Název projektu
Progresivní materiály a technologie pro energetické a enviromentální aplikace
Kód
SP2025/044
Předmět výzkumu
Anotace (Úvodní text):
Oblast energetiky, materiálů pro energetiku a technologií využívaných v oblasti energetiky ve spojení s environmentálními aspekty je vysoce aktuální téma s ohledem na stále rostoucí náklady na energie, nezodpovědné a/nebo málo efektivní využívání obnovitelných i neobnovitelných zdrojů energie a celkového managementu spojeného s energetickou bezpečností, soběstačností a stále sílícími negativními klimatickými změnami, které mají zásadní vliv na život na Zemi. V současné době se proto aktivity v oblasti výzkumu a vývoje silně soustřeďují na vývoj materiálů a optimalizaci technologií, které zaručí efektivnější hospodaření s energiemi (také v oblasti jejich akumulace), jejich vzájemnou účinnou transformaci, spojenou se snižováním ekologické zátěže (např. formou snížení obsahu CO2 v zemské atmosféře), tedy s pozitivním vlivem na životní prostředí. Navrhovaný projekt je zaměřen: i) na výzkum a vývoj materiálů, které jsou vhodné pro technologie akumulace chemické, tepelné a elektrické energie, dále na oblast ii) energetických materiálů pro kosmické aplikace a technologie získávání bioplynu s vyšším energetickým obsahem z organických materiálů metodami pyrolýzy a temné fermentace. Třetí oblastí iii) jsou technologie, energeticky a materiálově výhodnějšího 3D tisku, pro výrobu silikátových výrobků se samočistícími schopnostmi prostřednictvím modifikace fotokatalyticky aktivními materiály. Všechny tři výzkumné aktivity (VA1-VA3) mají značný potenciál pozitivně ovlivnit oblast energetiky a také oblast životního prostředí na naší planetě.
VA1 - Materiály pro skladování vodíku, tepelné a elektrické energie
Využití vodíku jeho spalováním jako zdroje energie (pro generaci tepelné energie) nebo také např. pro výrobu elektrické energie a další využití např. v systémech kombinujících solární články, elektrolyzéry a materiály pro ukládání vodíku může významně přispět k dosažení cílů nulových emisí a představuje tak významný krok k dosažení klimatické neutrality. Klíčová je v oblasti vodíkových technologií produkce vodíku a v posledních letech také oblast skladování vodíku (HS – Hydrogen Storage). V obou zmiňovaných oblastech je vyvíjena značná aktivita, jejíž snahou je optimalizace výroby vodíku a nalezení nejvhodnějších technologií pro skladování vodíku s ohledem na kapacitu jeho skladování a bezpečnost. Vodík lze skladovat v plynné fázi pod vysokým tlakem, v kapalné formě, adsorbovaný na površích vhodných materiálů nebo ho lze uchovávat ve formě kovových hydridů. Možnost skladování vodíku ve formě hydridů představuje vysoce perspektivní způsob jeho ukládání s ohledem na možnost bezpečně ukládat podstatně větší množství tohoto prvku ve formě hydridů v porovnání se skladováním v plynné nebo kapalné fázi.
Perspektivními materiály pro ukládání vodíku (HSM – Hydrogen Storage Materials) se jeví materiály na bázi La-Ni, resp. LaNi5 s gravimetrickou kapacitou, jež dosahuje přibližně 1.3 hm. % a také materiály na bázi Ti-Me-C (tzv. max fáze). Modifikací fáze/slitiny LaNi5, tedy nahrazení atomů Ni atomy jiných prvků (např. In, Sn či dalšími prvky..., v určitých množstvích) se jeví jako perspektivní pro zajištění vyšší kapacity uloženého vodíku a celkově, z termodynamického a kinetického pohledu absropce/desorbce, jako lepší s ohledem na tepelný a tlakový režim sorbčně/desorbčních procesů. Tedy vývoj v oblasti ternárních systémů LaNi5-xMx (M=kov) vhodných pro akumulaci/uvolňování vodíku může přinést výrazné navýšení sorpční kapacity vodíku nově vyvíjených slitin. Obdobná je situace také u max fází na bázi Ti-Me-C, kdy prvek Me představuje například hliník. Tedy právě ternární slitiny (fáze) budou předmětem studia a charakterizace v rámci této dílčí části aktivity VA1 v rámci předkládaného návrhu projektu SGS. Cílem této dílčí aktivity bude získání perspektivních ternárních slitin (fází) pro technologie ukládání vodíku s vysokou kapacitou při nízkých tlacích a nízkých teplotách.
Akumulace a uchování energie a celkový management s energiemi je v současné době vysoce aktuální téma a souvisí nejen s vodíkovými technologiemi. Celkové hospodaření s energiemi je dnes vysoce komplexní oblast a souvisí značně také s elektrickou a tepelnou energií. 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.
Způsoby akumulace a uchování různých forem energie, mezi nimi například tepelné, vyžadují systematický výzkum materiálů sloužících pro tyto účely. V rámci projektu bude probíhat také výzkum zaměřený 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 zaměřen na realizaci matematického 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.
V oblasti managementu s energiemi hraje dále neodmyslitelnou roli také elektrická energie, její produkce, transport a akumulace. V této oblasti stále více získávají na významu materiály na bázi oxidů přechodných kovů (TMO - Transition metal oxides) a jejich kompozity s uhlíkovými nebo kovovými povlaky. Tyto materiály byly identifikovány jako slibné materiály pro výrobu elektrod superkondenzátorů vzhledem k jejich vysoké měrné elektrické kapacitě a vynikajícím elektrochemickým vlastnostem. V současné době, jsou také v této oblasti, kladeny vyšší nároky na množství ukládané elektrické energie a cyklickou odolnost materiálů spojenou s jejich nabíjením a vybíjením. Za účelem zvýšení vodivosti, stability a kapacity pro ukládání energie se TMO (kde M=Mn, Ni, Co, atd.) často kombinují s vodivými uhlíkovými materiály (např. uhlík získaný z biomasy, grafen, uhlíkové nanotrubičky) nebo se potahují kovy, jako je stříbro, měď nebo zlato.
V rámci této podaktivity budou připravovány nové materiály s lepšími vlastnostmi (vysoká kapacita akumulované energie/energetická hustota, rychlost nabíjení a dlouhodobá cyklická stabilita), než mají současné materiály využívané v praktických aplikacích. K přípravě materiálů bude využita např. hydrotermální syntéza, sol-gel metody, spalování, popř. další přístupy. Dílčím cílem bude také optimalizace metod přípravy materiálů pro akumulaci elektrické energie.
VA2 - Energetické materiály a technologie produkce bioplynu se zvýšeným energetickým obsahem
Další dílčí podaktivitou navrhovaného projektu je oblast studia Energetických Materiálů (EM), především pak oblast studia vybraných materiálů využitelných jako palivo pro hybridní raketové motory pro vesmírné aplikace. Předmětem studia bude vývoj a charakterizace palivových směsí na bázi organických materiálů parafínů (vosků) s různými aditivy (organické/anorganické). 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/optimalizovány s ohledem na chemické a fázové složení, s ohledem na přídavek aditiv (přísady zvyšující energetický obsah např. také ve formě nanočástic) v závislosti na teplotě a popř. také tlaku. Cílem této oblasti je získání optimální palivové směsi s vysokým energetickým obsahem a optimálními termofyzikálními parametry/vlastnostmi a parametry spojenými s oxidací paliva a jeho stabilitou (teplotní i časovou). V rámci výzkumu bude brán zřetel také na bezpečnost, cenu materiálu a jeho přípravu spolu s cílem získat ekologičtější alternativy dnes využívaných paliv.
Součástí VA2 bude také oblast přípravy vysokouhlíkatých materiálů (biouhlů). V této oblasti bude provedena série experimentálních měření založených na přípravě biouhlů z bioodpadů metodou pyrolýzy, které budou sloužit jako podpůrný materiál ve směsi s dalšími bioodpady pro proces anaerobní digesce v laboratorním, případně čtvrt provozním měřítku. Očekávaným výsledkem (cílem) v této oblasti bude zvýšení produkce bioplynu z takto obohacených směsí (směsí s vyšším energetickým obsahem). Na tyto práce bude kontinuálně navazovat další experimentální studium na nově sestavené laboratorní jednotce, které budou zaměřeny na zvýšení obsahu methanu v bioplynu až na hodnotu blízkou 95 obj. % (biomethan) s využití skrápěného membránového filtru, přičemž dochází k separaci CO2 z bioplynu.
Oblast spojená s HSM je v návrhu projektu doplněna následující dílčí aktivitou, jež je zaměřena na laboratorní studium možností získávání vodíku metodou temné fermentace. Způsob získávání vodíku procesem temné fermentace je poměrně nový a neprobádaný proces založený na potlačení činnosti methanogenních bakterií, které mají za následek zastavení procesu anaerobního rozkladu bio-materiálů již ve třetí fázi rozkladu zvané acetogeneze, ve které je rozkladnými procesy produkován zejména vodík, CO2 a kyselina octová. Cílem této části projektu je získání znalostí a vědomostí z oblasti procesu temné fermentace a následná optimalizace tohoto procesu z hlediska produkce vodíku.
VA3 - 3D design silikátových hmot s funkčním povrchem
Téma výzkumné aktivity VA3 je zaměřeno na aditivní výrobu silikátových materiálů s povrchovou úpravou pro zvýšení jejich funkčních vlastností. Tisk bude realizován technologií DIW (direct inject writing). Tato technologie umožňuje kontinuální tisk produktů s využitím jak oxidických, tak neoxidických vstupních materiálů. Pro tisk bude využíván jak kartezský, tak delta systém. V prvním kroku bude nutné optimalizovat složení jílové/tiskové hmoty s ohledem na reologické vlastnosti, dále pak vhodně nastavit granulometrickou skladbu, vlhkost, a ověřit vliv speciálních přísad, odpadů a mixů (směsí) materiálů s ohledem na finální parametry po výpalu. Na základě optimalizace hmoty bude souběžně probíhat detekce podmínek tisku např. rychlost tisku, tvar trysky, výška linky, řešení výplně, podmínka podpěr, tvarová stabilita atd. Co se týká využívání odpadních produktů, tak zde se může jednat i o příměsi tzv. latentně hydraulických aktivních materiálů, které tuhnou a tvrdnou v důsledku hydratačních procesů. Proces tvrdnutí/zrání těchto materiálů může být realizován v autoklávech, které mohou být plněny CO2, který způsobuje karbonataci a vznik hydratačních produktů, přičemž dochází k fixaci CO2.
K dosažení samočistících schopností 3D tištěných povrchů bude využita jejich modifikace fotokatalyticky aktivními materiály. Tyto materiály budou na bázi grafitického nitridu uhlíku a případně jeho kompozitů s oxidem titaničitým. Vlastnosti materiálů budou charakterizovány vybranými technikami chemické a fázové analýzy a metodami elektronové mikroskopie. Samočistící schopnosti upravených povrchů 3D tištěné keramiky budou testovány odbouráváním rhodaminu B. Předpokladem jsou i vlastní designové návrhy produktů, základní orientace v programování a přenositelnost výsledků do praxe především u speciálních výrobků malosériové produkce.
Metody studia, aplikované experimentální a SW prostředky, experimentální a SW vybavení
Průřezem aktivit (VA1-VA3) bude realizováno zejména experimentální studium vyvíjených materiálů a budou studovány procesy zejména v laboratorních podmínkách. U vybraných oblastí bude prováděno také teoretické modelování a modelování v oblasti termodynamiky a kinetiky procesů. Pro charakterizaci materiálů bude využita elektronová mikroskopie a chemická mikroanalýza (SEM, TEM, HRTEM, EA, EDS), fázové složení vzorků bude hodnoceno využitím rentgenové difrakční analýzy. Pro stanovení chemického složení budou využita zařízení jako je GDOES, XRFS, spalovací analyzátory a další techniky (FTIR) a zařízení, která jsou k dispozici na katedrách 651 a 635, resp. na FMT a VŠB-TUO (https://www.fmt.vsb.cz/cs/). Budou využity techniky jako Raman, BET analýza, cyklická voltametrie (CV), galvanostatické vybíjení (GCD) a elektrochemická impedanční spektroskopie (EIS). Další využité metody budou metody termické analýzy (DTA, DSC, TA, DIL, MS, GC/MS), kalorimetrie, viskozimetrie a budou také studovány povrchové a mezifázové vlastnosti. Nedílnou součástí výzkumu bude stanovení základních mechanicko-fyzikálních parametrů vyvíjených materiálů/produktů jako je např. pevnost, pórovitost, objemová hmotnost, únosnost v žáru, žárovzdornost a korozní odolnost. Pro teoretické studium bude využit SW Thermo-Calc a pro kinetické modelování SW Kinetics NEO. Dále budou využity vlastní vyvinuté SW prostředky.
Rok zahájení
2025
Rok ukončení
2025
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel
