Prof. Marcin Molenda: Możliwość produkcji magazynów energii na poziomie danej gospodarki będzie decydowała o jej niezależności energetycznej

Profesor Marcin Molenda kieruje Zespołem Technologii Materiałów i Nanomateriałów na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego. Nowe technologie opracowane pod kierownictwem profesora mogą zrewolucjonizować sektor stacjonarnych magazynów energii oraz produkcji EV.

Naukowiec i innowator opowiedział nam o swoich badaniach oraz wyzwaniach, jakie stoją przed branżą magazynowania energii.

Na czym skupiają się badania Pańskiego zespołu?

Badania mojego zespołu są poświęcone przede wszystkim opracowaniu nowych rozwiązań materiałowych, które będą w założeniu zrównoważone, czyli wytwarzane w taki sposób, aby jak najmniej obciążać środowisko. Opiera się to na korzystaniu z surowców odnawialnych oraz surowców łatwo dostępnych.

Same technologie projektowane są w taki sposób, aby były proste, jak najmniej energochłonne oraz generowały minimalną ilość odpadów. Idealnym rozwiązaniem są technologie bezodpadowe, aczkolwiek tutaj zawsze pojawia się kwestia, jak będą traktowane na przykład gazy procesowe, które są neutralne.

Technologie są nie tylko niskoemisyjne, ale również sprzyjają wydłużeniu czasu życia produktu. Staramy się przewidzieć, jaki będzie czas wykorzystania danego materiału w produkcie. Dzięki temu możemy maksymalnie wydłużyć czas operacyjny, aby ten najmniej korzystny finansowo aspekt związany z recyklingiem został odroczony w czasie.

Patrzymy na technologie, jako proces obiegu zamkniętego – od wygenerowania materiału funkcjonalnego, poprzez produkt, aż do zagospodarowania zużytego produktu z powrotem do cyklu produkcyjnego. Proces ten ma być optymalny z punktu widzenia obiegu zamkniętego. Może się więc okazać, że na niektórych etapach pewne składowe nie będą optymalne kosztowo, ale w rozliczeniu całościowym będzie to najkorzystniejsze dla całości łańcucha wartości.

Badania dotyczą zarówno magazynów stacjonarnych, jak i tych wykorzystywanych w EV?

Badania prowadzone są w zakresie opracowania technologii magazynowania energii. Czy to będzie tylko do magazynów energii, czy do samochodów, jest już kwestią drugorzędną. Żeby mieć możliwość magazynowania energii, należy zacząć od materiałów, które zostaną wykorzystane do zbudowania ogniwa. Ogniwa następnie są zestawiane w magazyn, tj. baterię ogniw.

To, w jaki sposób magazyn pracuje, zależy oczywiście od komponentów, z jakich jest wykonany. Technologie materiałowe są tutaj kluczowe. Decydują o sprawności, trwałości i bezpieczeństwie magazynu oraz oczywiście o jego koszcie. Jeżeli mamy drogie surowce, to nie ma szansy wyprodukować taniego magazynu.

Dynamiczny rozwój tego szeroko pojętego sektora akumulatorowego poskutkuje niedoborami surowców?

Rynek magazynowania energii w ciągu najbliższej dekady wzrośnie dwudziestokrotnie. Zaryzykuję stwierdzenie, że wzrost może być nawet dwudziestopięciokrotny.

Na wstępie chciałbym podkreślić jeszcze jedną kwestię. Jednym z najważniejszych pytań jest to, skąd pozyskamy energię, którą będziemy magazynować. Jest to niesamowicie istotne, ponieważ nie będziemy magazynować energii pochodzącej z paliw kopalnianych. Takie działania byłyby całkowicie pozbawione sensu. Chodzi o to, że musimy magazynować energię, którą pozyskujemy ze źródeł odnawialnych.  

Wracając do pytania, popatrzmy na prognozy – historyczne i te w miarę aktualne. Historia pokazuje, że wszystkie prognozy zawsze są niedoszacowane. Rynek magazynowania energii w ciągu najbliższej dekady wzrośnie dwudziestokrotnie. Zaryzykuję stwierdzenie, że wzrost może być nawet dwudziestopięciokrotny.

Z czego to wynika?

By móc korzystać z energii odnawialnej, musimy ją magazynować. Źródła energii odnawialnej są niestabilne czasowo i zmienne okresowo, więc efektywne korzystanie z OZE jest ściśle związane z magazynowaniem energii. W efekcie rynek magazynowania energii rozwija się w sposób niezrównoważony. Nie ma obecnie drugiej takiej branży, która rozwijałaby się tak szybko.

Nie możemy zapominać, że kobalt, czy też inne surowce wykorzystywane w akumulatorach, stosowane są również w innych gałęziach przemysłu. Jeżeli będziemy mieli kontynuację bardzo szybkiego wzrostu sektora magazynowania energii, braki te będą się pojawiały.

Pozyskiwanie surowców nie wygląda tak, że nagle stwierdzimy, że będziemy wydobywać więcej niklu czy kobaltu. Po pierwsze zasoby są ograniczone, a po drugie kobalt wydobywany jest przy okazji wydobywania miedzi. Zwiększenie wydobycia kobaltu musi spowodować zwiększenie wydobycia miedzi. Owszem, przy produkcji w sektorze EV miedź również jest potrzebna, jednak czy w ilości proporcjonalnej do zwiększanego wydobycia kobaltu? Nie sądzę, więc będzie to oczywiście powodowało pewne zawirowania również na rynku innych surowców, które są pozyskiwane przy okazji.

Jeżeli pojawia się zbyt duża podaż jakiegoś surowca, jego cena będzie spadać. Jest to po prostu niekorzystne dla producenta, więc będzie się on starał tego unikać. Decyduje bilans zysków i strat.

Rozwój rynku magazynów energii wpłynie na koszty tych surowców bazowych i będzie wprost związany z ich dostępnością. Będzie się to przekładało również na koszty docelowego produktu, czyli magazynu energii.

Widać to po ostatnim roku, kiedy średnie ceny ogniw po raz pierwszy wzrosły. Wynika to oczywiście z sytuacji geopolitycznej, ale również z faktu, że zwiększanie skali nie daje już tak istotnego efektu, jeśli chodzi o obniżenie kosztu produktu.

Reasumując, każdy tak dynamiczny rozwój rynku będzie powodował ograniczenia w dostępności surowców, co z kolei przekłada się na wzrost ich cen.

Czy niedobory dotkną zarówno producentów, jak i stacjonarnych magazynów energii?

To zależy od tego, z jakich technologii materiałowych korzystają producenci i dostępności surowców dla danego kraju. Należy to rozpatrywać w obrębie danej gospodarki i tego, jak zabezpieczono jej dostępy do surowców. Generalnie zarówno rynek samochodów elektrycznych, jak i rynek stacjonarnych magazynów w podobnym stopniu będą odczuwać braki surowcowe. Z czego to wynika? Ogniwa do magazynów stacjonarnych, czy do samochodów często produkowane są w tych samych fabrykach. Jeżeli więc będą braki na rynku EV, oczywiście odbije się to również na magazynach stacjonarnych.

Naturalnie możemy wyrokować, że jeżeli pójdziemy w stronę technologii bazujących na materiale LFP, surowce będą łatwiej dostępne. Nie zmienia to faktu, że  dostęp do litu zawsze jest w tej kwestii istotny i krytyczny.

Jakie będą skutki tych niedoborów?

Na chwilę obecną ten, kto ma dostęp do surowców energetycznych, ten decyduje i rozdaje karty. Dostęp do surowców wykorzystywanych w produkcji magazynów energii będzie w przyszłości pełnił taką rolę, jak obecnie surowce energetyczne.

Możemy podzielić je na krótkofalowe i długofalowe. Z punktu widzenia tych krótkofalowych to oczywiście każde ograniczenie w dostępności surowca powoduje wzrost jego ceny i przekłada się bezpośrednio na koszty produktu i na konsumenta.

Bardziej istotne są efekty długofalowe. Jeżeli popatrzymy, że dostępności surowcowe są krytyczne dla zapewnienia łańcucha dostaw, będą one decydowały o wyborze technologii i o niezależności technologicznej. Może to być problematyczne dla przyszłych działań producenta.

W pewnym zakresie technologie pozwalają nam na adaptację. Jednak adaptacja jest przeprowadzana zwykle w momencie wdrażania procesu i rozpoczynania produkcji. W momencie, kiedy proces ten jest już produkcyjnie operatywny, to adaptacja jest praktycznie niemożliwa, a na pewno nie w ramach utrzymania bieżących kosztów operacyjnych. Będzie więc wpływało to na zwiększenie kosztów.

Jeszcze ważniejszym skutkiem długofalowym jest uzależnienie się od danej technologii, do której nie mamy zabezpieczonych łańcuchów dostaw. W pewnym momencie powoduje to, że uzależniamy się od dostawcy surowca, do którego nie mamy pełnych praw. Jest to analogiczne do uzależnienia się od surowców energetycznych.

Na chwilę obecną ten, kto ma dostęp do surowców energetycznych, ten decyduje i rozdaje karty. Dostęp do surowców wykorzystywanych w produkcji magazynów energii będzie w przyszłości pełnił taką rolę, jak obecnie surowce energetyczne. To surowiec będzie decydował, kto ma przewagę technologiczną. Możliwość produkcji własnych magazynów energii na poziomie danej gospodarki będzie więc decydowała o jej niezależności energetycznej. Będzie się to wprost przekładało na bezpieczeństwo energetyczne i na konkurencyjność gospodarki.

Jakie kraje obecnie liderują w wydobyciu i dostawach surowców niezbędnych do produkcji magazynów energii?

Obecnie, jeżeli popatrzymy na kobalt, to jest to przede wszystkim Republika Demokratyczna Kongo. Kraj dość niestabilny politycznie i też daleki od etycznego pozyskiwania tego surowca.

Jeśli chodzi o lit, to w tym momencie chyba największym wydobywcą i dostawcą litu jest Australia, ale zaraz za nią są też Chile czy Boliwia. Ponadto należy wymienić takie kraje jak Meksyk, Iran, Serbia, gdzie zidentyfikowano obecność złóż.

Nie sądzę, żeby dostępność litu była krytyczna z punktu widzenia ilości jego zasobów. Nowe złoża sukcesywnie są odkrywane, natomiast jeżeli cena surowca będzie odpowiednio wysoka, można opłacalnie pozyskiwać go ze słonej wody.

Zatem, który surowiec jest najbardziej zagrożony/problematyczny?

W mojej opinii jest to kobalt, od którego próbuje się odchodzić, a który jest istotnym składnikiem ogniw wysokoenergetycznych. Natomiast jeżeli mówimy o ogniwach do magazynów stacjonarnych, to tutaj krytyczny jest lit oraz grafit, który wpływa na ślad węglowy ogniwa. Nawet jeżeli przechodzi się w kierunku anod krzemowych, to stosowane są one razem z grafitem, więc zapotrzebowanie to zawsze będzie duże.

Istotne jest nie tylko to, gdzie się pozyskuje surowiec, ale również gdzie się go przetwarza na potrzeby bateryjne. I tutaj jednak dominantę mają Chiny, które przetwarzają do nawet 70% surowców na potrzeby przemysłu bateryjnego.

Rynek nie lubi pustki. Tak było z grafitem, kiedy prognozowano jego niedobory już w okolicach 2026 roku. Lukę tą szybko wypełnili producenci z Afryki, dzięki grafitowi syntetycznemu. Oczywiście jest to w większości kontrolowane przez podmioty chińskie.

Czy jesteśmy w stanie zapobiec tym niedoborom?

Jesteśmy w tej komfortowej sytuacji, że mamy pełną świadomość potencjalnych niedoborów, dlatego należy temu zapobiegać, a nie leczyć. Musimy opracowywać, promować i wdrażać takie technologie, które spełniają wymagania co do dostępności surowca, energochłonności przetwarzania, toksyczności i kosztów. Oczywiście tych wszystkich parametrów nie pogodzimy, ale zgodnie z zasadą umiaru technologicznego możemy znaleźć takie rozwiązanie, które w odpowiedni sposób adresuje wszystkie problemy i jednocześnie zapewnia wymaganą funkcjonalność produktu.

Problem potencjalnych niedoborów surowca należy rozpatrywać w perspektywie długoterminowej, ponieważ ogniwo jest urządzeniem, które z czasem zużywa się w sposób naturalny i to jest nieuniknione. Jest to normalne, że po określonym czasie konieczna jest jego wymiana. Jeżeli decydujemy się na określoną technologię ogniw, to z perspektywą, że za kilka, kilkanaście lat możemy je zastąpić nowymi ogniwami, do których mamy zapewnione surowce do produkcji. Ważniejsze jest bezpieczeństwo operacyjne w perspektywie czasu niż chwilowe parametry.

Jaką rolę w tym mogą odegrać Pańskie badania?

Trudno to jednoznacznie stwierdzić. Czas pokaże, jaką rolę odegrają, natomiast istotne jest to, że one wszystkie projektowane i rozwijane są w sposób zrównoważony. Wykorzystujemy procesy zielonej chemii, szukamy surowców, które są bezpieczne pod względem dostaw i takich, których procesy przetwórcze nie są toksyczne.

Nie są to rozwiązania, które wykazują najlepsze parametry w swojej kategorii. Określenie „najlepsze w swojej kategorii” musi mieć swój punkt odniesienia. W tym przypadku chodzi o to, czy jest to efekt krótkotrwały, czy też długofalowy. Rozwijamy technologie, które są bezpieczne surowcowo. W tym realizowane z surowców odnawialnych i również surowców, które mogą być przetwarzane w procesach zielonej chemii, czyli nisko emisyjnych z niewielką ilością generowanych odpadów lub całkowicie bezodpadowe. W tym kontekście mogą one być kluczowe dla producentów, którzy myślą o tym biznesie perspektywicznie.

Nasze badania odpowiadają na sytuacje, w których nie decyduje najtańszy produkt, ale taki, który jest przewidywalny oraz którego cena i dostępność również są przewidywalne w czasie i zabezpieczone. Jest to platforma materiałowa, która pozwala na zbudowanie ogniwa litowo-jonowego bądź sodowo-jonowego o określonych założonych parametrach, które będzie spełniało dane założenia funkcjonalne. Na przykład określony czas życia produktu i możliwie prosty recykling.

Proszę przybliżyć nam technologie, nad którymi pracujecie

Są to 4 rozwiązania materiałowe. Pierwsze z nich dotyczy sposobu wytwarzania nanokompozytów katodowych lub anodowych. Czy to będzie katoda, czy anoda, taki kompozyt poprawia stabilność chemiczną i przewodnictwo elektryczne. Zwiększa też integralność elektrody i pozwala na zmniejszenie ilości dodatków węglowych, czyli materiałów biernych w ogniwie. Przekłada się to także na obniżenie reaktywności chemicznej, co wpływa się na większe bezpieczeństwo (na przykład zmniejszenie ryzyka zapłonu ogniwa).

Drugie rozwiązanie dotyczy materiału anodowego, który jest wytwarzany z surowca odnawialnego ze skrobi kukurydzianej, ryżowej, czy też ziemniaczanej. Zapewnia to niezależność od dostaw grafitu i daje możliwość produkcji materiałów według odpowiedniej specyfikacji z surowca powszechnie dostępnego. Ponadto technologia ta daje możliwość łatwego wpływania na parametry produktu poprzez odpowiednią obróbkę.

Trzecia technologia to wysoko napięciowy materiał spinelowy zmodyfikowany niewielką ilością niklu i potasu. To rozwiązanie z kolei pozwala na uzyskanie wysokich mocy i energii ogniwa. Można stwierdzić, że jest to materiał alternatywny w stosunku do materiałów klasy NMC, przy koszcie kilkadziesiąt procent niższym ze względu na brak kobaltu i niewielką zawartość niklu.

Czwarte rozwiązanie dotyczy kompozytu anodowego bazującego na materiale LTO z wykorzystaniem matrycy karbożelowej, co pozwala na zwiększenie zakresu napięć pracy takiego ogniwa i jego pojemności.

Z tych technologii możemy skomponować dowolny układ/ogniwo, stawiając na wysokie bezpieczeństwo, wysoką trwałość czy też wysoką moc i optymalizację tych parametrów w zależności od wymagań docelowych.

Nie ma możliwości, żeby uzyskać wysoką energię ogniwa, wysoką moc, wysoką trwałość i wysokie bezpieczeństwo, ponieważ są to parametry z różnych obszarów. Niestety niemożliwe jest uzyskanie ogniwa o bardzo wysokiej trwałości, które jednocześnie będzie pracowało z dużymi gęstościami mocy.

Wracając do pierwszej technologii, znalazł Pan sposób na samozapłony EV?

Należy pamiętać, że w ogniwie gromadzona jest duża ilość energii. Jeżeli zostanie ona uwolniona w krótkim czasie, moc, która jest wówczas generowana, jest bardzo duża. To się z kolei przekłada na wysoką emisję ciepła i  gwałtowne efekty termiczne.

Jeżeli mamy możliwość ograniczenia tej reaktywności chemicznej, na przykład poprzez wytworzenie nanokompozytów węglowych, to jest to droga, która pozwala na zwiększenie marginesu bezpieczeństwa.

Należy pamiętać, że każde urządzenie, które gromadzi energię, jest potencjalnie niebezpieczne -energia ta może zostać uwolniona w sposób niekontrolowany. Jeżeli możemy kontrolować sposób uwalniania tej energii z materiału na poziomie rozwiązania materiałowego, będzie to wpływało na bezpieczeństwo.

Rozwiązania związane z nanokompozytami węglowymi wpływają na sposób, w jaki materiał uwalnia energię poprzez narzucanie odpowiednich ograniczeń związanych z transportem masy w układach i w efekcie będą wpływały na łagodniejsze oddawanie energii.

Cudów nie zrobimy, bo praw fizyki „nie przeskoczymy”, ale możemy zapobiegać takim krytycznym sytuacjom, i na pewnym poziomie kontrolować sposób uwalniania energii z materiału.

Czy niedobory materiałowe to jest obecnie największe zagrożenie dla sektora magazynowania energii? Czy widzi Pan jeszcze jakieś inne zagrożenia?

Ważne jest to, żeby zdać sobie sprawę, że zielona transformacja, która się dokonuje, w pewnym sensie przeorganizuje gospodarkę. Wygeneruje się nowy układ sił.

Raczej nie widzę zagrożenia pod względem niedoboru surowców, ponieważ ten sektor będzie się rozwijał.  Jest to niezbędny czynnik do tego, aby dokonała się zielona transformacja energetyczna. Ważniejsze jest to, że to ograniczenie dostępności surowców spowoduje utworzenie określonych relacji zależności od dostawcy surowców.

Więc potencjalnie, można sobie wyobrazić sytuację, że surowce, które będą surowcami o ograniczonym dostępie, będą wykorzystywane jako element rozgrywek pomiędzy krajami, tak samo, jak na zasadzie szantażu energetycznego. Uzależnienie od danego źródła surowców może dalej być wykorzystywane w ten sposób, jak uzależnienie od surowca energetycznego, czego świadkami obecnie jesteśmy.  

Nie będzie to problem w przypadku niewielkich magazynów, lecz w przypadku magazynów pełniących kluczową funkcję bilansującą w sieciach energetycznych. Jeżeli kupimy taki magazyn od Chin czy Korei, mogą pojawić się problemy operacyjne, ponieważ magazyny te trzeba serwisować, a z czasem wymieniać. Może to skutkować ograniczeniem suwerenności energetycznej.

Co z tego, że możemy pozyskać tanią energię ze źródeł odnawialnych, jeśli nie możemy jej tanio zmagazynować? Nawet jeżeli ją magazynujemy, to w systemach, które musimy kupić. Cenę zakupu, a w przyszłości zapewnienia ich operacyjności, czyli okresowej wymiany na taki sam system, musimy więc dodać do ceny taniej energii. W efekcie będziemy mieli drogą energię na rynku, ponieważ będzie ona zależna od kosztu jej magazynowania.

Utrata niezależności jest według mnie największym ryzykiem. Surowiec zawsze będzie w pewnym sensie dostępny. Można oczekiwać, że będzie nawet oferowany w na tyle korzystnych cenach, żeby jednak uzależnić od siebie poszczególnych odbiorców – producentów ogniw.

Ważne jest to, żeby zdać sobie sprawę, że zielona transformacja, która się dokonuje, w pewnym sensie przeorganizuje gospodarkę. Wygeneruje się nowy układ sił. Miarą siły gospodarczej będzie tak naprawdę zdolność do produkcji magazynów i do magazynowania energii, pozyskiwanej z OZE, jak najmniejszym kosztem.