Металеве паливо як накопичувач енергії майбутнього? Коли алюміній та залізо витіснить водень.

Рішення зимової дефіциту електроенергії? Дослідники створюють батарею майбутнього з металевого порошку – один літр заліза на 8 годин роботи: недооцінена революція в накопиченні енергії.

Енергетичний перехід стикається з парадоксальним викликом: хоча сонячні електростанції виробляють надлишок чистої електроенергії влітку, частина якої залишається невикористаною, значний дефіцит електроенергії загрожує в темні та холодні зимові місяці. Цей сезонний дисбаланс є однією з найпостійніших перешкод на шляху до кліматичної нейтральності та продовжує змушувати Європу дорого залежно від імпорту викопного палива. Хоча громадські дебати часто зосереджуються на водні як панацеї, потенційно краща альтернатива дозріває в тіні досліджень: зберігання енергії в металевих паливах, таких як алюміній та залізо.

Ця, здавалося б, незвичайна ідея, при детальнішому розгляді виявляється геніально простим і надійним рішенням. Принцип базується на оборотному хімічному циклі: надлишок літньої електроенергії використовується для відновлення оксидів металів до чистих металів, які служать надзвичайно щільними та безпечними носіями енергії. За потреби ці метали контрольовано реагують з водою, одночасно вивільняючи корисне тепло та водень, який потім перетворюється назад на електрику.

Фізичні переваги вражають: один літр алюмінію зберігає приблизно в 23 рази більше енергії об'ємно, ніж високостиснутий водень. Металевий порошок або гранули можна безпечно зберігати та транспортувати за кімнатної температури та нормального тиску – без дорогих резервуарів високого тиску або кріогенного охолодження. Це означає, що металеве паливо може не лише революціонізувати сезонне зберігання енергії для будівель та промисловості, але й реорганізувати глобальні енергетичні потоки та прокласти шлях для Європи до позбавлення від геополітичної енергетичної залежності. Пілотні проекти у Швейцарії та Німеччині вже демонструють, що ця технологія – це набагато більше, ніж просто лабораторна ідея – вона може стати вирішальним, раніше відсутнім компонентом для безпечного та повністю відновлюваного енергопостачання.

Підходить для цього:

• OST Research – Східношвейцарський університет прикладних наук | Металеве паливо як енергоносії та постачальники

Швейцарський геніальний хід: Як непомітний металевий гранулят може покласти край нашій енергетичній залежності

Проблема сезонного накопичення енергії є однією з найперших проблем енергетичного переходу. Хоча літній надлишок фотоелектричної електроенергії в Європі постійно зростає, саме цієї енергії бракує в темні зимові місяці. Металеві види палива, такі як алюміній і залізо, обіцяють рішення, яке перевершує більш поширений водень за ключовими параметрами та може фундаментально змінити енергетичний сектор.

Європа стикається з фундаментальною енергетичною проблемою. Тільки Швейцарія очікує зимового дефіциту електроенергії приблизно на вісім-десять терават-годин до 2050 року, незважаючи на масове розширення фотоелектричних систем. Німеччина та весь Європейський Союз стикаються з аналогічною структурною проблемою. У той час як виробництво сонячної енергії створює надлишкові потужності влітку, деякі з яких доводиться скорочувати, взимку спостерігається явний дефіцит. Ця сезонна невідповідність посилюється з кожною додатковою сонячною панеллю, встановленою на європейських дахах та відкритих просторах. Водночас, зростаюча електрифікація опалення та транспорту робить попит на електроенергію, особливо в холодні місяці, ще більш критичним.

Енергетична залежність Європи від імпорту викопного палива підкреслює нагальну потребу в стійких рішеннях для зберігання енергії. Німеччина щорічно перераховує від 80 до 130 мільярдів євро за вугілля, нафту та газ за кордон, тоді як Європейський Союз в цілому перераховує понад 300 мільярдів євро. Ці величезні суми виводяться з країни замість того, щоб інвестуватися у внутрішню інфраструктуру та майбутні технології. Крім того, геополітичні потрясіння останніх років болісно продемонстрували ризики, пов'язані з цією залежністю.

Металеві палива, такі як алюміній та залізо, потребують кисню (O₂) для вивільнення енергії. Реакція подібна до горіння, але часто протікає у формі окислення, наприклад:

Алюміній + Кисень → Оксид алюмінію (Al₂O₃)

Залізо + Кисень → Оксид заліза (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)

Ці реакції вивільняють багато тепла – і саме цю енергію потрібно використовувати як форму зберігання.

Водень (H₂) сьогодні є добре відомим енергоносієм, але його важко зберігати та транспортувати.

Металеве паливо вважається альтернативою, оскільки воно:

◾️ дуже багаті на енергію,

◾️ легко транспортується (твердий, не леткий),

◾️ є багаторазовими – оксиди можна переробляти та відновлювати назад до металу, часто використовуючи відновлювану електроенергію.

Деякі концепції навіть використовують водень для перетворення окисленого металу назад у чистий метал.

Фізика металевого накопичення енергії

Основний принцип металевих палив базується на елегантній хімічній оборотності. Такі метали, як алюміній, залізо або кремній, можуть бути заряджені електричною енергією в процесі відновлення, під час якого кисень вивільняється з їхніх оксидних форм. Отримані чисті метали діють як високостисні накопичувачі енергії. За потреби цей процес відбувається у зворотному напрямку. Метал реагує з водою або парою, виробляючи водень і тепло. Водень можна використовувати в паливних елементах для виробництва електроенергії, а тепло можна подавати безпосередньо в системи опалення.

Густина енергії принципово відрізняє металеве паливо від газоподібних альтернатив. Алюміній досягає теоретичної густини енергії понад вісім кіловат-годин на кілограм та об'ємної густини понад двадцять три кіловат-години на літр. Навіть водень, стиснутий під високим тиском при семистах барах, досягає лише близько одного кіловат-години на літр об'ємно. Один літр заліза може забезпечити енергією середню німецьку сім'ю більше восьми годин, тоді як одного літра сильно стисненого водню не вистачить навіть на одну годину.

Ці фізичні властивості мають далекосяжні практичні наслідки. Металеві порошки або гранули можна зберігати та транспортувати за кімнатної температури та нормального тиску. Не потрібні ні дорогі резервуари високого тиску, ні складна технологія охолодження. Вимоги безпеки порівнянні з вимогами до звичайних сипучих матеріалів. Використовуючи більші гранули, можна уникнути небезпеки вибуху, такої як пов'язана з дрібним металевим пилом. Наприклад, Швейцарський інститут сонячних технологій SPF при OST працює з гранулами алюмінієвого дроту 6060, які є комерційно доступними та не потребують спеціальних запобіжних заходів.

Порівняння матеріалів-кандидатів

Алюміній вважається найперспективнішим кандидатом серед металевих видів палива. Завдяки високій щільності енергії, теоретично понад вісім кіловат-годин на кілограм, він значно перевершує всі інші нетоксичні метали. Коли він реагує з водою, приблизно п'ятдесят відсотків накопиченої енергії вивільняється у вигляді тепла, а п'ятдесят відсотків — у вигляді водню. Останній може бути перетворений на електрику в паливному елементі з п'ятдесятивідсотковою ефективністю, що призводить до загального співвідношення приблизно сімдесят п'ять відсотків тепла та двадцять п'ять відсотків електроенергії. Таке поєднання ідеально підходить для енергетичних систем будівель, де зазвичай переважає потреба в теплі.

Проблема з алюмінієм полягає в його енергоємному виробництві. На кілограм первинного алюмінію потрібно приблизно тринадцять-сімнадцять кіловат-годин електроенергії. Використання вугільної енергії в цьому процесі генерує до двадцяти кілограмів вуглекислого газу на кілограм алюмінію. Навіть при використанні відновлюваної енергії традиційний процес Холла-Еру все одно виділяє близько півтори тонни вуглекислого газу на тонну алюмінію, оскільки вугільні аноди витрачаються та реагують з утворенням вуглекислого газу.

Саме тут і проявляються інновації. У рамках європейського дослідницького проєкту REVEAL вчені під керівництвом OST розробляють повністю безвуглекислий процес виробництва алюмінію з використанням так званих інертних анодів. Ці аноди складаються з металевих сплавів, які не споживаються під час процесу електролізу та виділяють чистий кисень замість вуглекислого газу. Ісландський партнер IceTec паралельно працює над промисловим впровадженням цієї технології, використовуючи легкодоступну геотермальну та гідроелектричну енергію. Німецькі компанії, такі як Trimet, також просувають розробку та вже ввели в експлуатацію демонстраційні установки.

Залізо пропонує себе як прагматичну альтернативу. Маючи щільність енергії приблизно від 0,2 до 0,3 кіловат-годин на кілограм, воно значно нижче, ніж алюміній, але все ще залишається конкурентоспроможним з багатьма іншими технологіями зберігання. Вирішальною перевагою заліза є його доступність та низька вартість. Як четвертий за поширеністю елемент у земній корі, залізна руда доступна практично в необмежених кількостях, не впливаючи суттєво на світові ринкові ціни.

Реакція заліза з водою виробляє дуже мало тепла. Вся накопичена енергія передається у вироблений водень, який потім можна перетворити на електроенергію з коефіцієнтом ефективності близько п'ятдесяти відсотків. Таке співвідношення робить залізо особливо привабливим для застосувань, де попит на електроенергію є першочерговим. Дослідницька група під керівництвом професора Венделіна Старка з ETH Zurich експлуатує пілотну установку в кампусі Хьонгерберг, яка сезонно зберігає водень, використовуючи оксид заліза. Ця технологія вважається приблизно в десять разів дешевшою за звичайне зберігання водню.

Пряме відновлення за допомогою зеленого водню вже промислово застосовується для виробництва заліза. Такі компанії, як ArcelorMittal та thyssenkrupp, працюють над переходом на виробництво сталі на основі водню. Цю технологію можна використовувати безпосередньо для накопичення енергії. Її рівень зрілості становить від шести до семи за дев'ятибальною шкалою, що наближає до готовності до виходу на ринок. Заводи можуть працювати за нормального тиску та температури близько 800 градусів Цельсія, що обмежує технічну складність.

Кремній представляє третій варіант. Він поєднує високу щільність енергії, подібну до алюмінію, з гарною доступністю. Як другий за поширеністю елемент у земній корі після кисню, він практично не має обмежень щодо ресурсів. Технологія виробництва добре налагоджена завдяки сонячній енергетиці. Однак дослідження кремнію як середовища накопичення енергії менш просунуті, ніж для алюмінію та заліза. Дармштадтський технічний університет досліджує кремній у рамках проекту A-STEAM, але, ймовірно, пройде кілька років, перш ніж його використовуватимуть у промислових застосуваннях.

Економіка трансформації

Економічна доцільність металевих палив вирішально залежить від виробничих витрат на безвуглецевий видобуток металів. За звичайної ціни на алюміній приблизно 2650 доларів США за тонну, додаткові витрати у розмірі близько 400 доларів США виникнуть у 2035 році, якщо технологія інертних анодів буде впроваджена промислово. У довгостроковій перспективі очікується, що витрати стабілізуються на рівні 2020 року, хоча й з премією приблизно 300 доларів США порівняно з гіпотетичним продовженням традиційного виробництва.

Однак ці додаткові витрати розглядаються в перспективі в загальному контексті. Інвестиції в декарбонізацію алюмінієвої промисловості оцінюються приблизно в один трильйон доларів, з яких приблизно половина призначена для виробництва енергії з низьким рівнем викидів. Двісті мільярдів доларів передбачено в бюджеті на низьковуглецеві аноди. Але ці інвестиції одночасно закладають основу для абсолютно нового ринку накопичення енергії, який виходить далеко за межі традиційного використання алюмінію.

Загальна ефективність перетворення відновлюваної електроенергії назад в електроенергію та тепло за допомогою металевого накопичення коливається від п'ятдесяти до шістдесяти відсотків для всіх трьох металів. Це значення спочатку здається низьким порівняно з літій-іонними батареями з ефективністю від вісімдесяти п'яти до дев'яноста п'яти відсотків. Однак, під час оцінки необхідно враховувати кілька факторів. По-перше, порівняння є актуальним лише для застосувань з порівнянним терміном зберігання. Батареї придатні для використання від кількох годин до кількох днів, тоді як металеве паливо придатне для використання від місяців до років. Вартість кіловат-години зберігання для батарей різко зростає зі збільшенням терміну зберігання, оскільки інвестиційні витрати розподіляються на меншу кількість циклів.

По-друге, тепло необхідно враховувати як повноцінне джерело енергії. У будівлях з потребами опалення система з 75 відсотками тепла та 25 відсотками електроенергії потенційно є більш ідеальною, ніж чиста електроенергія, яку спочатку потрібно перетворити за допомогою теплового насоса. Швейцарські дослідники очікують, що витрати на електроенергію та опалення становитимуть близько 20 центів за кіловат-годину взимку від алюмінієвих систем зберігання енергії. Це буде конкурентоспроможно з багатьма альтернативними варіантами енергопостачання.

Перетворення енергії на газ за допомогою водню досягає ККД лише від 30 до 40 відсотків при простому перетворенні на електроенергію без використання тепла. При метанізації цей показник падає приблизно до 33 відсотків. Тільки за допомогою оптимізованого комбінованого виробництва тепла та електроенергії (ТЕЦ) та послідовного використання відхідного тепла можна досягти ККД понад 80 відсотків, виходячи з вищої теплотворної здатності. Однак на практиці ці значення рідко досягаються. Крім того, зберігання та транспортування водню пов'язані зі значними витратами. Підземні соляні печери можливі лише в геологічно придатних місцях. Для таких країн, як Швейцарія, де немає таких утворень, залишаються лише дорогі наземні резервуари або імпорт.

Вартість зберігання енергії для різних технологій суттєво різниться. Сезонні системи зберігання теплової енергії коштують від 25 до 400 швейцарських франків за мегават-годину накопиченої енергії. Щодо електроенергії, вартість гідроакумулюючих електростанцій становить близько 100 франків за мегават-годину, але для інших сезонних систем зберігання енергії зростає більш ніж у десять разів. Літій-іонні акумулятори наразі коштують від 400 до 1000 євро за кіловат-годину ємності зберігання. Хоча ці ціни різко впали, вони залишаються непомірно дорогими для сезонного зберігання.

Гідроакумулюючі електростанції (ГАЕ) функціонують надзвичайно добре для добових та тижневих циклів, досягаючи ефективності від 70 до 85 відсотків. Однак для сезонного зберігання лише з одним циклом на рік витрати зростають до понад двох євро за кіловат-годину додаткової електроенергії. Географічні обмеження відповідних місць розташування ще більше обмежують потенціал розширення. В економіці, яка повністю перейшла на відновлювані джерела енергії, існуючих потужностей ГАЕ буде далеко не достатньо.

Системна інтеграція та об'єднання секторів

Сила металевих видів палива полягає в їхній безшовній інтеграції в концепцію об'єднання секторів. Цей термін описує зв'язок традиційно окремих секторів електроенергетики, теплопостачання та мобільності. Хоча перехід до відновлюваної енергії в електроенергетиці вже значно просунувся, теплопостачання та транспорт залишаються сильно залежними від викопного палива. Європа витрачає понад триста мільярдів євро щорічно на імпорт вугілля, нафти та газу – гроші, які втрачає власна економіка.

Металеве паливо забезпечує гнучке об'єднання секторів. Влітку надлишок фотоелектричної електроенергії використовується для відновлення оксидів металів. Отриманий метал накопичується. Взимку відбувається окислення, виробляючи тепло та водень. Тепло надходить безпосередньо в систему опалення, в ідеалі в поєднанні з тепловим насосом, що підвищує ефективність за помірніших температур. Водень перетворюється на електроенергію в паливному елементі, а відпрацьоване тепло від цього процесу потім подається назад у систему опалення.

Таке поєднання точно вирішує центральну проблему європейських енергетичних систем. У Німеччині попит на опалення становить приблизно половину від загального кінцевого споживання енергії. Значна його частина зосереджена в зимові місяці. Система акумулювання, яка в основному постачає тепло, а також виробляє значну кількість електроенергії, ідеально відповідає цьому профілю попиту. Люцернський університет прикладних наук і мистецтв підрахував, що послідовна ізоляція житлових будівель у поєднанні з тепловими насосами може практично усунути зимовий дефіцит електроенергії у Швейцарії. У поєднанні з металевими системами акумулювання така система оптимально використовуватиме надлишок літньої електроенергії та забезпечить надійне зимове постачання.

Згідно з моделлю швейцарських дослідників, оснащення всіх багатоквартирних будинків металевими системами зберігання енергії може значно зменшити очікуваний зимовий дефіцит електроенергії у вісім терават-годин до 2050 року. Обладнання лише половини всіх багатоквартирних будинків сприятиме отриманню кількох терават-годин. Децентралізована структура цього рішення дозволяє уникнути дорогих заходів з розширення мережі та підвищує безпеку постачання завдяки резервуванню.

З'являються подальші перспективи для промислового застосування. Технологічне тепло становить значну частину промислового енергоспоживання. Пряма електрифікація за допомогою теплових насосів, електродних котлів або резистивного нагріву є технічно можливою та вже доступною для багатьох температурних діапазонів. Однак металеве паливо може запропонувати рішення, особливо для високотемпературних процесів та стабільності базового навантаження. Спалювання залізного порошку може досягати температур, що перевищують 1800 градусів Цельсія, що достатньо для багатьох промислових процесів.

Переобладнані вугільні електростанції можна було б експлуатувати на металевих порошках. Існуюча інфраструктура для спалювання, циркуляції пари та виробництва електроенергії могла б бути значною мірою використана. Отриманий оксид металу збирався б і транспортувався на об'єкти з достатньою кількістю відновлюваної енергії для відновлення. Такий підхід дозволив би використовувати існуючі потужності, зберегти робочі місця та одночасно сприяти декарбонізації. ТУ Дармштадт досліджує цю концепцію в рамках своєї ініціативи «Чисті кола».

Наш досвід у розвитку бізнесу, продажах та маркетингу в ЄС та Німеччині - Зображення: Xpert.Digital

Галузевий фокус: B2B, цифровізація (від штучного інтелекту до XR), машинобудування, логістика, відновлювані джерела енергії та промисловість

Детальніше про це тут:

• Бізнес-центр Xpert

Тематичний центр з аналітичними матеріалами та експертними знаннями:

• Платформа знань про світову та регіональну економіку, інновації та галузеві тенденції
• Збір аналізів, імпульсів та довідкової інформації з наших пріоритетних напрямків
• Місце для експертів та інформації про поточні розробки в бізнесі та технологіях
• Тематичний центр для компаній, які хочуть дізнатися про ринки, цифровізацію та галузеві інновації

Технологічна зрілість та перспективи розвитку

Технологічна зрілість різних компонентів значно відрізняється. Окислення металів для вивільнення енергії відоме вже давно і використовується в спеціалізованих сферах застосування. Частинки алюмінію та заліза використовуються в ракетах-носіях Ariane, феєрверках та інших піротехнічних виробах. Таким чином, фундаментальні хімічні процеси опановуються та розуміються.

Контрольована реакція з водою або парою за помірних температур для виробництва тепла та водню наразі перебуває на пілотній фазі. Інститут сонячних технологій SPF у Рапперсвілі замовив створення прототипу в рамках проекту REVEAL. Після введення в експлуатацію цей прототип продемонструє, як тепло та електроенергію для будівель можна виробляти з алюмінію за допомогою хімічних процесів. Вироблену енергію можна використовувати для живлення будівель та промислових підприємств або подавати в мережі централізованого теплопостачання.

ETH Zurich експлуатує пілотну установку для зберігання водню на основі заліза на території свого кампусу Хьонггерберг. Три резервуари з нержавіючої сталі, кожен з яких містить 600 кілограмів оксиду заліза, можуть довгостроково зберігати приблизно десять мегават-годин водню. Це генерує від чотирьох до шести мегават-годин електроенергії, залежно від технології перетворення. Установка працює з 2024 року, і її планується розширити до 2026 року, щоб покрити одну п'яту зимових потреб кампусу в електроенергії за рахунок сезонно накопиченої сонячної енергії. Збільшення виробництва до тисячі тонн оксиду заліза може забезпечити два гігават-години електроенергії, що можна порівняти з однією десятою потужністю гідроакумулюючої електростанції Нант-де-Дранс.

Найбільший технологічний виклик полягає у виробництві металу без викидів вуглецю. Для заліза пряме відновлення з використанням зеленого водню вже промислово перевірено. Кілька сталеливарних компаній зараз будують демонстраційні установки та планують поступовий перехід до 2030–2040 років. Технологія має рівень зрілості приблизно від семи до восьми за дев'ятибальною шкалою і, таким чином, наближається до комерційної доступності.

Технологія інертних анодів перебуває на межі прориву в алюмінієвій промисловості. Компанія Trimet в Ессені експлуатує демонстраційний завод у виробничих умовах з 2024 року. Компанія очікує промислового впровадження до 2040 року та кліматичної нейтральності до 2045 року. Міжнародні корпорації, такі як Norsk Hydro та Rio Tinto, також значно інвестують у цю технологію. Apple вже придбала першу партію алюмінію на пілотному заводі з інертними анодами для використання в смартфонах. Це демонструє комерційний інтерес та довіру до технології.

Масштабування залишається критичним фактором. Світове щорічне виробництво алюмінію становить близько сімдесяти мільйонів тонн, тоді як виробництво сталі – майже два мільярди тонн. Для значного внеску в сезонне накопичення енергії потрібні додаткові виробничі потужності. Однак це не обов'язково дестабілізує товарні ринки. Алюміній і залізо є одними з найпоширеніших елементів у земній корі. Їхні ресурси практично необмежені. Виробництво буде обмежене головним чином наявністю доступної відновлюваної енергії.

Саме тут криється вирішальна можливість. Регіони з чудовими умовами для відновлюваної енергії, але низьким місцевим попитом можуть стати виробниками металу. Ісландія з її геотермальною та гідроелектростанцією, Північна Африка з її інтенсивним сонячним світлом або Патагонія з її вітровими ресурсами могли б виробляти метали для експорту у великих масштабах. Транспортування просте та безпечне. Контейнеровози можуть перевозити металеві гранули за нормальних умов, без ризиків та витрат, пов'язаних з рідким воднем або зрідженим природним газом.

Переосмислення глобальних енергетичних потоків

Інтернаціоналізація енергопостачання через металеві енергоносії докорінно змінить світові торговельні потоки. Європа щорічно витрачає понад триста мільярдів євро на імпорт викопного палива. Тільки Німеччина витрачає від вісімдесяти до ста тридцяти мільярдів євро. Ці величезні суми переважно надходять до країн з авторитарними режимами, політика яких часто суперечить європейським цінностям. Фінансування цього імпорту сприяє геополітичній нестабільності та робить Європу вразливою до шантажу, як болісно продемонстрували нещодавні енергетичні кризи.

Перехід на металеві енергоносії міг би вирішити цю залежність, одночасно сприяючи розвитку нових партнерств. Країни з багатими відновлюваними ресурсами, але обмеженою внутрішньою індустріалізацією, отримали б цінну експортну перспективу. Марокко з його сонячним потенціалом; Чилі з його вітровими та геотермальними потужностями; або Австралія з її величезною територією, придатною для відновлюваної енергетики, могли б стати виробниками металу. Ці країни є переважно демократичними та поділяють фундаментальні цінності з Європою. Таким чином, імпорт енергії сприяв би фінансуванню розвитку, а не підтримці автократій.

Циркулярна економіка металевого палива принципово відрізняється від економіки викопного палива. Вугілля, нафта та газ безповоротно спалюються та перетворюються на парникові гази. Метали ж циркулюють у замкнутому циклі. Окислений метал транспортується назад на відновлювальну установку та перезавантажується. Цей цикл теоретично може повторюватися необмежену кількість разів без будь-яких втрат матеріалу чи деградації. Дослідники з ETH Zurich навіть помітили, що ємність їхніх залізних реакторів дещо збільшується з кожним циклом.

Такий циклічний підхід має далекосяжні економічні наслідки. Інвестиції у виробництво металу окуповуються протягом численних циклів. На відміну від батарей, ємність яких зменшується з кожним циклом, металеві системи зберігання енергії залишаються придатними для використання необмежений час. Хоча початкові інвестиції у відновлювальні та окислювальні установки, а також у сам метал, можуть бути значними, протягом десятиліть вартість кіловат-години зберігання стає конкурентоспроможною.

Розрахунки моделі швейцарських дослідників передбачають витрати близько двадцяти центів за кіловат-годину електроенергії та тепла з алюмінієвої системи зберігання. Це відповідає виробничим витратам відновлюваних джерел енергії та значно нижче витрат на електроенергію пікового навантаження в зимові місяці. Зі зростанням технологічної зрілості та масштабуванням очікується подальше зниження витрат. Історія фотоелектричних систем та вітрової енергетики демонструє, наскільки різким може бути зниження витрат завдяки ефектам кривої навчання.

Ризики та виклики

Незважаючи на свій багатообіцяючий потенціал, залишаються значні виклики та ризики. Технологічний розвиток ще не завершено. Зокрема, виробництво алюмінію без вуглекислого газу з використанням інертних анодів лише починає переходити до промислового впровадження. Численні попередні спроби впровадити цю технологію зазнали невдачі. Інертний анод має репутацію такого, що завжди знаходиться на межі завершення, але так і не досяг прориву.

Зростання вартості електроенергії створює проблему. Інертні аноди не тільки не виділяють вуглекислий газ, але й не забезпечують технологічну енергію, як вугільні аноди. Тому попит на електроенергію на тонну алюмінію зростає. З огляду на вже високі витрати на енергію в Європі, це може погіршити конкурентоспроможність. Виробництво алюмінію може ще більше зміститися в регіони з особливо дешевою енергією, тоді як Європа стане лише імпортером.

Конкуренція за відновлювану енергетику загострюється. Численні сектори прагнуть електрифікації. Промисловості потрібен зелений водень для хімічних процесів та виробництва сталі. Транспорт електрифікується завдяки мільйонам електромобілів. Цифрові інфраструктури з їхніми центрами обробки даних споживають дедалі більше електроенергії. У цьому конкурентному середовищі рішенням для металевого зберігання даних все ще потрібно довести свою економічну перевагу.

Вимоги до інфраструктури значні. Для того, щоб зробити значний внесок у зимове енергопостачання, знадобляться мільйони децентралізованих систем зберігання або великих централізованих установок. Будівництво такої інфраструктури вимагає часу, капіталу та політичної волі. Терміни окупності таких систем можуть розтягнутися на десятиліття, що може відлякати приватних інвесторів. Ймовірно, знадобляться державні субсидії та регуляторні стимули.

Вплив масованого розширення виробництва металу на навколишнє середовище потребує критичного вивчення. Навіть якщо виробничий процес є вуглецево-нейтральним, він споживає величезну кількість електроенергії. Ця електроенергія, окрім усіх інших енергетичних потреб, повинна надходити з відновлюваних джерел. Площа землі, необхідна для будівництва вітрових та сонячних електростанцій, є значною. Крім того, видобуток бокситів для виробництва алюмінію вимагає масштабного видобутку корисних копалин з пов'язаними з цим екологічними та соціальними наслідками.

Громадське сприйняття нових енергетичних технологій є нестабільним. Кожен великий промисловий об'єкт стикається з опором на місцевому рівні. Будівництво вітрових турбін, сонячних парків та ліній електропередач регулярно затримується або запобігається громадянськими ініціативами. Заводи з відновлення металів, які працюють за високих температур і споживають значну кількість електроенергії, можуть зіткнутися з подібним опором. Прозора комунікація щодо переваг, ризиків та впливу на навколишнє середовище є надзвичайно важливою.

Стратегічні перспективи для Європи

Для Європи розробка металевих видів палива пропонує стратегічну можливість для встановлення технологічного лідерства на майбутньому ринку. Швейцарські та німецькі дослідницькі установи є одними з провідних світових установ у цій галузі. Проект REVEAL об'єднує провідних європейських партнерів. Промисловий досвід у металургії, хімічній технології та інтеграції енергетичних систем легкодоступний у Європі.

Скоординована європейська стратегія може включати кілька елементів. По-перше, продовження та посилення фінансування досліджень. Попередні інвестиції дозволили досягти значного прогресу. Збільшення фінансування розширило б технологічну перевагу. По-друге, створення регуляторних стимулів для виходу на ринок. «Зелені» тарифи або інвестиційні гранти могли б мотивувати тих, хто першим впроваджує нові технології.

По-третє, інтеграція в європейську стратегію енергетичної інфраструктури. Заплановані водневі мережі можна було б розширити, щоб вони також враховували металеві енергоносії. Існуючу газову інфраструктуру можна було б частково перепрофілювати. По-четверте, міжнародна співпраця з країнами, які пропонують ідеальні умови для виробництва металу. Партнерство з розвитку з країнами Північної Африки, інвестиції у виробничі потужності Південної Америки або передача технологій до Азії можуть створити взаємовигідні ситуації.

Не слід недооцінювати геополітичний вимір. Зменшення залежності від імпорту викопного палива значно збільшує політичну свободу дій Європи. Здатність забезпечувати енергопостачання взимку з вітчизняних або надійних міжнародних джерел зміцнює стійкість до зовнішніх потрясінь. Диверсифікація джерел енергії та ланцюгів постачання зменшує потенціал для шантажу з боку авторитарних режимів.

Водночас виникають нові залежності. Європа потенційно може стати залежною від імпорту металів, подібно до її нинішньої залежності від викопного палива. Різниця полягає в оборотності та циклічності металів. Їх можна переробляти та використовувати повторно. Це дозволяє уникнути екзистенційного дефіциту, який спостерігається через обмежені викопні ресурси. Крім того, виробництво, в принципі, може бути розташоване в межах Європи за умови наявності достатньої кількості відновлюваної енергії за доступною ціною.

Майбутнє накопичення енергії

Металеве паливо не буде єдиним рішенням проблем енергетичного переходу. Швидше, воно стане частиною диверсифікованого портфеля технологій зберігання енергії. Літій-іонні акумулятори збережуть свою потужність у короткостроковому діапазоні від годин до днів. Гідроелектростанції з гідроакумулюванням залишатимуться незамінними для стабілізації мережі та балансування добових і тижневих коливань. Водень буде потрібен у промисловості як технологічний газ і відновник.

Металеве паливо займає особливу нішу в сезонному довгостроковому зберіганні енергії, головним чином для теплопостачання. Тут воно поєднує переваги високої щільності енергії, простоти обробки, недорогої сировини та гарного галузевого зв'язку. Це поєднання робить його кращим за інші технології. Подальший розвиток покаже, чи і як швидко ці теоретичні переваги можна реалізувати на практиці.

Найближчі роки будуть вирішальними. Кілька пілотних заводів вже працюють або будуються. Досвід, отриманий у ході цих проектів, покаже, чи будуть виправдані технічні та економічні очікування. Розробка технології інертних анодів визначить, чи стане можливим виробництво алюмінію без вуглекислого газу у великих масштабах. Готовність промисловості та політиків інвестувати в цю технологію визначатиме часові рамки.

Інтеграція систем металевого зберігання в існуючі енергетичні системи вимагає не лише технологічних інновацій, але й регуляторних та ринкових інновацій. Необхідно розробити нові бізнес-моделі, які враховують специфічні характеристики металевого зберігання. Для забезпечення інвестиційної безпеки необхідні довгострокові контракти між виробниками, операторами сховищ та постачальниками енергії. Оцінка кліматичних та енергетичних переваг повинна бути відображена у відповідних ринкових цінах або механізмах підтримки.

Громадські дебати щодо накопичення енергії потребують розширення. Занадто довго дискусія однобоко зосереджувалася на водні як нібито універсальному рішенні. Реальність є складнішою. ​​Різні застосування вимагають різних рішень. Металеве паливо заслуговує на чільне місце в цьому ландшафті. Його переваги надто значні, щоб їх ігнорувати. Його потенціал надто великий, щоб залишатися невикористаним.

Трансформація енергетичної системи є одним із найбільших технологічних та економічних викликів цього століття. Вона вимагає сміливості до інновацій, готовності інвестувати та відкритості до нових рішень. Металеве паливо пропонує одне з таких рішень. Воно — це більше, ніж просто цікава лабораторна диковинка. Воно може стати переломним моментом у сезонному накопиченні енергії, будівельним блоком для вирішення зимової проблеми дефіциту електроенергії та шляхом до енергетичної незалежності. Воно є альтернативою, яка не замінює водень, але ефективно доповнює його та перевершує в деяких сферах застосування. Подальший розвиток заслуговує на увагу, підтримку та критичний аналіз. Найближчі роки покажуть, чи зможе металеве паливо виконати свої обіцянки.

Скористайтеся перевагами великого, п'ятикратного досвіду Xpert.Digital у комплексному пакеті послуг | Дослідження та розробки, XR, PR та оптимізація цифрової видимості - Зображення: Xpert.Digital

Xpert.digital має глибокі знання в різних галузях. Це дозволяє нам розробити кравці, розроблені стратегії, пристосовані до вимог та проблем вашого конкретного сегменту ринку. Постійно аналізуючи тенденції на ринку та здійснюючи розвиток галузі, ми можемо діяти з передбаченням та пропонувати інноваційні рішення. З поєднанням досвіду та знань ми створюємо додаткову цінність та надаємо своїм клієнтам вирішальну конкурентну перевагу.

Детальніше про це тут:

• Використовуйте 5 -разову компетентність xpert.digital в одній упаковці - від 500 € на місяць

☑ Наша ділова мова - англійська чи німецька

☑ Нове: листування на вашій національній мові!

Konrad Wolfenstein

Я радий бути доступним вам та моїй команді як особистого консультанта.

Ви можете зв’язатися зі мною, заповнивши тут контактну форму або просто зателефонуйте мені за номером +49 89 674 804 (Мюнхен) . Моя електронна адреса: Вольфенштейн ∂ xpert.digital

Я з нетерпінням чекаю нашого спільного проекту.

☑ Підтримка МСП у стратегії, порадах, плануванні та впровадженні

☑ Створення або перестановка цифрової стратегії та оцифрування

☑ Розширення та оптимізація міжнародних процесів продажів

☑ Глобальні та цифрові торгові платформи B2B

☑ Піонерський розвиток бізнесу / маркетинг / PR / Мір