Startup, który łapie wiatr w żagle…

[#1]

… a właściwie to nie w żagle, ale w łopaty innowacyjnej turbiny z pionową osią obrotu, która może dostarczać energię do domów jednorodzinnych lub budynków biurowych. Zapraszamy na rozmowę z profesorem Zbigniewem Bulińskim, twórcą zespołu SWG (Silesian Wind Generator), który znalazł się wśród trzech najlepszych rozwiązań zgłoszonych w pierwszej edycji Programu Grantowego ING.

Od 2021 roku każdy nowo wybudowany dom jednorodzinny w Polsce powinien być budynkiem energooszczędnym. Jakie trendy i tendencje dostrzegacie w obszarze budownictwa? Czy inwestorzy poprzestają na spełnieniu wynikających z prawa standardów, czy chcą iść o krok dalej - w kierunku domów pasywnych, zeroenergetycznych a nawet plusenergetycznych? Jak aktualny kryzys energetyczny wpływa na decyzje w tym zakresie?

Z moich obserwacji - tak zawodowych, jak i prywatnych, bo niedawno ukończyłem budowę własnego domu - wynika, że większość inwestorów poprzestaje na spełnieniu wymaganych przez prawo minimalnych wymagań w zakresie zużycia energii pierwotnej. Wciąż rzadko się zdarza, aby szli dalej i zaopatrywali domy w bardziej wyszukane rozwiązania. Największa cześć zużycia energii w budynku przypada na ogrzewanie i zapewnienie ciepłej wody użytkowej. W dalszej kolejności mamy prąd potrzebny do zasilania urządzeń elektrycznych, chłodzenia itp. Niewykluczone, że w najbliższych latach, w konsekwencji zmian klimatycznych, struktura zużycia energii będzie się nieco zmieniała - wzrośnie znaczenie dostarczenia do budynku chłodu lub jego produkcja. Ale pierwszym wyborem w zakresie ogrzewania od lat jest Polsce gaz ziemny: do niedawna relatywnie tani i wygodny w eksploatacji; inaczej niż w przypadku węgla nie trzeba dbać o jego transport, przeładunek, składowanie itp. W ostatnim półroczu, może nawet trochę dłużej - ze względu na problemy z cenami gazu, które zaczęły się jeszcze przed wojną w Ukrainie, a które ta wojna bardzo zintensyfikowała – to paliwo przestało być jednak postrzegane jako w miarę bezpieczne. Stąd w ostatnim czasie wzrosło zainteresowanie alternatywnymi sposobami ogrzewania, np. przy pomocy pompy ciepła. Aktualnie zapotrzebowanie rynku na pompy ciepła jest tak duże, że obserwowany jest ich deficyt w hurtowniach.

Jakie rozwiązania są najbardziej atrakcyjne i opłacalne?

Atrakcyjność i opłacalność, moim zdaniem, trzeba od siebie trochę rozdzielić. Wszystko będzie zależało od tego, jak ktoś podchodzi do inwestycji - co jest dla niego priorytetem - oraz od aktualnych uwarunkowań rynkowych, a te regularnie się zmieniają. Wspomniana przeze mnie pompa ciepła jest wygodna w użyciu, ale z punktu widzenia czysto ekonomicznego, czyli czasu zwrotu inwestycji, jeszcze dwa lata temu nie była atrakcyjnym źródłem ogrzewania, bo jej koszt był bardzo wysoki. Zbudowanie takiej instalacji wiązało się z wydatkiem w przedziale 50 - 70 tysięcy złotych, a kocioł gazowy dla porównania kosztował 10 do 15 tysięcy złotych. Obecnie czas zwrotu takiej inwestycji znacząco się skrócił. Odwrotnie jest z fotowoltaiką, która jeszcze rok temu zwracała się w ciągu 5-7 lat, ale po wejściu nowej ustawy, z 1 kwietnia 2022 roku, czas ten wydłużył się mniej więcej dwukrotnie. Ale w kontekście stricte ekologicznym wyposażanie domu w takie rozwiązania jest jedynym rozsądnym wyjściem. Powinniśmy dążyć do minimalizowania naszego wpływu na środowisko. Przy obecnym rozwoju techniki zbudowanie domu samowystarczalnego jest najzupełniej możliwe; przeszkodą pozostają jedynie koszty.

Jak działa Wasze urządzenie i dla kogo jest ono przeznaczone?

Nasze urządzenie to turbina wiatrowa, a dokładniej dwie turbiny wiatrowe, z pionową osią obrotu. Tylko tyle i aż tyle, bo w przypadku turbin z pionową osią obrotu sytuacja jest znacznie bardziej skomplikowana, niż ma to miejsce w turbinach z poziomą osią obrotu. Turbiny z poziomą osią obrotu są napędzane w zasadzie wyłącznie siłą nośną, a więc tą siłą aerodynamiczną, która powoduje, że latają samoloty. Natomiast turbiny z pionową osią obrotu mogą być napędzane albo siłą nośną, która powstaje przy opływie profilu aerodynamicznego, albo siłą oporu aerodynamicznego - a najczęściej wykorzystują obie te siły. W zależności od tego, jak taka turbina będzie zaprojektowana, może ona wykorzystywać bardziej siłę oporu lub siłę nośną. Nasz zespół zbudował dwie turbiny - jedną, pod roboczą nazwą Drag (z angielskiego Drag Force – siła oporu aerodynamicznego), napędzaną głównie siłą oporu aerodynamicznego, i drugą, pod roboczą nazwą Lift (z angielskiego Lift Force – siła nośna), napędzaną głównie siłą nośną. Tematem tym zajmujemy się od około 10 lat. Zaczęliśmy od prac w ramach doktoratu mojego kolegi dr Tomasza Krysińskiego, potem pozyskaliśmy projekt z Narodowego Centrum Nauki. Nasza wiedza o turbinach wiatrowych z pionową osią obrotu rosła z roku na rok i akumulowała się, aż w końcu, w 2021, wystartowaliśmy z naszymi projektami w Wielkim Wyzwaniu organizowanym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Było to podsumowanie dłuższego etapu prac i to podsumowanie bardzo udane. Spośród około 200 drużyn z całego kraju, które zgłosiły się do tego konkursu, jedna z naszych turbin zajęła drugie miejsce i była najlepszą turbiną z pionową osią obrotu w całym konkursie, a druga siódme.

Na obecnym etapie skupiamy się na rozwoju małych jednostek, rzędu 1, 2, 3… do 10 kilowatów. Ich zastosowanie może być szerokie: począwszy od domów jednorodzinnych po budynki biznesowe, na których dachach można zainstalować mikrofarmę takich turbin. Potencjalnych odbiorców jest wielu; tym bardziej, że turbiny z pionową osią obrotu mają mnóstwo zalet. Kręcą się znacznie wolniej niż turbiny z poziomą osią obrotu, co sprawia, że nie generują tyle hałasu. Są niewrażliwe na zmienny kierunek wiatru i turbulencje przepływu, których źródłem w obszarach zurbanizowanych są przeszkody architektoniczne.

Skąd pomysł, by zająć się opracowywaniem takiego właśnie urządzenia?

Z wykształcenia jestem energetykiem. Zawodowo zajmowałem się i zajmuję termodynamiką, przepływem ciepła, mechaniką płynów, ale też matematyką – obliczeniami i metodami optymalizacji. Pomysł zajęcia się turbinami wiatrowymi z pionową osią obrotu był związany z ciekawością naukową. Konstrukcje te przez lata były zupełnie zapomniane, a mają one wiele zalet, jednakże dokucza im jeden poważny mankament - niska sprawność. Przez ostatnie mniej więcej 100 lat nikt się nimi nie zajmował, a przyczyną tego najprawdopodobniej było to, że brakowało odpowiednich narzędzi badawczych, by je ulepszać.

W przypadku turbin wiatrowych z poziomą osią do projektowania i rozwoju można stosować bardzo podobne narzędzia obliczeniowe jak do badania skrzydeł samolotowych. W przypadku turbin z pionową osią -  kiedy łopaty turbiny poruszają się w kierunku prostopadłym do kierunku wiatru i kąt natarcia zmienia się w sposób dynamiczny oraz dzieje się wiele innych ciekawych procesów aerodynamicznych - właściwych narzędzi teoretycznych i badawczych przez długi czas nie było. Obecnie, z wykorzystaniem komputerów, jesteśmy w stanie rozwiązać wiele problemów przepływowych - policzyć pole ciśnienia i prędkości powietrza w każdym punkcie wokół pracującej turbiny wiatrowej - i optymalizować kształt i działanie takich turbin. Dzięki połączeniu możliwości, jakie dają nowoczesne komputery, mechanika płynów i zaawansowana matematyka, możemy tworzyć turbiny o wyższej sprawności i lepszych parametrach użytkowych, np. niższej generacji hałasu.

Ile energii, na przykład w skali roku, może wygenerować domowa turbina z pionową osią obrotu?

W przypadku turbin sytuacja jest trochę bardziej skomplikowana niż na przykład w przypadku fotowoltaiki, gdzie maksymalna ilość docierającej do powierzchni ziemi energii jest znana – w przybliżeniu 1 kilowat na metr kwadratowy i nic więcej, co najwyżej może być mniej. Energia kinetyczna wiatru zależy od trzeciej potęgi prędkości. Przekłada się to na bardzo szybki wzrost energii, gdy wieje mocno, i bardzo małą ilość produkowanej energii, gdy wieje słabo. Nastręcza to pewne problemy w interpretacji takiego pojęcia jak moc turbiny. Uzależnione to będzie od tego, gdzie tę turbinę postawimy - jakie będą w danym miejscu warunki wiatrowe. Szacujemy jednak, że nasza najmniejsza turbina jest w stanie wyprodukować w ciągu roku mniej więcej 1-2 megawatogodziny, co dopowiada około 4 panelom fotowoltaicznym.

A jak SWG komponuje się z innymi technologiami - czy jest to na przykład alternatywa dla paneli fotowoltaicznych czy raczej ich uzupełnienie?

Będzie to zależało od decyzji inwestora. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby nasze turbiny stanowiły główne źródło energii, tak jak to się dzieje z fotowoltaiką. Jednak zarówno w przypadku paneli, jak i turbin wiatrowych - generalnie przy wyborze jednego tylko odnawialnego źródła energii - kiedy ktoś chce być całkiem niezależny od zewnętrznych dostaw, musi pomyśleć o bardzo dużym magazynie energii, co jest raczej problematyczne i kosztowne. Najfajniej by było, gdybyśmy energię z fotowotlaiki mogli akumulować latem i wykorzystywać zimą; a energię z turbin wiatrowych akumulować zimą, gdy mocniej wieje, i wykorzystywać latem. Dlatego jedyne sensowne rozwiązanie to łączenie tych dwóch odnawialnych źródeł energii. Szczególnie, że nie są one ze sobą skorelowane - jak wieje, to zazwyczaj nie świeci, a jak świeci, to najczęściej nie wieje. Warto wykorzystać ten efekt synergii źródeł, dzięki temu możliwe jest ograniczenie pojemności magazynów energii, w sytuacji gdy planujemy rozwiązania off-gridowe, czy takie które maksymalizują autokonsumpcję w przypadku prosumentów. Efekt synergii w tym przypadku działa tak, że połączenie obu rozwiązań ma większą wartość niż każde z rozwiązań osobno.

Jak wspominacie udział w Programie Grantowym ING?

To było bardzo dobre, bardzo przyjemne doświadczenie. Oczywiście najbardziej spodobało nam się rozstrzygnięcie i przyznana nam nagroda (śmiech), ale na słowa uznania zasługuje cała organizacja i przebieg konkursu. Udział w Programie Grantowym ING bardzo pomógł nam w rozwoju - zrobiło się o nas głośniej i pojawiła się duża szansa na komercjalizację naszych rozwiązań.

Co doradzilibyście młodym startuperom i naukowcom, którzy mają jakiś pomysł na biznes?

Moja rada będzie bardzo prosta: nie porzucajcie marzeń i bądźcie wytrwali, a osiągniecie sukces. Tak, rynek jest trudny, marek jest wiele i niełatwo jest się przebić, ale trzeba próbować i cierpliwie dążyć do celu. Wydaje mi się, że nam, naukowcom, w kwestii promocji, pokazywania się jest trochę trudniej niż innym. Nasz praca w dużej mierze polega na ciągłym wątpieniu, stawianiu pytań, drążeniu, szukaniu rozwiązań i interpretacji otrzymywanych wyników… I potem ciężko jest nam wyjść i pokazywać, jacy to jesteśmy fajni i super. Dlatego też ogromnie ważne są dla nas tego typu programy jak ten przygotowany przez ING. Programy, dzięki którym możemy pozyskać wsparcie silnego partnera posiadającego kompetencje biznesowe.

Jak, Waszym zdaniem, kształtuje się obecnie relacja między biznesem a ekologią?

Wierzę, że biznes i ekologię da się pogodzić. Ale na proces projektowania i sprzedaży eko produktu trzeba patrzeć nieco inaczej, bardziej globalnie. Dysponujemy już narzędziami (uniwersytet, z którego się wywodzę, zajmuję sią tą tematyką od około 50 lat) pozwalającymi na obliczenie dokładnego wpływu, jaki wywieramy na środowisko. I nadszedł chyba czas, aby biznesy, które starają się ten wpływ jak najbardziej ograniczać, zaczęły być traktowane w nieco odmienny sposób i silniej promowane.

Bardzo dziękuję za rozmowę.

Dziękuję.