Strategia rozwoju POB Konwersja i magazynowanie energii na lata 2022-2026

Współczesny kontrakt społeczny budowany jest między innymi w oparciu o dostępność taniej energii. Rozwój technologii pozyskiwania tej energii oraz jej przekształcania w użyteczne formy jest kluczowy dla rozwoju naszej cywilizacji oraz kształtowania postaw pokojowych. I jako że obecnie staramy się elektryfikować coraz więcej ogniw łańcucha pozyskiwania, dystrybucji oraz konsumpcji energii, niech zatem za ilustrację posłuży nam pojazd elektryczny. Przy zużyciu energii na poziomie 20 kWh na 100 km oraz koszcie tej energii na poziomie 1 zł za kWh, jesteśmy w stanie z geograficznego centrum Polski dotrzeć w wygodny sposób w cztery osoby samochodem osobowym w dowolny jej zakątek za ok. 100 zł. Przy minimalnej stawce godzinowej na poziomie 25 zł, te cztery osoby pozyskają tę energię po jednej godzinie pracy. A teraz wyobraźmy sobie, że te cztery osoby pchają ten samochód np. z Łodzi do Szczecina. Brzmi absurdalnie? Na dostępności tak „absurdalnie” taniej energii opieramy obecnie nasze funkcjonowanie – oczywiście nie wszyscy i nie we wszystkich rejonach świata, ale niech pozostanie to z nami jako pewnego rodzaju ilustracja obecnego stanu rzeczy, z którego prawdopodobnie duża część mieszkańców naszej planty nie chciałaby rezygnować, a równie duża część całkowicie zrozumiale aspiruje do dołączenia do tej bogatej energetycznie rodziny. Analogicznym porównaniem posługuje się Piotr Plebaniak w książce „Prawidła geopolitycznej gry o przetrwanie”, w której pokazuje, że energia jest wszystkim.

Nie należy spodziewać się, że zużycie energii na głowę mieszkańca Ziemi zacznie maleć. Rolą inżynierów jest zatem zapewnienie sposobów pozyskiwania tej energii z wykorzystaniem łańcuchów przemian możliwie przyjaznych środowisku. Sięganie po paliwa kopalne w oczywisty sposób wydłuża ten łańcuch przemian, który zaczyna się od fuzji jądrowej zachodzącej na Słońcu. Rozwijamy zatem odgałęzienia tego łańcucha pomijające fotosyntezę. Sięgamy bezpośrednio po energię promieniowania słonecznego, bądź tę energię przekształconą w energię kinetyczną wiatru lub potencjalną wody. Uwalniamy energię atomu w procesie rozszczepienia. Wykorzystujemy energię geotermalną zgromadzoną we wnętrzu naszej planety po początkowym jej formowaniu się. Czynimy też wysiłki zreplikowania na dużą skalę procesu fuzji zachodzącej w/na Słońcu. Trzymajmy kciuki m.in. za projekt ITER!

Odchodzenie od paliw kopalnych stanowi obecnie istotny element zachodzącej transformacji energetycznej. Dwoma wybijającymi się w tych strategiach na pierwszy plan nośnikami energii stają się elektryczność oraz wodór. Tę pierwszą wybieramy z uwagi na bycie niezmiernie praktyczną w procesach przekształcania jej w energię użyteczną, ten drugi doceniamy z uwagi na dużą gęstość energii, ale też za możliwość bezpośredniego wplecenia go w łańcuch elektryczny (elektrolizery oraz ogniwa paliwowe). Przechodzenie na źródła odnawialne wiąże się z potrzebą efektywnego magazynowania energii w okresach, gdy wytwarzamy jej więcej niż aktualnie potrzebujemy, tak aby móc z niej korzystać w okresie, gdy źródło niespokojne dostarcza jej zbyt mało, aby pokryć nasze chwilowe zapotrzebowanie. Dla pełnej ścisłości należy zauważyć, że my w zasadzie w żadnym procesie nie wytwarzamy energii (uwzględniając równoważność masy i energii), a jedynie przekształcamy ją z jednaj postaci w drugą. Dla uproszczenia komunikacji mówimy jednak o wytwarzaniu energii danego typu jako przekształcaniu energii jednego typu w drugi, bardziej dla nas użyteczny. Należy przy tym podkreślić, że przekształcanie to ma również miejsce w obrębie jednego typu energii. Obecnie w przypadku energii elektrycznej tę rosnącą rolę odgrywają przekształtniki energoelektroniczne. W zasadzie zachodząca w obecnym kształcie transformacja energetyczna nie byłaby możliwa bez energoelektroniki. Farmy fotowoltaiczne, farmy wiatrowe, inteligentne sieci (ang. smart grids), elektryfikacja transportu to tylko przykłady gałęzi gospodarki, których rozwój jest nierozłączny z rozwojem półprzewodników mocy, ale też i samej elektroniki, w tym mikrokontrolerów, pozwalających na efektywne sterowanie procesami przekształcania i magazynowania energii.

Zapewnienie form energii niezbędnych do dalszego dalekowzrocznego rozwoju naszej cywilizacji jest przedsięwzięciem kluczowym dla naszego dobrostanu – jest też przedsięwzięciem multidyscyplinarmym. Wychodząc temu wyzwaniu naprzeciw określono jako jeden z priorytetowych obszarów badawczych właśnie konwersję i magazynowanie energii. Powołując radę naukową z tego obszaru połączono siły aż sześciu wydziałów: Wydziału Elektrycznego, Wydziału Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska, Wydziału Chemicznego, Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa, Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych oraz Wydziału Fizyki. Nie zamyka nas to oczywiście na chęć wspierania całej społeczności akademickiej – niezależnie od wydziału – skupionej wokół zagadnień przekształcania i magazynowania energii. To wspieranie jest właśnie podstawowym zadaniem, które sobie stawiamy jako rada naukowa, a kluczowym działaniem strategicznym jest promowanie powstawania interdyscyplinarnych zespołów badawczych, w których pojawi się efekt synergii. Nie zapominamy przy tym, że sprawnym badaczem nie zostaje z dnia na dzień tylko poprzez np. dołączenie do wybranego zespołu – jest to proces, który nierzadko zaczyna się jeszcze nawet przed dołączeniem do społeczności akademickiej. Nasza strategia wsparcia aktywności badawczej obejmuje zatem również laboratoria dydaktyczne, do których trafiają potencjalni przyszli badacze zaraz po dołączeniu do społeczności akademickiej. Wspieramy też samodzielnych pracowników naukowych, tak aby mogli przekazywać swoje doświadczenie w formowanych przez siebie zespołach badawczych. Należy przy tym pamiętać, że Ci najbardziej doświadczeni powinni zdobywać finansowanie zewnętrzne prowadzonych badań. Niemniej jednak i tutaj możemy zwiększyć swoje szanse poprzez wcześniejsze wewnętrzne sfinansowanie pierwszego etapu badań, tak aby przygotowany z efekcie wniosek grantowy mógł zostać wzmocniony np. publikacjami w najwyżej punktowanych i cytowanych czasopismach.

Nasza strategia zakłada udzielanie tego wsparcia przede wszystkim w trybie konkursowym, poprzez organizację lub współorganizację programów skierowanych między innymi do:

dydaktyków chcących wyposażyć laboratoria w zaprojektowane przez siebie stanowiska pozwalające realizować kształcenie na najwyższym poziomie;
młodych naukowców chcących wykonać badania i przygotować publikacje zwiększające szansę ich wnioskom grantowym składanym do instytucji zewnętrznych;
naukowców chcących budować zespoły interdyscyplinarne, co najmniej międzywydziałowe, i osiągać doskonałość w efekcie pojawiającej się synergii;
doktorantów chcących zdobyć doświadczenie startupowe;
naukowców chcących zaprosić do swoich zespołów postdoków, szczególnie tych z zagranicy;
zespołów chcących opracować demonstracje technologii, tak aby zapewnić uczelni widoczność na targach i wystawach oraz wspierać wszelkie formy współpracy z otoczeniem gospodarczym.

Jednocześnie będziemy brali aktywny udział w pracach stowarzyszeń europejskich kształtujących kierunki rozwoju energetyki w tej części świata i mających realny wpływ na finansowanie tych kierunków rozwoju. Będziemy też starali się zapewniać finansowy wkład własny wymagany w niektórych dużych projektach europejskich.

Różnorodność możliwych tematów które wpisują się tematykę tego obszaru badawczego postrzegamy jako naszą siłę i pole do działań innowacyjnych. Do zagadnień, którymi się zajmujemy należą między innymi:

pozyskiwanie energii (konwersja energii na użyteczną) – w dowolnej skali, tj. od energy harvesting dla czujników oraz wearables, przez fotowoltaikę oraz turbiny wodne i wiatrowe, po elektrownie jądrowe;
konwersja energii w celu jej efektywnego wykorzystania lub zmagazynowania, w tym przekształtniki energoelektroniczne, elektronika i algorytmy sterowania;
magazynowanie energii, w tym ogniwa Li-ion, Li-S, superkondensatory, CAES i inne gazy, ogniwa paliwowe, wytwarzanie i magazynowanie wodoru, ogniwa przepływowe, systemy zarządzania magazynowaniem energii, w tym BMS;
oszczędność energii, w tym izolacje budynków, zarządzanie energią w budynkach – inteligentny budynek, systemy grzewcze, zmniejszanie energochłonności procesów;
układy zasilania – od wearables po sieci elektroenergetyczne;
stabilność systemów elektroenergetycznych przy dużym udziale OZE;
napędy elektryczne;
elektromobilność, od układu napędowego po infrastrukturę ładowania, na lądzie, w powietrzu i na wodzie;
kompatybilność elektromagnetyczna;
technologie power-to-gas, w tym elektroliza i koelektroliza;
turbiny gazowe na wodór;
small modular reactors (SMR);
eFuels (produkcja paliw syntetycznych).

Wśród gorących tematów na najbliższą dekadą zwracamy uwagę między innymi na:

ogniwa fotowoltaiczne – jak uczynić je bardziej wydajnymi i poszerzyć obszary ich zastosowań, np. przeźroczyste szkło fotowoltaiczne (ang. transparent photovoltaic glass);
wodór jako nośnik energii – tworzenie nowej gospodarki wodorowej;
ogniwa elektrochemiczne bez metali ziem rzadkich oraz innych kosztownych materiałów (ang. REE-free batteries), era post-litowa;
maszyny elektryczne bez metali ziem rzadkich (ang. REE-free electric machines), era post-neodymowa;
energoelektronika kognitywna (ang. cognitive power electronics) – przekształtniki które myślą, wnioskują i pamiętają;
zelektryfikowany i autonomiczny transport – przyspieszenie transformacji;
oszczędność energii dzięki inteligentnym blisko zeroenergetycznym budynkom oraz inteligentnym całym miastom;
gospodarka o obiegu zamkniętym (ang. circular economy) – recycle, reuse, refurbish in re-factories;
półprzewodniki jako nowe złoto.

Fizycy przypominają nam, że wszystko jest energią. Geopolitycy natomiast dodatkowo podpowiadają nam, że energia jest wszystkim. Jeżeli nie wiadomo o co chodzi, to najprawdopodobniej chodzi o tanie źródła energii (pieniądze) oraz półprzewodniki (technologie).