W globalnych rankingach energetycznych wyróżnia się jeden kraj. Chiny są najbardziej głodnym konsumentem energii na świecie – w ubiegłym roku zażądały energetycznego ekwiwalentu prawie 3,3 mld ton ropy. Od 2011 roku spaliły więcej węgla niż wszystkie inne kraje razem wzięte. A jego zależność od tego paliwa kopalnego sumuje się: Chiny emitują około jednej czwartej gazów cieplarnianych na świecie, największy udział jakiegokolwiek kraju.

Ale te liczby to tylko część historii: Chiny są również najbardziej płodnym producentem energii wiatrowej na świecie, z możliwością wytwarzania ponad dwukrotnie więcej niż drugi co do wielkości generator, Stany Zjednoczone. Chiny posiadają również jedną trzecią światowych mocy produkcyjnych w zakresie energii słonecznej, budując w zeszłym roku więcej systemów niż jakikolwiek inny kraj.

Szybki wzrost populacji i gospodarki w ciągu ostatnich dziesięcioleci, w połączeniu z ogromnym przemysłem wytwórczym i masową migracją do oświetlonych ulicami, centralnie ogrzewanych miast, uczyniły z Chin naród głodny energii. Zdając sobie sprawę z tego głodu i szkód, jakie przyniosłaby długoterminowa zależność od paliw kopalnych, rząd chiński opracował plany zaspokojenia potrzeb energetycznych kraju. A nauka i technologia – w dziedzinach takich jak technologie baterii, fotowoltaika i zarządzanie energią – są w centrum tych planów.

Zmniejszenie zapotrzebowania na energię netto nie jest częścią polityki, nawet w miarę jak zmienia się koszyk energetyczny Chin. Według firmy energetycznej BP, w 2018 roku Chiny odpowiadały za 24% globalnego zużycia energii. Firma szacuje, że do 2040 r. Chiny nadal będą na szczycie listy i będą odpowiadać za 22% globalnego zużycia.

Kraj poczynił ogromne inwestycje w odnawialne źródła energii, deponując 0,9% swojego produktu krajowego brutto (PKB) w sektorze w 2015 roku – trzecią najwyższą kwotę na świecie po Chile i RPA, które zainwestowały po 1,4% PKB. Mimo to tylko 23% energii zużywanej przez Chiny pochodzi z “czystych” źródeł (w tym gazu ziemnego), podczas gdy prawie 58% w 2019 r. pochodziło z węgla – najbardziej zanieczyszczającego środowisko z opcji, które nadal są szeroko stosowane na świecie. (Znaczna część pozostałej energii Chin pochodzi z ropy naftowej i z energii jądrowej.)

Działanie w sprawie zanieczyszczeń

Spalanie węgla i innych nieodnawialnych źródeł energii w celu zaspokojenia głodu energetycznego kraju stało się widocznym problemem, z dużymi miastami, takimi jak Pekin, często spowitymi w gęstym smogu. Zanieczyszczenie powietrza stało się tak złe w części Chin w 2013 roku, że media nazwały to powietrzną apokalipsą, z obywatelami znoszącymi poziomy cząstek stałych do 30 razy wyższe niż te uznawane za bezpieczne przez Światową Organizację Zdrowia. Pomimo wysiłków włożonych w walkę z tym problemem, 48 chińskich miast nadal znajduje się w pierwszej setce najbardziej zanieczyszczonych miast na świecie.

Te poziomy zanieczyszczeń wymusiły podjęcie dalszych działań. W grudniu 2016 r. rząd chiński wprowadził plan rozwoju energii odnawialnej jako uzupełnienie swojego nadrzędnego 13. planu pięcioletniego rozwoju społeczno-gospodarczego, obejmującego lata 2016-20, który ukazał się wcześniej w tym samym roku. Zawierał on zobowiązanie do zwiększenia udziału zużycia energii odnawialnej i niekopalnej do 20% do 2030 roku. To zobowiązanie, Premier Li Keqiang obiecał, uderzyłby ciężkie ciosy przeciwko wspólnym problemom zanieczyszczenia powietrza i wody wynikającym z zależności kraju od węgla.

“Rozwój taniej energii słonecznej i wiatrowej w celu zastąpienia energii kopalnej stał się główną strategią energetyczną Chin w celu zmniejszenia zanieczyszczenia powietrza”, mówi Hong Li, badacz, który pracuje nad półprzewodnikowymi bateriami litowymi w Kluczowym Laboratorium Energii Odnawialnej w Pekinie, część Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk. Hong Li, który jest zaangażowany w opracowywanie ogólnokrajowych planów dotyczących nowych technologii energetycznych, zwraca również uwagę na fakt, że poziomy energii elektrycznej wytwarzanej przez źródła odnawialne – które zmieniają się w zależności od ilości słońca lub wiatru – mogą być mniej spójne niż te pochodzące z elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi.

“Trudniej jest połączyć energię słoneczną i wiatrową z siecią elektryczną” niż włączyć energię pochodzącą z węgla, mówi Hong Li. Energia odnawialna jest “mniej niezawodna, a to może sprawić, że sieć będzie niestabilna bez zaawansowanych systemów kontroli na miejscu”.

Na przykład w 2017 roku ponad 30% energii odnawialnej wyprodukowanej w słonecznych, wietrznych prowincjach Xinjiang i Gansu w północno-zachodnich Chinach nigdy nie zostało wykorzystane. Stało się tak, ponieważ nie można było jej dostarczyć tam, gdzie była potrzebna: do wysoko zaludnionych megamiast wschodnich Chin, takich jak Szanghaj i Pekin, oddalonych o tysiące kilometrów (patrz “Mniej zmarnowanej energii”).

To dylemat, który doprowadził chiński rząd do zainwestowania miliardów dolarów w linie wysokiego napięcia, aby przesyłać energię wytworzoną w słonecznych, wietrznych regionach na terenie całych Chin. Obejmuje to 22,6 mld juanów (3,2 mld USD), 1600-kilometrową linię z Qinghai w zachodnich Chinach, która została ukończona w maju. Biegnie ona przez Gansu, aż do prowincji Henan w centrum kraju.

Innym sposobem na zapewnienie, że energia odnawialna jest dostępna w razie potrzeby, jest zwiększenie zdolności do jej przechowywania. Można to osiągnąć za pomocą technologii takich jak akumulatory, elektrownie wodne szczytowo-pompowe i termiczne, mówi Yuki Yu, założyciel firmy konsultingowej zajmującej się czystą energią Energy Iceberg w Hongkongu.

“Akumulatory mogą przechowywać nadmiar energii, a następnie uwolnić ją później. Urzędnicy i naukowcy w Chinach zaczęli zdawać sobie sprawę z implikacji tego dla stabilizacji naszych sieci energetycznych” – mówi Xianfeng Li, który kieruje działem magazynowania energii w Dalian Institute of Chemical Physics (DICP).

W 2017 roku Chiny wydały swój pierwszy krajowy dokument polityczny dotyczący magazynowania energii, w którym podkreślono potrzebę opracowania tańszych, bezpieczniejszych akumulatorów zdolnych do przechowywania większej ilości energii, aby jeszcze bardziej zwiększyć zdolność kraju do magazynowania produkowanej przez niego energii (patrz “China’s battery boost”). Technologie obejmują akumulatory litowo-jonowe – typ stosowany w pojazdach elektrycznych – oraz wielkoskalowe, stacjonarne systemy akumulatorowe zintegrowane z dostawami energii wiatrowej i słonecznej.

W swoich planach decydenci wyraźnie zaznaczyli, że naukowcy i inżynierowie z tego kraju muszą opracować bardziej efektywne technologie magazynowania energii, aby zrealizować te cele (zob. ‘Growth in green research’).

Magazynowanie energii w akcji

Miasto Dalian w prowincji Liaoning, w północno-wschodnich Chinach, liczy około siedmiu milionów mieszkańców i jest miejscem testowym dla pracy Xianfenga Li. Jak twierdzi, temperatury zimą mogą tam spadać do -20°C, co sprawia, że miejska sieć energetyczna znajduje się pod presją, aby zapewnić nagłe, intensywne impulsy, gdy mieszkańcy włączają ogrzewanie.

Aby pomóc w zaspokojeniu tej potrzeby, Rongke Power, firma, która została wydzielona z DICP, planuje otworzyć w tym roku 400-megawatogodzinny (MWh) obiekt magazynowania energii w Dalian. Jest to pierwszy etap projektu, którego celem jest stworzenie do 2023 r. obiektu o pojemności 800 MWh, w którym zostaną wykorzystane wanadowe baterie przepływowe – ogromne urządzenia nadające się do ponownego ładowania, które przechowują ciekły elektrolit w masywnych zbiornikach. Ostateczna pojemność powinna zaspokoić około 0,5% całkowitego zapotrzebowania na energię w Liaoning, gdzie Dalian jest drugim co do wielkości miastem.

Xianfeng Li mówi, że projekt będzie w stanie przyczynić się do bezprzerwowego zasilania miasta, jednocześnie przechowując i regulując dostawy energii do sieci dla całej prowincji, która otrzymuje 16,2% swojej mocy z odnawialnych źródeł energii. Prowincje różnią się znacznie pod względem tego, jaka część ich energii pochodzi z odnawialnych źródeł: na przykład w południowochińskiej prowincji Jiangsu jest to 2,7%, ale w słonecznej, słabo zaludnionej Mongolii Wewnętrznej aż 30,1%. Wśród sąsiadów Liaoning, Jilin otrzymuje 8% swojej energii z paliw niekopalnych, a Hebei 9,1%.

Baterie przepływowe wanadowe, takie jak Xianfeng Li testuje w Dalian, mają pewne zalety w porównaniu ze standardowymi bateriami litowo-jonowymi dla zastosowań na dużą skalę, takich jak zasilanie sieciowe: ponieważ elektrolit wanadowy jest przechowywany w zbiorniku, można go skalować znacznie taniej niż dyskretne baterie litowo-jonowe. Akumulatory wanadowe są również mniej podatne na zapalenie się i mają około dziesięć razy dłuższą żywotność niż akumulatory litowo-jonowe.

Xianfeng Li mówi, że w ostatnich latach zaobserwował gwałtowny wzrost finansowania jego pracy nad akumulatorami przepływowymi z wanadem, a także zainteresowanie firm współpracą z jego zespołem. Mówi, że DICP współpracuje obecnie z około 30 firmami, które zostały wydzielone z instytutu.

“Przedsiębiorstwa są obecnie zainteresowane rozwojem tej technologii, ponieważ wiedzą, że rząd koncentruje się na niej i czują się pewnie, inwestując”, mówi.

Yu mówi, że samorządy lokalne chętnie wspierają firmy w budowaniu obiektów magazynowania akumulatorów. “W czasach, gdy decydenci szukają nowych sposobów na stymulowanie wzrostu w swoich regionach, przemysł produkcji akumulatorów wygląda bardzo obiecująco, więc rządy są zmotywowane do zachęcania do tego typu inwestycji.”

Driving change

Pięcioletni plan na lata 2016-20 podkreślił również potrzebę kontynuowania przez naukowców rozwoju technologii akumulatorów, aby samochody elektryczne mogły jeździć dalej na jednym ładowaniu. Najlepiej sprzedający się pojazd elektryczny w Chinach, Tesla Model 3, ma zasięg około 400 kilometrów (większość nowoczesnych pojazdów elektrycznych ma zasięg 160-600 km).

“Rozwój pojazdów elektrycznych to kolejna ważna strategia mająca na celu zmniejszenie zanieczyszczenia, zwłaszcza gdy energia elektryczna pochodzi z czystej energii. Dlatego musimy rozwijać technologię akumulatorów dla pojazdów elektrycznych” – mówi Hong Li, który twierdzi, że w 2012 r. zauważył w Chinach wzrost finansowania badań nad magazynowaniem energii, pojazdami elektrycznymi i innymi technologiami. Zaznacza jednak, że kraj ten wciąż nadrabia zaległości w zakresie podstawowych nauk o magazynowaniu energii w porównaniu z wiodącymi laboratoriami w Stanach Zjednoczonych i Europie, które przodują w zrozumieniu chemii fundamentalnej i materiałoznawstwa. Mimo to, jak twierdzi, Chiny są bardziej aktywne w stosowaniu tej wiedzy do tworzenia innowacji w zaawansowanych systemach akumulatorowych. A skala krajowego środowiska badawczego, od uniwersytetów po zespoły przemysłowe, pomogła naukowcom w Chinach osiągnąć kompleksowe zrozumienie, jak opracowywać materiały i urządzenia dla świata rzeczywistego.

Planowanie przyszłości

Chiny mają jedne z najtańszych cen energii elektrycznej w rozwiniętym świecie (patrz “Spadek cen energii elektrycznej”). Koszty są ustalane przez władze lokalne i zatwierdzane przez biuro ds. energii w Krajowej Komisji Rozwoju i Reform, która nadzoruje politykę makroekonomiczną. Ceny utrzymywane są na niskim poziomie, aby stymulować wzrost gospodarczy.

Ale pomimo tego dążenia, kraj zaczął stopniowo wycofywać niektóre dotacje dla czystych paliw: na przykład po tym roku wstrzyma dotacje dla lądowych elektrowni wiatrowych. Chińscy przywódcy mają nadzieję, że w niedalekiej przyszłości odnawialne źródła energii staną się ekonomicznie konkurencyjne w stosunku do paliw kopalnych. Odpowiedź leży w rozwoju silniejszej infrastruktury magazynowania energii.

Hong Li jest doradcą w chińskim krajowym komitecie planowania rozwoju magazynowania energii. Wraz z inżynierami i decydentami komitet ten pracuje nad pięcioletnim planem badań i rozwoju, który rozpocznie się w przyszłym roku. Wśród innych elementów, będzie zachęcać naukowców do opracowania technologii magazynowania energii dla sieci energetycznej, które są z natury bezpieczniejsze, tańsze i mają dłuższą żywotność.

Badacz energii słonecznej Xianglei Liu, w Szkole Energii i Inżynierii Energetycznej na Uniwersytecie Aeronautyki i Astronautyki w Nanjing, mówi, że finansowanie jest dostępne dla naukowców w jego dziedzinie w celu poprawy produkcji czystej energii w Chinach. “Ambitny cel rządu, jakim jest wykorzystanie większej ilości czystej energii, oznacza, że istnieje wiele funduszy” – mówi Liu.

Na przykład w zeszłym roku Liu wygrał grant w wysokości 1,3 mln juanów z National Natural Science Foundation of China, głównej agencji finansującej granty w kraju, w celu poprawy zdolności magazynowania ciepła w materiałach używanych w elektrowniach słonecznych, które wytwarzają energię z ciepła Słońca, a nie z jego światła, jak ma to miejsce w przypadku paneli fotowoltaicznych. W 5-letnim projekcie bierze udział około 40 naukowców z 6 instytutów akademickich z całych Chin. Liu rozpoczął również niedawno współpracę z firmą Nanjing Jinhe Energy Materials w celu opracowania materiału, który ma dużą gęstość magazynowania energii i wysoką przewodność cieplną.

Yi Jin, dyrektor ds. badań i rozwoju w Nanjing Jinhe Energy Materials, mówi, że ponieważ rząd planuje zmniejszyć dotacje dla firm zajmujących się energią odnawialną, firmy prowadzące zielone elektrownie chętnie kupują lub inwestują w technologię, która zwiększy ich wydajność i zmniejszy koszty produkcji.

“Nasza technologia poprawia stabilność energii odnawialnej, a więc zmniejsza koszty elektrowni, czyniąc je bardziej wydajnymi”, mówi Jin.

Ogółem Hong Li jest optymistą, że inwestycje rządowe i postęp naukowy zwyciężą. “Jeśli tylko opracujemy odpowiednią politykę i technologie, które będą je wspierać” – mówi – “możemy stopniowo zmniejszać naszą zależność od węgla”.