Radykalny przełom dla dobra ludzkości – pod tym hasłem XPRIZE Foundation rozdaje co roku dziesiątki, a nawet setki milionów dolarów. Wśród nagrodzonych projektów były i odważne wizje podboju kosmosu, i pionierskie terapie medyczne czy poszukiwania przyszłościowych pojazdów, które mogłyby zastąpić dzisiejsze samochody. A w tym roku 100 mln dolarów pójdzie z dymem – niemal w dosłownym sensie, gdyż ta pula pieniędzy została przeznaczona na nagrodzenie najbardziej obiecujących technologii związanych z wychwytywaniem z atmosfery dwutlenku węgla.
50 z owych 100 milionów trafiło do indyjskiego start-upu Mat Carbon. Jego założyciele opracowali technologię kruszenia bazaltu, który ma trafiać na pola uprawne – z jednej strony wiążąc CO2 obecny w powietrzu, a z drugiej podnosząc żyzność gleb. Wśród pozostałych nagrodzonych są zresztą pokrewne pomysły – pozyskiwanie odpadów z roślin tropikalnych, z których ma powstawać biowęgiel, czy technologia magazynowania pod ziemią odpadów rolniczych. Mogłoby się wydawać, że nie są to pomysły spektakularne i doceniane przez kogokolwiek poza ekspertami – a jednak: najwyraźniej nauka w służbie dekarbonizacji stała się atrakcyjnym tematem także dla laików.
Zbieranie nadmiaru CO2
W zeszłym roku wartość rynku wychwytywania, utylizacji i magazynowania CO2 sięgała już 8,8 mld dolarów (według Global Market Insights), choć technologie tego typu są przeważnie w fazie testów pilotażowych. Ale już każdy kolejny rok w dekadzie do 2034 r. ma przynosić wzrost rynku rzędu 16,7 proc., do poziomu 45 mld dolarów. Ma go napędzać zapotrzebowanie na wychwytywanie i magazynowanie CO2 w tradycyjnych instalacjach – węglowych i gazowych. I nawet jeśli zobowiązania dotyczące redukowania emisji gazów cieplarnianych będą luzowane, co najwyżej spowolni to nieco rozwój rynku.
„USA wprowadziły 20-proc. cła na metale ziem rzadkich i zielone technologie, 25-proc. na panele słoneczne, co podbija koszty instalacji; 15–25-procentowe na części turbin wiatrowych, co odbija się na harmonogramach budowy; i wreszcie od 10 do 15 proc. na wyposażenie dla branży naftowej i gazowej (…). Elektromobilność, ropa i gaz oraz wytwarzanie energii doświadczają wzrostu kosztów, wąskich gardeł w odniesieniu do dostaw, opóźnień w inwestycjach” – zauważają analitycy Cognitive Market Research. Jeśli zatem spowolni proces transformacji, wychwytywanie CO2 będzie najważniejszą z dostępnych alternatyw, tym bardziej że to właśnie w USA uruchamia się połowę inwestycji tego typu.
Międzynarodowa Agencja Energii wypowiada się o tej technologii z ostrożnością: owszem, zauważa, że instalacje, które już dziś funkcjonują, usuwają w ciągu roku z atmosfery około 50 mln ton CO2. Z drugiej jednak strony to niewiele więcej niż przed rokiem. Inna sprawa, że do końca dekady działające wówczas instalacje mają już odpowiadać za usunięcie 430 mln ton dwutlenku węgla rocznie. Pojemność magazynów na CO2 ma z kolei sięgnąć 670 mln ton.
Jednak największe globalne koncerny energetyczne – oraz wiele dużych korporacji z innych rynków, jak np. przemysł chemiczny – inwestuje dziś w tę technologię znaczne sumy, podpatrując pomysły naukowców lub inwestując w start-upy. Zresztą w olbrzymiej większości tych drugich znajdziemy badaczy ze specjalistycznym wykształceniem uniwersyteckim, często z dziedzin, które technikom z tradycyjnej branży energetycznej nigdy by nie przyszły na myśl. Spójrzmy zresztą na kilka wiodących start-upów szukających sposobu na CO2. Amerykański Heirloom, japoński Xtract Carbon czy turecki Palgae to firmy, które rozwiązania problemu szukają w tak odległych obszarach, jak skały wapienne, nanomembrany czy algi. O tym, która technologia ostatecznie stanie się standardem, zdecydują zapewne koszty oraz wygoda branży energetycznej i konsumentów. Ale niemal pewne jest, że stosowne rozwiązanie dostarczy świat nauki.
Poszukiwacze upragnionej fuzji
Kolejnym segmentem rynku energetycznego, który szybko otwiera się na badania naukowe, jest energetyka nuklearna. Jej wywołany kryzysem energetycznym i wojną w Ukrainie renesans był też dużym impulsem rozwojowym dla całego sektora badań nad włączaniem jej do transformacji energetycznej i uznaniem za źródło „czystej” energii – pomimo wcześniejszych sporów, na ile odpowiada ona tej definicji.
Świętym Graalem naukowców zajmujących się fizyką jądrową są reaktory fuzyjne – w przeciwieństwie do tradycyjnych reaktorów w tokamakach (reaktorach termojądrowych) zachodzi proces łączenia, a nie rozszczepiania jąder. Tokamak jest bezpieczniejszy, bo reakcja bez odpowiedniej moderacji będzie miała tendencję do wygasania. Pozostałości paliwa z takiego reaktora dezaktywują się szybciej niż te z tradycyjnej instalacji.
Mimo przesłanek do optymizmu, pozytywnych wyników eksperymentów i wielkich nakładów na fuzję termojądrową nikt nie ma jednak wątpliwości, że wdrożenie tej technologii na ogólnodostępną skalę raczej nie nastąpi przed połową tego stulecia. Owszem, rosną budżety poszczególnych projektów, ale Fusion Industry Association szacuje, że nawet miliard dolarów rocznie nie byłby w stanie przyspieszyć procesu wdrażania tej technologii na masową skalę.
Co wcale nie zniechęca do wyścigu, gdyż kto pierwszy będzie miał w ręku tę technologię, posiądzie kurę znoszącą złote jaja. A karty są dziś w rękach naukowców i start-upowców, co najczęściej oznacza to samo. – Wielu z nich jest ściśle związanych z instytucjami naukowymi lub uniwersytetami, co daje im dostęp do wiedzy na najwyższym poziomie i najlepszych badań – podkreśla portal Climate Insider. – Przykładowo, Commonwealth Fusion Systems, Tokamak Energy czy Zap Energy wszystkie wywodzą się z takich instytucji – dodaje.
Wspomniane firmy otwierają dosyć długą listę „nuklearnych” start-upów. Naukowcy przedsiębiorcy próbują dziś nadawać ton pracom nad wdrożeniem małych reaktorów modułowych (SMR, o których kilka lat temu zrobiło się głośno, choć to wciąż technologie w procesie zdobywania stosownych licencji lub w fazach testów), eksperymentują z wytwarzaniem wodoru jako ubocznego produktu reakcji, optymalizują zabezpieczenia tradycyjnych technologii, zastanawiają się nad składem przyszłych paliw jądrowych czy ulepszają technologie magazynowania odpadów.
Zbudowanie kadr
Przed polskim światem nauki stoi, nieco bardziej oczywiste, zadanie: wykształcenie kadr, które zatroszczą się w stosunkowo niedalekiej przyszłości o funkcjonowanie naszej rodzimej energetyki nuklearnej. Według Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej oraz OECD Nuclear Energy Agency bezpośrednie zatrudnienie przy jednym reaktorze lekkowodnym o mocy 1 GW w fazie budowy to 1200 specjalistów na okres dekady. Przez pół wieku funkcjonowania takiej jednostki cały czas musi przy niej pracować 500–800 osób zajmujących się podtrzymaniem pracy reaktora, utrzymaniem go w dobrym stanie i administrowaniem obiektem. Dekadę trwa wygaszanie instalacji, proces pod nadzorem 500-osobowego zespołu. Plus 80 specjalistów do zarządzania odpadami i wyłączoną instalacją w perspektywie kolejnych 40 lat.
Teraz pomnóżmy powyższe razy sześć, bo przecież docelowo polski program nuklearny zakładał tyle reaktorów (dwie elektrownie po trzy reaktory). I jeszcze dorzućmy, że potencjalni absolwenci będą kuszeni ofertami zza granicy, bo odwrót od elektrowni atomowych przed kilkunastoma laty sprawił, że wielu ekspertów odeszło z branży, zmniejszył się też napływ nowych kadr – i deficyt rąk do pracy jest dziś zjawiskiem globalnym.
I choć już poprzednie rządy zdawały sobie sprawę z tego problemu, a niektóre uczelnie w Warszawie, Krakowie czy Gdańsku zadeklarowały chęć zajęcia się procesem przygotowania kadr dla energetyki jądrowej, to trudno mówić o tym, by ten proces ruszył z kopyta. Teoretycznie mamy jeszcze czas, ale pamiętajmy, że pierwszych specjalistów będziemy potrzebować jeszcze w czasie budowy elektrowni, a w momencie jej uruchomienia powinniśmy już mieć te pół tysiąca osób w gotowości do podjęcia pracy. Poza tym, gdyby się okazało, że jednocześnie rumieńców nabrały technologie modułowe – popyt na ekspertów wzrósłby skokowo. Szkoda, żeby środowiska akademickie przegapiły taką szansę.
Wodorowe nadzieje
Przy technologiach nuklearnych wspomniana wyżej produkcja wodoru na potrzeby energetyki wygląda jak narwany nastolatek przy peletonie poważnych, szpakowatych nestorów. Czysto teoretycznie spotykamy się od czasu do czasu z pojedynczymi wdrożeniami technologii wodorowych do powszechnego użycia – jak w komunikacji miejskiej. Ale generalnie dla energetyki jest to wciąż technologia droga, zbyt eksperymentalna i nadal nie bezemisyjna.
Zapewne wiele lat musi jeszcze upłynąć, żeby się to zmieniło. Aczkolwiek trzeba przyznać, że nowatorskie firmy badawcze nie składają broni. Przykładem może być jeden z najbardziej obiecujących start-upów z rynku tej technologii: niemiecki Hydrogenious LOHC Technologies. To spin-off Uniwersytetu Fryderyka i Aleksandra w Erlangen i Norymberdze, kierowany przez czterech naukowców tej uczelni i koncentrujący się na tworzeniu systemów przesyłu i magazynowania wyprodukowanego już wodoru. W tym celu badacze wiążą go ze znanym już z ciepłownictwa olejem, benzyltoulenem, co znacznie redukuje ucieczkę tego ultralekkiego paliwa i powstające przy tej okazji emisje. Firma połączyła siły z koncernem Bosch i komercjalizuje dziś swoją technologię, adresując ofertę zarówno do stacji tankowania wodoru, jak i innych podmiotów korzystających z wodoru.
O ile niemiecka firma jest już obecna w obszarze naukowo-biznesowym od kilkunastu lat, o tyle inne nowatorskie start-upy wodorowe mają za sobą znacznie krótszą drogę. Ale i nie mniejsze ambicje. Norweski Hystar powstał w 2020 r. jako spin-off SINTEF-u, niezależnej organizacji prowadzącej zarówno własne badania, jak i przyjmującej zlecenia od biznesu, blisko związanej z Norweskim Uniwersytetem Naukowo-Technicznym. Firma eksperymentuje z modyfikowaniem sposobu działania elektrolizerów w taki sposób, by produkcja zielonego wodoru była tańsza i skalowalna. Kluczem ma tu być użycie w instalacji ultracienkich membran, o 90 proc. cieńszych niż standardowe. Docelowa nowa instalacja powinna nadawać się zarówno do użycia w transporcie, jak i w zakładach przemysłowych.
W świecie anglosaskim powiązania ze środowiskiem akademickim nie są już tak klarowne. Dwie kolejne obiecujące firmy „wodorowe” – brytyjski HiiROC oraz amerykański Electric Hydrogen to już przedsięwzięcia zakładane przez specjalistów wywodzących się z koncernów energetycznych lub prywatnych firm badawczych, którzy postanowili wybić się na niezależność. I robią to z przytupem: Brytyjczycy badają możliwość zastąpienia elektrolizy opartej na wodzie elektrolizą plazmy termicznej, która to technologia ma być całkowicie bezemisyjna, a na dodatek modułowa – co pozwoliłoby stosować ją zarówno w małych instalacjach, jak i w przemyśle. Amerykanie natomiast próbują przemodelować klasyczną instalację do produkcji wodoru w taką, która będzie generować znacznie niższe koszty. I to im udało się zebrać astronomiczne dofinansowanie ze strony biznesu: koncerny takie jak BP, Microsoft i United Airlines wyłożyły w 2023 r. aż 380 mln dolarów na rozwój proponowanej przez firmę z Massachusetts technologii.
Nawet tradycyjne elektrownie mogą skorzystać z boomu na zielone technologie, choćby w zakresie wychwytywania dwutlenku węgla
Ulepszanie odnawialności
Gdyby jednak patrzeć przez pryzmat dnia dzisiejszego, należałoby wskazać inną sferę branży energetycznej, w której innowacje mogą odegrać kluczową rolę – to odnawialne źródła energii. Podczas ostatniego szczytu klimatycznego w Baku państwa uczestniczące w tym wydarzeniu zobowiązały się gremialnie do potrojenia globalnego potencjału takich źródeł, co tym bardziej zwiększa presję na innowacje w tym obszarze.
Wynika to przede wszystkim z faktu, że OZE są źródłem energii tyleż czystej, co niestabilnej: produkują wszakże tylko wtedy gdy świeci słońce (fotowoltaika) lub wieje wiatr (energetyka wiatrowa). Rozwiązaniem są oczywiście magazyny energii, które jednak są dziś technologią wciąż stosunkowo kosztowną, wymagającą sporego wysiłku w instalacji, a i jej żywotność pozostawia nieco do życzenia. Każda innowacja sprowadzająca się do poprawy efektywności źródeł energii, a także magazynów, może więc przyczyniać się do przyspieszenia transformacji i obniżenia jej kosztów.
A polscy naukowcy są na tym polu aktywni, choć na razie trudno mówić o wdrożeniach. Już osiem lat temu na Uniwersytecie Śląskim pracowano nad technologią wykorzystującą polimery do budowy ogniw fotowoltaicznych, które można byłoby np. umieszczać na obraniu czy innych mobilnych i elastycznych powierzchniach. Cztery lata temu naukowcy z krakowskiej Akademii Górniczo-Hutniczej, współdziałając z czeskimi i słowackimi kolegami, stworzyli technologię skutecznego recyklingu ogniw PV, której wdrożeniem zajmuje się spółka 2loop Tech. Z kolei na Politechnice Białostockiej podjęto prace nad wykorzystaniem zużytych turbin wiatrowych do wytwarzania ekranów akustycznych. Wydział Fizyki UW, we współpracy z Fraunhofer Institute for Solar Energy, zaprezentował dwa lata temu perowskitowe ogniwa fotowoltaiczne: tańsze, przyjaźniejsze dla środowiska i o poprawionych właściwościach antyodbiciowych.
Pomiędzy ambicjami a realiami
– Gdy mamy do czynienia z tak wielkim i niecierpiącym zwłoki wyzwaniem, jak transformacja energetyczna, nikt – nawet giganci biznesu – nie jest w stanie sprostać mu w pojedynkę – przekonuje na swoich stronach organizacja Mind The Bridge. – Start-upy to jedyny sposób, by przyspieszyć tę podróż i szybko znaleźć potrzebne nam rozwiązania – apeluje.
W rzeczywistości obrazek jest bardziej skomplikowany. Najśmielsze technologie, takie małe reaktory modularne czy wodorowe technologie produkcji mogą przyciągać uwagę mediów, ale dla branży jest to abstrakcyjna, kapitałochłonna i bardzo niepewna inwestycja. Tym bardziej że trudno jeszcze określić, która z technologii przyjmie się jako dominujący standard, a w wielu obszarach (w końcu systemy energetyczne mają charakter transgraniczny) taka standardyzacja jest potrzebna – choćby dla zbijającego ceny efektu skali. Poręczniejsze są te technologie, które modernizują działanie już istniejących instalacji. Ponadto, jak w wielu innych dziedzinach, i w energetyce dostrzegalny jest rozdźwięk między tym, co naukowcy uważają za „przełomowe”, a tym, czego oczekuje branża.
– Ze świata nauki płyną do branży energetycznej pewne impulsy, aczkolwiek wiele jeszcze zostaje do zrobienia – podsumowywał w rozmowie z „Rzeczpospolitą” prezes E.ON Polska Andrzej Modzelewski. – Duże firmy mają pewne zasoby, ale na co dzień nie są w stanie wygospodarować czasu i wiedzy potrzebnych do tego, by rozwijać innowacje. A widzimy w innych branżach – jak informatyka, AI czy medycyna, że da się to zrobić i to świetnie działa. Tu też dochodzi do transfery wiedzy, ale potrzeba wiele czasu, żeby strony się porozumiały co do tego, co ma być produktem końcowym. Nie chodzi przecież o to, by zrobić coś do szuflady, lecz o opracowanie produktu, z którego korzyść odniesie końcowy odbiorca – mówił.
Globalne koncerny energetyczne inwestują dziś w wychwytywanie CO2 znaczne sumy, podpatrując pomysły badaczy
Według niego, zamiast prezentować pojedyncze projekty, jak robią to dziś specjaliści akademiccy, należałoby uruchomić stały proces. – Powinno być więcej debat o szerokim zasięgu – angażujących naukę, biznes i stronę społeczną, czyli klientów – a nie tylko dyskusje pomiędzy przedstawicielami samej branży. Pomimo tego, że prowadzone są jakieś projekty, wystarczy spojrzeć na Stany Zjednoczone, by zobaczyć, jak to powinno działać: ile innowacji wychodzi tam z inicjatywy akademickiej, uniwersytetów, i ile z nich pojawia się potem jako międzynarodowe succes story – kwitował Modzelewski.
Przy tym wszystkim nie można zapominać, że wcześniej czy później musimy zdekarbonizować gospodarkę – dla dobra planety, ale też dla dobra gospodarki. Zdaniem szefów Quadrative Capital, funduszu hedgingowego i inwestycyjnego, który założył jedną z najbardziej hojnych fundacji sponsorujących badania przełomowe dla energetyki i klimatu, rynek energetyczny – odrywając się niestabilnych, podatnych na geopolityczne wstrząsy kopalin – tylko na tym skorzysta. A w ślad za nim również konsumenci, którzy przecież tak czy inaczej płacą finalny rachunek za energię.
