2021-08-16

Czekają nas zmiany w sektorze fotowoltaicznym w Polsce. Nowe przepisy dążą do tego, aby przy każdej domowej instalacji był także magazyn - rozmowa z prof. Marcinem Molenda

Wyobraźmy sobie sytuację, że 50 proc. naszego prądu pochodzi z odnawialnych źródeł energii i nagle przychodzi huragan. Wiatraki nie mogą pracować, bo by się łopaty połamały, słońca też nie ma, więc w systemie nagle brakuje połowy mocy - mówi prof. Marcin Molenda, specjalista ds. magazynowania energii, tłumacząc bolączki polskiej energetyki i wskazując, dlaczego czekają nas zmiany w sektorze fotowoltaicznym w Polsce.

Michał Sowiński: Rzadko docenia się zasługi materiałoznawstwa przy okazji przemian czy nawet rewolucji technologicznych. Przypadek baterii litowo-jonowych to doskonały przykład.

Prof. Marcin Molenda: To prawda. Czarny proszek w metalowych puszkach jest mało medialny, a to od niego właściwie wszystko zależy w kwestii transformacji energetycznej. Parametry użytkowe baterii, bezpieczeństwo jej użytkowania, cena, wykorzystane surowce i przewidywane sposoby jej utylizacji - to wszystko determinuje dalsze kroki w rozwoju technologii energetycznych.

Baterie litowo-jonowe, od których jest pan specjalistą, są z nami już od dawna. Jednak w ostatnich miesiącach sporo się o nich mówi. Jakiś przełom?

Nie, raczej konieczność. Baterie litowo-jonowe są najwydajniejszym magazynem energii w stosunku do masy i objętości. A to kluczowe parametry, jeśli chodzi o urządzenia mobilne, ale też samochody elektryczne. Dzięki nim możemy generować olbrzymie moce - samo akumulowanie dużych ilości energii nic nam nie da, jeżeli nie będziemy mogli dostarczyć jej z odpowiednią mocą do urządzenia czy silnika. Nasz smartfon się po prostu nie włączy. W tym momencie jedynie technologia Li-ion dostarcza odpowiednie parametry, a to dzięki wykorzystanym w niej materiałom.

Przetaczają się nad Polską kolejne fale upałów. Im szybciej bateria oddaje moc, tym bardziej się nagrzewa. Mój telefon jest cały czas gorący.

Coś za coś, mówi nam o tym prawo Joule’a. Producenci baterii starają się to równoważyć na różne sposoby, ale ten czynnik trzeba koniecznie brać pod uwagę. Zwłaszcza w kontekście bezpieczeństwa. Energia zgromadzona w 10 kg tego typu baterii odpowiada w przybliżeniu 1 kg trotylu, dlatego tak bardzo trzeba dbać o jakość wykonania urządzenia i kontrolę samego procesu uwalniania energii, inaczej może dojść do tragedii.

Parę lat temu jednego z modeli smartfonu nie można było wnosić na pokłady samolotów, bo ich baterie groziły eksplozją.

To doskonały przykład złej praktyki optymalizacji parametrów - dla lepszych rezultatów zbyt mocno okrojono margines bezpieczeństwa i doszło do poważnych wypadków.

W ostatnich latach Polacy zakochali się w panelach słonecznych - montujemy je na potęgę.

Wiąże się to z koniecznością transformacji energetycznej i przestawieniem się na jej odnawialne źródła, czyli wodę, powietrze i słońce.

Mamy jednak problem z jej magazynowaniem.

W przypadku wody sprawa jest prosta - zarówno technologie pozyskiwania energii, jak i jej przechowywania są już dobrze znane i powszechnie stosowane. Tyle że tu mamy do czynienia ze stałą produkcją i magazynami o dużych objętościach. Z wiatrem i słońcem sprawa jest bardziej skomplikowana, bo możemy z nich korzystać tylko czasowo - gdy jest słońce albo wieje wiatr. A energii potrzebujemy ciągle. Aby więc zapewnić stabilną podaż bazując na niestabilnych źródłach, potrzebujemy dużo lokalnych magazynów.

Dlaczego lokalnych?

Przesył energii to najdroższy składnik jej ceny. Nie ma więc sensu magazynować energii w dużych, centralnych magazynach. Szczególnie, jeżeli udział OZE w naszej sieci energetycznej jest wysoki. Im wyższy, tym większym wyzwaniem jest bilansowanie ilości energii w całym systemie.

Zmiany przepisów, które szykują się w przyszłym roku odnośnie paneli słonecznych, wynikają właśnie z tego?

Na koniec maja br. moc zainstalowana fotowoltaiki w Polsce wynosiła blisko 5GW w ponad 300 tys. instalacji PV, w samym zeszłym rok powstało ponad 100 tys. nowych instalacji, to naprawdę sporo.

Przez większą część czasu jesteśmy w stanie wytwarzać bardzo dużo energii, ale nie mamy infrastruktury, która pozwalałbym nią zarządzać. A nowe przepisy dążą do tego, żeby przy każdej domowej instalacji był także magazyn.

  • Z wiatrem i słońcem sprawa jest skomplikowana, bo możemy z nich korzystać tylko czasowo - gdy jest słońce albo wieje wiatr. A energii potrzebujemy ciągle. Aby więc zapewnić stabilną podaż bazując na niestabilnych źródłach, potrzebujemy dużo lokalnych magazynów
  • Przesył energii to najdroższy składnik jej ceny. Nie ma więc sensu magazynować energii w dużych, centralnych magazynach
  • Na koniec maja br. moc zainstalowana fotowoltaiki w Polsce wynosiła blisko 5GW w ponad 300 tys. instalacji PV, w samym zeszłym rok powstało ponad 100 tys. nowych instalacji, to naprawdę sporo
  • Przez większą część czasu jesteśmy w stanie wytwarzać bardzo dużo energii, ale nie mamy infrastruktury, która pozwalałbym nią zarządzać. A nowe przepisy dążą do tego, żeby przy każdej domowej instalacji był także magazyn
  • Na całym świecie jest problem z magazynowaniem lokalnym, ale w Polsce, ze względu na wprowadzone parę lat temu bardzo liberalne przepisy, powstało zbyt dużo na raz samych instalacji - nasza infrastruktura zdecydowanie nie była gotowa na tak wielki sukces tego projektu
  • Źródła OZE zaczęły przeszkadzać, bo mamy zbyt scentralizowany system. W sieci nie może być ani za mało, ani za dużo energii - inaczej w obu wypadkach mamy blackout

Michał Sowiński: Rzadko docenia się zasługi materiałoznawstwa przy okazji przemian czy nawet rewolucji technologicznych. Przypadek baterii litowo-jonowych to doskonały przykład.

Prof. Marcin Molenda: To prawda. Czarny proszek w metalowych puszkach jest mało medialny, a to od niego właściwie wszystko zależy w kwestii transformacji energetycznej. Parametry użytkowe baterii, bezpieczeństwo jej użytkowania, cena, wykorzystane surowce i przewidywane sposoby jej utylizacji - to wszystko determinuje dalsze kroki w rozwoju technologii energetycznych.

Baterie litowo-jonowe, od których jest pan specjalistą, są z nami już od dawna. Jednak w ostatnich miesiącach sporo się o nich mówi. Jakiś przełom?

Nie, raczej konieczność. Baterie litowo-jonowe są najwydajniejszym magazynem energii w stosunku do masy i objętości. A to kluczowe parametry, jeśli chodzi o urządzenia mobilne, ale też samochody elektryczne. Dzięki nim możemy generować olbrzymie moce - samo akumulowanie dużych ilości energii nic nam nie da, jeżeli nie będziemy mogli dostarczyć jej z odpowiednią mocą do urządzenia czy silnika. Nasz smartfon się po prostu nie włączy. W tym momencie jedynie technologia Li-ion dostarcza odpowiednie parametry, a to dzięki wykorzystanym w niej materiałom.

Przetaczają się nad Polską kolejne fale upałów. Im szybciej bateria oddaje moc, tym bardziej się nagrzewa. Mój telefon jest cały czas gorący.

Coś za coś, mówi nam o tym prawo Joule’a. Producenci baterii starają się to równoważyć na różne sposoby, ale ten czynnik trzeba koniecznie brać pod uwagę. Zwłaszcza w kontekście bezpieczeństwa. Energia zgromadzona w 10 kg tego typu baterii odpowiada w przybliżeniu 1 kg trotylu, dlatego tak bardzo trzeba dbać o jakość wykonania urządzenia i kontrolę samego procesu uwalniania energii, inaczej może dojść do tragedii.

Parę lat temu jednego z modeli smartfonu nie można było wnosić na pokłady samolotów, bo ich baterie groziły eksplozją.

To doskonały przykład złej praktyki optymalizacji parametrów - dla lepszych rezultatów zbyt mocno okrojono margines bezpieczeństwa i doszło do poważnych wypadków.

W ostatnich latach Polacy zakochali się w panelach słonecznych - montujemy je na potęgę.

Wiąże się to z koniecznością transformacji energetycznej i przestawieniem się na jej odnawialne źródła, czyli wodę, powietrze i słońce.

Mamy jednak problem z jej magazynowaniem.

W przypadku wody sprawa jest prosta - zarówno technologie pozyskiwania energii, jak i jej przechowywania są już dobrze znane i powszechnie stosowane. Tyle że tu mamy do czynienia ze stałą produkcją i magazynami o dużych objętościach. Z wiatrem i słońcem sprawa jest bardziej skomplikowana, bo możemy z nich korzystać tylko czasowo - gdy jest słońce albo wieje wiatr. A energii potrzebujemy ciągle. Aby więc zapewnić stabilną podaż bazując na niestabilnych źródłach, potrzebujemy dużo lokalnych magazynów.

Dlaczego lokalnych?

Przesył energii to najdroższy składnik jej ceny. Nie ma więc sensu magazynować energii w dużych, centralnych magazynach. Szczególnie, jeżeli udział OZE w naszej sieci energetycznej jest wysoki. Im wyższy, tym większym wyzwaniem jest bilansowanie ilości energii w całym systemie.

Zmiany przepisów, które szykują się w przyszłym roku odnośnie paneli słonecznych, wynikają właśnie z tego?

Na koniec maja br. moc zainstalowana fotowoltaiki w Polsce wynosiła blisko 5GW w ponad 300 tys. instalacji PV, w samym zeszłym rok powstało ponad 100 tys. nowych instalacji, to naprawdę sporo.

Przez większą część czasu jesteśmy w stanie wytwarzać bardzo dużo energii, ale nie mamy infrastruktury, która pozwalałbym nią zarządzać. A nowe przepisy dążą do tego, żeby przy każdej domowej instalacji był także magazyn.

Czyli zabraliśmy się do problemu od złej strony?

Na całym świecie jest problem z magazynowaniem lokalnym, ale w Polsce, ze względu na wprowadzone parę lat temu bardzo liberalne przepisy, powstało zbyt dużo na raz samych instalacji - nasza infrastruktura zdecydowanie nie była gotowa na tak wielki sukces tego projektu.

Wielki boom na rynku producentów i monterów paneli skończy się w przyszłym roku?

Skokowe zmiany przepisów nie służą żadnej branży. Konieczność montowania magazynów energii przy domowych instalacjach - bo bezpośrednia sprzedaż do sieci przestanie się opłacać - z pewnością zmniejszy popyt, przez co wiele mniejszych firm zapewne upadnie. Chyba że pojawi się jakaś forma rządowej rekompensaty za instalacje magazynu, ale mówimy to o kwotach rzędu kilkudziesięciu tysięcy złotych, więc wątpię, żeby takie pieniądze pojawiły się w budżecie.

Czyli w tym momencie OZE zaczęły przeszkadzać?

Tak, bo mamy zbyt scentralizowany system. W sieci nie może być ani za mało, ani za dużo energii - inaczej w obu wypadkach mamy blackout. Wyobraźmy sobie sytuację, że 50 proc. naszego prądu pochodzi z OZE i nagle przychodzi huragan. Wiatraki nie mogą pracować, bo by się łopaty połamały, słońca też nie ma, więc w systemie nagle brakuje połowy mocy. Żadna konwencjonalna elektrownia nie jest w stanie w tak krótkim czasie uzupełnić tego braku. Dlatego musimy energię magazynować lokalnie - raz że wtedy faktycznie jest tania i wydajna, dwa że w ten sposób możemy odpowiednio bilansować niedobory albo nadwyżki. W innym wypadku - jak miało to miejsce ostatnio przy okazji awarii elektrowni w Bełchatowie - zmuszeni jesteśmy dokupywać energię od sąsiadów. A jest to bardzo drogie, o bezpieczeństwie energetycznym nie wspominając.

A ono powinno przecież być priorytetem każdej ekipy rządzącej.

Oczywiście, bo koszty i niezależność w wytwarzaniu prądu przekładają się na funkcjonowanie całej gospodarki. Co z tego, że mamy coraz większy udział OZE, jeżeli jest ona tak droga, a do tego jeszcze niestabilna i awaryjna. Droga rozwoju jest już wytyczona - odchodzenie od paliw kopalnych przy jednoczesnym inwestowaniu w rozproszoną sieć stosunkowo niewielkich magazynów energii. W ten sposób niektóre sektory stają się samowystarczalne, a awaria pojedynczego elementu nie jest dużym problemem. Proszę spojrzeć, gdzie w Europie budowane są fabryki akumulatorów litowo-jonowych.

Wszędzie, tylko nie u nas.

No właśnie. A to jest przyszłość - za kilka dekad ten sektor przemysłu będzie miał podobne znaczenie dla gospodarki, jak dziś dostęp do surowców naturalnych takich jak gaz czy ropa. Kto będzie miał własne magazyny energii, będzie rozdawał karty, reszta będzie uzależniona od zewnętrznych dostaw.

To aż tak źle?

Na rynku ogniw energetycznych nie ma normalizacji - każdy producent dostarcza inny produkt, co prawda podobny w zasadzie działania, ale na poziomie parametrów użytkowych już niekompatybilny z pozostałymi. A cała idea polega na tym, że system budowany jest modułowo. Jeśli jeden się zepsuje, trzeba go zastąpić takim samym - a wymiana całych magazynów to olbrzymi koszt. Będziemy na łasce monopolistów.

Rozwój tej technologii w połączeniu z OZE ma też potencjał w zwalczaniu ubóstwa energetycznego na świecie?

Zdecydowanie, szczególnie w krajach globalnego południa, gdzie ekspozycja słońca jest bardzo duża. W ten sposób można relatywnie tanio i prosto zwiększyć niezależność i bezpieczeństwo energetyczne w państwach uzależnionych od dostaw surowców kopalnych. W tym Polski.

Jest Pan wykładowcą Uniwersytetu Jagiellońskiego, ale działa Pan na styku nauki i biznesu.

Na co dzień uczę m.in. chemii materiałów i technologii chemicznej, a badawczo zajmuję się aplikowaniem odkryć naukowych w praktyce komercyjnej. Aspekt biznesowy w tym przypadku jest bardzo ważny, bo co z tego, że wymyślimy coś ciekawego, jeżeli nie będzie to miało żadnego przełożenia na rzeczywistość? Ostatecznym celem pracy nad nowymi technologiami jest ich wprowadzenie na rynek, więc żeby ktoś je chciał produkować, a potem kupować, niezbędna jest optymalizacja kosztów.

Trudno jest być mediatorem między tymi dwoma światami?

Na pewno trzeba rozumieć zasady rządzące jednym i drugim. Naukowcy i przedsiębiorcy mają odmienne cele, trzeba więc umiejętnie poszukiwać wspólnego gruntu, aby z korzyścią dla wszystkich współpracować.

A co z innowacjami? Biznes chętnie inwestuje w nowe rzeczy?

Chwilowo na rynku magazynów energii jest olbrzymi popyt na istniejące już technologie, dominuje więc trend replikowania i ulepszania znanych rozwiązań. W tym momencie powstaje mnóstwo linii produkcyjnych, które odpowiadają na olbrzymie zapotrzebowanie. I dopóki nie zostanie ono zaspokojone, czyli przez najbliższe kilka lat, nie ma co liczyć na intensywne wdrażanie nowych technologii. Jak mówiłem już wcześniej, w tym kontekście najważniejsze jest optymalizowanie stosunku ceny do jakości, a tę pierwszą można w zauważalny sposób obniżać jedynie zwiększając skalę produkcji. Do tego prognozy wzrostów zapotrzebowania są wprost astronomiczne. Gdy dojdziemy w tym procesie do ściany, z pewnością konieczne stanie się znalezienie nowych sposobów zmniejszania kosztów, na przykład poprzez zastosowanie nowych materiałów otrzymywanych z tańszych, dostępniejszych surowców.

W prognozach mowa jest o najbliższym ćwierćwieczu - baterie tego typu zostaną z nami na dłużej?

Możliwe, że nawet na kolejne pół wieku. Produkty bazujące na tej technologii świetnie się sprzedają, bo znajdują wszechstronne zastosowanie. Poza tym od kilku lat czynione są w tej branży olbrzymie inwestycje, które muszą się zwrócić. Tego typu strategie w przemyśle obliczane są zawsze na dekady, nie da się z dnia na dzień przestawić całego sektora gospodarki na inne tory. Na przykład samochody elektryczne - stają się coraz popularniejsze, ale trudno sobie wyobrazić, że na przykład Japonia nagle przestaje produkować silniki spalinowe, bo doprowadziłoby to do katastrofy ekonomicznej całej branży w kraju.

A co z katastrofą ekologiczną? Jak w tym kontekście ma się gwałtownie zwiększająca się produkcja baterii litowo-jonowych?

Sam proces ich powstawania jest oczywiście mało zielony. Jak w przypadku każdej złożonej i wieloetapowej produkcji, mamy olbrzymie zużycie energii, termodynamiki nie przeskoczymy. Można oczywiście korzystać z energii odnawialnych, wtedy sytuacja nie wygląda tak źle. Natomiast efekt masowego zastosowania tej technologii jest dla naszej planety bardzo korzystny, bo pozwala lepiej, efektywniej i taniej korzystać z produkowanej energii.

A surowce?

Lit, kobalt, nikiel, mangan i żelazo z perspektywy środowiska są stosunkowo mało problematyczne. Problemem będzie w niedalekiej przyszłości ich dostępność i cena, zwłaszcza dotyczy to kobaltu i w dalszej perspektywie niklu, czyli metali, których zawartość w ogniwie jest największa. Samego litu w ogniwie jest wagowo tylko kilka procent. Dalsze obniżanie ceny akumulatorów Li-ion będzie możliwe tylko przy zastosowaniu nowych, bez-kobaltowych materiałów o parametrach porównywalnych z obecnie stosowanymi, ale zdecydowanie tańszymi – taki właśnie materiał katodowy opracowaliśmy na UJ. Kłopot jest także po stronie anody, bo tam używany jest grafit naturalny lub syntetyczny, otrzymywany z surowców kopalnych - czyli węgiel, który podczas recyklingu ulega spaleniu i nie da się go odzyskać. Samo pozyskiwanie grafitu - czy w kopalniach czy z ropy - również pozostawia wiele do życzenia. Istotą dalszego rozwoju rynku akumulatorów Li-ion będzie zrównoważenie i dostępność surowców, dlatego na UJ-ocie wpadliśmy na pomysł i opracowaliśmy sposób produkcji anody ze skrobi, czyli surowca odnawialnego.

Udało się go już wdrożyć?

Jeszcze nie, bo na razie to droga technologia, ale to tylko kwestia skali zastosowania. No i plus jest taki, że mamy tu bardzo niski ślad węglowy. A kolejne regulacje, na przykład na poziomie Unii, będą wymuszały tego typu rozwiązania, także na poziomie ekonomicznym.

źródło: https://wiadomosci.onet.pl/nauka/fotowoltaika-system-wymusza-budowanie-przydomowych-magazynow-energii/tjs1c6q