Z dr. inż. Arkadiuszem Szczęśniakiem, z Instytutu Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, liderem projektu COYOTE rozmawia Zygmunt Jazukiewicz
Ogniwa paliwowe, gdzie paliwem jest wodór, służą do wytwarzania energii elektrycznej. Wyjaśnijmy więc zasadę działania ogniwa paliwowego MCFC, które ma produkować paliwo. Co tu jest surowcem, a co produktem i jak przebiega ten proces?
Ogniwa paliwowe typu MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) są klasycznie wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej, ale możliwe jest również odwrócenie tego procesu, co pozwala na produkcję paliw. W tym odwróconym procesie zmieniamy polaryzację elektrod, co sprawia, że zamiast generować prąd z wodoru, ogniwo zaczyna wytwarzać wodór z dostarczonej wody.
W tym przypadku, surowcem jest woda, a produktem wodór oraz eFuels, czyli paliwa syntetyczne, które powstają w reakcji wodoru z dwutlenkiem węgla (CO2). Proces przebiega w ten sposób, że dostarczona energia elektryczna powoduje elektrolizę wody, co prowadzi do wytworzenia wodoru. Następnie, w obecności CO2, ten wodór może reagować, tworząc różnego rodzaju węglowodory, które mogą być wykorzystywane jako paliwa w transporcie lub innych sektorach energetycznych.
Tego rodzaju technologia pozwala na zamknięcie obiegu węglowego, ponieważ CO2, który jest wykorzystywany do produkcji paliw, może pochodzić np. z przemysłowych źródeł emisji. W ten sposób możliwe jest znaczne zredukowanie emisji CO2 do atmosfery, jednocześnie wykorzystując nadwyżki energii elektrycznej z odnawialnych źródeł do produkcji paliw syntetycznych.
Przetwarzanie CO2 w gaz syntezowy wymaga energii. W tym procesie bilans energetyczny jest niekorzystny. Oczyszczenie CO2 do tego procesu również wymaga energii.
Rzeczywiście, przekształcanie CO2 w gaz syntezowy jest procesem wymagającym znacznej ilości energii, co może sprawiać, że bilans energetyczny wydaje się niekorzystny. Dodatkowo, oczyszczanie CO2 do tego procesu również pochłania energię, co stawia przed nami wyzwanie związane z opłacalnością ekonomiczną tej technologii.
Jednak, widzimy znaczące szanse na to, by koncepcja ta mogła się spinać ekonomicznie, zwłaszcza w kontekście rosnącej roli odnawialnych źródeł energii (OZE). Wykorzystanie nadmiarowej energii produkowanej w ciągu dnia przez OZE, takiej jak energia słoneczna czy wiatrowa, może znacząco obniżyć koszty produkcji gazu syntezowego oraz paliw syntetycznych. Nadwyżki energii, które w przeciwnym razie mogłyby być stracone, mogą zostać efektywnie wykorzystane do przetwarzania CO2, co poprawia ogólny bilans ekonomiczny.
Proponowana przez nas technologia pełni rolę magazynowania energii, konkurując z innymi metodami, takimi jak baterie czy wodór. Baterie są drogie, ciężkie i wymagają częstych wymian, co zwiększa koszty eksploatacyjne. Z kolei wodór, choć efektywny, ma niską gęstość energetyczną w odniesieniu do objętości oraz wiąże się z trudnościami w magazynowaniu i transporcie. Nasza technologia pozwala na magazynowanie energii w postaci węglowodorów, które są łatwiejsze do przechowywania i transportu, a jednocześnie mogą być wykorzystywane w istniejących infrastrukturach paliwowych.
Dzięki temu, nawet biorąc pod uwagę wyzwania związane z efektywnością energetyczną, koncepcja ta może stać się ekonomicznie opłacalna, zwłaszcza w długoterminowej perspektywie, gdzie liczy się nie tylko koszt, ale również elastyczność i bezpieczeństwo energetyczne.
Jak kosztowna może być budowa instalacji przemysłowej i na jaką skalę produkcji można tu liczyć?
Koszt budowy instalacji przemysłowej zależy od wielu czynników, w tym od mocy urządzenia i docelowej skali produkcji. Ogólnie rzecz biorąc, ogniwa paliwowe pracujące w trybie elektrolizy mogą być znacznie bardziej opłacalne niż tradycyjne ogniwa paliwowe generujące energię elektryczną. Szacuje się, że koszt takich urządzeń może być nawet dwukrotnie niższy w przeliczeniu na jednostkę mocy.
Jeśli chodzi o skalę produkcji, jest ona ściśle powiązana z mocą zainstalowanych ogniw oraz dostępną infrastrukturą. Dla instalacji przemysłowej, skala produkcji może sięgać od kilku ton do nawet kilkuset ton wodoru dziennie, w zależności od wielkości inwestycji i zapotrzebowania. Warto zauważyć, że koszt takiej instalacji jest również uzależniony od czynników takich jak koszty surowców, infrastruktury, a także integracji z istniejącymi systemami energetycznymi czy źródłami CO2.
Budowa większych instalacji pozwala na osiągnięcie korzyści skali, co może dodatkowo obniżyć koszty produkcji jednostkowej wodoru czy eFuels. Jednakże, jest to inwestycja kapitałochłonna, która wymaga starannego planowania oraz długoterminowego podejścia.
Z informacji medialnych wynika, że produktami w tym procesie są wodór i tlenek węgla, które (o ile się nie mylę) muszą być połączone w syntezie Fischera- Tropscha. Czy etap ten wchodzi w skład projektu Coyote?
Nie, proces Fischera-Tropscha (F-T) nie jest częścią projektu COYOTE. Projekt COYOTE koncentruje się na opracowaniu zaawansowanego elektrolizera, który jest w stanie bezpośrednio wytwarzać mieszaninę wodoru (H2) i tlenku węgla (CO) w oparciu o energię odnawialną, bez konieczności stosowania pośrednich procesów, takich jak synteza Fischera-Tropscha.
Celem projektu jest stworzenie technologii, która umożliwi efektywne przetwarzanie CO2 w gaz syntezowy (syngaz) przez elektrolizę, eliminując potrzebę dodatkowych etapów konwersji. Dzięki temu można uprościć cały proces i zwiększyć jego efektywność, co jest kluczowe dla wykorzystania nadwyżek energii z odnawialnych źródeł oraz dla redukcji emisji CO2.
Na jakim etapie jest obecnie ta technologia? Czy może to Pan ocenić w skali TRL (tzn. Poziomów Gotowości Technologicznej)?
Obecnie technologia węglanowych ogniw paliwowych jest już na bardzo zaawansowanym etapie, osiągając poziom TRL 9, co oznacza, że jest dostępna na rynku i gotowa do komercyjnego zastosowania. Jednakże, jeśli chodzi o pracę tych ogniw w trybie odwróconym, czyli jako elektrolizery do produkcji mieszaniny wodoru i tlenku węgla, jest to nadal obszar wymagający dalszych badań i rozwoju.
Obecnie prace nad tym odwróconym trybem działania węglanowych ogniw paliwowych znajdują się na poziomie TRL 4-5. Oznacza to, że technologia ta jest w fazie rozwoju i testów laboratoryjnych oraz wstępnych badań nad możliwością jej skalowania. Jesteśmy na etapie opracowywania nowych rozwiązań, które pozwolą na efektywne wykorzystanie tej technologii w przemyśle, ale zanim osiągniemy pełną gotowość do komercjalizacji, potrzebne są dalsze badania oraz testy w warunkach zbliżonych do rzeczywistych.
Czy projekt spotkał się z zainteresowaniem potencjalnych inwestorów? Bez dużej inwestycji kapitału prywatnego trudno mówić o szansach.
Inwestorzy wykazują zainteresowanie projektem, jednak czekają na wyniki badań, które pozwolą im lepiej ocenić potencjał i opłacalność ulokowania kapitału w rozwijany produkt. W naszym przypadku, jako że jesteśmy związani z Politechniką Warszawską, proces komercjalizacji zazwyczaj polega na sprzedaży know-how, na przykład w formie patentów lub licencji. Tego typu rozwiązania pozwalają na transfer technologii do przemysłu, co może przyciągnąć znaczące inwestycje kapitałowe, gdy tylko osiągniemy odpowiedni poziom gotowości technologicznej i udokumentujemy potencjał rynkowy naszego rozwiązania.
Co Pan sądzi o metodzie CCS? Wygląda na to, że jest to jedyna, choć bezsensowna metoda rozwiązania problemu CO2.
W nauce unikamy nazywania jakiejkolwiek metody „bezsensowną”, ponieważ każda z nich może mieć swoje zastosowania i specyficzne korzyści w określonych kontekstach. Metoda CCS (Carbon Capture and Storage) jest jedną z możliwości wykorzystania dostępnych źródeł energii do separacji i składowania CO2, zwykle w miejscach powydobywczych, takich jak kawerny podziemne, gdzie wcześniej znajdował się na przykład gaz ziemny.
Od ponad 66 milionów lat stężenie CO2 w atmosferze Ziemi sukcesywnie spadało, co jest skorelowane ze spadkiem średnich temperatur na naszej planecie. Duża część tego CO2 została związana w postaci węglowodorów w procesach naturalnej fotosyntezy, które teraz obserwujemy jako paliwa kopalne. Możemy dyskutować nad wpływem człowieka na środowisko, ale jedno jest pewne: uwolnienie w ciągu kilkuset lat CO2, który był magazynowany przez dziesiątki milionów lat, z pewnością wywoła pewne skutki klimatyczne.
Proponowane przez nas rozwiązanie idzie o krok dalej niż CCS, ponieważ dąży do zamknięcia obiegu CO2 w taki sposób, aby jego ilość w atmosferze nie wzrastała ani nie malała. W tym podejściu CO2 staje się nośnikiem energii odnawialnej, co pozwala na bardziej zrównoważone zarządzanie tym gazem i jego wpływem na środowisko. Zamiast tylko magazynować CO2, nasza technologia stara się w pełni go wykorzystać, zamieniając go w cenne paliwa syntetyczne i inne produkty chemiczne, które mogą być ponownie używane w gospodarce.
Dlaczego agendy UE nie tworzą potężnych projektów międzynarodowych tego typu w celu szybkiej implementacji w państwach Unii?
Unia Europejska rzeczywiście traktuje problem emisji CO2 jako jedno z fundamentalnych wyzwań dla przyszłości kontynentu i świata. UE przeznacza znaczne środki finansowe na walkę z emisjami CO2, jednak proces alokacji tych funduszy podlega ściśle określonym przepisom dotyczącym wydatkowania środków publicznych. Z tego powodu środki te są najczęściej dostępne w postaci dofinansowania dla projektów badawczych, rozwojowych oraz inwestycyjnych.
Programy takie jak Horizon Europe, Clean Hydrogen Partnership czy Clean Energy Transition Partnership są przykładem dużych, międzynarodowych inicjatyw wspierających rozwój i implementację nowoczesnych technologii związanych z redukcją emisji CO2. Te programy oferują wsparcie finansowe dla projektów, które mają na celu rozwój innowacyjnych technologii, w tym tych związanych z CCS, odnawialnymi źródłami energii, oraz zamknięciem obiegu węgla.
Chociaż te środki nie są bezpośrednio „potężnymi projektami międzynarodowymi”, to umożliwiają one krajom członkowskim oraz międzynarodowym konsorcjom na rozwijanie i wdrażanie technologii, które mogą znacząco przyczynić się do redukcji emisji CO2. Tego typu podejście, oparte na szerokim wsparciu badań i innowacji, pozwala na bardziej zrównoważony rozwój technologii oraz ich dostosowanie do specyficznych potrzeb i warunków każdego kraju członkowskiego.
Spalenie gazu syntezowego z całości emisji CO2 z przemysłu spowoduje, że CO2 i tak trafi do atmosfery. Co Pan o tym sądzi?
Zgadzam się, że spalanie gazu syntezowego bez dalszej konwersji prowadziłoby do powrotu CO2 do atmosfery, co podważyłoby sens całego przedsięwzięcia. Dlatego kluczowe jest, aby gaz syntezowy nie był spalany bezpośrednio, lecz wykorzystywany jako surowiec do produkcji paliw płynnych, takich jak syntetyczna benzyna, diesel czy inne eFuels. Paliwa te są znacznie łatwiejsze do przechowywania i transportu niż gaz syntezowy.
Docelowo, aby zamknąć obieg CO2, gaz syntezowy, a w efekcie powstające paliwa, powinny pochodzić z CO2 pochodzenia biologicznego, na przykład z biomasowych źródeł lub innych procesów, które absorbowane są przez rośliny w ramach fotosyntezy. Taki zamknięty cykl węglowy pozwala na to, aby CO2, które trafia do atmosfery w wyniku spalania paliw, zostało ponownie zaabsorbowane przez rośliny i nie zwiększało ogólnego poziomu tego gazu w atmosferze.
W ten sposób, technologia ta mogłaby przyczynić się do znaczącego zmniejszenia emisji CO2 netto, jednocześnie oferując nowe źródła energii w postaci paliw płynnych.
Dziękuję za rozmowę.
