Unia Europejska utworzy banki energii? Przełomowe odkrycie ma w tym pomóc

Po latach badań udało się europejskim naukowcom stworzyć nowatorskie ogniwa sodowo-jonowe. Dają one nadzieję, że wielka transformacja energetyczna, którą realizuje Unia Europejska, nie okaże się aż taka kosztowna dla obywateli. Nad tego typu ogniwami prowadzono badania od lat 70., w końcu zaczęto je finansować, tworząc projekt NAIMA.

Na łamach finansowanego przez Komisję Europejską magazynu „Horizon” ukazał się 24 kwietnia 2024 r. materiał „Pass the salt please. Power lies within” (Podaj, proszę, sól. Moc kryje się w środku), informujący o sukcesie. Oto Unia znalazła się u progu rewolucji dającej nadzieję na tanie magazyny energii. Technologię do ich produkcji mamy już właściwie w zasięgu ręki. A do tego jeszcze nadzieję na niebotyczne zyski. „Od 2025 r. europejski rynek ogniw może być wart 250 mld euro rocznie. Europa zamierza zwiększyć swój udział w światowej produkcji ogniw akumulatorowych w tej dekadzie nawet do 25 proc, z 3 proc., w 2018 r.” – podkreślono na łamach magazynu „Horizon”.

Tymczasem w Ameryce

Tydzień później media w USA doniosły, że rodzima firma Natron Energy uruchomiła pierwszą w kraju fabrykę ogniw sodowo-jonowych. Początkowo zbudowała za 300 mln dol. wytwórnię baterii litowo-jonowych. Ale gdy jej laboratorium opatentowało technologię wytwarzania elektrod pokrytych błękitem pruskim, szefostwo podjęło decyzję, że wyda jeszcze 40 mln na przebudowę, by móc rozpocząć jak najszybciej produkcję nowatorskich akumulatorów. Apetyt na miliardowe zyski był najlepszym bodźcem do szybkiego działania tego biznesu, który w 2012 r. założył, jako element pracy doktorskiej na Wydziale Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Stanforda, Colin Wessells. Możliwe, iż wkrótce będzie jednym z najbogatszych ludzi na świecie.

Natron Energy ma do zaoferowania produkt, w którym – jak donosi agencja Business Wire – „nowe elektrody przechowują i przenoszą jony sodu szybciej, częściej i przy niższym oporze wewnętrznym niż jakiekolwiek inne komercyjne baterie dostępne obecnie na rynku. Chemia akumulatorów charakteryzuje się zerowym obciążeniem podczas ładowania i rozładowywania, 10 razy szybszą pracą cykliczną w porównaniu z tradycyjnymi akumulatorami litowo-jonowymi i ponad 50 tys. cyklami życia”. Przełóżmy to na prostszy język: ogniwa sodowo-jonowe da się ładować 10 razy szybciej niż dziś powszechnie używane ogniwa litowe. Są też one o wiele trwalsze.

Syndrom chiński

Trzy tygodnie po tym, jak Komisja Europejska pochwaliła się, iż w Unii uczeni wiedzą, jak produkować nowatorskie ogniwa, i dwa tygodnie po tym, jak Amerykanie rozpoczęli ich produkcję, do dialogu włączyli się Chińczycy. Pekin zakomunikował, iż 11 maja 2024 r. zaczął działać pierwszy w kraju wielki magazyn energii zbudowany z ogniw sodowo-jonowych.

Magazyn ma pojemność 10 megawatogodzin (MWh). Zbudowała go założona w 2022 r. państwowa firma China Southern Power Grid, bezpośrednio podlegająca Komisji Nadzoru i Administracji Majątkiem Państwowym Rady Państwa. Z oficjalnego komunikatu można się dowiedzieć, iż „Chiny uruchomiły pierwszą wielkoformatową stację magazynowania wyposażoną w akumulatory sodowo-jonowe, wyznaczając nową erę tanich akumulatorów do zastosowań na dużą skalę”. Jeśli zaś idzie o konkrety, to wykonawca magazynu poinformował, że „dzięki tym akumulatorom koszt przechowywania (energii – red.) można zmniejszyć o 20–30 proc., a koszt kilowatogodziny energii elektrycznej można obniżyć do 0,2 juana (0,0276 dol.)”.

Tak na marginesie: według danych ogłoszonych przez Eurostat cena kilowatogodziny prądu dla gospodarstw domowych w 2023 r. wzrosła w UE ze średniej wynoszącej 0,253 euro do 0,289 euro. Przy czym najdrożej zrobiło się w Holandii (0,475 euro), Belgii (0,435 euro), Rumunii (0,420 euro) i Niemczech (0,431 euro). Gdy się zauważy, ile cyfr jest po przecinku, i weźmie się pod uwagę różnice kursowe, to wychodzi, że Chińczycy będą płacić za prąd 10 razy mniej niż Europejczycy.

Kłopot z Państwem Środka dla Europy polega też na tym, że wywodzący się stamtąd najwięksi producenci ogniw – koncerny CATL (37 proc. udziału w światowym rynku) i BYD (15,8 proc.) – zdołali pójść o krok dalej. Wraz z innymi chińskimi firmami pracują nad stworzeniem ogniw sodowo-jonowych nadających się do napędzania samochodów elektrycznych. Do niedawna się wydawało, iż piekielnie trudne będzie zastąpienie baterii litowo-jonowych – te ze względu na rozmiary, wagę, wytrzymałość oraz gęstość gromadzonej energii nie mają sobie na razie równych. Przeciętny użytkownik e-auta olbrzymie znaczenie przywiązuje do komfortu. Wymaga, żeby elektryk miał jak największy zasięg, by czas ładowania był jak najkrótszy, a zasilające auto ogniwa zachowały sprawność jak najdłużej.

Klasyczne, jeśli tak można rzec, ogniwa sodowo-jonowe nie spełniały tych kryteriów w stopniu zadowalającym. Tymczasem od kilku miesięcy płyną od chińskich firm kolejne doniesienia o wdrażaniu do masowej produkcji pierwszych modeli pojazdów zasilanych akumulatorami sodowo-jonowymi nowej generacji. Pekiński magazyn „CarNewsChina”, analizując tę tendencję, studzi nieco entuzjazm. Podkreśla, że owe „«baterie solne» są na ogół tańsze i nie wykorzystują litu, ponieważ sód zastąpi go jako materiał katody. Nie potrzebują też innych drogich metali, jak kobalt czy nikiel. Mają jednak niższą gęstość energii, dlatego przeznaczone są do stosowania głównie w hulajnogach, małych samochodach i stacjonarnych magazynach”.

Jednak i tak w powietrzu uniosły się zapach rewolucji oraz aromat niewyobrażalnych pieniędzy.

O co idzie gra

Pod koniec 2022 r. firma analityczna specjalizująca się w rynku surowców opublikowała raport na temat zapotrzebowania światowej gospodarki na lit. Prognozowała, że z powodu transformacji energetycznej do 2040 r. zapotrzebowanie na ten pierwiastek w skali globu wzrośnie 12-krotnie. Zatem aby je zaspokoić, oprócz 40 jego kopalń, które już działają, należy uruchomić co najmniej 234 nowe. W tym czasie ruszył wyścig po złoża litu, w którym wystartowała (jak zawsze z opóźnieniem) UE.

Zaczęto lokalizować kolejne i czynić przygotowania do ich eksploatacji. Przy czym przez cały czas towarzyszyło temu poczucie, że wydobycie rzadkiego pierwiastka będzie rosło zbyt wolno. Poza tym wielkie kopalnie odkrywkowe litu niewiele różnią się od kopalń węgla brunatnego (czasami są nawet większe). Niszczą więc olbrzymie połacie ziemi, zostawiając po sobie gigantyczne dziury, które zasysają wodę z okolicy. Generalnie, jeśli kraj chce zafundować sobie pustynię, wystarczy, że uruchomi kopalnię odkrywkową. Tymczasem sód jest jednym z najczęściej występujących pierwiastków. Dlatego w 2023 r. średnia cena tony węglanu sodu (sody kalcynowej) wynosiła ledwie 290 dol. Natomiast za tonę węglanu litu zdatnego do użycia w akumulatorach żądano 35 tys. dol. (choć z powodu uruchamiania wydobycia z nowych złóż jego cena spadła do ok. 20 tys. dol.).

Nawet jeśli ogniwa sodowo-jonowe jeszcze długo będą zbyt niedoskonałe (wbrew rozbudzonym nadziejom) dla pojazdów elektrycznych, i tak już tylko ich wejście na rynek magazynowania energii zwiastuje olbrzymi, spowodowany potrzebami, przełom. W przyjętych w marcu 2023 r. zaleceniach Komisji Europejskiej można przeczytać, że na terenie Unii udział energii odnawialnej w miksie energetycznym osiągnie ok. 69 proc. do roku 2030 r. oraz ok. 80 proc. do 2050 r. Ale ten stan rzeczy dla zachowania elastyczności systemu wymusza „ponad 200 GW i 600 GW zdolności magazynowania energii odpowiednio do 2030 r. i 2050 r. (z ok. 60 GW w 2022 r., teraz głównie dzięki elektrowniom szczytowo-pompowym)” – czytamy.

W Polsce zbyt wielu miejsc do budowy elektrowni szczytowo-pompowych nie ma. Skutki tego już odczuwamy. W polskim systemie energetycznym moc osiągalna OZE dobiła w tym roku do 40 proc. Kiedy więc z powodu odpowiedniej pogody wiatraki i panele słoneczne wytwarzają prąd z pełną mocą, to operator, Polskie Sieci Energetyczne, musi je odłączać, by nie przeciążyć systemu. Jak 28 kwietnia, gdy musiano na pewien czas odłączyć 68 proc. mocy z fotowoltaiki. Paradoksalnie każde takie działanie rodzi koszty podnoszące ceny prądu i uderzające nas po kieszeni. Teraz im więcej nowych farm wiatrowych zacznie pracę w Polsce i im więcej paneli słonecznych zostanie przyłączonych do sieci, tym problem stanie się większy. Ot, urok OZE, gdy brak magazynów energii.

Święty Graal Zielonego Ładu

Wielka transformacja energetyczna, zwana Europejskim Zielonym Ładem, która już zmieniła Stary Kontynent i wkrótce zmieni jeszcze mocniej, wygenerowała ciekawy paradoks. Nowa generacja tanich i wydajnych akumulatorów sodowo-jonowych jest dla Chin szansą na jeszcze agresywniejszą ekspansję ekonomiczną, może również przynieść triumf przemysłowi motoryzacyjnemu Państwa Środka. Dla Ameryki mogą się one stać narzędziem do stawiania czoła Chinom i odbudowy wyeksportowanego niegdyś za Wielki Mur przemysłu. Natomiast dla UE okazują się koniecznością, bo – niczym mityczny Święty Graal – dają nadzieję na spadek cen energii.

Jedyną alternatywą dla tych ogniw, jaką forsują Niemcy, jest produkcja wodoru oraz traktowanie go jako swoistego magazynu elektryczności – bo ma służyć do zasilania elektrowni. Szkopuł w tym, że rozwiązanie to jest niewiarygodnie kosztowne. Już tylko w ustawie energetycznej przyjętej przez Bundestag w połowie kwietnia 2024 r. na budowę sieci przesyłowej wodoru zarezerwowano ponad 20 mld euro. Do tego dochodzą koszty elektrolizerów służących do pozyskiwania wodoru z wody i samej jego produkcji. Potem połóżmy na drugiej szali cenę sody kalcynowej dostępnej w każdej drogerii – a i zwykła sól nada się do wytwarzania elektrod w akumulatorze sodowo-jonowym. Poza nią główne składniki urządzenia to jeszcze żelazo oraz biel pruska lub błękit pruski. Na marginesie, ten ostatni sporządził w 1709 r. farmaceuta Johann Dippel, omyłkowo mieszając ze sobą m.in. siarczan żelaza, węglan potasu i kwas karminowy. Ale to było w czasach, gdy Europa kipiała od innowacyjności, odwagi i wiary we własne siły.

Tak czy inaczej, żaden z wymienionych powyżej składników tak nie poraża ceną jak lit, kobalt, nikiel czy grafit, stanowiące w różnych konfiguracjach elementy ogniwa litowo-jonowego. Natomiast poraża to, jak bardzo Europa została w tyle na kluczowym dla niej polu w wyścigu mocarstw. Niewielką iskierką nadziei jest szwedzka firma Northvolt, która opatentowała własny projekt akumulatora sodowo-jonowego z katodą opartą na bieli pruskiej. Ma on swymi parametrami nie ustępować ogniwu produkowanemu przez Natron Energy. Kolejna iskierka to francuski start-up Tiamat. On też dokonał podobnego przełomu i udało mu się zainteresować nim francusko-włosko-amerykański koncern motoryzacyjny Stellantis. Korporacja zainwestowała 500 mln euro w budowę fabryki baterii sodowo-jonowych w Amiens. Wedle przyjętego harmonogramu uruchomi ona produkcję pod koniec 2025 r.

O takim samym rozwiązaniu marzy niemiecki start-up Litona, działający przy Instytucie Technologicznym w Karlsruhe. W wywiadzie dla newslettera „Pv Europe” jego założyciel Sebastian Büchele przyznał, iż marzy o seryjnej produkcji ogniw zaprojektowanych przez jego firmę. „Jestem przekonany, że wkrótce będziemy mogli je masowo stosować w pojazdach elektrycznych i systemach magazynowania sieciowego” – mówił Büchele. Ale, jak zaznaczył, przejście od projektu do wytwarzania na wielką skalę może się okazać trudnym wyzwaniem, bo „obecnie nawet instytucjom badawczym trudno jest pozyskać wystarczającą ilość bieli pruskiej”.

A to dlatego, że się jej w Europie prawie nie produkuje. Chodzi zaś o odmianę błękitu pruskiego, mocno nasyconego sodem. Czyli coś, co farmaceuta i alchemik Johann Dippel wytwarzał bez problemów na początku XVIII w. Jeśli więc idzie o niezbyt budujący morał na koniec tej opowieści, to ten wydaje się najlepszy. ©Ⓟ