Te technologie mogą całkowicie zmienić świat

Już w 2018 r. Saule Technologies wraz z grupą Skanska rozpoczęła testowanie ogniw perowskitowych na warszawskim biurowcu Spark. Celem testów było wypracowanie najlepszych rozwiązań pozwalających na integrację paneli z fasadą budynku, bez szkody dla procesu projektowego i budowlanego. Potwierdziły one pełną integralność ogniw z fasadą. Powierzchnia testowanego ogniwa słonecznego wynosi 1,3 na 0,9 m. Składa się ono z 52 modułów fotowoltaicznych.

Prawdopodobnie jeszcze w pierwszej połowie 2021 r. Saule Technologies może uruchomić produkcję perowskitów na pilotażowej linii produkcyjnej we Wrocławiu. 

Kropki kwantowe

Nad nowymi rozwiązaniami fotowoltaicznymi pracuje także inna polska spółka - ML System. Chodzi o technologię tzw. kropki kwantowej. Kropki kwantowe to małe półprzewodniki o rozmiarach rzędu kilku lub kilkudziesięciu nanometrów (1 nanometr = 0,000 000 001 m) zdolne do pochłaniania i emitowania promieniowania elektromagnetycznego (światła). Kropki te zaczynają odgrywać coraz istotniejszą rolę w fotowoltaice.

Kropki kwantowe absorbują więcej energii i w szerszym zakresie aniżeli najbardziej popularny półprzewodnik w fotowoltaice, jakim jest krzem. Ponadto nie tracą sprawności z upływem czasu i są odporne na warunki atmosferyczne. I przede wszystkim mogą być zupełnie transparentne.
Dzięki zastosowaniu kropek kwantowych będzie można dowolną powierzchnię zamienić w ogniwo fotowoltaiczne. Szyba Quantum Glass, opracowana przez ML System to rozwiązanie, gdzie z pozoru zwykła szyba oprócz podstawowej funkcji jaką jest izolacja od czynników zewnętrznych przy jednoczesnym zapewnieniu doświetlenia wnętrz budynków, stanowi aktywny element generujący energię ze słońca.

Szyba ta z pozoru niczym nie różni się od tradycyjnych szyb zespolonych stosowanych powszechnie w branży budowlanej, ale tu niewidoczną powłokę z tlenków metali zastąpiono powłoką z kropek kwantowych.

Quantum Glass działa jak filtr, przepuszczając promieniowanie świetlne w długości widzialnej, a niekorzystne UV oraz podczerwień, zamieniane są na energię elektryczną.

W lipcu 2020 r. ML System podpisał z Pilkington Automotive Poland, producentem szyb samochodowych, umowę o współpracy dotyczącą wspólnego wdrożenia do masowej produkcji szyb samochodowych o nazwie „QDrive”, wykorzystujących technologię kropki kwantowej.

– Zaoferujemy szyby samochodowe, umożliwiające konwersję światła słonecznego na energię elektryczną, poprawiające przy tym izolację termiczną i energetyczną pojazdów – komentuje Dawid Cycoń, prezes ML System.

Nowa technologia fotowoltaiki wielkoskalowej

W Polsce prowadzone są także prace nad technologiami dla fotowoltaiki wielkoskalowej. W połowie 2021 r. ma zostać wybrana lokalizacja dla wielkiej fabryki modułów fotowoltaicznych - na razie wiadomo, że zakład powstanie na terenie woj. śląskiego. Nowa fabryka ma produkować ogniwa o mocy 1 GW rocznie i zatrudniać ponad tysiąc pracowników.

GigaFabryka ma produkować w technologii TOPCon ogniwa o wyższej jakości niż te wyprodukowane obecnie w dominującej technologii PERC, stosowane masowo przez azjatyckich producentów.
Eksperci zwracają uwagę, że dalsze udoskonalanie tej technologii jest niezwykle trudne, dlatego poszukuje się nowych rozwiązań. Jedną z możliwości jest technologia TOPCon (ang. Tunnel Oxide Passivated Contacts), która różni się od wcześniejszych dodaniem bardzo cienkiej warstwy tlenku, pozwalającej na uzyskanie lepszej jakości połączenia między krzemową częścią ogniwa a metalowymi elektrodami.



Pełna produkcja w GigaFabryce ma ruszyć na początku 2024, co może się wydawać długim okresem, jednak z punktu widzenia dynamiki technologii fotowoltaicznych, 2024 to właściwie za chwilę.

Mniejsza emisyjność cementu

Cement jest materiałem, bez którego trudno sobie wyobrazić współczesny świat. Jednocześnie trudno wyobrazić sobie produkcję cementu bez emisji CO2 – efektu rozkładu węglanu wapniowego. Potencjał ograniczania emisji – ogromny, a otwartość branży na nowe rozwiązania ograniczające emisję – także duża i znana.

- Nikt nie wynalazł ani nie wynajdzie innego źródła do produkcji cementu jak tlenek wapnia. Cement można utrzymać tylko poprzez rozkład węglanu wapnia. Emisja wynikająca z rozkładu węglanu stanowi 62-63 proc. całej emisji branży cementowej. Reszta to emisja CO2 pochodząca ze spalania paliw – wyjaśnia Jan Deja, dyrektor biura Stowarzyszenia Producentów Cementu i profesor AGH. 
Branża wciąż prowadzi prace nad zmniejszeniem emisji CO2 w procesie produkcji cementu. Do tego dochodzi optymalizacja wykorzystania dodatków mineralnych do cementu, a także wykorzystanie energii elektrycznej nie generującej emisji CO2.

Sektor cementowy prowadzi także działania związane z gospodarką obiegu zamkniętego, a mianowicie stawia na większe zastosowanie betonu z recyklingu do produkcji kruszyw oraz betonu.
W ostatnich latach specjalnością przemysłu cementowego, zwłaszcza polskiego, stało się wykorzystanie paliw alternatywnych, które wypierają z cementowni węgiel kamienny.

Jak wyliczył Instytut Jagielloński, dzięki temu ok. 1,5-2 mln odpadów, głównie komunalnych, co roku nie trafia na składowiska, ale jest zagospodarowywane jako surowiec do produkcji paliw alternatywnych.

Cementownie zapewniają takie samo bezpieczeństwo jak nowoczesne spalarnie, a w zakresie co-processingu dodatkowo rozwiązują kwestię powstających odpadów. Co-processing to jednoczesny odzysk energii i recykling materiałowy - popiół powstały przy spalaniu paliw alternatywnych staje się jednocześnie składnikiem cementu. W optymistycznym scenariuszu cementownie mogłyby zagospodarować ok. 2,5-2,9 mln ton odpadów rocznie.

Są też inne pomysły. Grupa HeidelbergCement w Norwegii uruchomiła pierwszy na świecie pełnowymiarowy obiekt CCS (wychwytywania i składowania CO2) w cementowni. Instalacja CCS w Brevik umożliwi przechwytywanie 400 tys. ton CO2. Efektem końcowym ma być 50-procentowa redukcja emisji CO2 z cementu produkowanego w zakładzie. Kolejne takie instalacje mają powstać w Niemczech. 

Zielona stal z wodorem w tle

Kłopoty z dużym, wynikającym z natury procesu produkcji stali, poziomem emisji CO2 ma także sektor hutniczy. Kilka europejskich firm hutniczych prowadzi prace badawcze zmierzające do zmniejszenia emisji CO2 np. poprzez wykorzystanie wodoru w procesie technologicznym. Do takich koncernów należy także ArcelorMittal, posiadający duże aktywa w Polsce.

ArcelorMittal uruchamia inicjatywy XCarb, które mają wspomagać dążenie do produkcji niskowęglowej stali. Pojawią się specjalne certyfikaty na stal wyprodukowaną przy niskim udziale węgla, oznaczenie stali pochodzącej ze złomu i przetworzonej przy wykorzystaniu energii z OZE.

Certyfikowana stal ma pochodzić z instalacji, wykorzystujących zmniejszające ślad węglowy stali technologie Smart Carbon, takie jak Torero, w ramach której wykorzystuje się zamiast kopalnego węgla biowęgiel otrzymany z biomasy czy odpadów drzewnych oraz Carbalyst, oznaczającą wyłapywanie i przemianę CO2 w bioetanol, wykorzystywany następnie do produkcji wyrobów chemicznych.

Sama zielona stal nie jest już nowością, koncern sprzedaje ją od lata 2020 r., ale teraz system zapewni klientom możliwość zakupu certyfikatów dołączonych do zamówień stali. Część nabywców jest zainteresowana tego typu certyfikowaną stalą, by zmniejszyć ślad węglowy produktów wytwarzanych z jej wykorzystaniem.

W 2022 roku koncern chce sprzedać 600 tys. ton takiej stali. W 2021 roku sprzedaż certyfikowanej stali będzie stanowić zaledwie 1-2 proc. całości, ale w ciągu kilku lat sięgnie 10 proc.
Podobny projekt będzie prowadzony także w Polsce. Nie zacznie się od razu od wodoru, ale Gert van Poelvoorde, prezes ArcelorMittal Europe stwierdził, że będzie etapem pośrednim na drodze do wykorzystania tego gazu.

- W Polsce pracujemy nad wykorzystaniem w wielkich piecach gazu koksowniczego. Pracując nad tą technologią sprawdzamy przy okazji możliwości wykorzystania wodoru w wielkich piecach, bo gaz koksowniczy zawiera 60 proc. wodoru - powiedział Gert van Poelvorde. Obecnie gaz koksowniczy jest wykorzystywany w elektrowni, co oznacza, że część zawartego w nim węgla trafia jednak do atmosfery.

Sadza – nie taka czarna, jak się wydaje

Dużym problemem jest zagospodarowanie zużytych opon samochodowych. Część z nich jako paliwo trafia do cementowni, ale stare opony mogą stanowić także surowiec wtórny dla przemysłu gumowego - taką technologię opracowała polska spółka Syntoil. 

Technologia ta polega na tym, że w wyniku oczyszczania karbonizatu (czyli zanieczyszczonej sadzy) powstałego w procesie recyklingu zużytych opon, uzyskuje się sadzę techniczną powstałą w zrównoważony sposób. Następnie po oczyszczeniu produkt sprzedawany jest producentom wyrobów gumowych i w ten sposób wraca do obiegu.

Sadza jest ważnym produktem przemysłowym – bez niej opona byłaby w stanie pokonać tylko 100 km. Po tym dystansie uległaby zniszczeniu. Obecnie na świecie zużywa się ponad 14 milionów ton sadzy rocznie. Problem w tym, że tradycyjnie otrzymuje się ją w efekcie spalania paliw kopalnych. Technologia Syntoil uzyskuje ten sam produkt, ale w ekologiczny sposób, korzystając z istniejących już zasobów, które bez oczyszczenia zostałyby zmarnowane.

Do tej pory karbonizat spalano w cementowniach, ponieważ nikt nie potrafił tego produktu oczyścić. Syntoil odbiera karbonizat od firm, które go produkują i wprowadza ponownie do obiegu – po uprzednim oczyszczeniu.

Sadza wyprodukowana w ekologiczny sposób znajduje zastosowanie w produkcji gumy opon, wyrobów gumowych, takich jak dywaniki samochodowe czy wycieraczki. Dodatkowym zastosowaniem jest także użycie sadzy jako pigmentu.

Obecnie zielona sadza Syntoil jest na etapie rozbudowy skali instalacji – z półprzemysłowej do przemysłowej. Firma posiada podpisane porozumienia o sprzedaży i współpracy z dystrybutorami sadzy i producentami wyrobów gumowych. Produkt testowany jest na bieżąco.

Korzyścią z zastosowania nowej technologii jest to, że nie dopuszcza się do spalania karbonizatu, tylko ponownie go wykorzystuje – w ramach gospodarki obiegu zamkniętego.

To pomaga zmniejszyć ślad węglowy. W tradycyjnych metodach wytwarzania sadzy wydziela się bardzo dużo CO2, do 6 ton na tonę sadzy. W przypadku zielonej sadzy to niecała tona CO2 na tonę produktu, a w niedalekiej przyszłości planowane jest wykorzystanie w produkcji „zielonej” sadzy całego dwutlenku węgla powstającego w procesie produkcji.

Ultraszybka bateria do autobusów elektrycznych

Jednym z najważniejszych elementów Europejskiego Zielonego Ładu ma być zeroemisyjny transport, zwłaszcza publiczny. Polska to uznany producent i eksporter tego typu pojazdów - w kraju działa trzech producentów autobusów elektrycznych eksportujących swoje wyroby: Solaris w Bolechowie koło Poznania, Volvo we Wrocławiu i MAN Truck & Bus w Starachowicach. Są także polscy producenci autobusów elektrycznych, koncentrujący się - przynajmniej na razie - tylko na rynku krajowym. Należą do nich Autosan oraz ARP e-Vehicles. Ta druga spółka pod koniec 2020 r. uruchomiła wytwarzanie polskiego autobusu elektrycznego w fabryce w Solcu Kujawskim.

- Początkowo produkcja będzie możliwa na poziomie kilkudziesięciu sztuk rocznie. Docelowo będzie o wiele większa - informuje Michał Maćkowiak, wiceprezes ARP e-Vehicles.

Autobus ARP e-Vehicles od innych podobnych pojazdów odróżniają baterie do szybkiego ładowania LTO, które zapewniają już 90 proc. pojemności po 15 minutach ładowania.

W większości przypadków pojazdy elektryczne wykorzystują baterie litowo-jonowe jako swój magazyn energii. Najpopularniejszym obecnie rozwiązaniem są ogniwa NMC. Mają one wysoką pojemność, wystarczającą liczbę cykli ładowania. Ale nie są wolne od wad. Nie należy ich ładować, gdy temperatura ogniw spadnie poniżej zera stopni Celsjusza, ich przegrzanie lub uszkodzenie może doprowadzić do zapalenia się baterii. Czas ładowania, który nie będzie miał negatywnego wpływu na ich zużycie, wynosi około 2 godzin.

Wady te nie występują w przypadku innej technologii baterii litowo-jonowych, ogniwach LTO. Mogą być one ładowane w niskich temperaturach, nawet minus 30 stopni Celsjusza. Są odporniejsze na wysoką temperaturę i uszkodzenie mechaniczne. Liczba cykli ładowania jest większa niż w przypadku ogniw NMC. Największą i najczęściej podawaną zaletą tej technologii jest jednak wspomniana możliwość szybkiego ładowania.

Innowacyjne ogniwa świetnie uzupełniają rynek, ale zgodnie z zasadą „coś za coś” nie są idealne. Baterie zbudowane przy ich wykorzystaniu mają pojemność około dwukrotnie mniejszą niż dla ogniw NMC. Przekłada się to na dwukrotnie mniejszy zasięg pojazdu, zwiększa konieczną liczbę cykli ładowania na przejechanie tego samego dystansu. Sama ich cena jest większa, a dostępność dla producentów pojazdów mniejsza.

Perspektywy tej technologii są obiecujące, ale głównie w tej części coraz bardziej zróżnicowanego sektora elektromobilności, w którym kluczowym kryterium będzie czas.

Kotły elektrodowe

Ważnym polem zmian w ramach Zielonego Ładu będzie ciepłownictwo, sektor, który w Polsce jest dużym konsumentem węgla kamiennego. Stopniowo udział węgla w ciepłownictwie będzie spadał. Branża przygotowuje się m.in. do wykorzystania zielonej energii do produkcji ciepła. Pionierskie rozwiązania wykorzystują nowe technologie w układach dających efekt środowiskowy, stabilizujących system i efektywniejszych – także biznesowo.

W listopadzie 2020 r. na terenie Elektrociepłowni PGE Energia Ciepła w Gdańsku wmurowany został kamień węgielny pod nową kotłownię szczytową, składającą się z kotłów olejowo-gazowych i elektrodowych zasilanych energią elektryczną. Jak zapewnia PGE Energia Ciepła, budowa kotłów elektrodowych w Gdańsku to pierwsze takie wdrożenie tej technologii w Polsce.

Nowe kotły będą zasilane energią elektryczną z istniejących generatorów, które dzisiaj produkują energię elektryczną na potrzeby krajowego systemu elektroenergetycznego. Wartość inwestycji przekracza 80 mln zł i jest realizowana przez Erbud Industry w formule „pod klucz”. Kotłownia składać się będzie m.in. z dwóch kotłów olejowo-gazowych o mocy 30 MWt każdy oraz dwóch kotłów elektrodowych o mocy 35 MWt każdy. Zakończenie inwestycji planowane jest w sezonie grzewczym 2021/2022 r.

Ta technologia będzie istotna, gdy w Grupie PGE pojawi się energia z morskich farm wiatrowych. Wtedy będzie można w kotłach elektrodowych produkować ciepło traktowane jako pochodzące ze źródeł odnawialnych - powiedział Przemysław Kołodziejak, p.o. prezesa PGE Energia Ciepła.

Popioły wychwycą CO2

Na całym świecie prowadzone są prace nad wychwytywaniem CO2 będącego w atmosferze. W takich pracach uczestniczą również polscy naukowcy. Pomocne w niwelowaniu emisji mogą być, jak się okazuje… produkty spalania węgla.

Jak wynika z prac międzynarodowego zespołu, w którym uczestniczyli badacze z Głównego Instytutu Górnictwa w Katowicach, popioły powstające w procesach spalania węgla w energetyce mogą być przetwarzane w tzw. zeolity - o wysokiej skuteczności wychwytywania CO2.

Obecnie tzw. uboczne produkty spalania najczęściej są składowane lub wykorzystywane, np. w budownictwie, drogownictwie czy górnictwie. Alternatywnym sposobem zagospodarowania popiołów jest uczynienie z nich materiałów sorpcyjnych w postaci zeolitów.

Zeolity, nazywane również sitami molekularnymi, dzięki swoim właściwościom mogą być wykorzystywane do usuwania różnego typu zanieczyszczeń. To naturalne lub syntetyczne glinokrzemiany, charakteryzujące się wysoką zdolnością adsorpcji jonów i gazów - także dwutlenku węgla.

Zeolity po procesie sorpcji dwutlenku węgla mogą być wykorzystane jako substytut kruszywa naturalnego np. w zaprawach cementowych stosowanych do wypełniania wyrobisk górniczych, jako materiały do usuwania metali ze ścieków czy jako dodatki do podłoży rekultywacyjnych terenów poprzemysłowych i zdegradowanych.

Badania wykazały, że dodatek zeolitu po sorpcji CO2 do zaprawy cementowej w ilości nie większej niż 10 proc. w stosunku do wagi kruszywa naturalnego (piasku) nie powoduje istotnego obniżenia wytrzymałości takiej zaprawy. Jednocześnie stosując zeolit po sorpcji CO2 uzyskano znaczną skuteczność usuwania metali ciężkich – głównie baru i strontu, żelaza, niklu i cynku oraz związków organicznych. Naukowcy udowodnili także, że dodanie takiego zeolitu do podłoża pozytywnie wpływa na rozwój i kondycję zasianych tam gatunków traw.