Název projektu
Pokročilé materiály pro udržitelnou energetiku a životní prostředí
Kód
SP2026/065
Předmět výzkumu
Anotace (Úvodní text):
Oblast energetiky, vývoje materiálů pro energetické aplikace a souvisejících technologií ve spojení s environmentálními aspekty představuje jednu z nejdůležitějších výzev současnosti. Rostoucí náklady na energie, neefektivní využívání obnovitelných i neobnovitelných zdrojů a stále sílící negativní dopady klimatických změn zásadně ovlivňují život na Zemi a vyžadují inovativní přístup k energetickému managementu. Energetická bezpečnost, soběstačnost a minimalizace ekologické zátěže jsou klíčovými faktory pro udržitelný rozvoj. Aktuální výzkumné aktivity se proto soustřeďují na vývoj pokročilých materiálů a optimalizaci technologií, které umožní efektivní hospodaření s energiemi, jejich akumulaci a transformaci při současném snižování emisí skleníkových plynů, zejména CO2. Navrhovaný projekt reaguje na tyto výzvy prostřednictvím tří hlavních oblastí: (i) výzkumu a vývoje materiálů pro výrobu, akumulaci, uchovávání tepelné a elektrické energie, (ii) vývoje procesu získávání vodíku z organických materiálů metodou temné fermentace a vývoje a charakterizace materiálů vhodných pro jeho uskladnění a (iii) inovativních technologií 3D tisku silikátových výrobků se samočistícími povrchy na bázi fotokatalytických materiálů. Každá z těchto výzkumných aktivit (VA1–VA3) má značný potenciál přispět nejen k rozvoji moderní energetiky, ale také k ochraně životního prostředí. Projekt přinese nové poznatky v oblasti materiálového inženýrství, energetických technologií a environmentálních aplikací, čímž vytvoří základ pro udržitelné a technologicky pokročilé řešení globálních energetických problémů.
VA1 - Materiály pro výrobu, akumulaci, uchovávání tepelné a elektrické energie
Akumulace, uchovávání a efektivní řízení energie představují v současnosti jedno z nejvýznamnějších témat moderní energetiky. Systémové hospodaření s energiemi je dnes komplexní oblast, která zahrnuje elektrickou i tepelnou složku. Dynamický nárůst instalovaného výkonu obnovitelných zdrojů energie, zejména fotovoltaických a větrných elektráren, je patrný každým rokem. Obnovitelné zdroje jsou však charakteristické výraznou variabilitou produkce, která je ovlivněna měnícími se klimatickými a provozními podmínkami. Tato nestabilita vytváří potřebu pokročilých technologií pro akumulaci energie a flexibilní řízení energetických toků, aby bylo možné zajistit spolehlivost dodávek a stabilitu energetických sítí.
Výzkumná aktivita bude zaměřena na vývoj a komplexní hodnocení materiálů na bázi oxidové keramiky s vysokou objemovou hmotností pro akumulaci a řízené uvolňování tepelné energie při vysokých teplotách. Součástí bude experimentální analýza tepelných vlastností, odolnosti proti tepelným šokům a cyklické stability, doplněná tvorbou matematických a fyzikálních modelů procesů přeměny elektrické energie na vysokopotenciální teplo a jeho následné řízené uvolňování. Tyto modely umožní optimalizaci konstrukčních řešení akumulačních jednotek a definici provozních režimů, čímž vznikne základ pro nové technologie efektivního využití tepelné energie v moderní energetice.
Bioplyn je obnovitelný zdroj energie, který při spalování produkuje výrazně méně emisí skleníkových plynů než fosilní paliva, čímž přispívá ke snižování uhlíkové stopy. Díky možnosti jeho výroby z biologických odpadů představuje udržitelnou alternativu pro vytápění i výrobu elektřiny. Výzkumná aktivita bude zaměřena na optimalizaci předúpravy lignocelulózových odpadů z papírenského průmyslu a na studium využití cíleně pěstovaných řas pro produkci bioplynu s vysokým obsahem methanu. V rámci předúpravy budou testovány mechanické, chemické a fotokatalytické metody s cílem narušit strukturu ligninu, urychlit anaerobní rozklad a zvýšit výtěžnost bioplynu, přičemž účinnost bude hodnocena pomocí BMP testů a doplňujících analytických metod. Paralelně bude realizován výzkum anaerobní digesce řas, které díky rychlému růstu, vysoké produkci biomasy a schopnosti využívat živiny z odpadních vod představují perspektivní substrát pro výrobu bioplynu. Cílem je ověřit jejich potenciál pro produkci energeticky hodnotného bioplynu a navrhnout možnosti aplikace této technologie v reálných provozních podmínkách.
Výzkumná aktivita bude zaměřena také na vývoj a optimalizaci palivových směsí pro hybridní raketové motory určené pro vesmírné aplikace. Předmětem bude syntéza a charakterizace směsí na bázi parafínových materiálů modifikovaných organickými a anorganickými aditivy, včetně nanočástic zvyšujících energetický obsah. Výzkum se soustředí na pevnou, kapalnou i semi-solid fázi s cílem dosáhnout vysokého energetického obsahu, optimálních termofyzikálních vlastností a stability. Součástí bude také hodnocení bezpečnosti, ekonomické efektivity a technologické dostupnosti, přičemž důraz bude kladen na vývoj ekologičtějších alternativ současně používaných paliv.
V oblasti nakládání s energetickými zdroji zůstává klíčovou součástí i elektrická energie, zejména její výroba, přenos a možnosti akumulace. V této souvislosti stále více narůstá význam materiálů založených na oxidech přechodných kovů (TMO - transition metal oxides) a jejich kompozitů s uhlíkovými či kovovými povlaky. V rámci této aktivity budou syntetizovány nové materiály s výrazně zlepšenými funkčními vlastnostmi, zejména s vyšší energetickou hustotou, rychlejším nabíjením a dlouhodobou cyklickou stabilitou, než jakou vykazují současné materiály používané v praxi. Pro přípravu těchto materiálů budou využity pokročilé syntetické metody, jako je hydrotermální syntéza, sol-gel postupy a spalovací techniky, s důrazem na dosažení vysoké energetické hustoty, rychlého nabíjení a dlouhodobé cyklické stability. Dílčím cílem bude rovněž optimalizace syntetických protokolů tak, aby bylo dosaženo co nejefektivnější přípravy materiálů určených pro akumulaci elektrické energie. Další část výzkumu se zaměří na pokročilé kompozity na bázi karbonových nanotrubiček (CNT) dopovaných kovovými nanočásticemi a nanoklastry, které umožňují cílenou modifikaci elektrických vlastností materiálu. Tyto modifikace výrazně zvyšují elektrickou vodivost, snižují kontaktní odpor a zlepšují přenos elektronů v kompozitních strukturách, což je klíčové pro aplikace v elektrodách superkondenzátorů a dalších akumulačních systémech.
VA2 – Proces získávání vodíku a materiály pro jeho skladování
Využití vodíku jako paliva pro výrobu tepelné či elektrické energie, stejně jako jeho integrace do systémů kombinujících solární články, elektrolyzéry a technologie ukládání vodíku, představuje klíčový krok k dosažení klimatické neutrality. Prioritními oblastmi vodíkových technologií jsou efektivní produkce a bezpečné skladování vodíku (Hydrogen Storage).
V rámci VA2 bude studován proces získávání vodíku s využitím temné anaerobní fermentace v laboratorních podmínkách. Jde o proces biologické přeměny organické hmoty za nepřístupu vzdušného kyslíku a světla. V rámci výzkumných aktivit bude testována produkce plynu s významným obsahem vodíku pomocí temné fermentace vybraného bioodpadu v laboratorním stacionárním, případně kontinuálně míchaném bioreaktoru.
Výzkum se zaměří také na vývoj hybridních fotokatalytických materiálů založených na oxidech přechodných kovů (např. TiO2, Fe2O3) a grafitickém uhlíkovém nitridu (g-C3N4) pro solárně řízenou produkci a ukládání vodíku. Kombinace těchto složek umožní vytvoření hybridních fotokatalytických systémů se zlepšenou separací náboje, vyšší účinností absorpce záření a dlouhodobou stabilitu. Cílem práce je přispět k vývoji účinných, stabilních a cenově dostupných fotokatalyzátorů pro solárně řízenou produkci vodíku a současně ověřit jejich potenciál pro ukládání vodíku prostřednictvím adsorpčních nebo jiných mechanismů, což je zásadní pro budoucí udržitelné energetické technologie.
Další materiály perspektivní pro ukládání vodíku (HSM – Hydrogen Storage Materials) zahrnují zejména intermetalické sloučeniny na bázi La-Ni, konkrétně LaNi5 a materiály na bázi Ti-Me-C (tzv. MAX fáze), kde Me představuje např. Al. Substituce niklu v mřížce LaNi5 atomy jiných prvků (např. Cu, Sn či dalších kovů) je považována za efektivní strategii pro zvýšení sorpční kapacity vodíku. Tyto modifikace mohou zlepšit termodynamické a kinetické parametry absorpce/desorpce, zejména s ohledem na optimalizaci teplotního a tlakového režimu sorpčních procesů. Vývoj ternárních systémů LaNi5−xMx (M = kov) tak představuje cestu k dosažení vyšší účinnosti akumulace vodíku. Analogicky, studium MAX fází na bázi Ti-Me-C nabízí obdobný potenciál. V rámci dílčí aktivity VA2 bude realizována syntéza, charakterizace a hodnocení těchto ternárních slitin (fází) s cílem identifikovat materiály vhodné pro technologie ukládání vodíku s vysokou kapacitou při nízkých tlacích a teplotách.
VA3 – Vývoj a optimalizace 3D tisku silikátových a lehčených materiálů s cílenou povrchovou úpravou
Téma výzkumné aktivity VA3 je zaměřeno na komplexní výzkum aditivní výroby silikátových materiálů s cílenou povrchovou úpravou, jejímž hlavním účelem je zvýšení jejich funkčních, mechanických a provozních vlastností. Aditivní výroba bude realizována především pomocí technologie DIW (Direct Ink Writing), která umožňuje přesné tvarování keramických a silikátových hmot s vysokým stupněm variability geometrie a vnitřní struktury. Výzkum bude orientován nejen na samotný proces tisku, ale i na celý materiálový a technologický řetězec od návrhu složení tiskových hmot až po hodnocení výsledných vlastností finálních produktů.
Výzkum se dále zaměří na vývoj a tisk lehčených silikátových hmot a na návrh různých typů vnitřních struktur (infillů), které umožní cílené ovlivnění mechanických, tepelněizolačních a funkčních vlastností tištěných dílců. V této souvislosti bude řešen také návrh tvarovek a optimalizace jejich geometrie pro konkrétní aplikační oblasti, například v oblasti vysokoteplotních konstrukcí, tepelné akumulace či izolačních systémů. Paralelně bude probíhat optimalizace tiskových parametrů, jako jsou rychlost tisku, tvar a průměr trysky, výška jednotlivých vrstev, strategie výplně a podpěr, a jejich vliv na tvarovou přesnost, soudržnost vrstev a celkovou tvarovou stabilitu tištěných objektů.
Výzkum bude také zaměřen na úpravu povrchů vzorků připravených 3D tiskem s využitím g-C3N4, a bude orientován zejména na testování dlouhodobé stability samočistících účinků . Cílem bude ověřit dlouhodobou stabilitu fotokatalytických účinků prostřednictvím zrychlených laboratorních testů i expozice v reálných venkovních podmínkách ve spolupráci s externím partnerem. Hodnocena bude schopnost povrchů odbourávat organické nečistoty působením záření a jejich odolnost vůči povětrnostním vlivům, což přispěje k vývoji funkčních materiálů s vysokou životností pro praktické aplikace.
Metody studia, aplikované experimentální a SW prostředky, experimentální a SW vybavení
Průřezovými aktivitami (VA1–VA3) bude realizováno především experimentální studium vyvíjených materiálů, včetně optimalizace jejich chemického a fázového složení a metod přípravy. Současně budou studovány a optimalizovány procesy probíhající zejména v laboratorních podmínkách s předpokládaným následným uplatněním v technologických aplikacích. Ve vybraných oblastech bude rovněž prováděno teoretické modelování, včetně modelování termodynamiky a kinetiky procesů.
Charakterizace materiálů bude prováděna pomocí elektronové mikroskopie a chemické mikroanalýzy (SEM, TEM, HRTEM, STEM, EA, EDS, XPS). Fázové složení vzorků bude hodnoceno pomocí rentgenové difrakční analýzy. Ke stanovení chemického složení budou využita zařízení a techniky, jako jsou GDOES, XRFS, spalovací analyzátory a FTIR. Bude také využíváno další přístrojové vybavení dostupné na katedrách 651 a 635, případně na FMT a VŠB-TUO (https://www.fmt.vsb.cz/cs/). Budou využity techniky jako Ramanova spektroskopie, BET analýzy, cyklické voltametrie (CV), galvanostatického nabíjení/vybíjení (GCD) a elektrochemické impedanční spektroskopie (EIS). Použity budou rovněž metody termické analýzy (DTA, DSC, TA, dilatometrie, MS, GC/MS), kalorimetrie a viskozimetrie, pozornost bude také věnována studiu povrchových a mezifázových vlastností.
Nedílnou součástí výzkumu bude stanovení základních mechanicko-fyzikálních parametrů vyvíjených materiálů, zejména pevnosti, pórovitosti, objemové hmotnosti, únosnosti v žáru, žárovzdornosti, korozní odolnosti, chemické a tepelné stability, dlouhodobé cyklické životnosti a stability. Klíčové bude také studium akumulačních vlastností vyvíjených materiálů (schopnost akumulace elektrické, tepelné i chemické energie).
Pro teoretické výpočty bude využit software Thermo-Calc, pro kinetické modelování software Kinetics NEO a vlastní vyvinuté softwarové nástroje.
Harmonogram řešení projektu:
Etapa 1, 1–3/2026:
Realizace zejména rešeršní a studijní činnosti včetně provedení pilotních experimentů a modelování, zpracování prvotních výsledků.
Etapa 2, 4–6/2026:
Realizace největšího podílu experimentálního a teoretického studia na základě výsledků (poznatků) získaných v první etapě řešení projektu, zpracování výsledků a jejich analýza. Příprava publikačních výstupů.
Etapa 3, 7-9/2026:
Realizace další části experimentálního a teoretického studia navazujícího na získané výsledky a znalosti z předchozích dvou etap, zpracování výsledků a jejich analýza. Příprava publikačních výstupů a jejich publikování.
Etapa 4, 10–12/2026:
V poslední etapě budou provedeny závěrečné experimentální práce, simulace a modelování.
Budou zpracovány a sumarizovány výsledky z celého roku řešení, budou analyzovány získané poznatky experimentálního a teoretického studia včetně vyvození odpovídajících závěrů. Aktivity budou zaměřeny zejména na publikaci získaných výsledků. Bude připravena zpráva o realizaci projektu.
Rok zahájení
2026
Rok ukončení
2026
Poskytovatel
Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy
Kategorie
SGS
Typ
Specifický výzkum VŠB-TUO
Řešitel
