך צריכת האנרגיה הסופית. חלק ניכר מכך מרוכז בחודשי החורף. מערכת אגירה המספקת בעיקר חום תוך כדי ייצור כמויות ניכרות של חשמל עונה בצורה מושלמת על פרופיל ביקוש זה. אוניברסיטת לוצרן למדעים שימושיים ואמנויות חישבה כי בידוד עקבי של מבני מגורים, בשילוב עם משאבות חום, יכול למעשה לבטל את מחסור החשמל בחורף בשוויץ. בשילוב עם מערכות אגירה מתכתיות, מערכת כזו תנצל בצורה אופטימלית את עודפי החשמל בקיץ ותבטיח אספקה ​​חורפית אמינה.

על פי המודל של החוקרים השוויצריים, ציוד כל הבניינים הרב-משפחתיים במערכות אחסון מתכת עשוי להפחית משמעותית את מחסור החשמל הצפוי בחורף של שמונה טרה-וואט-שעה עד שנת 2050. ציוד של רק מחצית מכלל הבניינים הרב-משפחתיים יתרום מספר טרה-וואט-שעה. המבנה המבוזר של פתרון זה מונע צעדים יקרים להרחבת הרשת ומגביר את אבטחת האספקה ​​באמצעות יתירות.

פרספקטיבות נוספות צצות עבור יישומים תעשייתיים. חום תהליך מהווה חלק משמעותי מצריכת האנרגיה התעשייתית. חשמול ישיר באמצעות משאבות חום, דודי אלקטרודה או חימום התנגדות אפשרי מבחינה טכנית וכבר זמין עבור טווחי טמפרטורות רבים. עם זאת, דלקים מתכתיים יכולים להציע פתרון, במיוחד עבור תהליכים בטמפרטורה גבוהה ויציבות עומס בסיס. בעירה של אבקת ברזל יכולה להגיע לטמפרטורות העולות על 1,800 מעלות צלזיוס, מספיק עבור תהליכים תעשייתיים רבים.

תחנות כוח פחמיות שהוסבו יוכלו להיות מופעלות באמצעות אבקות מתכת. ניתן יהיה לנצל במידה רבה את התשתית הקיימת לבעירה, זרימת קיטור וייצור חשמל. תחמוצת המתכת המתקבלת תאסף ותועבר למתקנים עם שפע של אנרגיה מתחדשת לצורך הפחתה. גישה זו תנצל את המתקנים הקיימים, תשמור על מקומות עבודה ותתרום בו זמנית לפחמן. אוניברסיטת דרמשטט חוקרת את הרעיון הזה כחלק מיוזמת המעגלים הנקיים שלה.

המומחיות שלנו באיחוד האירופי ובגרמניה בפיתוח עסקי, מכירות ושיווק - תמונה: Xpert.Digital

מיקוד בתעשייה: B2B, דיגיטציה (מבינה מלאכותית ל-XR), הנדסת מכונות, לוגיסטיקה, אנרגיות מתחדשות ותעשייה

עוד על זה כאן:

• מרכז עסקים אקספרט

מרכז נושאים עם תובנות ומומחיות:

• פלטפורמת ידע בנושא הכלכלה הגלובלית והאזורית, חדשנות ומגמות ספציפיות לתעשייה
• אוסף ניתוחים, אינספורמציות ומידע רקע מתחומי המיקוד שלנו
• מקום למומחיות ומידע על התפתחויות עדכניות בעסקים ובטכנולוגיה
• מרכז נושאים לחברות שרוצות ללמוד על שווקים, דיגיטציה וחדשנות בתעשייה

בגרות טכנולוגית וסיכויי פיתוח

הבשלות הטכנולוגית של הרכיבים השונים שונה במידה ניכרת. חמצון מתכות לצורך שחרור אנרגיה ידוע מזה זמן רב וכבר נמצא בשימוש ביישומים מיוחדים. חלקיקי אלומיניום וברזל משמשים בטילים מדגם אריאן, זיקוקים ויישומים פירוטכניים אחרים. לפיכך, התהליכים הכימיים הבסיסיים שולטים ומובנים.

התגובה המבוקרת עם מים או קיטור בטמפרטורות מתונות לייצור חום ומימן נמצאת כעת בשלב הפיילוט. מכון SPF לטכנולוגיה סולארית ברפרסוויל הזמין אב טיפוס שפותח כחלק מפרויקט REVEAL. לאחר שיופעל, אב טיפוס זה ידגים כיצד ניתן לייצר חום וחשמל עבור מבנים מאלומיניום באמצעות תהליכים כימיים. ניתן להשתמש באנרגיה המופקת להפעלת מבנים ומפעלים תעשייתיים או להזין אותה לרשתות חימום מחוזיות.

אוניברסיטת ETH ציריך מפעילה מפעל פיילוט לאגירת מימן מבוסס ברזל בקמפוס הונגרברג שלה. שלושה מיכלי נירוסטה, כל אחד המכיל 600 קילוגרם של תחמוצת ברזל, יכולים לאגור כעשרה מגה-וואט-שעה של מימן בטווח הארוך. זה מייצר ארבעה עד שישה מגה-וואט-שעה של חשמל, בהתאם לטכנולוגיית ההמרה. המפעל פועל מאז 2024 ומתוכנן להתרחב עד 2026 כדי לכסות חמישית מצרכי החשמל החורפיים של הקמפוס באמצעות אנרגיה סולארית המאוחסנת עונתית. הרחבה של עד אלף טון של תחמוצת ברזל יכולה לספק שני ג'יגה-וואט-שעה של חשמל, בדומה לעשירית מקיבולת תחנת הכוח השאובה נאנט דה דראנס.

האתגר הטכנולוגי הגדול ביותר טמון בייצור מתכות ללא פחמן. עבור ברזל, חיזור ישיר באמצעות מימן ירוק כבר הוכח תעשייתית. מספר חברות פלדה בונות כיום מפעלי הדגמה ומתכננות מעבר הדרגתי עד 2030 עד 2040. לטכנולוגיה רמת בגרות של בערך שבע עד שמונה בסולם של תשע, וכך היא מתקרבת לזמינות מסחרית.

טכנולוגיית האנודות האינרטיות נמצאת על סף פריצת דרך בתעשיית האלומיניום. חברת Trimet באסן מפעילה מפעל הדגמה בתנאי ייצור מאז 2024. החברה צופה יישום תעשייתי עד 2040 ונייטרליות אקלימית עד 2045. תאגידים בינלאומיים כמו Norsk Hydro ו-Rio Tinto משקיעים גם הם רבות בטכנולוגיה זו. אפל כבר רכשה את המשלוח הראשון של אלומיניום ממפעל פיילוט עם אנודות אינרטיות לשימוש בסמארטפונים. זה מדגים את העניין המסחרי והאמינות של הטכנולוגיה.

קנה מידה נותר גורם קריטי. הייצור העולמי השנתי של אלומיניום הוא כ-70 מיליון טון, בעוד שייצור הפלדה הוא כמעט שני מיליארד טון. יידרש כושר ייצור נוסף כדי לתרום תרומה משמעותית לאחסון אנרגיה עונתי. עם זאת, הדבר לא בהכרח יערער את יציבות שוקי הסחורות. אלומיניום וברזל הם בין היסודות הנפוצים ביותר בקרום כדור הארץ. משאביהם כמעט בלתי מוגבלים. הייצור יוגבל בעיקר על ידי זמינות של אנרגיה מתחדשת במחיר סביר.

כאן בדיוק טמונה הזדמנות קריטית. אזורים עם תנאים מצוינים לאנרגיה מתחדשת אך ביקוש מקומי נמוך יכולים להפוך ליצרני מתכות. איסלנד, עם האנרגיה הגיאותרמית וההידרואלקטרית שלה, צפון אפריקה, עם אור השמש העז שלה, או פטגוניה, עם משאבי הרוח שלה, יכולות לייצר מתכות לייצוא בקנה מידה גדול. ההובלה פשוטה ובטוחה. ספינות מכולות יכולות להעביר גרגירי מתכת בתנאים רגילים, ללא הסיכונים והעלויות הכרוכים במימן נוזלי או גז טבעי נוזלי.

חשיבה מחדש על זרימת אנרגיה עולמית

הבינלאומיות של אספקת אנרגיה באמצעות נושאי אנרגיה מתכתיים תשנה באופן מהותי את זרימות הסחר העולמי. אירופה מוציאה למעלה משלוש מאות מיליארד אירו מדי שנה על יבוא דלקים מאובנים. גרמניה לבדה מוציאה בין שמונים למאה ושלושים מיליארד אירו. סכומים עצומים אלה זורמים בעיקר למדינות בעלות משטרים אוטוריטריים שמדיניותם סותרת לעתים קרובות את הערכים האירופיים. מימון יבוא זה תורם לחוסר יציבות גיאופוליטית והופך את אירופה לפגיעה לסחיטה, כפי שהוכיחו בכאב משברי האנרגיה האחרונים.

מעבר לנשיאות אנרגיה מתכתיות יכול לפתור את התלות הללו ובמקביל לאפשר שותפויות חדשות. מדינות בעלות משאבים מתחדשים בשפע אך תיעוש מקומי מוגבל יזכו בפרספקטיבה חשובה לייצוא. מרוקו, עם הפוטנציאל הסולארי שלה; צ'ילה, עם יכולת הרוח והגיאותרמית שלה; או אוסטרליה, עם שטחה העצום המתאים לאנרגיה מתחדשת, יכולות להפוך ליצרניות מתכות. מדינות אלו הן בעיקר דמוקרטיות וחולקות ערכים יסודיים עם אירופה. יבוא אנרגיה יתרום לפיכך למימון פיתוח במקום לתמוך באוטוקרטיות.

הכלכלה המעגלית של דלקים מתכתיים שונה באופן מהותי מזו של דלקים מאובנים. פחם, נפט וגז נשרפים באופן בלתי הפיך ומומרים לגזי חממה. מתכות, לעומת זאת, מסתובבות בלולאה סגורה. המתכת המחומצת מועברת חזרה למפעל החיזור ונטענת מחדש. מחזור זה יכול תיאורטית לחזור על עצמו מספר בלתי מוגבל של פעמים ללא כל אובדן חומרי או פירוק. חוקרים ב-ETH ציריך אף הבחינו כי קיבולת האחסון של כורי הברזל שלהם עולה מעט עם כל מחזור.

לגישה מעגלית זו השלכות כלכליות מרחיקות לכת. ההשקעה בייצור מתכות מחזירה את עצמה לאורך מחזורים רבים. בניגוד לסוללות, שקיבולתן פוחתת עם כל מחזור, מערכות אחסון מתכתיות נשארות שמישות ללא הגבלת זמן. בעוד שההשקעות הראשוניות במתקני חיזור וחמצון, כמו גם במתכת עצמה, עשויות להיות משמעותיות, לאורך עשרות שנים העלויות לקילוואט-שעה המאוחסן הופכות לתחרותיות.

חישובי המודל של החוקרים השוויצרים מניחים עלויות של כעשרים סנט לקילוואט-שעה עבור חשמל וחום ממערכת אחסון אלומיניום. נתון זה תואם את עלויות הייצור של אנרגיות מתחדשות ונמוך משמעותית מעלויות החשמל בעומס שיא בחודשי החורף. עם הבשלות הטכנולוגית הגוברת וההרחבה, צפויות העלויות לרדת עוד יותר. ההיסטוריה של אנרגיית הפוטו-וולטאית ואנרגיית הרוח מדגימה עד כמה הפחתות דרמטיות בעלויות יכולות להיות עקב השפעות עקומת הלמידה.

סיכונים ואתגרים

למרות הפוטנציאל המבטיח שלה, נותרו אתגרים וסיכונים משמעותיים. הפיתוח הטכנולוגי טרם הושלם. בפרט, ייצור אלומיניום ללא פחמן דו-חמצני באמצעות אנודות אינרטיות רק מתחיל לעבור ליישום תעשייתי. ניסיונות רבים קודמים לבסס טכנולוגיה זו נכשלו. לאנודה האינרטית יש מוניטין של להיות תמיד על סף השלמה, מבלי להשיג פריצת דרך.

עלויות החשמל המוגברות מהוות בעיה. אנודות אינרטיות לא רק שאינן משחררות פחמן דו-חמצני, אלא גם אינן מספקות אנרגיית תהליך כמו אנודות פחמן. לכן, ביקוש החשמל לטון אלומיניום עולה. עם עלויות האנרגיה הגבוהות ממילא באירופה, הדבר עלול לפגוע בתחרותיות. ייצור האלומיניום עלול לעבור עוד יותר לאזורים עם אנרגיה זולה במיוחד, בעוד שאירופה תהפוך ליבואנית בלבד.

התחרות על אנרגיה מתחדשת גוברת. מגזרים רבים שואפים לחשמול. התעשייה זקוקה למימן ירוק לתהליכים כימיים וייצור פלדה. התחבורה הופכת לחשמלת עם מיליוני כלי רכב חשמליים. תשתיות דיגיטליות עם מרכזי הנתונים שלהן צורכות כמויות הולכות וגדלות של חשמל. בסביבה תחרותית זו, פתרונות אחסון מתכתיים עדיין צריכים להוכיח את עליונותם הכלכלית.

דרישות התשתית הן ניכרות. מיליוני מערכות אחסון מבוזרות או מתקנים מרכזיים גדולים יידרשו כדי לתרום תרומה משמעותית לאספקת האנרגיה בחורף. בניית תשתית זו דורשת זמן, הון ורצון פוליטי. תקופות ההחזר עבור מערכות כאלה עשויות להימשך לעשרות שנים, דבר שעשוי להרתיע משקיעים פרטיים. סביר להניח שיהיה צורך בסובסידיות ממשלתיות ותמריצים רגולטוריים.

יש לבחון באופן ביקורתי את ההשפעה הסביבתית של ייצור המתכת המורחבת באופן מאסיבי. גם אם תהליך הייצור הוא ניטרלי מבחינת פליטות פחמן, הוא צורך כמויות אדירות של חשמל. חשמל זה, בנוסף לכל צרכי האנרגיה האחרים, חייב להגיע ממקורות מתחדשים. הקרקע הנדרשת לתחנות כוח רוח וסולאריות נחוצות היא ניכרת. יתר על כן, הפקת בוקסיט לאלומיניום דורשת כרייה בקנה מידה גדול עם ההשלכות האקולוגיות והחברתיות הנלוות לכך.

קבלת הציבור לטכנולוגיות אנרגיה חדשות שברירית. כל מפעל תעשייתי בקנה מידה גדול נתקל בהתנגדות מקומית. בניית טורבינות רוח, פארקים סולאריים וקווי חשמל מתעכבת או נמנעת באופן קבוע על ידי יוזמות אזרחיות. מפעלי הפחתת מתכות, הפועלים בטמפרטורות גבוהות וצורכים כמויות משמעותיות של חשמל, עלולים להיתקל בהתנגדות דומה. תקשורת שקופה לגבי יתרונות, סיכונים והשפעות סביבתיות היא חיונית.

פרספקטיבות אסטרטגיות לאירופה

עבור אירופה, פיתוח דלקים מתכתיים מציע הזדמנות אסטרטגית לבסס מנהיגות טכנולוגית בשוק עתידי. מוסדות מחקר שוויצריים וגרמניים נמנים עם המוסדות המובילים בעולם בתחום זה. פרויקט REVEAL מאגד שותפים אירופאים מובילים. מומחיות תעשייתית במטלורגיה, הנדסת תהליכים כימיים ואינטגרציה של מערכות אנרגיה זמינה בקלות באירופה.

אסטרטגיה אירופית מתואמת יכולה לכלול מספר אלמנטים. ראשית, המשך והגברת מימון המחקר. השקעות קודמות אפשרו התקדמות ניכרת. הגדלת המימון תרחיב את היתרון הטכנולוגי. שנית, יצירת תמריצים רגולטוריים לכניסה לשוק. מכסי הזנה או מענקי השקעה יכולים להניע מאמצים מוקדמים.

שלישית, שילוב באסטרטגיית תשתית האנרגיה האירופית. ניתן להרחיב את רשתות המימן המתוכננות כך שיוכלו לכלול גם נושאי אנרגיה מתכתיים. ניתן יהיה לשנות חלקית את ייעודן של תשתית הגז הקיימת. רביעית, שיתוף פעולה בינלאומי עם מדינות המציעות תנאים אידיאליים לייצור מתכות. שותפויות פיתוח עם מדינות צפון אפריקה, השקעות בכושר ייצור בדרום אמריקה או העברת טכנולוגיה לאסיה יכולות ליצור מצבים של win-win.

אין לזלזל בממד הגיאופוליטי. תלות מופחתת ביבוא דלקים מאובנים מגדילה משמעותית את חופש הפעולה הפוליטי של אירופה. היכולת להבטיח אספקת אנרגיה בחורף ממקורות מקומיים או בינלאומיים אמינים מחזקת את החוסן מפני זעזועים חיצוניים. גיוון מקורות אנרגיה ושרשראות אספקה ​​מפחית את הפוטנציאל לסחיטה מצד משטרים אוטוריטריים.

במקביל, נוצרות תלות חדשות. אירופה עלולה להפוך לתלויה ביבוא מתכות, בדומה להסתמכותה הנוכחית על דלקים מאובנים. ההבדל טמון בהפיכות ובמעגליות של מתכות. ניתן למחזר אותן ולעשות בהן שימוש חוזר. זה נמנע את המחסור הקיומי הנראה במשאבים מאובנים סופיים. יתר על כן, הייצור יכול, באופן עקרוני, להתקיים בתוך אירופה, בתנאי שאנרגיה מתחדשת מספקת ובמחיר סביר זמינה.

עתיד אחסון האנרגיה

דלקים מתכתיים לא יהיו הפתרון היחיד לאתגרי המעבר האנרגטי. במקום זאת, הם יהיו חלק מתיק מגוון של טכנולוגיות אחסון. סוללות ליתיום-יון ישמרו על עוצמתן בטווח הקצר של שעות עד ימים. תחנות הידרואלקטריות באגירה שאובה יישארו הכרחיות לייצוב רשת החשמל ולאיזון תנודות יומיות ושבועיות. מימן יידרש בתעשייה כגז תהליך וחומר מחזר.

לדלקים מתכתיים יש נישה ספציפית באחסון עונתי לטווח ארוך, בעיקר לאספקת חום. כאן, הם משלבים את היתרונות של צפיפות אנרגיה גבוהה, קלות טיפול, חומרי גלם זולים וצימוד טוב למגזרים. שילוב זה הופך אותם לעדיפים על פני טכנולוגיות אחרות. פיתוח נוסף יראה האם ובאיזו מהירות ניתן לממש יתרונות תיאורטיים אלה בפועל.

השנים הקרובות יהיו מכריעות. מספר מפעלי פיילוט פועלים כעת או נמצאים בבנייה. הניסיון שנצבר מפרויקטים אלה יחשוף האם הציפיות הטכניות והכלכליות מתקיימות. פיתוח טכנולוגיית אנודה אינרטית יקבע האם ייצור אלומיניום ללא פחמן דו-חמצני אכן יתאפשר בקנה מידה גדול. נכונות התעשייה וקובעי המדיניות להשקיע בטכנולוגיה זו תקבע את לוח הזמנים.

שילוב מערכות אחסון מתכתיות במערכות אנרגיה קיימות דורש לא רק חדשנות טכנולוגית, אלא גם חדשנות רגולטורית וחדשנות הקשורה לשוק. יש לפתח מודלים עסקיים חדשים אשר לוקחים בחשבון את המאפיינים הספציפיים של אחסון מתכתי. חוזים ארוכי טווח בין יצרנים, מפעילי אחסון וספקי אנרגיה נחוצים כדי להבטיח ביטחון השקעה. הערכת היתרונות הקשורים לאקלים ולאנרגיה חייבת לבוא לידי ביטוי במחירי שוק מתאימים או במנגנוני תמיכה.

הדיון הציבורי בנושא אגירת אנרגיה צריך להתרחב. במשך זמן רב מדי, הדיון התמקד באופן חד צדדי במימן כפתרון אוניברסלי לכאורה. המציאות מורכבת יותר. יישומים שונים דורשים פתרונות שונים. דלקים מתכתיים ראויים למקום בולט בנוף זה. יתרונותיהם משמעותיים מכדי להתעלם מהם. הפוטנציאל שלהם גדול מכדי להישאר בלתי מנוצל.

הטרנספורמציה של מערכת האנרגיה היא אחד האתגרים הטכנולוגיים והכלכליים הגדולים ביותר של המאה הזו. היא דורשת את האומץ לחדש, את הנכונות להשקיע ואת הפתיחות לפתרונות חדשים. דלקים מתכתיים מציעים פתרון אחד כזה. הם יותר מסתם סקרנות מעבדתית מעניינת. הם יכולים להפוך למהפך באגירת אנרגיה עונתית, לאבן בניין לפתרון פער החשמל בחורף, ולדרך לעצמאות אנרגטית. הם אלטרנטיבה שאינה מחליפה מימן, אלא משלימה אותו ביעילות ועולה עליו ביישומים מסוימים. פיתוח נוסף ראוי לתשומת לב, תמיכה ובחינה ביקורתית. השנים הקרובות יראו האם דלקים מתכתיים יוכלו לעמוד בהבטחתם.

תהנו מהמומחיות הנרחבת והחמש-כפולה של Xpert.Digital בחבילת שירותים מקיפה | מחקר ופיתוח, XR, יחסי ציבור ואופטימיזציה של נראות דיגיטלית - תמונה: Xpert.Digital

ל- xpert.digital ידע עמוק בענפים שונים. זה מאפשר לנו לפתח אסטרטגיות התאמה המותאמות לדרישות ולאתגרים של פלח השוק הספציפי שלך. על ידי ניתוח מתמיד של מגמות שוק ורדיפת פיתוחים בתעשייה, אנו יכולים לפעול עם ראיית הנולד ולהציע פתרונות חדשניים. עם שילוב של ניסיון וידע, אנו מייצרים ערך מוסף ומעניקים ללקוחותינו יתרון תחרותי מכריע.

עוד על זה כאן:

• השתמש ביכולת 5 של xpert.digital בחבילה אחת - מ- 500 € לחודש

☑️ השפה העסקית שלנו היא אנגלית או גרמנית

☑️ חדש: התכתבויות בשפה הלאומית שלך!

Konrad Wolfenstein

אני שמח להיות זמין לך ולצוות שלי כיועץ אישי.

אתה יכול ליצור איתי קשר על ידי מילוי טופס יצירת הקשר או פשוט להתקשר אליי בטלפון +49 89 674 804 (מינכן) . כתובת הדוא"ל שלי היא: וולפנשטיין ∂ xpert.digital

אני מצפה לפרויקט המשותף שלנו.

☑️ תמיכה ב- SME באסטרטגיה, ייעוץ, תכנון ויישום

☑️ יצירה או התאמה מחדש של האסטרטגיה הדיגיטלית והדיגיטציה

☑️ הרחבה ואופטימיזציה של תהליכי המכירה הבינלאומיים

Platforms פלטפורמות מסחר B2B גלובליות ודיגיטליות

Pioneeer פיתוח עסקי / שיווק / יחסי ציבור / מדד