Combustibilii metalici ca stocare a energiei în viitor? Când aluminiul și fierul depășesc hidrogenul

Soluția la deficitul de energie electrică din timpul iernii? Cercetătorii fabrică bateria viitorului din pulbere metalică – un litru de fier pentru 8 ore de energie: Revoluția trecută cu vederea în stocarea energiei

Tranziția energetică se confruntă cu o provocare paradoxală: în timp ce centralele solare produc un surplus de energie electrică curată vara, o parte din aceasta rămânând neutilizată, un deficit semnificativ de energie electrică amenință să apară în lunile întunecate și reci de iarnă. Acest dezechilibru sezonier este unul dintre cele mai persistente obstacole în calea neutralității climatice și continuă să forțeze Europa într-o dependență costisitoare de importurile de combustibili fosili. În timp ce dezbaterea publică se concentrează adesea pe hidrogen ca panaceu, o alternativă potențial superioară se maturizează în umbra cercetării: stocarea energiei în combustibili metalici precum aluminiul și fierul.

Această idee aparent neobișnuită, la o analiză mai atentă, se dovedește a fi o soluție ingenios de simplă și robustă. Principiul se bazează pe un ciclu chimic reversibil: excesul de electricitate din timpul verii este utilizat pentru a reduce oxizii metalici în metale pure, care servesc drept purtători de energie extrem de denși și siguri. Atunci când este necesar, aceste metale reacționează într-un mod controlat cu apa, eliberând simultan căldură utilizabilă și hidrogen, care este apoi transformat înapoi în electricitate.

Avantajele fizice sunt uimitoare: un litru de aluminiu stochează volumetric de aproximativ 23 de ori mai multă energie decât hidrogenul puternic comprimat. Pulberea sau granulele metalice pot fi depozitate și transportate în siguranță la temperatura camerei și presiune normală - fără rezervoare costisitoare de înaltă presiune sau răcire criogenică. Aceasta înseamnă că combustibilii metalici nu numai că ar putea revoluționa stocarea sezonieră a energiei pentru clădiri și industrie, dar ar putea și reorganiza fluxurile globale de energie și ar putea deschide calea pentru ca Europa să scape de dependența sa energetică geopolitică. Proiectele pilot din Elveția și Germania demonstrează deja că această tehnologie este mult mai mult decât o simplă idee de laborator - ar putea deveni componenta crucială, anterior lipsă, pentru o aprovizionare cu energie sigură și complet regenerabilă.

Legat de asta:

• Cercetare OST – Universitatea de Științe Aplicate din Elveția de Est | Combustibili metalici ca purtători și furnizori de energie

O lovitură de geniu elvețiană: Cum un granulat metalic discret ar putea pune capăt dependenței noastre energetice

Provocarea stocării sezoniere a energiei este una dintre cele mai persistente probleme ale tranziției energetice. În timp ce surplusul de energie electrică fotovoltaică din Europa este în continuă creștere pe parcursul verii, tocmai această energie lipsește în lunile întunecate de iarnă. Combustibilii metalici precum aluminiul și fierul promit o soluție superioară hidrogenului, care este mai important, în parametri cruciali și ar putea transforma fundamental sectorul energetic.

Europa se confruntă cu o provocare energetică fundamentală. Numai Elveția se așteaptă la un deficit de energie electrică pe timpul iernii de aproximativ opt până la zece terawați-oră până în 2050, în ciuda extinderii masive a fotovoltaicelor. Germania și întreaga Uniune Europeană se confruntă cu o problemă structurală similară. În timp ce generarea de energie solară creează supracapacități vara, dintre care unele trebuie reduse, există un deficit flagrant iarna. Această discrepanță sezonieră este exacerbată cu fiecare panou solar suplimentar instalat pe acoperișurile și spațiile deschise europene. În același timp, electrificarea tot mai mare a încălzirii și transporturilor face ca cererea de energie electrică, în special în lunile mai reci, să fie și mai critică.

Dependența energetică a Europei de importurile de combustibili fosili subliniază nevoia urgentă de soluții de stocare durabile. Germania transferă anual între 80 și 130 de miliarde de euro pentru cărbune, petrol și gaze în străinătate, în timp ce Uniunea Europeană, în ansamblu, transferă peste 300 de miliarde de euro. Aceste sume enorme ies din țară în loc să fie investite în infrastructură internă și tehnologii viitoare. În plus, tulburările geopolitice din ultimii ani au demonstrat dureros riscurile asociate cu această dependență.

Combustibilii metalici precum aluminiul și fierul necesită oxigen (O₂) pentru a elibera energie. Reacția este similară cu arderea, dar adesea ia forma oxidării, de exemplu:

Aluminiu + Oxigen → Oxid de aluminiu (Al₂O₃)

Fier + Oxigen → Oxid de fier (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

Aceste reacții eliberează multă căldură – și tocmai această energie este cea pe care se dorește să o utilizeze ca formă de stocare.

Hidrogenul (H₂) este un purtător de energie bine cunoscut astăzi, dar este dificil de stocat și transportat.

Combustibilii metalici sunt considerați o alternativă deoarece:

◾️ sunt foarte bogate în energie,

◾️ ușor transportabil (solid, nevolatil),

◾️ sunt reutilizabile – oxizii pot fi reciclați și reduși la metal, adesea folosind energie electrică regenerabilă.

Unele concepte folosesc chiar hidrogen pentru a transforma metalul oxidat înapoi în metal pur.

Fizica stocării energiei metalice

Principiul de bază al combustibililor metalici se bazează pe o elegantă reversibilitate chimică. Metale precum aluminiul, fierul sau siliciul pot fi încărcate cu energie electrică într-un proces de reducere, în timpul căruia oxigenul este eliberat din formele lor de oxid. Metalele pure rezultate acționează ca dispozitive de stocare a energiei la un nivel ridicat de comprimare. Când este nevoie, acest proces este inversat. Metalul reacționează cu apa sau aburul, producând hidrogen și căldură. Hidrogenul poate fi utilizat în pile de combustie pentru a genera electricitate, în timp ce căldura poate fi introdusă direct în sistemele de încălzire.

Densitatea energetică distinge fundamental combustibilii metalici de alternativele gazoase. Aluminiul atinge o densitate energetică teoretică de peste opt kilowați-oră pe kilogram și o densitate volumetrică de peste douăzeci și trei de kilowați-oră pe litru. Chiar și hidrogenul comprimat la presiune înaltă, la șapte sute de bari, atinge volumetric doar aproximativ un kilowați-oră pe litru. Un litru de fier ar putea alimenta o gospodărie germană medie cu energie pentru mai mult de opt ore, în timp ce un litru de hidrogen extrem de comprimat nu ar ajunge nici măcar o oră.

Aceste proprietăți fizice au consecințe practice de amploare. Pulberile sau granulele metalice pot fi depozitate și transportate la temperatura camerei și presiune normală. Nu sunt necesare nici rezervoare de înaltă presiune scumpe, nici tehnologii complexe de răcire. Cerințele de siguranță sunt comparabile cu cele ale materialelor vrac convenționale. Riscurile de explozie, cum ar fi cele asociate cu praful metalic fin, sunt evitate prin utilizarea de granule mai mari. Institutul Elvețian SPF pentru Tehnologie Solară de la OST, de exemplu, lucrează cu granule de sârmă de aluminiu 6060, care sunt disponibile comercial și nu necesită măsuri speciale de siguranță.

O comparație a candidaților materiali

Aluminiul este considerat cel mai promițător candidat dintre combustibilii metalici. Cu densitatea sa energetică ridicată, teoretic de peste opt kilowați-oră pe kilogram, acesta depășește semnificativ toate celelalte metale netoxice. Când reacționează cu apa, aproximativ cincizeci la sută din energia stocată este eliberată sub formă de căldură și cincizeci la sută sub formă de hidrogen. Acesta din urmă poate fi transformat în electricitate într-o celulă de combustie cu o eficiență de cincizeci la sută, rezultând un raport global de aproximativ șaptezeci și cinci la sută căldură și douăzeci și cinci la sută electricitate. Această combinație este ideală pentru sistemele energetice ale clădirilor, unde predomină de obicei cererea de căldură.

Provocarea aluminiului constă în producția sa energetică intensivă. Sunt necesari aproximativ treisprezece până la șaptesprezece kilowați-oră de energie electrică per kilogram de aluminiu primar. Utilizarea energiei pe bază de cărbune în acest proces generează până la douăzeci de kilograme de dioxid de carbon per kilogram de aluminiu. Chiar și atunci când se utilizează energie regenerabilă, procesul convențional Hall-Héroult eliberează încă aproximativ o tonă și jumătate de dioxid de carbon per tonă de aluminiu, deoarece anozii de carbon sunt consumați și reacționează pentru a forma dioxid de carbon.

Aici intervine inovația. În cadrul proiectului european de cercetare REVEAL, oamenii de știință conduși de OST dezvoltă un proces de producție a aluminiului complet fără dioxid de carbon, utilizând așa-numiții anozi inerți. Acești anozi constau din aliaje metalice care nu sunt consumate în timpul procesului de electroliză și eliberează oxigen pur în loc de dioxid de carbon. Partenerul islandez IceTec lucrează în paralel la implementarea industrială a acestei tehnologii, utilizând energie geotermală și hidroelectrică ușor disponibilă. Companii germane precum Trimet impulsionează, de asemenea, dezvoltarea și au pus deja în funcțiune instalații demonstrative.

Fierul se prezintă ca o alternativă pragmatică. Cu o densitate energetică de aproximativ 0,2 până la 0,3 kilowați-oră pe kilogram, este semnificativ mai mic decât aluminiul, dar rămâne totuși competitiv cu multe alte tehnologii de stocare. Avantajul decisiv al fierului este disponibilitatea și costul său redus. Fiind al patrulea element cel mai abundent din scoarța terestră, minereul de fier este disponibil în cantități practic nelimitate, fără a afecta substanțial prețurile pieței globale.

Reacția fierului cu apa produce foarte puțină căldură. Toată energia stocată este transferată hidrogenului produs, care poate fi apoi transformat în electricitate cu o eficiență de aproximativ cincizeci la sută. Acest raport face ca fierul să fie deosebit de atractiv pentru aplicațiile în care cererea de electricitate este primordială. Grupul de cercetare condus de profesorul Wendelin Stark de la ETH Zurich operează o instalație pilot în campusul Hönggerberg care stochează sezonier hidrogenul folosind oxid de fier. Această tehnologie este considerată de aproximativ zece ori mai ieftină decât stocarea convențională a hidrogenului.

Reducerea directă cu hidrogen verde este deja implementată industrial pentru producția de fier. Companii precum ArcelorMittal și thyssenkrupp lucrează la tranziția către producția de oțel pe bază de hidrogen. Această tehnologie poate fi utilizată direct pentru stocarea energiei. Nivelul său de maturitate este între șase și șapte pe o scară de nouă, apropiindu-se astfel de pregătirea pentru piață. Instalațiile pot fi operate la presiune normală și la aproximativ 800 de grade Celsius, ceea ce limitează complexitatea tehnică.

Siliciul reprezintă o a treia opțiune. Acesta combină densitatea energetică ridicată, similară aluminiului, cu o bună disponibilitate. Fiind al doilea element ca abundență în scoarța terestră după oxigen, practic nu există constrângeri de resurse. Tehnologia de producție este bine stabilită datorită industriei solare. Cu toate acestea, cercetarea asupra siliciului ca mediu de stocare a energiei este mai puțin avansată decât în ​​cazul aluminiului și fierului. TU Darmstadt investighează siliciul în cadrul proiectului A-STEAM, dar probabil va mai trece câțiva ani până când acesta va fi utilizat în aplicații industriale.

Economia transformării

Viabilitatea economică a combustibililor metalici depinde în mod crucial de costurile de producție ale extracției metalelor fără carbon. La un preț convențional al aluminiului de aproximativ 2.650 de dolari pe tonă, în 2035 ar apărea costuri suplimentare de aproximativ 400 de dolari dacă tehnologia anozilor inerți este implementată industrial. Pe termen lung, se așteaptă ca costurile să se stabilizeze la nivelul din 2020, deși cu un primă de aproximativ 300 de dolari față de o continuare ipotetică a producției convenționale.

Aceste costuri suplimentare sunt însă puse în perspectivă în contextul general. Investițiile în decarbonizarea industriei aluminiului sunt estimate la aproximativ un trilion de dolari, din care aproximativ jumătate sunt alocați pentru furnizarea de energie cu emisii reduse. Două sute de miliarde de dolari sunt bugetate pentru anozi cu emisii reduse de carbon. Dar aceste investiții pun simultan bazele unei piețe complet noi de stocare a energiei, care se extinde mult dincolo de utilizarea tradițională a aluminiului.

Eficiența generală a conversiei energiei electrice regenerabile înapoi în electricitate și căldură prin stocare metalică variază de la cincizeci la șaizeci la sută pentru toate cele trei metale. Această valoare pare inițial scăzută în comparație cu bateriile litiu-ion cu eficiențe de optzeci și cinci până la nouăzeci și cinci la sută. Cu toate acestea, mai mulți factori trebuie luați în considerare în evaluare. În primul rând, comparația este relevantă doar pentru aplicațiile cu durate de stocare comparabile. Bateriile sunt potrivite pentru ore până la câteva zile, în timp ce combustibilii metalici sunt potriviți pentru luni până la ani. Costul per kilowatt-oră stocat crește dramatic pentru bateriile cu o durată de stocare crescândă, deoarece costurile de investiție sunt distribuite pe mai puține cicluri.

În al doilea rând, căldura trebuie luată în considerare ca o sursă de energie complet utilizabilă. În clădirile cu nevoi de încălzire, un sistem cu 75% căldură și 25% electricitate este potențial mai ideal decât electricitatea pură, care trebuie mai întâi transformată printr-o pompă de căldură. Cercetătorii elvețieni anticipează costuri cu electricitatea și încălzirea de aproximativ 20 de cenți pe kilowatt-oră în timpul iernii, provenite de la sistemele de stocare din aluminiu. Acest lucru ar fi competitiv cu multe opțiuni alternative de furnizare a energiei.

Transformarea energiei electrice în gaz cu hidrogen atinge o eficiență de doar 30 până la 40% atunci când este pur și simplu reconvertită la electricitate fără utilizare de căldură. Cu metanizarea, aceasta scade la aproximativ 33%. Numai cu o cogenerare optimizată și o utilizare consistentă a căldurii reziduale se pot obține eficiențe de peste 80%, bazate pe puterea calorică mai mare. În practică, însă, aceste valori sunt rareori atinse. În plus, stocarea și transportul hidrogenului implică costuri considerabile. Cavernele subterane de sare sunt fezabile doar în locații adecvate din punct de vedere geologic. Pentru țări precum Elveția, fără astfel de formațiuni, rămân ca opțiuni doar rezervoarele supraterane costisitoare sau importurile.

Costurile de stocare ale diferitelor tehnologii variază semnificativ. Sistemele sezoniere de stocare a energiei termice costă între 25 și 400 de franci elvețieni pe megawatt-oră de energie stocată. Pentru energia electrică, costurile centralelor electrice cu pompare sunt de aproximativ 100 de franci pe megawatt-oră, dar cresc de peste zece ori pentru alte sisteme sezoniere de stocare a energiei. Bateriile litiu-ion costă în prezent între 400 și 1.000 de euro pe kilowatt-oră de capacitate de stocare. Deși aceste prețuri au scăzut drastic, ele rămân prohibitiv de scumpe pentru stocarea sezonieră.

Centralele electrice cu acumulare prin pompare funcționează excepțional de bine pentru cicluri zilnice și săptămânale, atingând eficiențe de 70 până la 85%. Cu toate acestea, pentru stocarea sezonieră cu un singur ciclu pe an, costurile cresc la peste doi euro pe kilowatt-oră de energie electrică suplimentară. Limitările geografice ale locațiilor adecvate restricționează și mai mult potențialul de extindere. Într-o economie complet în tranziție către energii regenerabile, capacitățile existente de stocare prin pompare ar fi departe de a fi suficiente.

Integrarea sistemelor și cuplarea sectoarelor

Punctul forte al combustibililor metalici constă în integrarea lor perfectă în conceptul de cuplare a sectoarelor. Acest termen descrie legătura dintre sectoarele tradițional separate de electricitate, căldură și mobilitate. Deși tranziția către energia regenerabilă în sectorul energiei electrice este deja bine avansată, furnizarea de căldură și transportul rămân puternic dependente de combustibilii fosili. Europa cheltuiește anual peste trei sute de miliarde de euro pentru importurile de cărbune, petrol și gaze - bani pe care îi pierde propria economie.

Combustibilii metalici permit cuplarea flexibilă a sectoarelor. Vara, surplusul de energie electrică fotovoltaică este utilizat pentru a reduce oxizii metalici. Metalul rezultat este stocat. Iarna, are loc oxidarea, producând căldură și hidrogen. Căldura curge direct în sistemul de încălzire, ideal cuplat cu o pompă de căldură, ceea ce crește eficiența la temperaturi mai blânde. Hidrogenul este transformat în electricitate într-o celulă de combustie, iar căldura reziduală din acest proces este apoi reintrodusă în sistemul de încălzire.

Această combinație abordează cu precizie problema centrală a sistemelor energetice europene. În Germania, cererea de încălzire reprezintă aproximativ jumătate din consumul final total de energie. O parte semnificativă a acesteia este concentrată în lunile de iarnă. Un sistem de stocare care furnizează în principal căldură, generând în același timp cantități substanțiale de energie electrică, răspunde perfect acestui profil de cerere. Universitatea de Științe Aplicate și Arte din Lucerna a calculat că izolarea consistentă a clădirilor rezidențiale, combinată cu pompe de căldură, ar putea elimina practic deficitul de energie electrică din Elveția pe timp de iarnă. În combinație cu sistemele de stocare metalice, un astfel de sistem ar utiliza optim surplusul de energie electrică de vară și ar asigura o aprovizionare fiabilă pe timp de iarnă.

Conform modelului cercetătorilor elvețieni, echiparea tuturor clădirilor multifamiliale cu sisteme de stocare metalice ar putea reduce semnificativ deficitul de energie electrică estimat în timpul iernii, de opt terawați-oră, până în 2050. Echiparea a doar jumătate din totalul clădirilor multifamiliale ar contribui cu câțiva terawați-oră. Structura descentralizată a acestei soluții evită măsurile costisitoare de extindere a rețelei și crește securitatea aprovizionării prin redundanță.

Apar noi perspective pentru aplicații industriale. Căldura de proces reprezintă o parte semnificativă a cererii de energie industrială. Electrificarea directă folosind pompe de căldură, cazane cu electrozi sau încălzire prin rezistență este fezabilă din punct de vedere tehnic și deja disponibilă pentru multe intervale de temperatură. Cu toate acestea, combustibilii metalici pot oferi o soluție, în special pentru procesele la temperaturi ridicate și stabilitatea sarcinii de bază. Arderea pulberii de fier poate atinge temperaturi care depășesc 1.800 de grade Celsius, suficiente pentru multe procese industriale.

Centralele electrice pe cărbune convertite ar putea funcționa cu pulberi metalice. Infrastructura existentă pentru ardere, circulația aburului și generarea de energie electrică ar putea fi utilizată pe scară largă. Oxidul metalic rezultat ar fi colectat și transportat către instalații cu energie regenerabilă din belșug pentru reducere. Această abordare ar utiliza instalațiile existente, ar păstra locurile de muncă și, în același timp, ar contribui la decarbonizare. Universitatea Tehnică din Darmstadt investighează acest concept în cadrul Inițiativei sale „Cercuri Curate”.

Domenii de interes industrial: B2B, digitalizare (de la IA la XR), inginerie mecanică, logistică, energii regenerabile și industrie

Mai multe informații aici:

• Centru de afaceri de experți

Un centru tematic care oferă perspective și expertiză:

• Platformă de cunoștințe care acoperă economiile globale și regionale, inovația și tendințele specifice industriei
• O colecție de analize, perspective și informații generale din principalele noastre domenii de interes
• Un loc pentru expertiză și informații despre evoluțiile actuale din afaceri și tehnologie
• Un hub pentru companiile care caută informații despre piețe, digitalizare și inovații industriale

Maturitatea tehnologică și perspectivele de dezvoltare

Maturitatea tehnologică a diferitelor componente diferă considerabil. Oxidarea metalelor pentru eliberarea de energie este cunoscută de mult timp și este deja utilizată în aplicații specializate. Particulele de aluminiu și fier sunt utilizate în rachetele de propulsie Ariane, în artificii și în alte aplicații pirotehnice. Prin urmare, procesele chimice fundamentale sunt stăpânite și înțelese.

Reacția controlată cu apă sau abur la temperaturi moderate pentru producerea de căldură și hidrogen se află în prezent în faza pilot. Institutul SPF pentru Tehnologie Solară din Rapperswil a comandat un prototip dezvoltat în cadrul proiectului REVEAL. Odată operațional, acest prototip va demonstra cum se poate produce căldură și electricitate pentru clădiri din aluminiu prin procese chimice. Energia produsă poate fi utilizată pentru alimentarea clădirilor și a instalațiilor industriale sau poate fi introdusă în rețelele de încălzire centralizată.

ETH Zurich operează o instalație pilot pentru stocarea hidrogenului pe bază de fier în campusul său Hönggerberg. Trei rezervoare din oțel inoxidabil, fiecare conținând 600 de kilograme de oxid de fier, pot stoca aproximativ zece megawați-oră de hidrogen pe termen lung. Aceasta generează între patru și șase megawați-oră de electricitate, în funcție de tehnologia de conversie. Instalația funcționează din 2024 și este programată să se extindă până în 2026 pentru a acoperi o cincime din necesarul de energie electrică al campusului pe timpul iernii cu energie solară stocată sezonier. Extinderea până la o mie de tone de oxid de fier ar putea furniza doi gigawați-oră de electricitate, comparabil cu o zecime din capacitatea centralei electrice cu acumulare prin pompare Nant de Drance.

Cea mai mare provocare tehnologică constă în producția de metale fără carbon. Pentru fier, reducerea directă folosind hidrogen verde a fost deja dovedită industrial. Mai multe companii siderurgice construiesc în prezent instalații demonstrative și planifică o tranziție treptată până în 2030-2040. Tehnologia are un nivel de maturitate de aproximativ șapte până la opt pe o scară de nouă și, prin urmare, se apropie de disponibilitatea comercială.

Tehnologia anozilor inerți este pe cale să înregistreze un progres în industria aluminiului. Trimet din Essen operează o instalație demonstrativă în condiții de producție din 2024. Compania anticipează implementarea industrială până în 2040 și neutralitatea climatică până în 2045. Corporații internaționale precum Norsk Hydro și Rio Tinto investesc, de asemenea, masiv în această tehnologie. Apple a achiziționat deja primul transport de aluminiu de la o instalație pilot cu anozi inerți pentru utilizare în smartphone-uri. Acest lucru demonstrează interesul comercial și credibilitatea tehnologiei.

Scalarea rămâne un factor critic. Producția anuală globală de aluminiu este de aproximativ șaptezeci de milioane de tone, în timp ce producția de oțel este de aproape două miliarde de tone. Ar fi necesară o capacitate de producție suplimentară pentru a aduce o contribuție semnificativă la stocarea sezonieră a energiei. Cu toate acestea, acest lucru nu ar destabiliza neapărat piețele de mărfuri. Aluminiul și fierul se numără printre cele mai abundente elemente din scoarța terestră. Resursele lor sunt practic nelimitate. Producția ar fi limitată în principal de disponibilitatea energiei regenerabile la prețuri accesibile.

Tocmai aici se află o oportunitate crucială. Regiunile cu condiții excelente pentru energia regenerabilă, dar cu o cerere locală scăzută, ar putea deveni producători de metale. Islanda, cu energia sa geotermală și hidroelectrică, Africa de Nord, cu soarele său intens, sau Patagonia, cu resursele sale eoliene, ar putea produce metale pentru export la scară largă. Transportul este simplu și sigur. Navele container pot transporta granule metalice în condiții normale, fără riscurile și costurile asociate cu hidrogenul lichid sau gazul natural lichefiat.

Regândirea fluxurilor globale de energie

Internaționalizarea aprovizionării cu energie prin intermediul purtătorilor de energie metalici ar modifica fundamental fluxurile comerciale globale. Europa cheltuiește anual peste trei sute de miliarde de euro pentru importurile de combustibili fosili. Numai Germania cheltuiește între optzeci și o sută treizeci de miliarde de euro. Aceste sume enorme se îndreaptă în mare parte către țări cu regimuri autoritare ale căror politici contrazic adesea valorile europene. Finanțarea acestor importuri contribuie la instabilitatea geopolitică și face Europa vulnerabilă la șantaj, așa cum au demonstrat dureros recentele crize energetice.

O tranziție către purtători de energie metalici ar putea rezolva aceste dependențe, permițând în același timp noi parteneriate. Țările cu resurse regenerabile abundente, dar cu industrializare internă limitată, ar dobândi o perspectivă valoroasă la export. Marocul, cu potențialul său solar; Chile, cu capacitatea sa eoliană și geotermală; sau Australia, cu vasta sa suprafață terestră potrivită pentru energia regenerabilă, ar putea deveni producători de metale. Aceste țări sunt predominant democrații și împărtășesc valori fundamentale cu Europa. Importurile de energie ar contribui astfel la finanțarea dezvoltării, mai degrabă decât la sprijinirea autocrațiilor.

Economia circulară a combustibililor metalici diferă fundamental de cea a combustibililor fosili. Cărbunele, petrolul și gazele sunt arse ireversibil și transformate în gaze cu efect de seră. Metalele, pe de altă parte, circulă într-un circuit închis. Metalul oxidat este transportat înapoi la instalația de reducere și reîncărcat. Acest ciclu poate fi teoretic repetat de un număr nelimitat de ori fără nicio pierdere sau degradare materială. Cercetătorii de la ETH Zurich au observat chiar că capacitatea de stocare a reactoarelor lor de fier crește ușor cu fiecare ciclu.

Această abordare circulară are implicații economice de amploare. Investiția în producția de metal se amortizează pe parcursul a numeroase cicluri. Spre deosebire de baterii, a căror capacitate scade cu fiecare ciclu, sistemele de stocare metalice rămân utilizabile pe termen nelimitat. Deși investițiile inițiale în instalațiile de reducere și oxidare, precum și în metalul în sine, pot fi substanțiale, de-a lungul deceniilor costurile per kilowatt-oră stocat devin competitive.

Calculele modelului cercetătorilor elvețieni presupun costuri de aproximativ douăzeci de cenți pe kilowatt-oră pentru electricitatea și căldura dintr-un sistem de stocare din aluminiu. Aceasta este în concordanță cu costurile de producție ale energiilor regenerabile și semnificativ sub costurile pentru electricitatea la sarcină maximă în lunile de iarnă. Odată cu creșterea maturității tehnologice și a scalării, se așteaptă ca costurile să scadă și mai mult. Istoria fotovoltaicelor și a energiei eoliene demonstrează cât de dramatice pot fi reducerile de costuri datorită efectelor curbei de învățare.

Riscuri și provocări

În ciuda potențialului său promițător, rămân provocări și riscuri semnificative. Dezvoltarea tehnologică nu este încă finalizată. În special, producția de aluminiu fără dioxid de carbon folosind anozi inerți abia începe să treacă la implementarea industrială. Numeroase încercări anterioare de a stabili această tehnologie au eșuat. Anodul inert are reputația de a fi mereu în pragul finalizării, fără a realiza vreodată un progres.

Costurile crescute ale energiei electrice reprezintă o problemă. Anozii inerți nu numai că nu eliberează dioxid de carbon, dar nici nu furnizează energie de proces precum anozii de carbon. Prin urmare, cererea de energie electrică per tonă de aluminiu crește. Având în vedere costurile deja ridicate ale energiei în Europa, acest lucru ar putea afecta competitivitatea. Producția de aluminiu s-ar putea muta în continuare către regiuni cu energie deosebit de ieftină, în timp ce Europa ar deveni un simplu importator.

Concurența pentru energia regenerabilă se intensifică. Numeroase sectoare aspiră la electrificare. Industria are nevoie de hidrogen verde pentru procesele chimice și producția de oțel. Transporturile devin electrificate cu milioane de vehicule electrice. Infrastructurile digitale, cu centrele lor de date, consumă cantități din ce în ce mai mari de energie electrică. În acest mediu competitiv, soluțiile de stocare metalică trebuie să își dovedească în continuare superioritatea economică.

Cerințele de infrastructură sunt considerabile. Ar fi necesare milioane de sisteme de stocare descentralizate sau instalații centralizate mari pentru a aduce o contribuție semnificativă la aprovizionarea cu energie pe timp de iarnă. Construirea acestei infrastructuri necesită timp, capital și voință politică. Perioadele de amortizare pentru astfel de sisteme s-ar putea întinde pe decenii, ceea ce ar putea descuraja investitorii privați. Subvențiile guvernamentale și stimulentele de reglementare ar fi probabil necesare.

Impactul asupra mediului al producției masive de metal expandat trebuie examinat critic. Chiar dacă procesul de producție este neutru din punct de vedere al emisiilor de carbon, acesta consumă cantități enorme de electricitate. Această electricitate, pe lângă toate celelalte nevoi energetice, trebuie să provină din surse regenerabile. Terenul necesar pentru centralele eoliene și solare necesare este considerabil. În plus, extracția bauxitei pentru aluminiu necesită minerit la scară largă, cu consecințele ecologice și sociale asociate.

Acceptarea publică a noilor tehnologii energetice este fragilă. Fiecare instalație industrială la scară largă se confruntă cu rezistență locală. Construcția de turbine eoliene, parcuri solare și linii electrice este în mod regulat amânată sau împiedicată de inițiative cetățenești. Instalațiile de reducere a metalelor, care funcționează la temperaturi ridicate și consumă cantități semnificative de energie electrică, s-ar putea confrunta cu o rezistență similară. Comunicarea transparentă cu privire la beneficii, riscuri și impact asupra mediului este esențială.

Perspective strategice pentru Europa

Pentru Europa, dezvoltarea combustibililor metalici oferă o oportunitate strategică de a stabili o poziție de lider tehnologic pe o piață viitoare. Instituțiile de cercetare elvețiene și germane se numără printre instituțiile de top din lume în acest domeniu. Proiectul REVEAL reunește parteneri europeni de top. Expertiza industrială în metalurgie, inginerie chimică a proceselor și integrare a sistemelor energetice este ușor disponibilă în Europa.

O strategie europeană coordonată ar putea include mai multe elemente. În primul rând, continuarea și intensificarea finanțării cercetării. Investițiile anterioare au permis progrese considerabile. Creșterea finanțării ar extinde avansul tehnologic. În al doilea rând, crearea de stimulente de reglementare pentru intrarea pe piață. Tarifele de rambursare sau granturile pentru investiții ar putea motiva adoptarea timpurie a energiei.

În al treilea rând, integrarea în strategia europeană privind infrastructura energetică. Rețelele de hidrogen planificate ar putea fi extinse pentru a putea include și vectori de energie metalici. Infrastructura de gaze existentă ar putea fi parțial reutilizată. În al patrulea rând, cooperarea internațională cu țări care oferă condiții ideale pentru producția de metale. Parteneriatele de dezvoltare cu țările nord-africane, investițiile în capacitățile de producție din America de Sud sau transferul de tehnologie către Asia ar putea crea situații reciproc avantajoase.

Dimensiunea geopolitică nu ar trebui subestimată. Dependența redusă de importurile de combustibili fosili crește semnificativ libertatea de acțiune politică a Europei. Capacitatea de a asigura aprovizionarea cu energie pe timp de iarnă din surse interne sau internaționale fiabile consolidează rezistența la șocurile externe. Diversificarea surselor de energie și a lanțurilor de aprovizionare reduce potențialul de șantaj din partea regimurilor autoritare.

În același timp, apar noi dependențe. Europa ar putea deveni dependentă de importurile de metale, similar dependenței sale actuale de combustibilii fosili. Diferența constă în reversibilitatea și circularitatea metalelor. Acestea pot fi reciclate și reutilizate. Acest lucru evită penuria existențială observată în cazul resurselor fosile finite. În plus, producția ar putea, în principiu, să fie localizată în Europa, cu condiția să existe suficientă energie regenerabilă și accesibilă ca preț.

Viitorul stocării energiei

Combustibilii metalici nu vor fi singura soluție la provocările tranziției energetice. Mai degrabă, aceștia vor face parte dintr-un portofoliu diversificat de tehnologii de stocare. Bateriile litiu-ion își vor păstra puterea pe termen scurt, de la ore la zile. Centralele hidroelectrice cu pompare vor rămâne indispensabile pentru stabilizarea rețelei și echilibrarea fluctuațiilor zilnice și săptămânale. Hidrogenul va fi necesar în industrie ca gaz de proces și agent reducător.

Combustibilii metalici au o nișă specifică în stocarea sezonieră pe termen lung, în principal pentru furnizarea de căldură. Aici, aceștia combină avantajele densității energetice ridicate, ușurinței în manipulare, materiilor prime ieftine și cuplării eficiente între sectoare. Această combinație îi face superiori altor tehnologii. Dezvoltările ulterioare vor arăta dacă și cât de repede pot fi realizate aceste avantaje teoretice în practică.

Următorii ani vor fi cruciali. Mai multe instalații pilot sunt în prezent operaționale sau în construcție. Experiența acumulată în urma acestor proiecte va dezvălui dacă așteptările tehnice și economice sunt îndeplinite. Dezvoltarea tehnologiei anozilor inerți va determina dacă producția de aluminiu fără dioxid de carbon va deveni într-adevăr posibilă la scară largă. Disponibilitatea industriei și a factorilor de decizie politică de a investi în această tehnologie va defini intervalul de timp.

Integrarea sistemelor de stocare metalică în sistemele energetice existente necesită nu doar inovare tehnologică, ci și inovare în materie de reglementare și de piață. Trebuie dezvoltate noi modele de afaceri care să țină cont de caracteristicile specifice ale stocării metalice. Sunt necesare contracte pe termen lung între producători, operatori de stocare și furnizori de energie pentru a asigura securitatea investițiilor. Evaluarea beneficiilor legate de climă și energie trebuie să se reflecte în prețuri de piață adecvate sau în mecanisme de sprijin.

Dezbaterea publică privind stocarea energiei trebuie extinsă. Prea mult timp, discuția s-a concentrat unilateral pe hidrogen ca o presupusă soluție universală. Realitatea este mai complexă. Aplicații diferite necesită soluții diferite. Combustibilii metalici merită un loc important în acest peisaj. Avantajele lor sunt prea semnificative pentru a fi ignorate. Potențialul lor este prea mare pentru a rămâne neexploatat.

Transformarea sistemului energetic este una dintre cele mai mari provocări tehnologice și economice ale acestui secol. Aceasta necesită curajul de a inova, dorința de a investi și deschidere către noi soluții. Combustibilii metalici oferă o astfel de soluție. Sunt mai mult decât o simplă curiozitate interesantă de laborator. Ar putea deveni un factor de schimbare pentru stocarea sezonieră a energiei, o piatră de temelie pentru rezolvarea deficitului de energie electrică din timpul iernii și o cale către independența energetică. Sunt o alternativă care nu înlocuiește hidrogenul, dar îl completează eficient și îl depășește în anumite aplicații. Dezvoltarea ulterioară merită atenție, sprijin și o analiză critică. Anii următori vor arăta dacă combustibilii metalici își pot îndeplini promisiunea.

Xpert.Digital deține cunoștințe aprofundate în diverse industrii. Acest lucru ne permite să dezvoltăm strategii personalizate, aliniate cu precizie cerințelor și provocărilor segmentului dumneavoastră specific de piață. Prin analiza continuă a tendințelor pieței și monitorizarea evoluțiilor din industrie, putem acționa proactiv și oferi soluții inovatoare. Combinația dintre experiență și expertiză generează valoare adăugată și oferă clienților noștri un avantaj competitiv decisiv.

Mai multe informații aici:

• Beneficiați de cele 5 domenii de expertiză ale Xpert.Digital într-un singur pachet – începând de la doar 500 €/lună

☑️ Limba noastră de afaceri este engleza sau germana

☑️ NOU: Corespondență în limba ta maternă!

 

Eu și echipa mea suntem bucuroși să vă fim la dispoziție în calitate de consilier personal.

Mă puteți contacta completând formularul de contact de aici sau pur și simplu sunându-mă la +49 89 89 674 804 ( München) . Adresa mea de e-mail este: wolfenstein@xpert.digital

Aștept cu nerăbdare proiectul nostru comun.

 

 

☑️ Suport pentru IMM-uri în strategie, consultanță, planificare și implementare

☑️ Crearea sau realinierea strategiei digitale și a digitalizării

☑️ Extinderea și optimizarea proceselor de vânzări internaționale

☑️ Platforme de tranzacționare B2B globale și digitale

☑️ Dezvoltare Afaceri Pioneer / Marketing / PR / Târguri Comerciale