Paliwa metaliczne jako magazyny energii przyszłości? Gdy aluminium i żelazo wyprzedzą wodór.

Rozwiązanie problemu zimowych przerw w dostawach prądu? Naukowcy tworzą baterię przyszłości z proszku metalowego – jeden litr żelaza wystarcza na 8 godzin zasilania: niedoceniana rewolucja w magazynowaniu energii.

Transformacja energetyczna stoi przed paradoksalnym wyzwaniem: podczas gdy elektrownie słoneczne produkują nadwyżkę czystej energii elektrycznej latem, z której część pozostaje niewykorzystana, w ciemnych i zimnych miesiącach zimowych grozi jej znaczny niedobór. Ta sezonowa nierównowaga jest jedną z najpoważniejszych przeszkód na drodze do neutralności klimatycznej i nadal zmusza Europę do kosztownego uzależnienia od importu paliw kopalnych. Podczas gdy debata publiczna często koncentruje się na wodorze jako panaceum, w cieniu badań pojawia się potencjalnie lepsza alternatywa: magazynowanie energii w paliwach metalicznych, takich jak aluminium i żelazo.

Ten pozornie nietypowy pomysł, po bliższym przyjrzeniu się, okazuje się genialnie prostym i solidnym rozwiązaniem. Zasada działania opiera się na odwracalnym cyklu chemicznym: nadmiar energii elektrycznej latem jest wykorzystywany do redukcji tlenków metali do czystych metali, które pełnią funkcję niezwykle gęstych i bezpiecznych nośników energii. W razie potrzeby metale te reagują w kontrolowany sposób z wodą, uwalniając jednocześnie użyteczne ciepło i wodór, które następnie są ponownie przetwarzane w energię elektryczną.

Korzyści fizyczne są zdumiewające: jeden litr aluminium magazynuje około 23 razy więcej energii objętościowo niż wodór wysokosprężony. Proszek lub granulat metalu można bezpiecznie przechowywać i transportować w temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem – bez kosztownych zbiorników wysokociśnieniowych czy chłodzenia kriogenicznego. Oznacza to, że paliwa metaliczne mogą nie tylko zrewolucjonizować sezonowe magazynowanie energii w budynkach i przemyśle, ale także zreorganizować globalne przepływy energii i utorować Europie drogę do uwolnienia się od geopolitycznej zależności energetycznej. Projekty pilotażowe w Szwajcarii i Niemczech już dowodzą, że technologia ta to coś więcej niż tylko pomysł laboratoryjny – może stać się kluczowym, dotychczas brakującym elementem bezpiecznego i w pełni odnawialnego zaopatrzenia w energię.

Nadaje się do:

• OST Research – Uniwersytet Nauk Stosowanych Wschodniej Szwajcarii | Paliwa metaliczne jako nośniki i dostawcy energii

Szwajcarski geniusz: Jak niepozorny metalowy granulat może położyć kres naszemu uzależnieniu energetycznemu

Wyzwanie związane z sezonowym magazynowaniem energii jest jednym z najpoważniejszych problemów transformacji energetycznej. Podczas gdy letnia nadwyżka energii fotowoltaicznej w Europie stale rośnie, to właśnie tej energii brakuje w ciemnych miesiącach zimowych. Paliwa metaliczne, takie jak aluminium i żelazo, obiecują rozwiązanie, które przewyższa pod względem kluczowych parametrów wodór, co może fundamentalnie przekształcić sektor energetyczny.

Europa stoi przed fundamentalnym wyzwaniem energetycznym. Sama Szwajcaria spodziewa się niedoboru energii elektrycznej w okresie zimowym na poziomie około ośmiu do dziesięciu terawatogodzin do 2050 roku, pomimo ogromnego rozwoju fotowoltaiki. Niemcy i cała Unia Europejska zmagają się z podobnym problemem strukturalnym. Podczas gdy wytwarzanie energii słonecznej powoduje nadwyżki mocy w lecie, z których część musi zostać ograniczona, zimą występuje wyraźny niedobór. Ta sezonowa dysproporcja pogłębia się z każdym dodatkowym panelem słonecznym zainstalowanym na europejskich dachach i terenach otwartych. Jednocześnie rosnąca elektryfikacja ogrzewania i transportu sprawia, że ​​zapotrzebowanie na energię elektryczną, szczególnie w chłodniejszych miesiącach, staje się jeszcze bardziej krytyczne.

Zależność energetyczna Europy od importu paliw kopalnych podkreśla pilną potrzebę zrównoważonych rozwiązań w zakresie magazynowania. Niemcy przekazują rocznie od 80 do 130 miliardów euro za węgiel, ropę naftową i gaz za granicę, podczas gdy Unia Europejska jako całość przekazuje ponad 300 miliardów euro. Te ogromne kwoty wypływają z kraju, zamiast być inwestowane w krajową infrastrukturę i przyszłe technologie. Co więcej, geopolityczne wstrząsy ostatnich lat boleśnie pokazały zagrożenia związane z tym uzależnieniem.

Paliwa metaliczne, takie jak aluminium i żelazo, wymagają tlenu (O₂) do uwolnienia energii. Reakcja ta jest podobna do spalania, ale często przebiega w formie utleniania, np.:

Aluminium + Tlen → Tlenek glinu (Al₂O₃)

Żelazo + Tlen → Tlenek żelaza (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

Reakcje te uwalniają dużo ciepła – i to właśnie tę energię chcemy wykorzystać jako formę jej magazynowania.

Wodór (H₂) jest obecnie powszechnie znanym nośnikiem energii, jednak jego przechowywanie i transport są trudne.

Paliwa metaliczne są uważane za alternatywę, ponieważ:

◾️ są bardzo bogate w energię,

◾️ łatwo transportowalny (stały, nielotny),

◾️ nadają się do ponownego wykorzystania – tlenki można poddać recyklingowi i ponownie przekształcić w metal, często przy użyciu energii odnawialnej.

Niektóre koncepcje zakładają nawet wykorzystanie wodoru do przekształcania utlenionego metalu z powrotem w czysty metal.

Fizyka magazynowania energii metalicznej

Podstawowa zasada działania paliw metalicznych opiera się na eleganckiej odwracalności chemicznej. Metale takie jak aluminium, żelazo czy krzem można naładować energią elektryczną w procesie redukcji, podczas którego tlen uwalniany jest z ich form tlenkowych. Powstałe w ten sposób czyste metale działają jak wysoce sprężone urządzenia magazynujące energię. W razie potrzeby proces ten jest odwracany. Metal reaguje z wodą lub parą wodną, ​​wytwarzając wodór i ciepło. Wodór może być wykorzystywany w ogniwach paliwowych do wytwarzania energii elektrycznej, a ciepło może być bezpośrednio dostarczane do systemów grzewczych.

Gęstość energetyczna zasadniczo odróżnia paliwa metaliczne od ich gazowych odpowiedników. Aluminium osiąga teoretyczną gęstość energetyczną ponad ośmiu kilowatogodzin na kilogram i gęstość objętościową ponad dwudziestu trzech kilowatogodzin na litr. Nawet wodór sprężony pod wysokim ciśnieniem siedmiuset barów osiąga objętość zaledwie około jednej kilowatogodziny na litr. Jeden litr żelaza mógłby dostarczyć energię przeciętnemu niemieckiemu gospodarstwu domowemu na ponad osiem godzin, podczas gdy litr wysoko sprężonego wodoru nie wystarczyłby nawet na godzinę.

Te właściwości fizyczne mają daleko idące konsekwencje praktyczne. Proszki lub granulaty metali można przechowywać i transportować w temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem. Nie są wymagane ani drogie zbiorniki wysokociśnieniowe, ani skomplikowane technologie chłodzenia. Wymagania bezpieczeństwa są porównywalne z wymaganiami dotyczącymi konwencjonalnych materiałów masowych. Zagrożenia wybuchem, takie jak te związane z drobnym pyłem metalowym, można uniknąć stosując większe granulaty. Na przykład, Szwajcarski Instytut Technologii Słonecznej SPF w OST pracuje z granulatem drutu aluminiowego 6060, który jest dostępny w handlu i nie wymaga specjalnych środków bezpieczeństwa.

Porównanie kandydatów na materiały

Aluminium jest uważane za najbardziej obiecującego kandydata wśród paliw metalicznych. Dzięki wysokiej gęstości energetycznej, teoretycznie przekraczającej osiem kilowatogodzin na kilogram, znacznie przewyższa wszystkie inne metale nietoksyczne. W reakcji z wodą, około pięćdziesiąt procent zmagazynowanej energii uwalnia się w postaci ciepła, a pięćdziesiąt procent w postaci wodoru. Ten ostatni można przekształcić w energię elektryczną w ogniwie paliwowym o sprawności pięćdziesięcioprocentowej, co daje łączny stosunek około siedemdziesięciu pięciu procent ciepła do dwudziestu pięciu procent energii elektrycznej. Ta kombinacja idealnie nadaje się do budowy systemów energetycznych, w których zapotrzebowanie na ciepło zazwyczaj przeważa.

Wyzwanie związane z aluminium polega na jego energochłonnej produkcji. Na kilogram aluminium pierwotnego potrzeba około trzynastu do siedemnastu kilowatogodzin energii elektrycznej. Wykorzystanie energii z węgla w tym procesie generuje do dwudziestu kilogramów dwutlenku węgla na kilogram aluminium. Nawet przy wykorzystaniu energii odnawialnej, konwencjonalny proces Halla-Héroulta nadal uwalnia około półtorej tony dwutlenku węgla na tonę aluminium, ponieważ anody węglowe ulegają zużyciu i reagują, tworząc dwutlenek węgla.

Tu właśnie pojawia się innowacja. W europejskim projekcie badawczym REVEAL naukowcy pod kierownictwem OST opracowują całkowicie bezemisyjny proces produkcji aluminium z wykorzystaniem tzw. anod obojętnych. Anody te składają się ze stopów metali, które nie zużywają się w procesie elektrolizy i uwalniają czysty tlen zamiast dwutlenku węgla. Islandzki partner IceTec pracuje równolegle nad przemysłowym wdrożeniem tej technologii, wykorzystując łatwo dostępną energię geotermalną i hydroelektryczną. Niemieckie firmy, takie jak Trimet, również napędzają rozwój i uruchomiły już instalacje demonstracyjne.

Żelazo stanowi pragmatyczną alternatywę. Przy gęstości energetycznej wynoszącej około 0,2–0,3 kilowatogodzin na kilogram, jest znacznie niższe niż aluminium, ale nadal pozostaje konkurencyjne w porównaniu z wieloma innymi technologiami magazynowania. Decydującą zaletą żelaza jest jego dostępność i niski koszt. Jako czwarty pod względem liczebności pierwiastek w skorupie ziemskiej, ruda żelaza jest dostępna w praktycznie nieograniczonych ilościach, bez znaczącego wpływu na ceny na rynkach światowych.

Reakcja żelaza z wodą generuje bardzo mało ciepła. Cała zmagazynowana energia jest przekazywana do wytworzonego wodoru, który następnie może być przekształcony w energię elektryczną ze sprawnością około pięćdziesięciu procent. Ten stosunek sprawia, że ​​żelazo jest szczególnie atrakcyjne w zastosowaniach, w których zapotrzebowanie na energię elektryczną jest kluczowe. Grupa badawcza pod kierownictwem profesora Wendelina Starka z ETH w Zurychu prowadzi instalację pilotażową na kampusie Hönggerberg, która sezonowo magazynuje wodór za pomocą tlenku żelaza. Technologia ta jest uważana za około dziesięć razy tańszą niż konwencjonalne magazynowanie wodoru.

Bezpośrednia redukcja z wykorzystaniem zielonego wodoru jest już stosowana przemysłowo w produkcji żelaza. Firmy takie jak ArcelorMittal i thyssenkrupp pracują nad przejściem na produkcję stali w oparciu o wodór. Technologia ta może być bezpośrednio wykorzystywana do magazynowania energii. Jej poziom dojrzałości mieści się w przedziale od sześciu do siedmiu w dziewięciostopniowej skali, co oznacza, że ​​jest bliska gotowości rynkowej. Instalacje mogą pracować przy normalnym ciśnieniu i temperaturze około 800 stopni Celsjusza, co ogranicza złożoność techniczną.

Krzem stanowi trzecią opcję. Łączy on wysoką gęstość energii, podobną do aluminium, z dobrą dostępnością. Jako drugi najpowszechniej występujący pierwiastek w skorupie ziemskiej po tlenie, praktycznie nie ma ograniczeń w zakresie zasobów. Technologia produkcji jest dobrze rozwinięta dzięki przemysłowi solarnemu. Jednak badania nad krzemem jako nośnikiem energii są mniej zaawansowane niż w przypadku aluminium i żelaza. Politechnika w Darmstadt prowadzi badania nad krzemem w ramach projektu A-STEAM, ale prawdopodobnie upłynie jeszcze kilka lat, zanim znajdzie on zastosowanie w przemyśle.

Ekonomia transformacji

Ekonomiczna opłacalność paliw metalicznych zależy w decydującym stopniu od kosztów produkcji bezemisyjnej. Przy konwencjonalnej cenie aluminium wynoszącej około 2650 dolarów za tonę, w 2035 roku, w przypadku przemysłowego wdrożenia technologii anod obojętnych, koszty wzrosłyby o około 400 dolarów. W dłuższej perspektywie oczekuje się stabilizacji kosztów na poziomie z 2020 roku, aczkolwiek z premią w wysokości około 300 dolarów w porównaniu z hipotetyczną kontynuacją konwencjonalnej produkcji.

Te dodatkowe koszty należy jednak rozpatrywać w szerszym kontekście. Inwestycje w dekarbonizację przemysłu aluminiowego szacuje się na około bilion dolarów, z czego mniej więcej połowa jest przeznaczona na dostarczanie energii niskoemisyjnej. Na anody niskoemisyjne przeznaczono 200 miliardów dolarów. Jednocześnie inwestycje te kładą podwaliny pod zupełnie nowy rynek magazynowania energii, wykraczający daleko poza tradycyjne wykorzystanie aluminium.

Całkowita sprawność konwersji energii odnawialnej z powrotem na energię elektryczną i ciepło poprzez magazynowanie w metalach waha się od pięćdziesięciu do sześćdziesięciu procent dla wszystkich trzech metali. Wartość ta początkowo wydaje się niska w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi, których sprawność wynosi od osiemdziesięciu pięciu do dziewięćdziesięciu pięciu procent. Należy jednak uwzględnić kilka czynników w ocenie. Po pierwsze, porównanie jest istotne tylko dla zastosowań o porównywalnym czasie magazynowania. Akumulatory nadają się do magazynowania przez kilka godzin lub dni, podczas gdy paliwa metaliczne – przez miesiące, a nawet lata. Koszt magazynowanej kilowatogodziny w przypadku akumulatorów gwałtownie rośnie wraz z wydłużającym się czasem magazynowania, ponieważ koszty inwestycji rozkładają się na mniejszą liczbę cykli.

Po drugie, ciepło musi być uwzględnione jako w pełni użyteczne źródło energii. W budynkach z zapotrzebowaniem na ogrzewanie, system wykorzystujący 75% ciepła i 25% energii elektrycznej jest potencjalnie bardziej optymalny niż czysta energia elektryczna, która musi być najpierw przetwarzana za pomocą pompy ciepła. Szwajcarscy naukowcy przewidują, że koszty energii elektrycznej i ogrzewania z aluminiowych systemów magazynowania energii w zimie wyniosą około 20 centymów za kilowatogodzinę. Byłoby to konkurencyjne w porównaniu z wieloma alternatywnymi źródłami energii.

Technologia Power-to-Gas z wodorem osiąga sprawność zaledwie 30–40% przy prostej konwersji na energię elektryczną bez wykorzystania ciepła. W przypadku metanizacji spada ona do około 33%. Tylko dzięki zoptymalizowanemu skojarzonemu wytwarzaniu ciepła i energii (CHP) oraz konsekwentnemu wykorzystaniu ciepła odpadowego można osiągnąć sprawność przekraczającą 80%, bazując na wyższej wartości opałowej. W praktyce jednak wartości te są rzadko osiągane. Ponadto magazynowanie i transport wodoru wiążą się ze znacznymi kosztami. Podziemne kawerny solne są możliwe tylko w odpowiednich geologicznie lokalizacjach. W krajach takich jak Szwajcaria, gdzie nie ma takich formacji, dostępne są jedynie drogie zbiorniki naziemne lub import.

Koszty magazynowania w różnych technologiach są bardzo zróżnicowane. Sezonowe systemy magazynowania energii cieplnej kosztują od 25 do 400 franków szwajcarskich za megawatogodzinę zmagazynowanej energii. W przypadku energii elektrycznej, koszty elektrowni szczytowo-pompowych wynoszą około 100 franków za megawatogodzinę, ale w przypadku innych sezonowych systemów magazynowania energii rosną ponad dziesięciokrotnie. Akumulatory litowo-jonowe kosztują obecnie od 400 do 1000 euro za kilowatogodzinę pojemności magazynowej. Chociaż ceny te drastycznie spadły, nadal są one zbyt wysokie w przypadku sezonowego magazynowania.

Elektrownie szczytowo-pompowe działają wyjątkowo dobrze w cyklach dobowych i tygodniowych, osiągając sprawność na poziomie 70–85%. Jednak w przypadku sezonowego magazynowania energii z tylko jednym cyklem w roku, koszty rosną do ponad dwóch euro za kilowatogodzinę dodatkowej energii elektrycznej. Ograniczenia geograficzne odpowiednich lokalizacji dodatkowo ograniczają potencjał ekspansji. W gospodarce w pełni przestawionej na energię odnawialną, istniejące moce magazynów szczytowo-pompowych byłyby dalece niewystarczające.

Integracja systemów i sprzężenie sektorów

Siła paliw metalicznych tkwi w ich płynnej integracji z koncepcją łączenia sektorów. Termin ten opisuje połączenie tradycyjnie oddzielnych sektorów: elektroenergetyki, ciepłownictwa i mobilności. Chociaż transformacja w sektorze elektroenergetycznym na energię odnawialną jest już mocno zaawansowana, dostawy i transport ciepła pozostają silnie uzależnione od paliw kopalnych. Europa wydaje ponad trzysta miliardów euro rocznie na import węgla, ropy naftowej i gazu – pieniądze, które są tracone dla jej własnej gospodarki.

Paliwa metaliczne umożliwiają elastyczne łączenie sektorów. Latem nadwyżka energii elektrycznej z fotowoltaiki jest wykorzystywana do redukcji tlenków metali. Powstały metal jest magazynowany. Zimą zachodzi utlenianie, w wyniku którego wytwarzane jest ciepło i wodór. Ciepło przepływa bezpośrednio do systemu grzewczego, najlepiej połączonego z pompą ciepła, co zwiększa wydajność w niższych temperaturach. Wodór jest przekształcany w energię elektryczną w ogniwie paliwowym, a ciepło odpadowe z tego procesu jest następnie przekazywane z powrotem do systemu grzewczego.

To połączenie precyzyjnie rozwiązuje główny problem europejskich systemów energetycznych. W Niemczech zapotrzebowanie na ogrzewanie stanowi około połowę całkowitego końcowego zużycia energii. Znaczna część tego zapotrzebowania koncentruje się w miesiącach zimowych. System magazynowania, który dostarcza głównie ciepło, a jednocześnie wytwarza znaczne ilości energii elektrycznej, idealnie spełnia ten profil zapotrzebowania. Uniwersytet Nauk Stosowanych i Sztuk Pięknych w Lucernie obliczył, że konsekwentna izolacja budynków mieszkalnych w połączeniu z pompami ciepła mogłaby praktycznie wyeliminować zimowy niedobór energii elektrycznej w Szwajcarii. W połączeniu z metalowymi systemami magazynowania, taki system optymalnie wykorzystałby nadwyżki energii elektrycznej w lecie i zapewnił niezawodne dostawy w zimie.

Według modelu opracowanego przez szwajcarskich naukowców, wyposażenie wszystkich budynków wielorodzinnych w metalowe systemy magazynowania energii elektrycznej mogłoby znacząco zmniejszyć przewidywany zimowy niedobór energii elektrycznej wynoszący osiem terawatogodzin do 2050 roku. Wyposażenie zaledwie połowy wszystkich budynków wielorodzinnych w systemy magazynowania energii elektrycznej zapewniłoby kilka terawatogodzin. Zdecentralizowana struktura tego rozwiązania pozwala uniknąć kosztownych działań związanych z rozbudową sieci i zwiększa bezpieczeństwo dostaw dzięki redundancji.

Pojawiają się nowe perspektywy dla zastosowań przemysłowych. Ciepło procesowe stanowi znaczną część zapotrzebowania na energię w przemyśle. Bezpośrednia elektryfikacja za pomocą pomp ciepła, kotłów elektrodowych lub ogrzewania oporowego jest technicznie wykonalna i dostępna w wielu zakresach temperatur. Paliwa metaliczne mogą jednak stanowić rozwiązanie, szczególnie w przypadku procesów wysokotemperaturowych i stabilności obciążenia podstawowego. Spalanie proszku żelaza może osiągać temperatury przekraczające 1800 stopni Celsjusza, co jest wystarczające dla wielu procesów przemysłowych.

Przekształcone elektrownie węglowe mogłyby być zasilane proszkami metali. Istniejąca infrastruktura do spalania, cyrkulacji pary wodnej i wytwarzania energii mogłaby zostać w dużym stopniu wykorzystana. Powstały tlenek metalu byłby zbierany i transportowany do zakładów dysponujących wystarczającą ilością energii odnawialnej w celu redukcji. Takie podejście pozwoliłoby na wykorzystanie istniejących zakładów, zachowanie miejsc pracy i jednocześnie przyczyniłoby się do dekarbonizacji. Uniwersytet Techniczny w Darmstadt bada tę koncepcję w ramach inicjatywy Clean Circles.

Skupienie się na branży: B2B, digitalizacja (od AI do XR), inżynieria mechaniczna, logistyka, odnawialne źródła energii i przemysł

Więcej na ten temat tutaj:

• Centrum biznesowe Xpert

Centrum tematyczne z przemyśleniami i wiedzą specjalistyczną:

• Platforma wiedzy na temat globalnej i regionalnej gospodarki, innowacji i trendów branżowych
• Zbieranie analiz, impulsów i informacji ogólnych z obszarów, na których się skupiamy
• Miejsce, w którym można zdobyć wiedzę i informacje na temat bieżących wydarzeń w biznesie i technologii
• Centrum tematyczne dla firm, które chcą dowiedzieć się więcej o rynkach, cyfryzacji i innowacjach branżowych

Dojrzałość technologiczna i perspektywy rozwoju

Stopień zaawansowania technologicznego poszczególnych komponentów jest bardzo zróżnicowany. Utlenianie metali w celu uwolnienia energii jest znane od dawna i jest już wykorzystywane w specjalistycznych zastosowaniach. Cząsteczki aluminium i żelaza są wykorzystywane w rakietach nośnych Ariane, fajerwerkach i innych zastosowaniach pirotechnicznych. Dzięki temu podstawowe procesy chemiczne są dobrze poznane i opanowane.

Kontrolowana reakcja z wodą lub parą wodną w umiarkowanych temperaturach, służąca do produkcji ciepła i wodoru, znajduje się obecnie w fazie pilotażowej. Instytut Technologii Słonecznej SPF w Rapperswilu zlecił wykonanie prototypu opracowanego w ramach projektu REVEAL. Po uruchomieniu, prototyp ten pokaże, jak z aluminium można wytwarzać ciepło i energię elektryczną dla budynków poprzez procesy chemiczne. Wytworzona energia może być wykorzystywana do zasilania budynków i zakładów przemysłowych lub zasilać miejskie sieci ciepłownicze.

Politechnika Federalna w Zurychu (ETH Zurich) prowadzi pilotażową instalację do magazynowania wodoru na bazie żelaza na swoim kampusie Hönggerberg. Trzy zbiorniki ze stali nierdzewnej, każdy o pojemności 600 kilogramów tlenku żelaza, mogą w perspektywie długoterminowej przechowywać około dziesięciu megawatogodzin wodoru. W zależności od technologii konwersji, pozwala to na wytworzenie od czterech do sześciu megawatogodzin energii elektrycznej. Instalacja działa od 2024 roku i do 2026 roku planowana jest jej rozbudowa, aby pokryć jedną piątą zimowego zapotrzebowania kampusu na energię elektryczną dzięki sezonowo magazynowanej energii słonecznej. Zwiększenie mocy do tysiąca ton tlenku żelaza mogłoby dostarczyć dwie gigawatogodziny energii elektrycznej, co odpowiada jednej dziesiątej mocy elektrowni szczytowo-pompowej Nant de Drance.

Największym wyzwaniem technologicznym jest bezemisyjna produkcja metali. W przypadku żelaza bezpośrednia redukcja z wykorzystaniem zielonego wodoru została już udowodniona przemysłowo. Kilka firm stalowych buduje obecnie zakłady demonstracyjne i planuje stopniowe przejście na produkcję w latach 2030–2040. Technologia ta ma poziom dojrzałości około siedmiu do ośmiu w dziewięciostopniowej skali i tym samym zbliża się do momentu jej komercjalizacji.

Technologia anod obojętnych stoi u progu przełomu w branży aluminiowej. Trimet w Essen od 2024 roku prowadzi zakład demonstracyjny w warunkach produkcyjnych. Firma przewiduje wdrożenie przemysłowe do 2040 roku i osiągnięcie neutralności klimatycznej do 2045 roku. Międzynarodowe korporacje, takie jak Norsk Hydro i Rio Tinto, również intensywnie inwestują w tę technologię. Apple zakupiło już pierwszą partię aluminium z zakładu pilotażowego z anodami obojętnymi do zastosowania w smartfonach. Świadczy to o komercyjnym zainteresowaniu i wiarygodności tej technologii.

Skalowanie pozostaje kluczowym czynnikiem. Globalna roczna produkcja aluminium wynosi około siedemdziesięciu milionów ton, a produkcja stali prawie dwa miliardy ton. Dodatkowe moce produkcyjne byłyby niezbędne, aby wnieść znaczący wkład w sezonowe magazynowanie energii. Nie oznaczałoby to jednak destabilizacji rynków towarowych. Aluminium i żelazo należą do najpowszechniej występujących pierwiastków w skorupie ziemskiej. Ich zasoby są praktycznie nieograniczone. Produkcja byłaby ograniczona przede wszystkim dostępnością niedrogiej energii odnawialnej.

Właśnie tu kryje się kluczowa szansa. Regiony o doskonałych warunkach dla energii odnawialnej, ale niskim lokalnym zapotrzebowaniu, mogłyby stać się producentami metali. Islandia, z jej geotermalną i hydroelektryczną energią, Afryka Północna z intensywnym słońcem, czy Patagonia z zasobami wiatru, mogłyby produkować metale na eksport na dużą skalę. Transport jest prosty i bezpieczny. Kontenerowce mogą transportować granulat metalu w normalnych warunkach, bez ryzyka i kosztów związanych z ciekłym wodorem lub skroplonym gazem ziemnym.

Nowe spojrzenie na globalne przepływy energii

Internacjonalizacja dostaw energii za pośrednictwem metalicznych nośników energii fundamentalnie zmieniłaby globalne przepływy handlowe. Europa wydaje ponad trzysta miliardów euro rocznie na import paliw kopalnych. Same Niemcy wydają od osiemdziesięciu do stu trzydziestu miliardów euro. Te ogromne kwoty płyną głównie do krajów o autorytarnych reżimach, których polityka często jest sprzeczna z europejskimi wartościami. Finansowanie tego importu przyczynia się do niestabilności geopolitycznej i naraża Europę na szantaż, co boleśnie pokazały ostatnie kryzysy energetyczne.

Przejście na metalowe nośniki energii mogłoby rozwiązać te zależności, umożliwiając jednocześnie nawiązywanie nowych partnerstw. Kraje dysponujące bogatymi zasobami energii odnawialnej, ale o ograniczonym poziomie industrializacji, zyskałyby cenną perspektywę eksportową. Maroko, z potencjałem słonecznym; Chile, z mocami wiatrowymi i geotermalnymi; czy Australia, z rozległymi obszarami nadającymi się do wykorzystania energii odnawialnej, mogłyby stać się producentami metali. Kraje te są w przeważającej mierze demokratyczne i podzielają fundamentalne wartości Europy. Import energii przyczyniłby się zatem do finansowania rozwoju, a nie do wspierania autokracji.

Gospodarka o obiegu zamkniętym paliw metalicznych różni się zasadniczo od gospodarki paliw kopalnych. Węgiel, ropa naftowa i gaz są nieodwracalnie spalane i przekształcane w gazy cieplarniane. Metale natomiast krążą w obiegu zamkniętym. Utleniony metal jest transportowany z powrotem do instalacji redukującej i ponownie ładowany. Teoretycznie cykl ten można powtarzać nieograniczoną liczbę razy bez strat materiału ani degradacji. Naukowcy z Politechniki Federalnej w Zurychu zaobserwowali nawet, że pojemność magazynowa ich reaktorów żelaznych nieznacznie wzrasta z każdym cyklem.

To podejście oparte na gospodarce o obiegu zamkniętym ma dalekosiężne implikacje ekonomiczne. Inwestycja w produkcję metalu zwraca się w ciągu wielu cykli. W przeciwieństwie do baterii, których pojemność maleje z każdym cyklem, metalowe systemy magazynowania energii pozostają użyteczne w nieskończoność. Chociaż początkowe inwestycje w instalacje redukcji i utleniania, a także w sam metal, mogą być znaczne, z biegiem lat koszty magazynowania kilowatogodziny stają się konkurencyjne.

Obliczenia szwajcarskich naukowców zakładają koszty energii elektrycznej i ciepła z aluminiowego systemu magazynowania energii na poziomie około dwudziestu centymów za kilowatogodzinę. Jest to wartość zgodna z kosztami produkcji energii odnawialnej i znacznie niższa od kosztów energii elektrycznej w szczytowym obciążeniu w miesiącach zimowych. Wraz ze wzrostem dojrzałości technologicznej i skalowalności, oczekuje się dalszego spadku kosztów. Historia fotowoltaiki i energetyki wiatrowej pokazuje, jak drastyczne mogą być redukcje kosztów dzięki efektom krzywej uczenia się.

Ryzyka i wyzwania

Pomimo obiecującego potencjału, wciąż istnieją poważne wyzwania i zagrożenia. Rozwój technologiczny nie został jeszcze zakończony. W szczególności produkcja aluminium bez dwutlenku węgla z wykorzystaniem anod obojętnych dopiero zaczyna przechodzić do fazy przemysłowej. Liczne wcześniejsze próby wdrożenia tej technologii zakończyły się niepowodzeniem. Anoda obojętna ma opinię stale udoskonalanej, bez osiągnięcia przełomu.

Rosnące koszty energii elektrycznej stanowią problem. Anody obojętne nie tylko nie emitują dwutlenku węgla, ale także nie dostarczają energii procesowej, tak jak anody węglowe. W związku z tym wzrasta zapotrzebowanie na energię elektryczną na tonę aluminium. Przy już wysokich kosztach energii w Europie, może to negatywnie wpłynąć na konkurencyjność. Produkcja aluminium mogłaby zostać przeniesiona do regionów o szczególnie taniej energii, podczas gdy Europa stałaby się jedynie importerem.

Konkurencja na rynku energii odnawialnej zaostrza się. Wiele sektorów dąży do elektryfikacji. Przemysł potrzebuje zielonego wodoru do procesów chemicznych i produkcji stali. Transport staje się elektryfikowany dzięki milionom pojazdów elektrycznych. Infrastruktura cyfrowa wraz z centrami danych zużywa coraz więcej energii elektrycznej. W tym konkurencyjnym otoczeniu rozwiązania do magazynowania energii oparte na metalach wciąż muszą udowodnić swoją przewagę ekonomiczną.

Wymagania infrastrukturalne są znaczne. Miliony zdecentralizowanych systemów magazynowania lub dużych, scentralizowanych obiektów byłyby potrzebne, aby znacząco przyczynić się do zapewnienia zimowego zaopatrzenia w energię. Budowa tej infrastruktury wymaga czasu, kapitału i woli politycznej. Okres zwrotu inwestycji w takie systemy mógłby sięgać dziesięcioleci, co mogłoby zniechęcić prywatnych inwestorów. Prawdopodobnie konieczne byłyby dotacje rządowe i zachęty regulacyjne.

Wpływ na środowisko masowo rozszerzanej produkcji metalu musi zostać krytycznie zbadany. Nawet jeśli proces produkcyjny jest neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla, zużywa on ogromne ilości energii elektrycznej. Energia ta, oprócz wszystkich innych potrzeb energetycznych, musi pochodzić ze źródeł odnawialnych. Tereny niezbędne pod budowę elektrowni wiatrowych i słonecznych są znaczne. Ponadto, wydobycie boksytów do produkcji aluminium wymaga wydobycia na dużą skalę, co wiąże się z konsekwencjami ekologicznymi i społecznymi.

Społeczna akceptacja nowych technologii energetycznych jest krucha. Każdy duży zakład przemysłowy napotyka na lokalny opór. Budowa turbin wiatrowych, parków słonecznych i linii energetycznych jest regularnie opóźniana lub blokowana przez inicjatywy obywatelskie. Zakłady redukcji metali, pracujące w wysokich temperaturach i zużywające znaczne ilości energii elektrycznej, mogą napotkać podobny opór. Przejrzysta komunikacja na temat korzyści, zagrożeń i wpływu na środowisko jest niezbędna.

Strategiczne perspektywy dla Europy

Rozwój paliw metalicznych stanowi dla Europy strategiczną szansę na zdobycie pozycji lidera technologicznego na przyszłym rynku. Szwajcarskie i niemieckie instytucje badawcze należą do wiodących instytucji w tej dziedzinie na świecie. Projekt REVEAL skupia wiodących europejskich partnerów. W Europie dostępna jest specjalistyczna wiedza przemysłowa w zakresie metalurgii, inżynierii procesów chemicznych i integracji systemów energetycznych.

Skoordynowana strategia europejska mogłaby obejmować kilka elementów. Po pierwsze, kontynuację i intensyfikację finansowania badań. Wcześniejsze inwestycje umożliwiły znaczny postęp. Zwiększenie finansowania pozwoliłoby na zwiększenie przewagi technologicznej. Po drugie, stworzenie zachęt regulacyjnych dla wejścia na rynek. Taryfy gwarantowane lub dotacje inwestycyjne mogłyby zmotywować pierwszych użytkowników.

Po trzecie, integracja z europejską strategią infrastruktury energetycznej. Planowane sieci wodorowe mogłyby zostać rozbudowane, aby obsłużyć również metalowe nośniki energii. Istniejąca infrastruktura gazowa mogłaby zostać częściowo przebudowana. Po czwarte, współpraca międzynarodowa z krajami oferującymi idealne warunki do produkcji metali. Partnerstwa rozwojowe z krajami Afryki Północnej, inwestycje w moce produkcyjne Ameryki Południowej lub transfer technologii do Azji mogłyby stworzyć sytuację korzystną dla obu stron.

Nie należy lekceważyć wymiaru geopolitycznego. Zmniejszenie zależności od importu paliw kopalnych znacząco zwiększa swobodę polityczną Europy. Możliwość zapewnienia dostaw energii zimą z krajowych lub wiarygodnych źródeł międzynarodowych wzmacnia odporność na wstrząsy zewnętrzne. Dywersyfikacja źródeł energii i łańcuchów dostaw zmniejsza ryzyko szantażu ze strony reżimów autorytarnych.

Jednocześnie pojawiają się nowe zależności. Europa mogłaby potencjalnie uzależnić się od importu metali, podobnie jak obecnie od paliw kopalnych. Różnica polega na odwracalności i obiegu zamkniętego metali. Można je poddawać recyklingowi i ponownie wykorzystywać. Pozwala to uniknąć egzystencjalnego niedoboru obserwowanego w przypadku ograniczonych zasobów paliw kopalnych. Co więcej, produkcja mogłaby być, co do zasady, zlokalizowana w Europie, pod warunkiem dostępności wystarczającej ilości niedrogiej energii odnawialnej.

Przyszłość magazynowania energii

Paliwa metaliczne nie będą jedynym rozwiązaniem wyzwań transformacji energetycznej. Będą raczej częścią zróżnicowanego portfolio technologii magazynowania. Akumulatory litowo-jonowe zachowają swoją wytrzymałość w krótkim okresie, od kilku godzin do kilku dni. Elektrownie szczytowo-pompowe pozostaną niezbędne do stabilizacji sieci i równoważenia dobowych i tygodniowych wahań. Wodór będzie potrzebny w przemyśle jako gaz procesowy i reduktor.

Paliwa metaliczne zajmują szczególną niszę w sezonowym, długoterminowym magazynowaniu, głównie w celu dostarczania ciepła. Łączą one w sobie zalety wysokiej gęstości energii, łatwości obsługi, tanich surowców i dobrego sprzężenia sektorowego. To połączenie czyni je lepszymi od innych technologii. Dalszy rozwój pokaże, czy i jak szybko te teoretyczne zalety uda się zrealizować w praktyce.

Nadchodzące lata będą kluczowe. Kilka instalacji pilotażowych jest obecnie w eksploatacji lub w budowie. Doświadczenia zdobyte w tych projektach pokażą, czy oczekiwania techniczne i ekonomiczne zostaną spełnione. Rozwój technologii anod obojętnych zadecyduje o tym, czy produkcja aluminium bez dwutlenku węgla stanie się rzeczywiście możliwa na dużą skalę. Gotowość przemysłu i decydentów do inwestowania w tę technologię określi ramy czasowe.

Integracja systemów magazynowania energii z istniejącymi systemami energetycznymi wymaga nie tylko innowacji technologicznych, ale także regulacyjnych i rynkowych. Konieczne jest opracowanie nowych modeli biznesowych, uwzględniających specyfikę magazynowania energii. Długoterminowe umowy między producentami, operatorami magazynów i dostawcami energii są niezbędne dla zapewnienia bezpieczeństwa inwestycji. Ocena korzyści klimatycznych i energetycznych musi znaleźć odzwierciedlenie w odpowiednich cenach rynkowych lub mechanizmach wsparcia.

Debata publiczna na temat magazynowania energii musi się poszerzyć. Zbyt długo dyskusja skupiała się jednostronnie na wodorze jako rzekomo uniwersalnym rozwiązaniu. Rzeczywistość jest bardziej złożona. Różne zastosowania wymagają różnych rozwiązań. Paliwa metaliczne zasługują na ważne miejsce w tym krajobrazie. Ich zalety są zbyt znaczące, by je ignorować. Ich potencjał jest zbyt duży, by pozostać niewykorzystanym.

Transformacja systemu energetycznego to jedno z największych wyzwań technologicznych i ekonomicznych tego stulecia. Wymaga odwagi do innowacji, chęci inwestowania i otwartości na nowe rozwiązania. Paliwa metaliczne oferują takie rozwiązanie. Są czymś więcej niż tylko ciekawostką laboratoryjną. Mogą stać się przełomem w sezonowym magazynowaniu energii, elementem składowym zimowego deficytu energii elektrycznej i drogą do niezależności energetycznej. Stanowią alternatywę, która nie zastępuje wodoru, ale skutecznie go uzupełnia, a w niektórych zastosowaniach przewyższa. Dalszy rozwój zasługuje na uwagę, wsparcie i krytyczną analizę. Nadchodzące lata pokażą, czy paliwa metaliczne spełnią swoje obietnice.

Xpert.Digital posiada dogłębną wiedzę na temat różnych branż. Dzięki temu możemy opracowywać strategie „szyte na miarę”, które są dokładnie dopasowane do wymagań i wyzwań konkretnego segmentu rynku. Dzięki ciągłej analizie trendów rynkowych i śledzeniu rozwoju branży możemy działać dalekowzrocznie i oferować innowacyjne rozwiązania. Dzięki połączeniu doświadczenia i wiedzy generujemy wartość dodaną i dajemy naszym klientom zdecydowaną przewagę konkurencyjną.

Więcej na ten temat tutaj:

• Wykorzystaj 5-krotną wiedzę Xpert.Digital w jednym pakiecie – już od 500 €/miesiąc

☑️Naszym językiem biznesowym jest angielski lub niemiecki

☑️ NOWOŚĆ: Korespondencja w Twoim języku narodowym!

 

Chętnie będę służyć Tobie i mojemu zespołowi jako osobisty doradca.

Możesz się ze mną skontaktować wypełniając formularz kontaktowy lub po prostu dzwoniąc pod numer +49 89 89 674 804 (Monachium) . Mój adres e-mail to: wolfenstein ∂ xpert.digital

Nie mogę się doczekać naszego wspólnego projektu.

 

 

☑️ Wsparcie MŚP w zakresie strategii, doradztwa, planowania i wdrażania

☑️ Stworzenie lub dostosowanie strategii cyfrowej i cyfryzacji

☑️Rozbudowa i optymalizacja procesów sprzedaży międzynarodowej

☑️ Globalne i cyfrowe platformy handlowe B2B

☑️ Pionierski rozwój biznesu / marketing / PR / targi