„Výzva pre budúcnosť zelenej energie“


Spolupráca študentov na vývoji a návrhoch inovácii pre prax ako prostriedok pre dosiahnutie dekarbonizácie priemyslu 2050

Študenti v študijnom programe Tepelná technika a plynárenstvo sa podieľajú na riešení projektov s priemyselnou praxou či už formou rešerše inovatívnych metód pre prax, ale aj čiastkovými úlohami v rámci svojich bakalárskych a diplomových prác. V mnohých prípadoch sa stáva, že študenti v rámci študijných predmetov riešia možnosti zavedenia inovatívnych metód a energeticky úsporných technológii najmä v oblastí tepelných agregátov (pecí, kotlov) do priemyselnej praxe.

Výber doterajších aplikácií:

Matematické modelovanie ohrevu a chladenia keramickej výmurovky ohrievača vetra s cieľom dosiahnuť čo najvyššiu teplotu fúkaného vetra do vysokej pece. Práca následne viedla k projektu zameranému na výskum výmeny tepla v obdobných zariadeniach.

Ide o takzvaný predikčný (predpovedný) model, ktorý na základe vstupných informácií o množstvách a zložení jednotlivých vstupných materiálov (peliet, rudy, aglomerátu), fúkanom vetre predikuje množstvo a kvalitu vzniknutého vysokopecného plynu. Využitie tohto modelu je najmä v čase, kedy prevádzkovateľ optimalizuje prevádzku z pohľadu výrobných možností, ale aj odbytu a plánovaním využitia vzniknutého vysokopecného plynu v inej prevádzke závodu, kedy je potrebná znalosť nielen jeho množstva, ale aj jeho kvality, ktorá sa prenáša do energetickej hodnoty.

Prevádzkovatelia rôznych technológii či už na ohrev kovových alebo nekovových materiálov ale aj pri ich tavení využívajú informácie, len od výrobcu daného zariadenia. S ohľadom na vek niektorých technológií je potrebná ich inovácia, alebo zlepšenie prevádzky pre zníženie spotreby energií. Vykonané materiálovo – tepelné analýzy následne poskytujú relevantný pohľad na možnosti, kde a akým spôsobom je možno ušetriť energiu, resp. aj možnosti zvýšenia výrobnosti danej technológie.

Je zameraná, buď na zníženie spotreby energie na jednotku vyrobeného (spracovaného ) produktu, alebo na úpravu výrobnosti (aj zvýšenie) smerujúce k ekonomickej optimalizácií. Využitím nástrojov pre matematické modelovanie (napr. programovanie, modelovanie s vizualizáciou) je možné modelovať rôzne usporiadanie horákov, ich výkon, rozmiestnenie v agregáte, ale aj ďalšie parametre ako sú napr. hrúbky a vlastnosti izolačných materiálov v závislosti od rýchlosti ohrevu resp. výrobného výkonu. Práca s týmito nástrojmi si vyžaduje znalosť podmienok ohrevu materiálov. Daná práca bola súčasťou balíka návrhov, ktoré majú viesť k modernizácii linky a jej zlepšenie v kontexte porovnania s najmodernejšími linkami v danom odbore v Európe, či vo svete, bez potreby investície do novej linky v hodnote desiatok miliónov eur.


Sú však aj také návrhy, ktoré sa orientujú už na využitie v budúcnosti, avšak priemyselná prax sa musí s nimi oboznámiť v dostatočnom predstihu. Takéto práce je možno považovať za smerodajné a na ich základe je potrebné realizovať ďalší výskum resp. vyplývajú z nich konkrétne úpravy na technologických zariadeniach.

V dnešnej dobe, kedy sa kladie vysoký dôraz na ekológiu, prichádza myšlienka využitia vodíka, ako paliva, ktorého spaľovaním sa neprodukuje skleníkový plyn CO2. A zároveň využiť vodík ako nástroj pre akumuláciu energie, pretože súčasné batériové systémy majú v súčasnej dobe vysoké výrobné náklady a energetické straty v závislosti na čase uskladnenia. S vyhliadkou do budúcna, je to potrebné začať riešiť už dnes a preto pracujeme s nazvanými ako sú „power to gas“, „sun storage“. Nakoľko vodík má určité špecifické vlastnosti (napr. vysoká afinita) je potrebné ho k spotrebiteľovi dopraviť najmä bezpečne s nízkymi nákladmi na dopravu. S ohľadom na už rozvinutú plynárenskú sústavu pre distribúciu nízkoemisného zemného plynu sa javí primiešavanie vodíka, ako jedna z ciest jeho distribúcie. Efektívna a najmä lacná výroba a doprava vodíka sú len čiastkové úlohy. Primiešavanie vodíka do zemného plynu následne ovplyvní aj vlastnosti danej zmesi plynov. Preto je potrebné sa venovať aj týmto otázkam, či a ako zmena vlastnosti danej zmesi ovplyvní prevádzku nielen priemyselných agregátov, ale aj domácich spotrebičov ako sú napr. plynový kotol alebo plynový šporák.

Ďalšia téma venujúca sa ekológií. Mnoho ľudí nesúhlasí so spaľovaním odpadov a jeho energetickým zhodnotením na výrobu tepla a elektriny, pretože tento spôsob likvidácie odpadov pokladajú za producenta skleníkových plynov, jemných častíc (PM), ale aj iných znečisťujúcich látok. Neuvedomujú si však, že skládkovanie napríklad komunálnych odpadov vedie k tvorbe iného skleníkového plynu s niekoľko násobne vyšším negatívnym vplyvom na životné prostredie ako CO2. Podobne si mnoho ľudí neuvedomuje ani to, že na výrobu napríklad elektriny (ktorá by sa vyrobila týmto energetickým zhodnotením) sa musí spotrebovať iné palivo na báze uhlíka. Porovnávať len všeobecné informácie nemá zmysel, lebo energetický mix (výroba energie z rôznych zdrojov: uhlie, jadro, obnoviteľné, ale aj alternatívne zdroje energie) je pre každú krajinu špecifický. Okrem klasického odpadu, existujú aj iné priemyselné odpady, ktoré sú už roky umiestnené na rôznych skládkach a ich nevyužitím hrozia rôzne ekologické „katastrofy“. Práca sa venuje rôznym odpadom, a možnostiam ich zhodnotenia, nie len formou spaľovania, ale aj premenou na rôzne palivá (energetické), prípadne iné využiteľné produkty ako oleje a vsádzkové materiály pre výrobu kovov.


Ďalej sú tu práce, ktoré sa sústreďujú na zvýšenie energetickej účinnosti tepelných zariadení a tým na zníženie produkovaných emisií. V súčasnej dobe sú orientované na zníženie produkcie skleníkových plynov – najmä CO2.

Tak ako tepelné agregáty, aj sústavy na rozvod tepla si vyžadujú našu pozornosť. Každá riešená téma v sebe skrýva, nielen tu finančnú, ale aj ekologickú stránku. Pri doprave energetických médií (voda, para, plyny – palivá) sa spotrebuje časť energie na ich dopravu. Zároveň však dochádza k ďalšej energetickej strate a to tepelnej, najmä pri doprave horúcej vody a pary, preto je dôležité sa zaoberať ich umiestnením a tepelným izolovaním. Aj vhodne zvolená kvalita, nielen hrúbka izolácie, umožní šetriť nie len financie na prevádzku, ale najmä ušetriť zdroje energií. Ďalším faktorom je spôsob prevádzkovania danej siete. Najmä v letných mesiacoch keď okolitá teplota je vyššia oproti chladnejšiemu obdobiu, klesajú tepelné straty sústavy, potom je možné tieto rozvody teplej vody prevádzkovať pri nižších teplotách, čím opäť poklesnú straty. Jednoduchá úvaha ktorá hovorí o účinnosti znie: „čím väčší rozdiel teplôt, tým rýchlejšie dochádza k prenosu tepla“ sa tu využije hneď dvakrát. Prvýkrát pri už spomínanej tepelnej strate v sústave rozvodov tepla a druhýkrát už priamo pri výrobe, čiže ešte skôr, ako sa médium dostane do tepelnej sústavy.

Ako už mnohí z vás vedia, na ohrev a tavenie materiálov je potrebná energia. Ako intenzívne a efektívne túto energiu využiť? Na túto otázku dáva odpoveď kinetika výmeny tepla a teda prenosové javy. Ale ako to spraviť tak, aby tie najefektívnejšie metódy neboli ekonomicky náročné? Jednu z ciest je technológia „oxy combustion“ (spaľovanie s kyslíkom). Čo to však je? Pri horení palív sa používa vzduch, avšak zo vzduchu je dôležitý iba kyslík. Ak teda odseparujeme ostatné zložky, do procesu budeme privádzať len palivo a potrebný kyslík. Pri horení sa uvoľni tepelná energia, ktorá prechádza do produktov spaľovania. Tak teda si to zhrnieme, čím menej vstupov, tým menší počet častíc, ktorým sa uvoľnená tepelná energia bude odovzdávať a tým budú mať vyššiu teplotu. Čím vyššia teplota, tým rastie aj možnosť využitia daného paliva.

Určite si už počul slovo „KVET“. Vieš čo však táto skratka znamená v energetickom sektore? KVET – je kombinovaná výroba elektriny a tepla. Ak chceme aby sme naše životné prostredie chránili, je potrebné minimalizovať produkciu exhalátov (emisií). Myšlienka KVETu vznikla, aby sa v čo najväčšej miere šetrili palivá z ktorých sa vyrába energia. Jednou z ciest je zvýšenie účinnosti využitia energetického potenciálu paliva. Vieš aj ako sa vyrába elektrina z tepelného zdroja? Vo všeobecnosti sa spaľuje palivo, pričom vzniká teplo. Uvoľneným teplom sa ohrieva voda, z vody sa vyrobí para a para sa vedie k parnej turbíne, ktorá roztočí generátor. Generátor potom vyrobí elektrinu. Avšak para, ktorá opúšťa turbínu má ešte energiu, ktorú odovzdá vode a tú môžeme využiť v našich domácnostiach na vykurovanie, sprchovanie, kúpanie, alebo umývanie riadu. Takže okrem výroby elektriny, sme z „odpadu“ vyrobili teplo. Takýmto spôsobom sme ušetrili energiu na výrobu teplej vody, ušetrili sme palivo. A vieš, že existuje aj VU KVET? Ide o vysoko účinný KVET. Vráťme sa opäť k pare, ktorá odovzdala energiu vode na vykurovanie a kúpanie. Stále v nej ešte existuje určitý energetický potenciál. Ale veď my už ďalšie teplo nepotrebujeme, tak čo s tým? Zo zbytkovej energie (tepla obsiahnutom v pare) je možné vyrobiť chlad. Ak ten chlad vediem k spotrebiteľovi, ten nemusí využívať svoje klimatizačné jednotky, čím ušetríme časť elektriny, ktorú sme pred tým vyrobili. Takýmto systémov dokážeme využiť efektívnejšie energetické zdroje, ale aj šetriť palivá, čo sa v konečnom dôsledku odrazí aj v množstve produkovaných emisií CO2.

Počul si už niečo o Joule-Thomsonovom (J-T) jave? Vieš akým spôsobom sa k nám domov dopravuje plyn? Tak na začiatku je potrebný kompresor (napr. v miestach ťažby), ktorý stláča plyn (nárast tlaku). Plyn sa následne pohybuje do miest s nižším tlakom – k odberateľom. Najmä v miestach kde je plynové vedenie vedené v blízkosti obydlí je potrebné, aby tento tlak bol len minimálny a o zníženie tlaku sa stará regulátor. Regulátor funguje na princípe škrtenia (zmena prierezu potrubia) a za týmto škrtiacim členom sa znižuje tlak. J-T jav spôsobí, že sa plyn schladí. Ak sa plyn schladí príliš, hydráty obsiahnuté v tomto plyne zamrznú a spôsobia nepriepustnosť potrubia. Aby k tomu nedochádzalo, buď sa ohrieva plyn na vyššiu teplotu, alebo ohrievame regulátor tlaku. Obe z týchto metód redukcie tlaku si vyžadujú spotrebu energie. Ak však uvažujeme, že pri trení sa vytvára teplo, potom prechodom plynu cez cyklón (zariadenie v tvare prevráteného kužeľa) sa plyn „trie“ o jeho steny. Toto trenie spôsobí zníženie tlaku a nárast teploty. Ak je toto zariadenie vyrobené z ocele, tak vzniknuté teplo je možné odviesť cez stenu do okolia. Využitie tohto poznatku je možno aplikovať do praxe, nakoľko nejde o pohyblivé časti a starostlivosť o zariadenie je minimálna.

Oddelenie stále prichádza s novými nápadmi a možnosťami, ako efektívne vyrábať, produkovať energie, znižovať závislosť na fosílnych palivách, a iné a preto otvára témy z „Energetického tucta“:

  • Dekarbonizácia priemyslu
  • Doprava
  • Efektívne a lacné zdroje energie
  • Ekologické a ekonomické systémy na báze fotovoltaiky a vodíka
  • Ekologické spaľovanie
  • Energetické klastre
  • Implementácia energeticky úsporných technológií
  • Modernizácia tepelných agregátov
  • Plynárenské technológie
  • Výroba a využitie vodíka
  • Využitie plazmy v termo-chemických procesoch
  • Vývoj horákových systémov

Žiadna z realizovaných úloh a prác orientovaných na priemyselné využitie, by nemohla byť realizovateľná bez spolupráce s našimi partnermi ako U.S.Steel Košice, s.r.o.; Železiarne Podbrezová, a.s.; EUSTREAM, a.s.; SPP-distribúcia, a.s.; Slovalco, a.s.; SlovAl, s.r.o.; TEKO, a.s.; TEHO, s.r.o.; a mnoho ďalších a menších výrobcov kovových a nekovových materiálov, ako aj prevádzok na výrobu tepla a elektriny.


Na všetko však sami nestačíme a preto apelujeme aj na TEBA,

„pridaj sa k nám, pre budúcnosť zelenej energie“!

Pridať sa k nám môžeš: