Czy rdza może magazynować energię? Naukowcy widzą potencjał w proszku żelaza

• Żelazo może stać się nietypowym nośnikiem energii dla OZE. Nie zastąpi baterii ani wodoru, ale może uzupełnić system.
• Proszek żelaza nadaje się raczej do długiego magazynowania i transportu energii. To zupełnie inna rola niż domowy magazyn energii.
• Najciekawszy potencjał dotyczy infrastruktury po węglu. Część elektrowni mogłaby dostać nowe zadanie w systemie neutralnym klimatycznie.

Żelazo jako magazyn energii? Naukowcy z KIT widzą potencjał dla OZE

Baterie magazynują energię na godziny, wodór ma pomóc w bilansowaniu sezonowym, a do tej układanki może dołączyć… żelazo. Naukowcy z Karlsruhe Institute of Technology sprawdzili, czy proszek żelaza mógłby działać jako nośnik energii w neutralnym klimatycznie systemie elektroenergetycznym. Wniosek jest ostrożny, ale ciekawy: żelazo nie zastąpi wodoru, lecz może go uzupełnić.

To ważne rozróżnienie. Nie mówimy o konkurencji dla domowych magazynów energii ani o baterii do przesuwania produkcji z południa na wieczór. Żelazo ma sens w zupełnie innym miejscu systemu – tam, gdzie energię z OZE trzeba przechować długo, przewieźć na duże odległości albo wykorzystać w dużych źródłach mocy.

Jak żelazo może magazynować energię?

Cały pomysł opiera się na prostym cyklu chemicznym. Proszek żelaza można spalać, czyli utleniać. W tym procesie uwalnia się ciepło, które może zasilać obieg parowy i generator. Produktem reakcji nie jest dwutlenek węgla, lecz tlenek żelaza – potocznie rdza.

Na tym cykl się nie kończy. Tlenek żelaza można później zredukować z powrotem do żelaza przy użyciu wodoru. Jeśli wodór powstał z nadwyżek energii odnawialnej, cały obieg może działać bez emisji CO₂. Żelazo staje się więc nośnikiem energii chemicznej, a nie paliwem kopalnym.

W takim układzie energia z wiatru lub fotowoltaiki jest najpierw używana do regeneracji żelaza. Potem proszek można magazynować, transportować i wykorzystać tam, gdzie potrzebne jest ciepło albo energia elektryczna.

To nie jest zamiennik baterii

Największy błąd polegałby na porównywaniu żelaza z magazynem litowo-jonowym przy domu albo farmie PV. Baterie mają inną rolę: szybko reagują, dobrze sprawdzają się w bilansowaniu godzinowym i pracy z siecią. Żelazo jest analizowane raczej jako nośnik dla długiego przechowywania energii i transportu między regionami.

Dlatego ta technologia może być interesująca tam, gdzie trudno budować magazyny wodoru, brakuje kawern solnych albo trzeba przewieźć energię z miejsc o bardzo taniej fotowoltaice i wietrze do obszarów przemysłowych. Proszek żelaza jest łatwiejszy w magazynowaniu niż wodór, bo nie wymaga tak wymagającej infrastruktury ciśnieniowej lub kriogenicznej.

• Zobacz również: Sól zamiast litu? “Cent za kWh magazynu energii”

Stare elektrownie węglowe z nową rolą?

Najciekawszy wątek dotyczy infrastruktury po węglu. Proszek żelaza podczas spalania zachowuje się pod pewnymi względami podobnie do paliwa pyłowego. Dlatego badacze analizują, czy część istniejących elektrowni węglowych dałoby się przystosować do pracy z takim nośnikiem.

Największe zmiany dotyczyłyby kotła i systemu spalania. Obieg parowy, turbina, generator i przyłącze sieciowe potencjalnie mogłyby zostać wykorzystane dalej. To nie oznacza prostego przełożenia „zamiast węgla wsypujemy żelazo”. Oznacza jednak, że infrastruktura energetyczna z epoki węgla nie musi w każdym przypadku kończyć jako złom.

Co pokazały analizy KIT?

Naukowcy z KIT rozszerzyli model systemu energetycznego PERSEUS i zasymulowali europejski system do 2050 r. Żelazo konkurowało w analizie z bateriami, magazynami wodoru i elektrowniami wodorowymi. W części scenariuszy elektrownie na proszek żelaza pojawiały się jako element systemu minimalizującego koszty.

To nie znaczy, że technologia jest gotowa do masowego wdrożenia. Do rozwiązania pozostają sprawność redukcji tlenku żelaza, koszt zielonego wodoru, bezpieczeństwo pracy z pyłem metalicznym, projekt palników, logistyka i opłacalność modernizacji elektrowni.

Żelazo nie sprawi, że baterie i wodór staną się zbędne. Może jednak wypełnić lukę między nimi: magazynować energię długo, być łatwiejsze w transporcie niż wodór i pozwolić wykorzystać część infrastruktury po elektrowniach węglowych. Jeśli uda się skutecznie zamykać cykl żelazo–tlenek żelaza–żelazo, rdza może stać się jednym z mniej oczywistych elementów energetyki neutralnej klimatycznie.

Źródła: Karlsruhe Institute of Technology, Chem Circularity, Clean Circles, Nature Reviews Materials.