Využití druhotných surovin a alternativních zdrojů energie

V současnosti je vodík ekologickým nosičem energie s vysokým potenciálem využití. Při jeho energetickém zhodnocování nedochází ke vzniku skleníkových plynů ani jiných nežádoucích sloučenin. Zároveň může sloužit jako prostředek pro uchovávání energie, díky čemuž jej lze využívat pro stabilizaci energetických sítí s obnovitelnými zdroji. Vodík se v současné době vyrábí v největší míře parním reformingem zemního plynu, což má za následek vznik velkého množství emisí CO2. Další možností je výroba vodíku z tuhých alternativních paliv plazmovým zplyňováním s následnou separací ze vzniklého syntézního plynu.

Zaměřujeme se na inovativní technologické postupy v oblastech:

• technologie plazmového zplyňování
• katalytická pyrolýza odpadů
• problematika palivových článků
• zpracování odpadů či jejich případná transformace na energeticky využitelné produkty

Vodíkové technologie

Palivové články pro výrobu elektrické energie jsou velice citlivé na čistotu palivového vodíku. Je proto nutné vyřešit problematiku vlivu jednotlivých nečistot na výkon a životnost palivového článku. Vliv těchto nečistot je potřeba sledovat jak samostatně, tak i v rámci směsí těchto komponent kvůli možnosti synergického efektu a výrazného snížení výkonu palivového článku. Stanovení těchto charakteristik vyžaduje multidisciplinární přístup a zapojení nejen elektromechaniky, ale také fyzikální chemie a chemického inženýrství, neboť kromě měření proudových charakteristik článků a jejich konstrukčního uspořádání je důležitá znalost chemických rovnováh v jednotlivých typech článků s ohledem na potlačení tvorby nežádoucích reakcí ať už v elektrolytu, tak i na samotném povrchu elektrod. Samostatnou kapitolou je pak vzorkování a skladování palivového vodíku včetně analýzy nečistot.

Katalytická pyrolýza a rafinace produktů

Vodík se vyrábí především parním reformingem zemního plynu. Nevýhodou této metody je kromě velkého množství vznikajících emisí CO2 také spotřeba samotného fosilního paliva (zemního plynu). Proto je nutné zaměřit se na využití odpadního CO2 a vodíku vyrobeného elektrolýzou při přebytku levné energie k produkci dalších látek s energetickým potenciálem. Dalším problémem je chemická recyklace odpadních polymerů, ke které se dnes často využívá metody katalytické pyrolýzy. Touto metodou lze sice získat značný podíl monomeru, výsledný pyrolýzní olej však obsahuje značné množství nečistot způsobujících problémy v navazujícím petrochemickém průmyslu. I proto je nutné se zaměřit na zefektivnění katalytické pyrolýzy a výzkum dalších rafinačních procesů pro využití pyrolýzních olejů v průmyslu

Plazmové zplyňování

Velkou výhodou technologie plazmového zplyňování je možnost energetického využití terciálních surovin (odpadů) a jejich termochemické konverze na výhřevný syntetický plyn za současné tvorby velkého množství tepla. Touto technologií dojde k rozložení organické části odpadů na dále využitelný syngas složený převážně z CO a H2, anorganická část odpadu bez větší energetické hodnoty je vitrifikována a zůstává ve formě nevyluhovatelné, inertní strusky. Vzniklý syngas lze dále využívat, a to např. po vhodném přečištění k výrobě vodíku. Ačkoliv je systém čištění plynných látek např. u spaloven odpadu velmi účinný a technologicky zvládnutý, čistota, na kterou je potřeba syntézní plyn vyčistit pro další použití, přináší značné komplikace a vyžaduje hlubší analýzu současných technologií a rozvoj technik jako např. suché reformování apod.

Separace vodíku z procesních plynů

Použití procesních plynů jako efektivní zdroj pro výrobu vodíku je inovativní a přinese nové poznatky v daném oboru. Existuje celá řada technologií, které umožňují zvýšit podíl energeticky hodnotného plynu, tj. oddělit z něj nežádoucí příměsi. V rámci laboratoře se zabýváme zhodnocováním různých odpadních a procesních plynů pomoci membránové separace. Výzkum a vývoj v této oblasti přinese během příštích let nové materiály schopné účinné separace vodíku a dlouhé aplikační životnosti. Mezi výhody membránové separace především patří jednoduchost procesu, nízké energetické náklady a nezávislost na mírných změnách složení plynů. Předmětem výzkumu laboratoře je řešení dvou výzkumných cílů, jejichž společnou charakteristikou je vývoj a testováni membránových procesů s aplikačním potenciálem a bezpečnostními aspekty.

Zpracování biomasy mikrovlnnou pyrolýzou

Výzkum se zaměřuje na vliv procesních parametrů mikrovlnné pyrolýzy a kopyrolýzy, bilanci procesu, vliv složení vstupního materiálu/směsi na kvalitu výstupních produktů – pyrolýzního plynu, kapaliny a tuhého zbytku – vliv na strukturu turbostratického uhlíku aj. v laboratorním měřítku, včetně přenosu do poloprovozního měřítka.

Termická transformace odpadů na energii v oxidačních podmínkách

• Výzkum spalování odpadů a jeho složek, výzkum spalování tuhých alternativních paliv připravených z odpadů.
• Výzkum produkce emisních produktů ze spalování výše uvedených odpadů/paliv a návrh opatření snižujících jejich množství.

Zpracování biologicky rozložitelných odpadů

• Předúpravu bioodpadů a biomasy před biologickým zpracováním (mechanická předúprava, biologická předúprava, jiné metody jako např. fyzikálně-chemické).
• Zpracování bioodpadů a biomasy anaerobní digescí na bioplyn bohatý metanem - využitelný přímo, nebo po upgradu na Biometan respektive BioCNG.
• Zpracování bioodpadů a biomasy biochemickými fermentačními procesy na bioplyn bohatý vodíkem - využitelný přímo, nebo po upgradu na BioH2.
• Zpracování vodíkem bohatých plynných produktů na snadněji využitelný bioplyn bohatý metanem (methanizace vodíku).

Konverze/výroba alternativního paliva z procesních plynů pomocí Fischer-Tropsch syntézy

Hlavním cílem je výzkum v oblasti výroby alternativního paliva z procesních plynů pomocí F-T syntézy a jeho čištění pro možnosti užití v různých koncových zařízeních. V současnosti existuje celosvětová poptávka po vývoji energeticky účinných, ekonomických a environmentálně šetrných procesů pro udržitelnou výrobu kapalných alternativních paliv jako náhrada chemických sloučenin, které vznikají z ropy. FTS je příkladem heterogenně katalyzované reakce, při které je syntézní plyn transformován na široké spektrum uhlovodíkových produktů, technologický postup výroby tohoto syntetického paliva se označuje jako GTL (Gas to Liquids). Část výzkumné aktivity je zaměřeno jednak na testování různých katalyzátorů, kde je sledována jejich katalytická aktivita i vliv na složení vznikajících produktů. Druhou oblastí je testování užitných vlastností vyrobených produktů FTS s cílem přepracování na motorová paliva nebo petrochemické produkty.

Bezpečnost vodíkových technologií

Nebezpečí požáru a výbuchu vodíku je spojeno s řadou technologických zařízení v různých odvětvích průmyslu, zejména pak v energetickém a chemickém průmyslu, kde je výbuch hořlavého plynu často uvažován jako jeden z možných havarijních scénářů. Ve druhé polovině 20. století, kdy začalo systematické studium požárů a výbuchů hořlavých plynů, byla realizována také řada experimentálních i teoretických studií zabývajících se charakterem vyzařování a přenosu výbuchové vlny. Problémem tohoto plynu je z hlediska nebezpečnosti jeho široký rozsah výbušnosti, nízká iniciační energie a neznalost jeho chování za jiných než atmosférických podmínek. Studium výbuchu vodíku lze dále kombinovat s výzkumem par kapalných uhlovodíků a aerosolových disperzí pomocí unikátního výbuchového autoklávu a analytických technik nám, jednak může poskytnout řadu informací týkajících se elementárních principů chemismů hoření a také charakterizovat významné faktory v technické a požárně-bezpečnostní praxi.

ORC technologie

ORC je alternativní technologie výroby elektřiny, která nachází své uplatnění především při využívání nízkopotenciálního tepla. Díky speciální pracovní látce dokáže ORC jednotka využívat i zdroje energie s nízkou teplotou (i pod 100°C) jako jsou např. odpadní teplo nebo solární či geotermální energie. Výzkumný tým se zabývá zejména vývojem a testováním prototypů ORC jednotek v oblasti mikrokogenerace. Jedná se o technologii kombinované výroby elektřiny a tepla s instalovaným výkonem do 50 kWe, která je stále v rané fázi komercializace. Velký potenciál má nejen v průmyslu, ale s postupnou miniaturizací také v komerční a rezidenční sféře. V této souvislosti se VaV aktivity zaměřují na zdokonalování jednotlivých komponent a celkovou optimalizaci tepelného oběhu s cílem dosáhnout vysoké energetické účinnosti a bezpečnosti provozu ORC jednotek s výkonem do cca 5 kWe. Mezi hlavní směry výzkumu patří volba vhodné pracovní látky a transformace energie pracovní látky v turbíně.