Czy zamknięte systemy w zastąpią znane nam rolnictwo i uprawy? Rozmowa z Kamilem Wójcikiem i Jakubem Mnichem z Elisys i Water Science Technology Institute we Wrocławiu

Skąd Wasze zainteresowanie ideą 3W?

Kamil Wójcik: Od lat słyszymy o wyczerpywaniu się zasobów naturalnych i o tym, że człowiek jest coraz bliżej fizycznych granic naszej planety. Od dawna wiadomo było, że dotyczyć to będzie ropy naftowej i innych paliw kopalnych, obecnie jasne jest, że problem dotyczy również zasobów wody. Uważam, że to jeden z największych problemów, z jakim musi obecnie zmierzyć się ludzkość. Idea 3W jest częścią odpowiedzi na to wyzwanie.

Wasza przygoda z ideą 3W zaczęła się od ubiegłorocznego, pierwszego w Polsce hackatonu, który w całości poświęcony był zagadnieniom gospodarki wodnej. Ponad 100 uczestników Aquathonu pracowało nad rozwiązaniem problemu braku wody. Wy nie tylko tam byliście, ale również wygraliście wyzwanie Idei 3W, które zaprezentował Bank Gospodarstwa Krajowego. Czy możecie opowiedzieć na czym ono polegało?

KW: Tematem wyzwania, które podjęliśmy, była technologiczna zmiana w codziennym życiu zgodna z Ideą 3W: woda-wodór-węgiel. Należało przedstawić plan dnia człowieka mającego „lifestyle 3W”. Wpisaliśmy w ten plan np. nanoboty, które na bieżąco monitorują nasz stan zdrowia, czy samowystarczalne gospodarstwa domowe. Uważamy, że w przyszłości standardem będzie retencjonowanie wody w domach, wykorzystanie deszczówki, uprawa i hodowla żywności na miejscu poprzez zastosowanie naszej technologii obiegu zamkniętego RAS (skrót od Recirculating Aquaculture Systems) w mikro- oraz w makroskali przemysłowej produkcji żywności.

Jakub Mnich: Kamil pokazał też, jak poszczególne wyzwania wpływają na życie człowieka oraz jak łączą się ze sobą. Wyzwania wchodzące w skład 3W nie do końca są intuicyjne. Metody wykorzystania wody i wodoru są zrozumiałe: woda jest znana każdemu. Wodór jest z kolei paliwem, a o paliwach słyszymy na co dzień, i to coraz więcej. Mniej wiadomo o tym, jak w technologiach przyszłości można wykorzystać węgiel. Tymczasem chodzi o rozwiązania takie jak grafen czy nanorurki. Istnieją poważne problemy technologiczne, które można rozwiązać dzięki materiałom węglowym.

Kategoria „woda”, która obejmuje m.in. domowe hodowle roślin czy zwierząt, przestaje być również pojęciem do końca intuicyjnym, jeśli weźmiemy pod uwagę, że te nowoczesne uprawy wymagają odpowiedniej automatyki i użycia innowacyjnych sensorów. Technologie muszą być rozwiązaniem w tych niszach, których ludziom nadal nie udało się wypełnić. Nowoczesne rozwiązania i Idea 3W muszą wejść na dobre do naszego codziennego życia, by czynić je bardziej zrównoważonym.

Człowiek w Idei 3W – ciekawe i niełatwe wyzwanie. Powiedzcie, proszę, jak w praktyce woda, wodór i węgiel mogą zmienić nasz styl życia? To perspektywa kilku czy kilkudziesięciu lat i czy to w ogóle realne? Czy udało się to rozstrzygnąć podczas Aquathonu?

Kamil Wójcik: Na co dzień zajmuję się technologiami wodorowymi i tworzeniem koncepcji nowych systemów energetycznych i uważam, że jesteśmy coraz bliżej rewolucji technologicznej w tym obszarze. Technologie wodorowe są już dziś bardziej wydajne niż silniki spalinowe czy elektrownie węglowe. Możliwość pozyskania wodoru dzięki energii ze słońca i wiatru pozwoli generować paliwo w systemie rozproszonym i dostarczać je tam, gdzie jest aktualnie potrzebne. Jesteśmy coraz bliżej osiągnięcia neutralności klimatycznej, jednak brakuje nam jeszcze jednego elementu – magazynowania energii. Obecnie technologia magazynowania opiera się na bateriach których recykling jest trudny, a ilość energii oraz żywotność bardzo ograniczona w sytuacji głębokiego rozładowania zimą. Ten problem może rozwiązać wodór. Łączenie ogniw wodorowych z bateriami litowo-jonowymi, czyli technologia hybrydowa, pozwala znacznie wydłużyć ich żywotność. Wodór nie jest w tym układzie nośnikiem energii, a bardziej stabilizatorem baterii wydłużając ich żywotność i ogranicza liczbę ogniw koniecznych do zaspokojenia potrzeb zimą.

Jakub Mnich: Jeżeli chodzi o Polską fotowoltaikę, to mamy już dziś świetny przykład zasilanych energią świetlną etykiet sklepowych, które dostarcza Saule Technologies, wykorzystując swoje perowskity. Z grafenem mamy ten problem, że od lat jest wciąż trzy lata przed etapem komercjalizacji. Jest to materiał o wspaniałych możliwościach, ale z poważnymi obciążeniami technologicznymi. Z kolei diamentowe elektrody (czyli inna postać węgla – red.) są dziś wykorzystywane w nowoczesnych sensorach medycznych opracowanych w Polsce lub do oczyszczania ścieków np. w niektórych rafineriach, więc część tych rozwiązań zdążyła się zadomowić w przemyśle.

Czy widzicie jakieś obszary, w których polskie przedsiębiorstwa mają szczególny potencjał i mogą przyspieszyć naszą codzienność z 3W? A może już to robią?

Jakub Mnich: Mamy w kraju co najmniej dwie duże firmy, które oferują zaawansowane filtry do wody. Nie brzmi to imponująco, ale opracowanie dobrego filtra, który jednocześnie jest w akceptowalnej cenie, to nie lada osiągnięcie. Mamy też duże możliwości w obszarze sensoryki, a w niektórych obszarach jesteśmy wręcz liderami. Kilka polskich detektorów podczerwieni znajduje się w tym momencie na Marsie. Obserwujemy też ruch w kierunku rozpoczęcia produkcji ekologicznej żywności w systemach zamkniętych. Konsumenci oczekują, że będzie ona dostępna cały rok, świeża i za rozsądne pieniądze.

Widać jednak, że nadal nie są to tanie produkty. W otwartej uprawie właściwie nie da się już teraz wyhodować plonów bez pestycydów. Uprawa zamknięta rozwiązuje ten problem. Systemy są hermetyczne, a patogeny i pasożyty nie mogą dostać się do środka. Ogromną przewagą upraw akwaponicznych i hydroponicznych jest to, że organizmy w środku pozostają zdrowe tak długo, jak ich nie zarazimy, a dzieje się to bez użycia chemii czy antybiotyków. Nie trzeba też sięgać po gatunki modyfikowane genetycznie.

Obaj pracujecie w Water Science Technology Institute we Wrocławiu. Czy możecie opowiedzieć czym zajmujecie się na co dzień i nad jakimi projektami pracujecie?

JM: To nowa jednostka, działająca nieco ponad rok. Wywodzimy się z firmy Fish Farm Solutions, która dostarczyła technologię diagnostyczną do wykrywania patogenów występujących na farmach łososi w Norwegii. WSTI został powołany później po to, by skupić się na hodowli ryb i roślin w systemach zamkniętych. Obecnie wspólnie z partnerami z Norwegii budujemy demonstracyjną hodowlę dla krabów. Oprócz tego uzyskaliśmy europejski grant na projekt „Usage”. To rozwiązanie, w którym ludzie mogą w prosty, zautomatyzowany sposób zaprzęgać wysokie technologie do produkcji zdrowej żywności. Obejmuje to ryby, niektóre gatunki alg oraz uprawę hydroponiczną roślin, w tym przypadku warzyw. W ramach grantu powstanie we Wrocławiu obok centrum edukacji ekologicznej “Hydropolis” demonstracyjna farma akwaponiczna z materiałami edukacyjnymi.

Czym ten hydroponiczny system różni się od akwaponicznego? Na jakich zasadach działają te układy i czy wpisują się w Ideę 3W?

JM: Projekt „Usage” to system akwaponiczny, w którym akwakultura jest łączona z hydroponiką. Te definicje mogą brzmieć zawile, ale w rzeczywistości podział jest prosty. Hydroponika to hodowla roślin bez podłoża ziemnego. W praktyce mogą to być np. pływające na wodzie styropianowe donice, a do wody bezpośrednio dostarcza się wszystkie substancje odżywcze. Dzięki temu rośliny są zdrowsze, rosną szybciej, a plony mamy cały rok. Akwakultura to np. RAS, skrót od Recirculating Aquaculture Systems. Jest to system zamknięty obiegu wody do np. hodowli ryb. Ma to ogromne znaczenie i korzyści środowiskowe, bo hodowla jest prowadzona bez jakiegokolwiek wpływu na otoczenie i bez zanieczyszczeń. Ryby są hodowane w zamkniętej hali, nie ma ryzyka, że się czymś zarażą. Nawet jeśli dochodzi do infekcji, to zbiornik wystarczy odkazić i można szybko zaczynać hodowlę od nowa. Wyzwaniami w przypadku hodowli RAS są ceny energii i materiałów, które trzeba dostarczyć do wewnątrz, by ryby rosły. Problemem jest też utylizacja mazi, którą ryby wydalają do wody.

KW: Jednocześnie jest to jednak biomasa, którą chcemy w przyszłości wykorzystać do zasilania tych farm. Dodam też, że systemy obiegu zamkniętego zużywają 10 proc. tej wody, której potrzebuje tradycyjna uprawa. Akwaponika to z kolei połączenie akwakultury i hydroponiki. W jednym systemie mamy połączenie ryb i roślin. Ryby generują trudny do zutylizowania odpad, który z drugiej strony jest naturalnym nawozem dla roślin.

Czy to znaczy, że za kilka lat z norweskich fiordów znikną siatki z hodowlami łososi, które oprócz karmy są żywione również całą gamą lekarstw, przez które lekarze nie zalecają zbyt częstego jedzenia tych ryb w trosce o własne zdrowie?

JM: Te tradycyjne hodowle są nadal ważne i będą istnieć jeszcze długo. Jednak systemy zamknięte cały czas się rozwijają i w przyszłości mogą zastąpić znane nam rolnictwo i uprawy. Wszystko zależy od kosztów i stopnia zaawansowania technologii, nad którymi pracujemy. W Polsce jesteśmy świadkami nasilającego się kryzysu wodnego, a niektóre gminy, w szczególności te na wschodzie, są zmuszone inwestować nie tyle w oczyszczalnie, co stacje uzdatniania wody. Jej zamykanie w obiegu zamkniętym staje się koniecznością, gdyż poziom wód gruntowych obniżył się na tyle, że niektóre ujęcia wody przestały funkcjonować. Ten problem będzie w Polsce coraz większy.

Gdzie znajdę wdrożenia rozwiązań, nad którymi pracujecie?

KW: W ramach projektu „Usage” w Instytucie budujemy demonstrator, w którym w akwakulturze hodowane będą rośliny oraz ryby. Chcemy projekt połączyć z instalacją fotowoltaiczną i elektrolizerem, dzięki któremu będziemy pozyskiwać na miejscu niezbędny do hodowli tlen i wodór do zasilania. Między poszczególnymi technologiami występują wyraźne synergie, jednak ich fizyczne połączenie w jednym układzie nadal pozostaje wyzwaniem. Poszczególne moduły są trudno dostępne lub bardzo drogie. Chcemy w laboratoryjnych warunkach złożyć wszystkie te elementy w jeden, pierwszy w naszym regionie system. Zaczniemy w połowie bieżącego roku. Budowa demonstratora w Hydropolis we Wrocławiu potrwa około roku. Obecnie nasz zespół dobiera organizmy wodne, które będą zamieszkiwać zbiorniki.

Jak to będzie wyglądało w praktyce?

KW: Będzie to zespół odseparowanych od siebie zbiorników. Woda ze zbiornika ze zwierzętami będzie przepompowywana wraz ze wszystkimi ich wydzielinami, głównie azotowymi i siarkowymi do hydroponicznej uprawy roślin lub alg. Tam substancje wydalone przez zwierzęta będą wykorzystywane przez rośliny, a woda po oczyszczeniu, natlenieniu i kontroli jakości będzie z powrotem wpompowywana do pierwszego zbiornika. Tak obieg się zamyka. Dodatkowo chcemy dodać instalację fotowoltaiczną z hybrydowym magazynem wodorowo-bateryjny, która pozwoli nam zasilić oświetlenie uprawy hydroponicznej roślin w nocy. Pozwoli to docelowo stworzyć zamknięty obieg magazynowania energii i poprawić bezpieczeństwo hodowli.
Wasze rozwiązania mają szansę zmienić rynek gastronomiczny w Polsce. Jakie produkty, które nie są teraz dla nas dostępne, będą na wyciągnięcie ręki?

KW: Technologia upraw akwakulturowych cały czas się rozwija, słychać już o roślinach strączkowych dostarczanych przez takie hodowle. Pierwszym produktem, którego pojawienie się w sklepach zauważą konsumenci, będą nietypowe gatunki ryb. W naszym demonstratorze hodować chcemy suma afrykańskiego. To duża ryba, której mięso przypomina tuńczyka, a jednocześnie trudno ją wyhodować poza RAS. Na rynku pojawią się też np. nowe odmiany pstrąga, które mają dużo mniej ości od tych, które obecnie znamy. Przyszłość rolnictwa i bezpieczeństwa żywnościowego wygląda bardzo ciekawie dzięki hodowli zamkniętej. Jednocześnie jest ona idealnym odzwierciedleniem całej Idei 3W.