Projekty řešené v aktuálním roce

Pokročilé materiály a technologie pro procesy dekarbonizace

SP2024/025

Problém rostoucího obsahu oxidu uhličitého v atmosféře je provázen klimatickými změnami, které mají zásadní dopad na život na naší planetě. Snahou vyspělých států je zastavit nárůst emisí škodlivých plynů, mezi nimiž svým objemem dominuje oxid uhličitý, a z tohoto důvodu je věnována poměrně značná pozornost dekarbonizaci průmyslu s cílem přispět k dosažení klimatické neutrality. Zmíněné neutrality lze dosáhnout pouze komplexním přístupem k této problematice zahrnující například také optimalizaci výrobních procesů a technologií jak z pohledu energetického, tak z pohledu materiálového. Navržený projekt je orientován na výzkum materiálů, které je možné využít pro akumulaci tepelné a elektrické energie, skladování vodíku, a dále na využití energeticky a materiálově výhodnějšího 3D tisku pro výrobu keramických výrobků, které mohou být následně použity pro pohlcování CO2. Všechny tři uvedené výzkumné směry mohou svým dílem přispět k dosažení klimatické neutrality. Výzkumné aktivity VA1: Materiály pro akumulaci tepelné a elektrické energie Nárůst instalovaného výkonu elektrické energie z obnovitelných zdrojů každoročně roste a využití energie z těchto zdrojů tak představuje jednu z hlavních možností, jak snížit produkci elektrické energie vznikající spalováním fosilních paliv. Na druhou stranu jsou obnovitelné zdroje charakteristické svou nestabilitou produkce elektrické energie v důsledku měnících se okolních podmínek. Možnost uchování generované elektrické energie s využitím baterií a superkondenzátorů, stejně tak jako možnost jejího uchování ve formě vysokopotenciálního tepla a následné využití akumulované energie pro dodávky elektrické energie v časech, kdy podmínky pro získávání energie z obnovitelných zdrojů nejsou optimální, představuje ideální způsob managementu toku energií výrazně napomáhající dosažení klimatické neutrality. Zmíněné způsoby akumulace a uchování energie vyžadují systematický výzkum materiálů sloužících pro tyto účely. V rámci projektu bude probíhat výzkum zaměřený na materiály pro elektrody baterií a superkondenzátorů, a na materiály pro uchování vysokopetenciální tepelné energie. Výzkum v oblasti materiálů pro akumulaci tepelné energie se konkrétně zaměří na vývoj materiálů na bázi oxidové keramiky s vysokou objemovou hmotností pro cyklický proces akumulace a uvolňování tepelné energie. Dále bude provedeno matematické modelování procesu akumulace elektrické energie ve formě vysokopotenciálního tepla a modelování procesu uvolňování tepelné energie. Rovněž budou formulovány okrajové podmínky respektující efektivitu procesů ohřevu a ochlazování vyvíjených těles aplikovatelných v zařízeních pro akumulaci a následné uvolňování vysokopotenciální tepelné energie. Výzkum v oblasti materiálů akumulace elektrické energie se konkrétně zaměří na oxidy a sulfidy kovů připravené s využitím odpadních materiálů vznikajících v průběhu energetických procesů a vybraných průmyslových výrob a přípravu vysoce porézních uhlíkatých materiálů získaných tepelným zpracováním biomasy. Připravené materiály budou dále modifikovány například sodnými a lithnými kationty pomocí iontovýměnných a interkalačních postupů. Dalším postupem modifikace bude dopace připravených oxidů a sulfidů využitím solí přechodových kovů a sice syntézou v pevném stavu. Připravené materiály budou charakterizovány metodami chemické a fázové analýzy, morfologie částic bude hodnocena využitím metody elektronové mikroskopie, hodnocení texturních parametrů bude provedeno pomocí fyzisorpce dusíku. Funkční vlastnosti připravených materiálů budou testovány pomocí vybraných elektrochemických metod. VA2: Materiály pro skladování vodíku Využití vodíku pro výrobu elektrické energie a další využití např. jako zdroje energie jeho spalováním představuje významný krok k dosažení klimatické neutrality. Kromě některých problémů spojených s jeho výrobou je rovněž klíčové jeho uskladnění. Vodík lze skladovat jako plyn pod vysokým tlakem, lze ho rovněž skladovat ve zkapalněné formě, či jako adsorbovaný na povrchu některých látek, dále pak ho lze skladovat ve formě kovových hydridů. Právě skladování vodíku ve formě kovových hydridů představuje perspektivní způsob s ohledem na bezpečnost a s ohledem na množství skladovaného vodíku. Typickým příkladem hydridu, který lze dnes využít ke skladování vodíku je např.: LaNi5H6, jeho nevýhodou je nízká gravimetrická kapacita uložení vodíku, která dosahuje přibližně 1.3 hm. %. Modifikace primárních slitin na bázi La-Ni dalšími kovy (např.: Sn, Mg,...), tedy vývoj ternárních slitiny vycházející z ternárních systémů La-Ni-M (M=kov) pro hydrogenaci (dehydrogenaci jejich hydridů) může přinést výrazné zvýšení gravimetrické kapacity vodíku výsledných slitin, a právě studium vybraných slitin bude předmětem této výzkumné aktivity v rámci předkládaného SGS projektu. Výzkumným cílem VA2 je tedy získání ternárních slitin s vysokým gravimetrickým obsahem vodíku, optimálními hydrogenačními/dehydrogenačními podmínkami (relativně nízká teplota a nízké tlaky.) a celkovou nízkou jednotkovou hmotností a relativně malým objemem pro umístění v hydrogenačních systémech. Další částí této VA je oblast studia Energetických Materiálů (EM), především pak oblast studia vybraných materiálů jako paliv pro hybridní spalovací motory. Předmětem studia bude vývoj a charakterizace palivových směsí na bázi parafínů s různými aditivy, které představují ekologičtější alternativu k běžně používaným palivům. Vývoj EM materiálů a optimalizace vlastností EM bude realizován jak pro pevnou, tak pro kapalnou fázi, popřípadě tzv. stav "semi-solid". Vlastnosti připravených materiálů budou studovány s ohledem na chemické a fázové složení, s ohledem na přídavek aditiv (dalších přísad zvyšujících energetický obsah např. ve formě nanočástic) v závislosti na teplotě a popř. také tlaku. Bude prováděno experimentální a teoretické studium vyvíjených materiálů zejména metodami termické analýzy, kalorimetrie, viskozimetrie a budou také studovány povrchové a mezifázové vlastnosti. Pro charakterizaci materiálů bude využita elektronová mikroskopie a chemická mikroanalýza (SEM, TEM, EDS), fázové složení vzorků bude hodnoceno využitím rentgenové difrakční analýzy. VA3: 3D tisk keramických materiálů pro dekarbonizaci Aditivní technologie jejichž principem je 3D tisk představuje intenzivně studovanou oblast z hlediska rychlé výroby tvarově složitých dílů, úspory vstupních materiálů s minimem odpadního materiálu, úspory prostorů pro skladování, úspory času a možnosti rychlé změny designu materiálu. 3D tisk silikátových výrobků je poměrně novou disciplínou především ve srovnání s 3D tiskem polymerních materiálů. Specifikou 3D tisku keramických materiálů je mnohem složitější technologický proces. Technologie DIW (direct inject writing) umožňuje kontinuální tisk produktů s využitím jak oxidických, tak neoxidických vstupních materiálů, a to především ve formě pasty/plastické hmoty. Vstupními materiály mohou být jak tradiční keramické materiály, které po vytištění požadovaného tvaru podstupují kalcinaci, tak jimi mohou být hydraulicky či latentně hydraulicky aktivní materiály, které tuhnou a tvrdnou (zrají) v důsledku hydratačních procesů. Zrání těchto materiálů může být realizováno v autoklávech, které mohou být plněny CO2, který způsobuje karbonataci vznikajících hydratačních produktů, přičemž dochází k fixaci CO2. V rámci projektu bude studována možnost využití 3D tisku pro směsí hydraulicky a latentně hydraulicky aktivních materiálů a možnost využití těchto vytištěných vzorků k zachytávání CO2 v dedikovaném autoklávu. Karbonatované vzorky budou studovány z hlediska chemického a fázového složení a dále z pohledu jejich mechanických a texturních vlastností (např. pevnost, pórovitost, objemová hmotnost aj.). Hlavními body výzkumu budou příprava keramických a hydraulických hmot, které budou splňovat podmínky pro aditivní výrobu, a to z pohledu designu materiálu, funkční stability finálního produktu a splnění standartních parametrů pro silikátové a hydraulické materiály. V rámci této výzkumné aktivity budou tedy v prvním kroku navrženy receptury s využití vícekomponentních materiálů včetně začlenění odpadních hmot, dále tyto směsi budou laboratorně připraveny a bude u nich provedeno nastavení reologie s ohledem na granulometrii a možnosti 3D tiskárny. V dalším kroku bude proveden tisk tvarově složitých komponent a bude posuzována jejich mechanická odolnost. Získané výsledky poslouží k optimalizaci podmínek tisku (rychlost, tvar trysky, výška linky). Hotové vzorky budou následně podrobeny karbonatačním testům, jejich schopnost pohlcovat CO2 bude hodnocena stanovením obsahu uhlíku pomocí vybraných technik chemické analýzy (EA, EDS).

2024

2024

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Matějka Vlastimil prof. Ing., Ph.D.