Spis treści
Dobiega końca realizacja przedsięwzięcia „Magazynowanie energii elektrycznej”, prowadzonego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (NCBR). Projekt zainaugurowano wiosną 2021 r. i podzielono go na dwa strumienie – „Bateria” oraz „System”.
Pierwszy z nich obejmuje zadanie polegające na opracowaniu i wykonaniu ogniw galwanicznych z surowców dostępnych w Polsce, podlegających recyklingowi. Z kolei drugi strumień zakłada stworzenie wysoko sprawnego systemu magazynowania energii elektrycznej, który będzie charakteryzował się niskimi stratami związanymi z konwersją energii.
Wyselekcjonowanym w ramach przedsięwzięcia najlepszym wykonawcom – odpowiednio spółkom InnBAT oraz MMB Drives – powierzono realizację obiektów demonstracyjnych, tzw. demonstratorów technologii.
Spółka InnBAT opracowała nowy typ ogniw galwanicznych, czyli wysokoenergetyczny kompozytowy kwasowy akumulator węglowo-ołowiowy (KLAB). Odpowiedzialny za to zadanie zespół pod kierownictwem prof. Andrzeja Czerwińskiego zajął się skonstruowaniem na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego demonstratora systemu magazynowania energii, w którym zainstalowano te ogniwa – prof. Czerwiński opracował akumulatory do Demonstratora, który zostanie zainstalowany na Wydziale Chemii, ale sam Demonstrator opracowuje MMB Drives – wykonuje integracje dwóch strumieni.
Natomiast firma MMB Drives, której zespołem kieruje prof. Zbigniew Krzemiński, opracowany przez siebie system magazynowania energii umiejscowiła w demonstratorze w domku jednorodzinnym w Brwinowie (woj. mazowieckie). Instalacja o mocy 10 kW składa się z urządzenia centralnego (falownika), baterii systemowej oraz instalacji fotowoltaicznej (10 kWp). System służy do przekształcania energii pobranej z sieci lub instalacji PV do naładowania baterii systemowej, jak również do przekształcania energii zgromadzonej w baterii zasilania budynku lub samochodu elektrycznego.
– Projekt znajduje się na ukończeniu i będzie finalizowany w grudniu. Zarówno bateria opracowana przez InnBAT, jak i system stworzony przez MMB Drives, pomyślnie przeszły testy. Parametry techniczne, które założono w obu częściach projektu, zostały osiągnięte – informuje Aneta Ruzik, kierownik projektu NCBR.
Bez magazynów transformacji nie będzie
Nim przejdziemy do szerszego opisu projektu warto wskazać trzy główne powody, które wpisują go zarówno w kontekst dotyczący transformacji energetycznej, jak i obszary związane z łańcuchami dostaw oraz zrównoważonym rozwojem.
Zobacz też: Polska ma już ponad 9 GW magazynów energii. Na razie na papierze
Po pierwsze magazynowanie energii jest niezbędne, żeby transformacja mogła się w ogóle dokonać. W systemie elektroenergetycznym opartym w coraz większym stopniu o odnawialne źródła energii – zależne od pory dnia oraz warunków atmosferycznych, potrzebne są też jednostki, które będą bilansować system wtedy, gdy podaż energii z OZE nie będzie zaspokajała bieżącego zapotrzebowania.
W ostatnich latach o wiele szybciej od magazynowania energii rozwijała się energetyka odnawialna, co sprawia, że coraz częściej praca źródeł OZE musi być ograniczana. Dotyczy to zarówno przydomowych instalacji PV, jak i wielkoskalowych farm fotowoltaicznych i wiatrowych.
Dobre warunki do produkcji energii z wiatru czy słońca nie zawsze występują w okresach dużego popytu na energię, np. w czasie zmniejszonego zapotrzebowania ze strony przemysłu w święta lub w momencie, gdy domowi prosumenci w ciągu dnia są w pracy. Wówczas te nadwyżki mogłyby zostać zagospodarowane przez magazyny energii i wykorzystane później.
Dla przykładu: gdy NCBR ruszało z projektem wiosną 2021 r., to w Polsce było ponad pół miliona mikroinstalacji o łącznej mocy ok. 3,5 GW. Według ostatnich danych Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej, po trzecim kwartale 2023 r. było ich już ponad 1,3 mln o sumarycznej mocy blisko 10,5 GW. Natomiast według danych Polskiej Izby Magazynowania Energii, na koniec ubiegłego roku było zaledwie ok. 7 tys. przydomowych magazynów o łącznej mocy 27,5 MW i pojemności 55 MWh.
Unia ma krytyczny problem z surowcami
Po drugie, magazyny bateryjne są najszybciej rosnącą technologią magazynowania energii, ale problem w tym, że opiera się ona przede wszystkim na surowcach wydobywanych poza terytorium Unii Europejskiej. Również ich rafinacja najczęściej odbywa się poza unijnymi granicami.
Przykładowo, jak podaje Komisja Europejska, metale ciężkie ziem rzadkich są poddawane procesowi rafinacji wyłącznie w Chinach. Z kolei 63 proc. światowego kobaltu – wykorzystywanego w bateriach – wydobywa się w Demokratycznej Republice Konga, natomiast 60 proc. jest poddawane procesowi rafinacji w Chinach.
– Taka koncentracja naraża UE na znaczne ryzyko związane z dostawami. Istnieją precedensowe przypadki państw, które wykorzystują swoją silną pozycję dostawcy surowców krytycznych przeciwko państwom kupującym, na przykład wprowadzając ograniczenia wywozowe – wskazuje KE.
Opublikowana w tym roku piąta edycja listy surowców krytycznych dla UE (CRM – Critical Raw Materials) liczy 34 pozycje. Obejmuje ona surowce o dużym znaczeniu dla gospodarki UE i wysokim ryzyku związanym z ich dostawą. Wśród nich, oprócz wspomnianego wcześniej kobaltu, znajdują też m.in. wykorzystywane w bateriach mangan, grafit, nikiel czy lit. Popyt na ten ostatni ma wzrosnąć do 2050 r. nawet 89-krotnie.
Zobacz też: Europa szuka surowców do zielonej transformacji
Unia chce mieć zielone baterie
Po trzecie, wzrost zapotrzebowania na surowce częściowo będzie można ograniczyć dzięki recyklingowi. Ponadto kluczowe są też kwestie dotyczące minimalizacji wpływu baterii na środowisko. Tych zagadnień dotyczy przyjęte w lipcu tego nowe rozporządzenie bateryjne Parlamentu Europejskiego i Rady.
Od 2025 r. wprowadzi ono nowe wymogi dotyczące zużytych baterii – do urządzeń przenośnych, pojazdów elektrycznych, samochodów i maszyn, czy też coraz popularniejszych elektrycznych rowerów i hulajnóg. Producenci będą zobowiązani do zbierania zużytych baterii z urządzeń przenośnych (63 proc. do końca 2027 r. i 73 proc. do końca 2030 r.), a także z lekkich środków transportu (51 proc. do końca 2028 r. i 61 proc. do końca 2031 r.)
Jeśli chodzi o wykorzystanie materiałów z recyklingu w bateriach przemysłowych, a także do pojazdów i maszyn, docelowe poziomy wynoszą 16 proc. kobaltu, 85 proc. ołowiu, 6 proc. litu i 6 proc. niklu. Baterie będą musiały posiadać dokumentację poświadczającą zawartość materiałów z recyklingu.
Przewidziano też m.in., że do 2027 r. użytkownicy końcowi powinni móc usuwać i wymieniać baterie przenośne wmontowane do urządzeń przenośnych, czyli choćby telefonów komórkowych. Wprowadzono także wymogi informacyjne i zasady dotyczące etykietowania, m.in. w odniesieniu do komponentów baterii i zawartości materiałów z recyklingu (do 2026 r.), a także „paszport” baterii i kod QR (do 2027 r.).
Polskie surowce i niemal pełen recykling
Co o rozwiązaniach wypracowanych w ramach projektu mówią sami wykonawcy? Prof. Andrzej Czerwiński wyjaśnia, że opracowana przez InnBAT technologia KLAB akumulatorów kwasowo-węglowych polega na zastąpieniu niektórych ołowianych elementów konstrukcyjnych specjalnie opracowanym przewodzącym węglem porowatym.
– Dzięki temu w akumulatorze spadło zużycie ołowiu o ok. 40 proc., a gęstość energii zmagazynowanej (Wh/kg) jest większa o ok. 50 proc. przy jednocześnie niższych kosztach produkcji (ok. 50 dolarów/kWh) w stosunku do zwykłych akumulatorów ołowiowo-kwasowych. Koszty te są kilkakrotnie niższe od cen energii w akumulatorach litowo-jonowych – podkreśla naukowiec.
Jak dodaje, akumulatory KLAB cechuje też wysoka odporność eksploatacyjna (np. osiem lat pracy ciągłej z panelami fotowoltaicznymi) oraz niewielka utrata energii podczas ich przechowywania w stanie naładowania (ok. 2 proc. miesięcznie). Mogą one działać w szerokim zakresie temperatur (od -35 do +55 stopni Celsjusza).
– Wszystkie materiały oraz elementy konstrukcyjne KLAB są dostępne i wytwarzane w kraju. Akumulatory mogą być poddane procesowi recyklingu wydajnością prawie 100 proc. wspólnie z klasycznymi akumulatorami ołowiowo-kwasowymi, na które już od kilkudziesięciu lat istnieje w kraju zorganizowany system zbiórki i ich recyklingu – zaznacza prof. Czerwiński.
System cichy i wydajny
Prof. Zbigniew Krzemiński wskazuje, że system magazynowania energii zaprojektowany przez MMB Drives składa się z urządzenia centralnego i baterii systemowej. Urządzenie centralne zawiera przekształtniki energoelektroniczne zbudowane z tranzystorów z węglika krzemu i transformatorów wysokiej częstotliwości zaprojektowanych w MMB Drives.
– Konstrukcja urządzenia została zoptymalizowana pod kątem wysokiej sprawności w torze przetwarzania energii z izolacją galwaniczną. Zastosowano przekształtniki generujące niesymetryczne prądy trójfazowe niezbędne do zasilania jednofazowych odbiorników i symetryzacji prądów w przyłączu sieci energetycznej. Duża powierzchnia wymiany ciepła umożliwiła wyeliminowanie wentylatorów do chłodzenia, co zredukowało hałas poniżej 28 dB przy 10 kW przetwarzanej mocy – tłumaczy prof. Krzemiński.
Ponadto bateria systemowa – oparta na ogniwach litowo-tytanianowych (LTO) – pracuje w szerokim zakresie temperatur, w tym ujemnych, bez dodatkowych układów chłodzenia i wentylacji.
– System wyposażony w instalację fotowoltaiczną i baterię systemową maksymalizuje autokonsumpcję w obiekcie oraz minimalizuje koszty energii elektrycznej pobieranej z sieci przy braku energii pochodzącej z odnawialnego źródła w dłuższym okresie. Wykorzystano w tym celu dużą żywotność ogniw LTO przekraczającą 15 tys. cykli – mówi prof. Krzemiński.
Testy trwają nadal
Odnosząc się do efektów przedsięwzięcia Aneta Ruzik z NCBR zwróciła uwagę, że nie tylko udało się osiągnąć założone wyniki, ale też znacząco je przekroczyć.
– W przypadku baterii wymagania minimalne udziału surowców z Polski do produkcji anody i katody w ogniwie wynosił wagowo nie mniej niż 80 proc. Udało się osiągnąć 100 proc. Dla żywotności ogniw przewidziano natomiast minimum 800 cyklów ładowania i rozładowania, a podczas testów udało się już osiągnąć poziom ponad 2600 cyklów. Testy nadal trwają, więc ostateczną żywotność ogniw poznamy w 2024 r. – podkreśla kierownik projektu.
Jak dodaje, opracowana bateria z surowców dostępnych w Polsce (m.in. węgla, siarki i ołowiu) posiada potencjał do wykorzystania w domowych magazynach energii, magazynach do użytku przemysłowego lub bilansowania sieci elektroenergetycznych. Charakteryzuje się bezpieczeństwem użytkowania i jest przyjazna środowisku.
– Atuty dotyczą nie tylko parametrów technicznych, ale również łatwości pozyskania surowców do produkcji baterii, a po zakończeniu eksploatacji ich niemal całkowitego recyklingu. Założenia projektu wyprzedziły nawet przyjęte w tym roku przez przepisy UE dotyczące recyklingu baterii – zachwala Ruzik.
Zastrzega przy tym, że okres demonstracyjny wynosi dwa lata od ukończenia zadania, a okres gwarancyjny to trzy lata. Oznacza to, że w ciągu dwóch najbliższych lat baterie oraz system będą nadal testowane w różnych warunkach, co pokaże ich optymalne możliwości.
Ponadto MMB Drives podjęło się też dodatkowego zadania związanego z projektem, które obejmuje zintegrowanie z systemem baterii z polskich surowców, którą opracował InnBAT. Demonstrator tych dwóch rozwiązań również powstał na Wydziale Chemii UW.
– Wyniki osiągnięte w projekcie, a także łatwość skalowania opracowanych technologii, stwarzają potencjał do komercjalizacji. Zwłaszcza, że założenia komercjalizacji pozwalają również na sprzedaż licencji produkcyjnej – podsumowuje Aneta Ruzik.
Projekty Zielonego Ładu
Łączny koszt przedsięwzięcia „Magazynowanie energii elektrycznej” to ok. 14,5 mln zł. To jeden z dziewięciu prowadzonych przez NCBR i współfinansowanych ze środków unijnych Projektów Zielonego Ładu. Wśród innych znajdują się m.in. „Budownictwo efektywne energetycznie i procesowo”, „Innowacyjna Biogazownia”, „Ciepłownia Przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE” czy „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym”.
Zobacz też: Dziś prototyp, jutro obowiązek. Pierwszy taki budynek wkrótce będzie gotowy
Polskie miasta zamiast węgla mogą ogrzać pompy ciepła i biometan
Innowacyjna Biogazownia wyrośnie w tym roku
Przedsięwzięcia te są realizowane w ramach nowego trybu finansowania prac badawczo-rozwojowych – zamówienia przedkomercyjnego. Tryb ten – jak tłumaczy NCBR – zakłada odejście od typowego dotychczas w Polsce finansowania prac badawczo-rozwojowych poprzez udzielanie grantów na pojedyncze programy.
– Zazwyczaj jest tak, że firmy zgłaszają swoje projekty w naborach w ramach tzw. szybkiej ścieżki lub innych programów i są one akceptowane lub odrzucane. My działamy w odwrotnej konwencji: wskazujemy to, jaki efekt chcemy uzyskać lub jaką technologię chcemy stworzyć – tłumaczył wcześniej Wojciech Racięcki, dyrektor Działu Rozwoju Innowacyjnych Metod Zarządzania Programami NCBR, na łamach portalu WysokieNapiecie.pl.
– Ustalamy więc wyzwanie dla rynku – parametry konkursowe, a wykonawcy rywalizują między sobą, aby stworzyć najlepsze rozwiązanie. Oczekujemy, że wskazane pomysły przyniosą skokową zmianę. Płacimy natomiast za rzeczywiście zrealizowane zadania – wyjaśniał.
„Magazynowanie energii elektrycznej” jest finansowane ze środków funduszy europejskich Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój.
Zobacz też: Dwa polskie auta elektryczne na ukończeniu
