Most med akademijo, zamislimi v industriji in uresničitvijo v proizvodnji

Kemijski inštitut je nedavno objavil načrt za nov razvojni center za brezogljične tehnologije v Zasavju, ki naj bi v Kisovcu pri Zagorju začel delovati leta 2024. Naložbo ocenjujejo na 30 milijonov evrov, sofinancirata jo Kemijski inštitut in ministrstvo za izobraževanje, znanost, kulturo in šport.

V njem bosta dva samostojna laboratorija – laboratorij za razvoj, pripravo in testiranje baterij, ki bo deloval pod vodstvom dr. Roberta Dominka, vodje Laboratorija za moderne baterijske sisteme na Kemijskem inštitutu, in laboratorij za reakcijsko inženirstvo pretvorb ogljikovega dioksida in vodika pod vodstvom dr. Blaža Likozarja, vodje Odseka za katalizo in reakcijsko inženirstvo na Kemijskem inštitutu. Z njima smo se pogovarjali o ideji in ciljih centra.

Z razvojem teh tehnologij se ukvarjate že zdaj v Ljubljani, zakaj ste se odločili še za dva laboratorija v Zagorju?

Dominko: Laboratorij za baterije bo most med akademijo, zamislimi v industriji in uresničitvijo v proizvodnji. Cilj je pripeljati prototipno proizvodnjo baterijskih celic v Slovenijo, uvesti to znanje v slovenski prostor in bližnjo okolico. To bodo prvi koraki, ki bodo, verjamem, vodili tudi do proizvodnje. Naj bo množične ali pa za specialne namene. Pripravili bomo celotno linijo, da bomo pridobili ustrezno znanje in izkušnje za industrijo. Govorimo o realnih celicah z velikostjo 5 Ah, tudi o možnosti izdelave baterijskih paketov. Ponudili bomo lahko dve različni konfiguraciji prototipnih celic, t. i. prizmatične in vrečaste.

Drugi del centra bo namenjen testiranju in validaciji komercialno dosegljivih baterijskih celic. Ukvarjali se bomo tudi s t. i. drugim življenjem celic, tistih, ki po uporabi nimajo več največje zmogljivosti, vendar jih ne gre zavreči in jim je treba najti neki drug namen.

Brezogljične tehnologije iz Zasavja v svet

Likozar: Če govorim o enotah za zajem in pretvorbo CO2 ter pripravo vodika, bosta na voljo industriji znotraj slovenskega okolja, da ju lahko v svojih proizvodnih procesih preizkusi. Tega doslej ni bilo, podjetja bi morala iti za kaj takega 200 kilometrov čez mejo. Kar zadeva vodik in njegovo uveljavitev, je treba povedati, da je bila v nedavni evropski analizi Slovenija skupaj z Latvijo in Ciprom označena za zamudnico. Večina Evrope dela v tej smeri že 20 let, mi pa znatno zaostajamo.

Cilj našega dela je znižanje cene proizvodnje vodika, kar se nanaša na material, povezan z njegovo proizvodnjo, npr. katalizatorje ali bipolarne plošče. Pri CO₂ pa je v ospredju iskanje učinkovitejših medijev za njegov zajem. Gre za velikotonažne procese, ki morajo biti poceni, da lahko konkurirajo zemeljskemu plinu ali nafti. Govorimo o celotnem razvoju materialov, reaktorjev, procesov, pa tudi t. i. digitalnih dvojčkov – kako se te stvari sploh vodijo. Procesi iz tradicionalnih energetsko intenzivnih vej industrije so običajno dokaj stacionarni, malo je sprememb, le v pasu. Te bodoče enote pa bodo manjše, bolj prilagodljive, več bo nihanja, tudi v odvisnosti od dostopnosti obnovljivih virov energije. Če sta vodik in CO₂ nujno povezana med seboj, sta povezana tudi z baterijami, še posebej s ciljem kratkoročnega hranjenja energije.

Koliko ljudi bo delovalo v obeh laboratorijih?

Dominko: V laboratoriju za baterije bo za prototipno linijo in testirna mesta potrebnih pet stalno zaposlenih, naprej pa odvisno od poteka projekta, vsega skupaj predvidevam 20 ljudi.

Likozar: Računam, da bo v laboratoriju za zajem CO₂ in proizvodnjo vodika delovalo deset ljudi, tudi v navezi s Kemijskim inštitutom v Ljubljani.

Eno so napovedi, drugo je realno stanje

S kom s področja industrije boste sodelovali?

Dominko: Sodelujemo že zdaj z marsikom, s Hondo, slovensko industrijo, dejavni smo v projektih EU, kjer smo povezani z najpomembnejšimi industrijskimi partnerji na tem področju … Strahu, da ne bi bilo posla, nimam. Mislim, da v Zagorju (gre za laboratorije s 1600 kvadratnimi metri, op. p.) že kmalu ne bomo imeli neizkoriščenega prostora.

Likozar: Vodik kot nizkoogljični nosilec energije ter zajem in pretvorba ogljikovega dioksida sta zanimiva za energetsko intenzivno industrijo, kot je jeklarstvo, industrija cementa, aluminija. Takšnih podjetij je v Sloveniji veliko, v ceni njihovega končnega proizvoda znaša delež energije od 10 do 50 odstotkov. Večinoma uporabljajo zemeljski plin in lahko si predstavljate, kaj to pomeni ob zadnjih izjemnih podražitvah, ko nekatera podjetja proizvodnjo zmanjšujejo, ustavljajo, ker preprosto niso rentabilna.

Radovednost je zagotovo dobro gonilo znanstvenika

Kaj je razlog, da ste za lokacijo centra izbrali Zagorje?

Dominko: Evropa je začela razmišljati o sredstvih za pravičen prehod premogovniških regij. Zasavski razvojni agenciji jih je uspelo pridobiti za Slovenijo. Gre za skupaj 270 milijonov evrov. Potem so začeli iskati projekte, prišli smo v stik, sem pa tudi sam doma iz teh krajev in mi to veliko pomeni. Lokalna skupnost se je odločno odzvala. V sodelovanju z županom občine Zagorje ob Savi so se našli tudi primerni prostori. Poleg tega je pomembno, da v regiji obstaja industrija, ki se bo lahko neposredno navezala na center.

Kakšno je sicer na svetovni ravni stanje pri razvoju baterij?

Dominko: Večina prizadevanj gre v dve smeri. Ena je priprava trdnega elektrolita v bateriji, druga je uporaba natrija. Postaja tudi vse bolj jasno, da ne bo zmagovalec le en tip baterije, ampak da bodo potrebne različne vrste. Za urbano mobilnost ne potrebujemo velikega dosega in velike zmogljivosti baterije. Po drugi strani prihajajo tudi dražje z velikim dosegom, celo do 1000 kilometrov, ki so hkrati zmožne zelo hitrega polnjenja. Veliko se dela tudi v smeri, da bi se v baterijah uporabljal kovinski litij.

Pred časom ste omenili sodelovanje pri razvoju trdnega polimernega elektrolita z Blue Solutions, ki je del koncerna Bollore. Kako je s tem?

Dominko: V tem projektu smo odgovorni za razvoj pozitivne elektrode, pri čemer sodelujemo z raziskovalno enoto koncerna BASF in podjetjem Armor. Naloga Kemijskega inštituta je pripraviti recepturo za katodo, ki jo bodo potem v Blue Solutions integrirali v celice s trdnim polimernim elektrolitom. Preizkušali bomo tudi različne načine recikliranja baterij na osnovi trdnega elektrolita, predvsem reciklažo v minimalnem potrebnem obsegu (recikliranje ene elektrode ali posameznih komponent in ne celotne baterijske celice).

Med drugim je cilj centra pripeljati prototipno proizvodnjo baterijskih celic v Slovenijo. FOTO: Jernej Stare/arhiv Kemijski Inštitut

Cene vsega okoli nas gredo v nebo. Sam sem skeptičen, da bo s tistimi surovinami, ki so potrebne za baterije, kaj bolje, tudi ko se stanje umiri.

Dominko: Višja cena surovin pomeni tudi, da postanejo zanimivi viri surovin, ki smo jih v preteklosti vozili na deponije. To so informacije iz Romunije, kjer bodo začeli ekstrahirati kobalt z deponije. Litij kot tak ni težava, zdaj, ko postaja strateški element, se pojavljajo številna nova nahajališča. Kot zanimivost, menda ga imajo tudi na sosednjem Madžarskem, kjer so nekateri vrelci zelo bogati z litijem. Kot sem že prej omenil, se pojavljajo druge kemije, na osnovi elementov, ki so bolj dostopni, in še vedno lahko pričakujemo, da bo končna cena baterijskih celic še naprej padala in se ustalila pod 100 evri na kilovatno uro.

Prihodnost je svetla, a z realističnim pogledom na stvari

Kako hitro se lahko tudi pri vodiku in zajemu CO2 pričakuje opaznejši napredek?

Likozar: Zelo hitro pač ne. Vsaj pet let potrebujemo za neko urgentno spremembo, deset let je bolj realna časovnica, dvajset let bolj konzervativna. Te številke so se omenjale, ko se še ni zgodila Ukrajina … Potrebnih je več stvari. Prva je dostopnost obnovljivih virov energije. Vodik je nosilec energije, kot kako fosilno gorivo na črpalkah, a nekje moramo pridobiti zeleno energijo (sončno, vetrno, iz hidroelektrarn), da jo v obliki vodika shranimo. Sicer vodika že danes proizvedemo veliko, gre za t. i. modri ali sivi vodik, ki ga pridobivamo iz ogljikovodikov. Tudi na tega moramo absolutno računati pri vzpostavljanju infrastrukture, še preden bo več zelenega vodika, izdelanega z elektrolizo. Na primer, plinovode je treba prilagoditi, da bomo po njih pretakali vodik. Moram omeniti, da so v tem trenutku tudi potrebe po t. i. elektrolizerjih, ki se uporabljajo za elektrolizo vode, veliko večje od zmožnosti dobav. Največja podjetja, kot sta Siemens in Air Liquide, preprosto ne zmorejo izdelati toliko teh naprav, kot bi jih trg želel. Ne nazadnje je treba reči, da je bilo veliko poslovnih modelov izdelanih na predpostavki bistveno nižje cene energije, zdaj so stvari upočasnjene, v Nemčiji celo slišimo o ponovnem zaganjanju termoelektrarne na lignit. V sili še hudič muhe žre.

V Nemčiji razmišljajo tudi o podaljšanju obratovanja jedrskih elektrarn.

Likozar: Če pogledamo globalno, je izvirni greh v našem načinu življenja, gre za potrošništvo in gospodarsko rast. Če je to želeni gospodarsko-politični model, se tudi potreba po energiji ves čas povečuje. Moramo se zavedati, da se je energija, ki smo jo uporabljali v zadnjih sto letih, prej milijone let termodinamsko shranjevala – nafta, zemeljski plin, ne nazadnje tudi jedrska energija, ki je sicer primerjalno zelo čista. Še vedno vse temelji na nekih neobnovljivih virih, tisto, kar je nekdaj nastajalo pod zemeljsko skorjo, zdaj pospešeno uporabljamo, ker so te molekule ogljikovodikov ali v primeru jedrske energije atomi energetsko bogati. To pomeni, da ne potrebujemo veliko, da jih pretvorimo, zlahka jih izkoriščamo.

Če pa pogledamo ti dve molekuli, s katerima se bo ukvarjal naš laboratorij – ogljikov dioksid in voda kot surovina za vodik –, sta pregovorno zelo stabilni. To je tudi temelj biološkega življenja na Zemlji: če molekula vode ne bi bila tako stabilna, tudi življenje ne bi obstajalo. Če pa želimo iz vode dobiti energetski nosilec, moramo v to vložiti veliko količino energije, običajno električne. Podobno je pri CO₂; ko so se začeli prvi trendi na tem področju, se je govorilo le o zajemu in shranjevanju. CO₂ se je tako ali drugače zajemal in shranjeval v zemeljsko skorjo, o tem, kaj naprej narediti, ni bilo kake dobre ideje. Zdaj se vedno več govori tudi o uporabi zajetega CO₂. Najbolj pogosto o njegovi pretvorbi do sintetičnega zemeljskega plina, metanola ali ogljikovodika, v vseh primerih je potreben vodik.

Da ne bi zamudili najboljših sedežev na vlaku

Prej ste omenili vodik za težko industrijo. Kaj pa vodik za pogon prometnih sredstev – je več perspektive za uporabo v gorivnih celicah in električni motor ali za sintetična goriva za motor z notranjim zgorevanjem?

Likozar: Za zdaj kaže, da bo večina elektrifikacije dosežena s hranilniki (npr. baterijami) ali hibridno – uporaba gorivnih celic je morda še najbolj smiselna za tovorni ali različen železniški promet. Seveda je to ocena, ki izhaja iz trenutnega stanja.

Spomnim še novice iz preteklega leta, da je Kemijski inštitut podpisal licenčno pogodbo z odcepljenim podjetjem ReCatalyst za razvoj materialov za gorivne celice. Kako je s tem sodelovanjem?

Likozar: Podjetje ReCatalyst je izjemno uspešno in še naprej precej sodeluje z inštitutom, poleg tega se povezuje v mednarodne verige vrednosti, npr. s proizvajalci izmenjevalnih membran.