Un parc eolian în apropiere de orașul Heyuan din Guangdong, China.Credit: Haitong Yu/Getty
În clasamentele energetice globale, o țară iese în evidență. China este cel mai înfometat consumator de energie din lume la nivel mondial – solicitând anul trecut echivalentul energetic a aproape 3,3 miliarde de tone de petrol. Din 2011, a ars mai mult cărbune decât toate celelalte țări la un loc. Iar dependența sa de acest combustibil fosil se acumulează: China emite aproximativ un sfert din gazele cu efect de seră din lume, cea mai mare pondere dintre toate țările.
Dar aceste cifre sunt doar o parte din poveste: China este, de asemenea, cel mai prolific producător de energie eoliană din lume, cu o capacitate de a produce de peste două ori mai mult decât al doilea mare generator, Statele Unite. Și are aproximativ o treime din capacitatea mondială de generare de energie solară, construind anul trecut mai multe sisteme decât orice altă țară.
Creșterea rapidă a populației și a economiei sale de-a lungul deceniilor, combinată cu o industrie manufacturieră uriașă și cu migrația în masă în orașe luminate de străzi și încălzite central, au transformat China într-o națiune avidă de energie. Recunoscând această foame și daunele pe care le-ar avea o dependență pe termen lung de combustibilii fosili, guvernul chinez a făcut planuri pentru a răspunde nevoilor energetice ale țării. Iar știința și tehnologia – în domenii precum tehnologiile bateriilor, energia fotovoltaică și managementul energiei – se află în centrul acestor planuri.
Reducerea cererii nete de energie nu face parte din această politică, chiar dacă mixul energetic al Chinei se schimbă. Potrivit companiei energetice BP, în 2018, China a reprezentat 24% din consumul global de energie. Firma estimează că, până în 2040, China va fi în continuare în fruntea listei și va reprezenta 22% din consumul global.
Țara a făcut investiții masive în energiile regenerabile, depunând 0,9% din produsul său intern brut (PIB) în acest sector în 2015 – a treia cea mai mare sumă la nivel mondial, după Chile și Africa de Sud, care au investit fiecare 1,4% din PIB. Cu toate acestea, doar 23% din energia pe care China o consumă provine din surse “curate” (inclusiv gazele naturale), în timp ce aproape 58% provenea din cărbune în 2019 – cea mai poluantă dintre opțiunile care sunt încă utilizate pe scară largă la nivel mondial. (O mare parte din restul energiei Chinei provine din petrol și din energia nucleară.)
Acțiuni privind poluarea
Arderea cărbunelui și a altor surse neregenerabile pentru a satisface foamea de energie a țării a devenit o problemă vizibilă, orașele mari, cum ar fi Beijing, fiind adesea învăluite într-un smog gros. Poluarea aerului a devenit atât de gravă în unele părți ale Chinei în 2013, încât mass-media a numit-o o apocalipsă a aerului, cetățenii suportând niveluri de particule de până la 30 de ori mai mari decât cele considerate sigure de către Organizația Mondială a Sănătății. Și, în pofida eforturilor de combatere a problemei, 48 de orașe chinezești figurează în continuare printre primele 100 cele mai poluate orașe din lume.
Un angajat lucrează la o turbină eoliană la o fabrică de construcții din Nanjing, China.Credit: Ji Haixin/VCG via Getty
Aceste niveluri de poluare au impus măsuri suplimentare. În decembrie 2016, guvernul chinez a introdus un plan de dezvoltare pentru energia regenerabilă ca supliment la cel de-al 13-lea plan cincinal general de dezvoltare socială și economică, care acoperă perioada 2016-20, care fusese publicat la începutul aceluiași an. Acesta includea un angajament de a crește proporția consumului său de energie din surse regenerabile și fără combustibili fosili la 20 % până în 2030. Acest angajament, a promis premierul Li Keqiang, va da lovituri grele împotriva problemelor comune de poluare a aerului și a apei care decurg din dependența țării de cărbune.
“Dezvoltarea energiei solare și eoliene ieftine pentru a înlocui energia fosilă a devenit strategia energetică de bază a Chinei pentru a reduce poluarea aerului”, spune Hong Li, un cercetător care lucrează la bateriile cu litiu în stare solidă la Laboratorul cheie pentru energie regenerabilă din Beijing, care face parte din Institutul de Fizică al Academiei Chineze de Științe. Hong Li, care este implicat în dezvoltarea de planuri la nivel național pentru noile tehnologii energetice, subliniază, de asemenea, că nivelurile de electricitate generate de sursele regenerabile – care variază în funcție de cantitatea de soare sau vânt – pot fi mai puțin consistente decât cele provenite de la centralele electrice pe bază de combustibili fosili.
“Este mai greu să îmbini energia solară și eoliană cu rețeaua electrică” decât să incluzi energia pe bază de cărbune, spune Hong Li. Energia regenerabilă este “mai puțin fiabilă și acest lucru poate face rețeaua instabilă în lipsa unor sisteme avansate de control”.
De exemplu, în 2017, peste 30% din energia regenerabilă produsă în provinciile însorite și vântoase Xinjiang și Gansu din nord-vestul Chinei nu a fost niciodată utilizată. Acest lucru s-a datorat faptului că nu a putut fi livrată acolo unde era nevoie de ea: megaorașele foarte populate din estul Chinei, cum ar fi Shanghai și Beijing, aflate la mii de kilometri distanță (a se vedea “Mai puțină energie irosită”).
Surse: Departamentul de Energie al SUA/Administrația Națională a Energiei din China
Este o dilemă care a determinat guvernul chinez să investească miliarde de dolari în linii de înaltă tensiune, pentru a transmite energia generată în regiunile însorite și vântoase în întreaga imensitate a Chinei. Printre acestea se numără o linie de 22,6 miliarde de yuani (3,2 miliarde de dolari) și 1 600 de kilometri din Qinghai, în vestul Chinei, care a fost finalizată în luna mai. Aceasta trece prin Gansu, până în provincia Henan, în centrul țării.
O altă modalitate de a se asigura că energia regenerabilă este disponibilă atunci când este nevoie este creșterea capacității de stocare a acesteia. Acest lucru poate fi realizat cu ajutorul unor tehnologii precum bateriile, hidroelectricitatea cu acumulare prin pompare și stocarea termică, spune Yuki Yu, fondatorul companiei de consultanță în domeniul energiei curate Energy Iceberg din Hong Kong.
“Bateriile pot stoca excesul de energie, pentru a o elibera mai târziu. Oficialii și oamenii de știință din China au început să realizeze implicațiile acestui lucru pentru stabilizarea rețelelor noastre electrice”, spune Xianfeng Li, care conduce divizia de stocare a energiei de la Institutul de Fizică Chimică din Dalian (DICP).
În 2017, China a publicat primul său document de politică națională privind stocarea energiei, care a subliniat necesitatea de a dezvolta baterii mai ieftine și mai sigure, capabile să rețină mai multă energie, pentru a crește și mai mult capacitatea țării de a stoca energia pe care o produce (a se vedea “Impulsul bateriei din China”). Printre tehnologii se numără bateriile litiu-ion – tipul utilizat la vehiculele electrice – și sistemele de baterii staționare la scară largă, integrate cu surse de energie eoliană și solară.
Sursa: China Energy Storage Alliance
În planurile lor, factorii de decizie politică au precizat clar că oamenii de știință și inginerii din țară trebuie să dezvolte tehnologii mai eficiente de stocare a energiei pentru a atinge aceste obiective (a se vedea “Creșterea cercetării ecologice”).
Sursa: China Energy Storage Alliance
Sursa: China Energy Storage Alliance: Baza de date InCites, Web of Science
Stocarea energiei în acțiune
Orașul Dalian din provincia Liaoning, în nord-estul Chinei, are o populație de aproximativ șapte milioane de locuitori și este un loc de testare pentru munca lui Xianfeng Li. Temperaturile de iarnă de acolo pot scădea până la -20 °C, ceea ce pune rețeaua de electricitate a orașului sub presiune pentru a furniza explozii bruște și intense atunci când locuitorii își pornesc încălzirea, spune el.
Pentru a ajuta la rezolvarea acestei nevoi, Rongke Power, o companie care a fost desprinsă din DICP, intenționează să deschidă o instalație de stocare a energiei de 400 de megawați-oră (MWh) în Dalian în acest an. Este prima etapă a unui proiect care vizează o instalație de 800 MWh până în 2023 și va utiliza baterii cu flux de vanadiu – dispozitive uriașe reîncărcabile care stochează electrolit lichid în rezervoare masive. Capacitatea finală ar trebui să satisfacă aproximativ 0,5% din cererea totală de energie electrică din Liaoning, unde Dalian este al doilea oraș ca mărime.
Xianfeng Li spune că proiectul va putea contribui la o alimentare neîntreruptă cu energie electrică a orașului, în timp ce stochează și reglează alimentarea cu energie a rețelei pentru întreaga provincie, care primește 16,2% din energia sa din surse de energie regenerabilă. Provinciile variază foarte mult în ceea ce privește proporția de energie provenită din surse regenerabile: de exemplu, aceasta este de 2,7% pentru provincia sudică chineză Jiangsu, dar de 30,1% pentru provincia însorită și slab populată Mongolia interioară. Printre vecinii din Liaoning, Jilin primește 8% din energia sa din combustibili non-fosili, iar Hebei 9,1%.
Baterii de flux cu vanadiu de tipul celui pe care Xianfeng Li îl testează în Dalian au unele avantaje față de bateriile standard litiu-ion pentru aplicații la scară largă, cum ar fi energia de rețea: deoarece electrolitul de vanadiu este stocat într-un rezervor, acesta poate fi extins mult mai ieftin decât bateriile discrete litiu-ion. De asemenea, este mai puțin probabil ca bateriile cu vanadiu să ia foc și au o durată de viață de aproximativ zece ori mai mare decât bateriile litiu-ion.
Xianfeng Li spune că, în ultimii ani, a văzut că finanțarea pentru munca sa privind bateriile cu flux de vanadiu a crescut brusc, împreună cu interesul companiilor de a se asocia cu echipa sa. El spune că DICP lucrează în prezent cu aproximativ 30 de companii care s-au desprins din institut.
“Întreprinderile sunt acum interesate să dezvolte această tehnologie, deoarece știu că guvernul se concentrează asupra ei și astfel se simt încrezători să investească”, spune el.
Yu spune că guvernele locale sunt acum dornice să sprijine companiile pentru a construi instalații de stocare a bateriilor. “Într-un moment în care factorii de decizie politică sunt în căutarea unor noi modalități de a stimula creșterea în regiunile lor, industria de fabricare a bateriilor pare foarte promițătoare, astfel încât guvernele sunt motivate să încurajeze acest tip de investiții.”
Driving change
Planul cincinal pentru 2016-20 a subliniat, de asemenea, necesitatea ca cercetătorii să continue să dezvolte tehnologia bateriilor, astfel încât mașinile electrice să poată fi conduse mai departe cu o singură încărcare. Cel mai bine vândut vehicul electric din China, Tesla Model 3, are o autonomie de aproximativ 400 de kilometri (majoritatea vehiculelor electrice moderne au o autonomie de 160-600 km).
“Dezvoltarea vehiculelor electrice este o altă strategie importantă pentru a reduce poluarea, mai ales atunci când acea electricitate provine din energie curată. Prin urmare, trebuie să dezvoltăm tehnologia bateriilor pentru vehiculele electrice”, spune Hong Li, care spune că a observat o creștere a finanțării cercetării pentru stocarea energiei, vehiculele electrice și alte tehnologii în China în 2012. Cu toate acestea, subliniază el, țara este încă în întârziere în ceea ce privește știința de bază a stocării energiei, în comparație cu laboratoarele de vârf din Statele Unite și Europa, care excelează în înțelegerea chimiei fundamentale și a științei materialelor. În ciuda acestui fapt, spune el, China este mai activă în aplicarea acestor cunoștințe pentru a crea inovație în sistemele avansate de baterii. Iar amploarea mediului de cercetare din țară, de la universități la echipe din industrie, i-a ajutat pe oamenii de știință din China să ajungă la o înțelegere cuprinzătoare a modului în care se pot dezvolta materiale și dispozitive pentru lumea reală.
Planificarea viitorului
China are unele dintre cele mai ieftine prețuri la electricitate din lumea dezvoltată (a se vedea “Scăderea prețurilor la electricitate”). Costurile sunt stabilite de guvernele locale și aprobate de biroul de energie din cadrul Comisiei Naționale pentru Dezvoltare și Reformă, care supraveghează politica macroeconomică. Prețurile sunt menținute la un nivel scăzut pentru a stimula creșterea economică.
Surse: Polaris Power Network/shoudian.bjx.com.cn (go.nature.com/3tqcemg)
Dar, în ciuda acestui impuls, țara a început să elimine treptat unele subvenții pentru combustibilii curați: de exemplu, le va opri pe cele pentru energia eoliană onshore după acest an. Liderii chinezi speră că sursele de energie regenerabilă vor deveni competitive din punct de vedere economic cu combustibilii fosili în viitorul apropiat. Răspunsul se află în dezvoltarea unei infrastructuri mai puternice de stocare a energiei.
Hong Li este consilier în cadrul comitetului național de planificare al Chinei pentru dezvoltarea stocării energiei. Împreună cu ingineri și factori de decizie politică, comitetul lucrează la un plan de cercetare și dezvoltare pe cinci ani care va începe anul viitor. Printre alte elemente, acesta va încuraja oamenii de știință să dezvolte tehnologii de stocare a energiei pentru rețeaua electrică care să fie intrinsec mai sigure, mai ieftine și să aibă o durată de viață mai lungă.
Cercetătorul în domeniul energiei solare Xianglei Liu, de la Școala de Inginerie Energetică și Energetică de la Universitatea de Aeronautică și Astronautică din Nanjing, spune că există fonduri disponibile pentru oamenii de știință din domeniul său pentru a îmbunătăți producția de energie curată a Chinei. “Obiectivul ambițios al guvernului de a utiliza mai multă energie curată înseamnă că există o mulțime de fonduri”, spune Liu.
De exemplu, anul trecut, Liu a obținut o subvenție de 1,3 milioane de yuani de la Fundația Națională pentru Științe Naturale din China, principala agenție de finanțare a țării, pentru a îmbunătăți capacitatea de stocare a căldurii a materialelor utilizate în centralele solare termice, care generează energie din căldura Soarelui, mai degrabă decât din lumina acestuia, așa cum fac panourile fotovoltaice. La acest proiect de 5 ani participă aproximativ 40 de oameni de știință din 6 institute academice din China. De asemenea, Liu a început recent să colaboreze cu compania Nanjing Jinhe Energy Materials pentru a dezvolta un material care să aibă o densitate mare de stocare a energiei și o conductivitate termică ridicată.
Yi Jin, director de cercetare și dezvoltare la Nanjing Jinhe Energy Materials, spune că, deoarece guvernul intenționează să reducă subvențiile acordate companiilor de energie regenerabilă, firmele care administrează centralele de energie verde sunt dornice să cumpere sau să investească în tehnologii care să le crească randamentul și să scadă costurile de producție.
“Tehnologia noastră îmbunătățește stabilitatea energiei regenerabile și astfel reduce costurile pentru centralele electrice, făcându-le mai eficiente”, spune Jin.
În general, Hong Li este optimist că investițiile guvernamentale și progresul științific vor avea câștig de cauză. “Atâta timp cât dezvoltăm politicile și tehnologiile potrivite pentru a le susține”, spune el, “putem reduce treptat dependența noastră de cărbune.”
.