Energetyka to jedna z tych dziedzin, w której badania naukowe odgrywają największą rolę. Zwłaszcza w obliczu zmian klimatycznych.
Energia zawsze była symbolem modernizacji. Nieważne, czy weźmiemy pod uwagę żarówkę Edisona, Leninowską fascynację elektrycznością, reaktory jądrowe czy panele fotowoltaiczne – rozwój nowych źródeł energii zawsze stanowił źródło inspiracji dla badaczek i inżynierów oraz powód do zmartwień dla polityków. Jak dziś wyglądają związki między rozwojem energetyki a mechanizmami wspierania strategicznych badań naukowych? To dziś tym ważniejsze, że – jak pokazuje choćby opublikowany niedawno raport Międzynarodowego Panelu ds. Zmian Klimatu (IPCC) – badania nad problemami energetyki są jednym z potencjalnych środków zaradczych przeciwdziałającym zmianom klimatycznych.
Wprowadzona w 2000 roku niemiecka ustawa o energetyce odnawialnej (EEG) miała wytyczyć nowy kierunek modernizacji tego kraju. W tych samych latach energetyka odnawialna stała się elementem polityki rozwojowej USA i Chin. Decyzja premier Kopacz na szczycie klimatycznym UE oznacza dla nas potencjalne opóźnienie w rywalizacji w tej dziedzinie. Jednak z drugiej strony daje szansę na uniknięcie błędów bogatszych rywali.
Puchar Niemiec dla Chin
Polityka energetyczna Niemiec zakłada ograniczanie produkcji energii ze źródeł konwencjonalnych i zwiększanie udziału energetyki odnawialnej. Drugim elementem jest plan wyłączenia elektrowni jądrowych. Po niecałych 15 latach od wprowadzenia EEG komisja ekspertów ds. badań i innowacji (EFI) bardzo krytycznie oceniła wpływ tej polityki na na rozwój naukowy kraju – według raportu z 2014 roku był on minimalny. Zgodnie z opiniami ekspertów EFI było to spowodowane prostotą systemu dopłat, który faworyzował zakup gotowych rozwiązań, a nie prace badawcze nad nowymi.
Symbolem tych problemów może być bankructwo Q-Cell, największego niemieckiego producenta paneli słonecznych. Jeszcze w 2008 roku był on wizytówką zielonego sukcesu naukowego i przemysłowego. W 2012 roku po wszczęciu procedury upadłościowej został wykupiony przez Hanwha, jeden z największych koreańskich konglomeratów przemysłowo-biznesowych (czeboli). Q-Cell wciąż ma zakłady produkcyjne w Niemczech, jednak główna część prac badawczo-rozwojowych została przeniesiona do Azji.
Według tygodnika „Der Spiegel” problemem był niski poziom wydatków na badania i rozwój w firmie. Q-Cell padło ofiarą wczesnego sukcesu i zapomniało, że energetyka słoneczna wymaga ciągłych nakładów w tym obszarze. Podobnego błędu nie popełniły Siemens i Bosch, stale rozwijające badania w sektorze energetyki wiatrowej.
Oprócz różnic w kosztochłonności badań energetyka wiatrowa daje szansę na wykorzystanie doświadczeń z sektora elektromaszynowego (przekładnie, automatyka). Model rozwoju fotowoltaiki przypomina raczej sektor chemiczny – wymaga dużych nakładów na badania, ale ich rezultaty bardzo łatwo powielić. Trzeba też pamiętać, że lata produkcji elektroniki w Azji dają Chinom i Korei przewagę we wdrożeniach fotowoltaiki – bo fizyczne i inżynierskie podstawy mikroprocesorów i ogniw słonecznych są bardzo zbliżone.
Chiny wspierają swój przemysł na wiele różnych sposobów – od tanich kredytów inwestycyjnych związanych z zieloną energetyką, przez utrzymywanie korzystnego kursu waluty, a skończywszy na kontrowersyjnej polityce patentowej. Chiny skupiły się też na budowaniu pozycji dużych firm, w odróżnieniu od Niemiec, które wspierały rozwój energetyki sąsiedzkiej i komunalnej.
Symbolem problemów Niemiec może być „dublet” (puchar i Mistrzostwo Niemiec) zdobyte przez Bayern Monachium w 2014 roku. Klub pochodzący z najbardziej uprzemysłowionego regionu Niemiec jest od 2011 roku sponsorowany przez chińskiego giganta fotowoltaiki Yngli Solar.
Niemiecki kontratak
Niezależnie od problemów Niemcy pozostają jednym z liderów europejskiej nauki i techniki. Jak zauważył zespół EFI, rozwój ten opiera się raczej na solidnych fundamentach w przemyśle elektromaszynowym niż na przewadze w zakresie elektroniki, technik materiałowych lub informatycznych. Innymi słowy – sercem niemieckiej modernizacji jest ciągle raczej laboratorium przyfabryczne Boscha lub Siemensa niż rozproszone po całym świecie placówki badawcze Intela lub Google.
Rząd niemiecki postanowił wyzyskać przewagę związaną z bezpośrednim dostępem do kultury przemysłowej, tworząc sieć 15 kampusów badawczych (Forschungscampus), które mają stworzyć kręgosłup naukowy dla rozwoju przemysłowego. Kampus jest finansowany kwotą rzędu 2 mln euro rocznie przez maksimum 15 lat, przy czym sektor prywatny musi wyłożyć tyle samo co sektor publiczny. Kampusy są adresowane przede wszystkim do firm lokalnych, a jednym z najważniejszych warunków finansowania jest wymiana kadr między sektorem akademickim, laboratoriami przemysłowymi i liniami montażowymi. Innymi słowy – nawet ekspertki od fizyki teoretycznej lub symulacji komputerowych mają mieć kontakt z personelem pracującym „na linii”. Z uwagi na stabilność finansowania kampusy dają szansę na realizację odważniejszych pomysłów badawczych, które przekraczałyby wymiar krótkiego grantu.
Kampusy badawcze mają też wykorzystać wiedzę techniczną lokalnej społeczności – organizowane są w nich warsztaty, w których majsterkowicze i energetycy amatorzy mogą wymienić się wiedzą z zawodowymi inżynierkami pracującymi w skali przemysłowej. Współpraca wielu mniejszych podmiotów daje szansę na współdzielenie kosztów wdrożeń patentów. Przykładowo za cenę 50 tys. euro rocznie można korzystać z jednego z patentów wygenerowanych przez kampus badawczy w Aachen zajmujący się technikami przesyłania energii i sterowania sieciami energetycznymi.
Oprócz rozwiązań wewnętrznych Niemcy wciąż próbują korzystać z narzędzi międzynarodowych. Jednocześnie dyplomacja niemiecka zaczęła za pośrednictwem UE negocjacje z Chinami w sprawie ograniczenia dumpingu cenowego w obszarze ogniw fotowoltaicznych. Ograniczenie emisji w UE w powiązaniu z utrudnieniem sprzedaży firmom chińskim dałoby nową szansę na rozwój lokalnego sektora produkcyjnego. Pomimo bankructwa Q-Cell w Niemczech wciąż istnieją mniejsze firmy wytwarzające panele słoneczne.
Amerykańskie rewolucje
Podobną politykę co Niemcy przyjęły Stany Zjednoczone. Rozwiązania w skali całego kraju są trudniejsze do wdrożenia, ponieważ magnaci naftowi i węglowi finansują konserwatywnych polityków. Dlatego też tylko niektóre stany przyjęły rozwiązanie prawne ograniczające emisje lub wspierające zieloną energetykę.
Władze centralne próbują obejść ten problem za pomocą programu badań podstawowych związanych z energetyką (Energy Frontier Research Centers).
Podobnie jak w Niemczech sieć takich centrów obejmuje ponad 30 instytucji, dotowanych co roku kwotą od 2 do 4 mln dolarów.
Łącznie zatrudnionych w nich ma być ok. 520 doświadczonych badaczy i naukowczyń oraz 1100 studentów, doktorantek i osób personelu technicznego. Sieć obejmuje laboratoria federalne, uczelnie i laboratoria przemysłowe. W odróżnieniu od kampusów niemieckich centra amerykańskie nie skupiają się na bezpośrednich wdrożeniach. Zgodnie z komunikatem federalnego Departamentu Energii mają skupić się na rozwijaniu metod w obszarze nauk podstawowych, aby położyć fundament pod przyszłe odkrycia. Na przykład centrum badawcze w Los Alamos będzie liderem w badaniach nad kwantowymi metodami powielania nośników energii w fotowoltaice. W dużym skrócie i w karygodnym uproszczeniu: chodzi o to, aby jeden promyk światła generował jak najwięcej prądu.
Program został zainicjowany w 2009 roku, a niedawno zaakceptowano drugą turę finansowania. 32 spośród 44 centrów otrzymały finansowanie na kolejnych 5 lat – co sugeruje, że rząd federalny jest zadowolony z pierwszych efektów programu. Trzeba jednocześnie zaznaczyć, że centra stanowią jedynie szkielet infrastruktury naukowej, ponieważ prawie wszyscy amerykańscy grantodawcy mają specjalne ścieżki finansowania energetyki. Począwszy od NASA (fotowoltaika w kosmosie, małe reaktory dla satelitów), a skończywszy na badaniach wojskowych (siłownie okrętów podwodnych, polowe generatory elektryczności).
Jednym z symboli amerykańskich badań naukowych była Agencja Zaawansowanych Technologii Obronnych – DARPA, której zawdzięczamy myszkę komputerową, rozwój Internetu, LSD i kilka pokoleń inwalidów w Wietnamie. W 2009 roku stworzono ARPA-E, czyli agencję zajmującą się zaawansowanymi projektami w dziedzinie energetyki, wzorowaną na DARPA. Obie agencje pełnią rolę inwestora dla ryzykownych projektów w obszarze zaawansowanej technologii – tam, gdzie analizy firm wskazują na zbyt wielkie ryzyko. ARPA-E ma być niejako domknięciem procesu wdrożenia zainicjowanego w centrach badawczych.
Polska końcówka
Polska wybrała wariant zdecydowanie najmniej ryzykowny. Zwiastunem stanowiska Ewy Kopacz mógł być przegląd strategicznych programów badawczych w Narodowym Centrum Badań i Rozwoju. Tematów energetyki dotyczą bezpośrednio aż cztery spośród siedmiu z nich. Skupiają się one na energochłonności budynków, bezpieczeństwie pracy w kopalniach, wspomaganiu energetyki jądrowej oraz zaawansowanych technologiach pozyskiwania energii. W ostatnim z kierunków tylko jedno z zadań badawczych skupia się na energetyce odnawialnej – przy czym chodzi w tym wypadku o współspalanie i kogenerację (jednoczesne wytwarzanie elektrycznej i cieplnej), a nie o wiatr, wodę itp.
Pierwsze dwa zadania koncentrują się na poprawie efektywności spalania w elektrowniach węglowych, a kolejne dotyczy metod gazyfikacji węgla – czyli pozyskiwania innych paliw z węgla. Ten ostatni program badawczy trwa od 2010 do 2015 roku. Ze środków publicznych dofinansowano go kwotą 80 mln zł, ze środków prywatnych – ok. 10 mln złotych. W projekcie biorą udział trzy instytucje akademickie i sześciu partnerów przemysłowych (zobacz szczegóły). Projekty te stanowią raczej bardzo wyrafinowaną formę rozwoju istniejącej inżynierii niż próby aplikacji nowych zjawisk fizycznych.
Z perspektywy ograniczenia emisji CO2 bardzo interesujący wydaje się projekt wychwytu gorącego CO2 i użycia go do suszenia węgla lub do „dogrzewania” głównego obiegu roboczego (czyli obiegu wody i pary napędzającego turbiny energetyczne). Dzięki tego rodzaju zabiegom optymalizacyjnym możliwe jest znaczne zredukowanie emisji dwutlenku węgla. Symulacje pokazały, że teoretycznie możliwe jest zredukowanie emisji o ok. 80% (z 742 na 90 gramów CO2 przypadających na kilowatogodzinę), przy wzroście kosztów produkcji o ok. 20%. Pilotażowe instalacje w tym projekcie rozpoczęły działalność w maju 2013. Trzeba mieć jednak świadomość, że tak efektywna praca oznacza niesamowite wymagania techniczne stawiane materiałom i obsłudze. Dlatego projekt przewiduje też badania nad ulepszonymi rodzajami stali i diagnostyką konstrukcyjną.
Niestety w NCBiR nie ma długoletnich programów strategicznych związanych z fotowoltaiką, materiałami funkcjonalnymi i tego rodzaju badaniami obarczonymi wysokim ryzykiem. Są oczywiście granty badawcze dla liderów zespołów w obszarze badań podstawowych i stosowanych, jednak ich skala jest ograniczona. Przykładowo: grant Maestro (najwyższa nagroda dla wybitnych profesorów) dla prof. Witolda Augustyńskiego z zespołem to 2,7 mln złotych na okres kilku lat.
W odróżnieniu od programów amerykańskich i niemieckich program ten ma charakter konkursowy i trudno w oparciu o te środki budować całe środowiska naukowe.
Tymczasem amerykański Departament Energetyki od lat finansuje też programy edukacyjne dla studentów (przykładowy podręcznik dla personelu energetyki słonecznej z 1981 roku).
Ponieważ energetyka jest ściśle powiązana z życiem codziennym, programy amerykańskie i niemieckie przeznaczają część środków na badania procesów społecznych związanych z korzystaniem z energii oraz nad funkcjonowaniem samych instytucji badawczych. Nie jest przypadkiem, że najlepsze uczelnie techniczne na świecie mają też bardzo dobre grupy zajmujące się socjologią nauki i techniki. W Polsce badania w tym kierunku znajdują się w powijakach, nawet w Bibliotece Uniwersytetu Warszawskiego nie sposób znaleźć podstawowych podręczników w tej dziedzinie – a cóż dopiero mówić o bieżących raportach, programach stypendialnych czy funduszach na badania.
Turbina kołem się toczy
Energia jest jednym z największych wyzwań stojących przed światem. Oprócz zmian klimatycznych problemem są też kurczące się pokłady węgla, wzrost skażenia środowiska czy niedobory metali rzadkich niezbędnych do fotowoltaiki. Z uwagi na skalę problemów widmo braku prądu lub ciepła będzie napędzało politykę naukową, ekonomiczną i przemysłową świata jeszcze przez wiele lat.
Decyzje Ewy Kopacz i Donalda Tuska o trzymaniu się energetyki konwencjonalnej wcale nie muszą skończyć się katastrofą, pod warunkiem jednak, że połączymy je z odpowiednią polityką nakładów na badania naukowe.
Odpowiednikiem niemieckich kampusów lub amerykańskich centrów badawczych mogłyby być Krajowe Naukowe Ośrodki Wiodące – wymaga to jednak decyzji o kontynuowaniu programu długofalowo i włączenia w niego większej liczby aktorów. Zasadne byłoby porównanie życia społecznego w tych ośrodkach z badaniami socjologicznymi prowadzonymi za granicą.
W energetyce bowiem, podobnie jak w całym życiu społecznym, diabeł wciąż tkwi w szczegółach.
***
Serwis >>WYBORY EUROPY jest współfinansowany ze środków Ministerstwa Spraw Zagranicznych
