Centrum výskumu vodíkových technológií (CVVT) vzniklo v roku 2023 v spolupráci Technickej univerzity v Košiciach, Slovenskej akadémie vied a Univerzity Pavla Jozefa Šafárika. Úlohou centra je zastrešovanie celej oblasti vodíkových technológií v rámci Slovenska, pričom CVVT je špecificky zamerané na výskum a vývoj, ale predovšetkým na implementáciu teoretických poznatkov a výskumných výstupov do funkčných prototypov zariadení pre výrobu, transport, uskladnenie a spaľovanie vodíka. CVVT napĺňa okrem výskumnej a implementačnej aj vzdelávaciu funkciu.
V rámci výskumnej funkcie prebieha v centre základný výskum a vývoj:
V rámci implementačnej funkcie sa centrum zameriava na:
V rámci vzdelávacej funkcie sa centrum zameriava na:
Technická univerzita v Košiciach
042 00 Košice, Letná 9
Univerzita Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach
041 80 Košice, Šrobárova 2
Slovenská akadémia vied
814 38 Bratislava, Štefánikova 49
prof. RNDr. Pavol Sovák, CSc.
prof. RNDr. Pavol Šajgalík, DrSc.
doc. Ing. Marián Lázár, PhD.
RNDr. Ing. Michal Tkáč, PhD.
doc. RNDr. Pavol Hvizdoš, DrSc.
prof. Ing. Tomáš Brestovič, PhD.
Park Komenského 14, Košice
Laboratórium vodíkových technológií slúži na komplexný výskum možnosti uloženia energie z obnoviteľného zdroja vo forme vodíka a jeho následnej transformácie na elektrickú energiu. Laboratórium je koncipované na prevádzku v ostrovnom režime. Energia slnečného žiarenia je transformovaná na elektrickú prostredníctvom fotovoltických panelov, ktoré sú umiestnené na oceľovej konštrukcii nad strechou objektu s vektorom plochy orientovaným na južnú stranu.
Následná výroba vodíka elektrolýzou vody prebieha prostredníctvom bipolárneho elektrolyzéra, pričom produkovaný vodík sa uskladňuje v nízkotlakových metalhydridových zásobníkoch vodíka. Vodík je následne zhodnocovaný v palivových článkoch zapojených v stacionárnej a mobilnej prevádzke.
Vybavenie laboratória:
Vysokoškolská 4, Košice
Laboratórium vodíkových technológií II je zamerané na výskum možnosti uskladnenia vodíka v štruktúre metalhydridových zliatin, konkrétne na výskum uskladňovacej kapacity rôznych novo vyvinutých zliatin. Vybavenie laboratória umožňuje meranie charakteristiky zliatin prostredníctvom volumetrickej metódy. Vlastný volumetrický systém, ktorým laboratórium vodíkových technológií II disponuje, umožňuje merať PCI krivky (Pressure Concentration Isotherm) zliatin, ktoré zobrazujú priebeh tlaku v závislosti od hmotnostnej koncentrácie a teploty zliatiny.
Vybavenie laboratória:
Metalhydridové nízkotlakové zásobníky vodíka MNTZV-159 a MNTZV-60 boli navrhnuté na Strojníckej fakulte TUKE a vyrobené boli v spolupráci s firmou Askozvar, s.r.o. Principiálnou výhodou vodíka, oproti elektrickej energii, je možnosť jeho uskladnenia, avšak nízka hustota vodíka je základnou prekážkou pre jeho praktické uplatnenie. Energetická hustota vodíka je na jednotku objemu relatívne nízka a pri bežnom uskladnení v tlakových nádobách sa vyžaduje použitie vysokých tlakov. Zníženie tlaku v zásobníkoch, pri dosiahnutí energetickej hustoty často prevyšujúcej kvapalné uskladnenie, je možné dosiahnuť pomocou metalhydridov.
Počas absorpcie vodíka do štruktúry zliatiny dochádza k exotermickej reakcii. Počas tankovania vodíka do zásobníka je preto potrebné tento zásobník chladiť. Vzhľadom na problematický prestup tepla v práškových materiáloch je tento zásobník vybavený vnútorným intenzifikátorom prestupu tepla, ktorý zabezpečuje rovnomernejší odvod tepla. V podstate sa jedná o vnútorné rebrovanie, pričom zásobník je zároveň aktívne chladený kvapalinou prúdiacou v medziplášťovom priestore. Naopak, pre uvoľnenie dostatočného množstva vodíka zo zásobníka počas prevádzky rôznych zariadení je potrebné teplo dodávať.
Obidva typy nízkotlakových zásobníkov boli navrhnuté a vyrobené v súlade s normou STN EN 13322-2: Prepravné fľaše na plyny, Navrhovanie a výroba znovuplniteľných oceľových fliaš na plyny, Časť 2: Nehrdzavejúce ocele. Zásobníky zároveň úspešne prešli certifikáciou, počas ktorej boli vykonané hydraulické tlakové skúšky do roztrhnutia zásobníkov a ťahové skúšky materiálu.
Jedná sa o prvý nízkotlakový vodíkový autobus v Európe. Autobus vznikol v spolupráci Strojníckej fakulty TUKE a firmy Rošero – P, s.r.o. Značné zníženie prevádzkového tlaku je dosiahnuté vďaka použitiu 6 ks metalhydridových zásobníkov MNTZV-159 v prednej časti vozidla. Tie dokážu uskladniť celkovo 5 kg vodíka pri prevádzkovom tlaku len 2,5 MPa. Konvenčné vysokotlakové vodíkové autobusy pritom zvyčajne využívajú vodík stlačený pri tlaku až 35 MPa. Použitie zásobníkov MNTZV-159 významne prispieva k celkovej bezpečnosti uskladnenia vodíka pri súčasnom znížení kinetiky uvoľňovania vodíka zo štruktúry kovu v prípade nežiadúceho havarijného stavu.
Vodík uskladnený v zásobníkoch je počas prevádzky autobusu spaľovaný v palivovom článku Ballard o výkone 30 kW. Elektrická energia je následne transportovaná do trakčnej batérie, ktorá poháňa elektromotor o výkone 100 kW (špičkovo 150 kW). Vodíkový autobus je určený pre mestskú hromadnú dopravu, čomu prislúcha aj výkon palivového článku. Dojazd autobusu je 180 km. Napriek použitiu nízkotlakovej uskladňovacej technológie je možné autobus tankovať aj na štandardnej 35 MPa čerpacej stanici.
Unikátnosťou autobusu je zakomponovanie teplotného manažmentu zásobníkov do tepelného obehu palivového článku a autobusu. Počas tankovania sa v zásobníkoch generuje 1 MJ tepla na každý 1 m3 absorbovaného vodíka, čo umožňuje predohriať autobus už počas ranného tankovania. Počas spotreby vodíka je teplo dodávané z palivového článku. Zásobníky vyžadujú na plný výkon dodávku iba 14 % tepla, ktoré je produkované palivovým článkom. Zvyšná časť bežne nevyužitej tepelnej energie môže byť ďalej využívaná na vykurovanie vnútorného priestoru autobusu.
Na vývoji konceptu športového automobilu MH2 s nízkotlakovým uskladnením vodíka a palivovým článkom sa okrem Strojníckej fakulty TUKE podieľala aj spoločnosť Matador Group. Jedná sa o jedinečné prepojenie pokrokových technológií a atraktívneho dizajnu. Prototyp je vybavený palivovým článkom od výrobcu Horizon, pod ktorým je uložených 12 metalhydridových zásobníkov MNTZV-60. Celý vodíkový systém je kompaktne umiestnený v zadnej časti vozidla.
Vodíková trojkolka vznikla ako študentský projekt Strojníckej fakulty TUKE za účelom testovania metalhydridových zliatin v zásobníkoch MNTZV-60 počas reálnej prevádzky vozidla s dôrazom na jeho nízke výrobné a prevádzkové náklady. Zároveň toto vozidlo slúži aj na prezentačné účely. Dva zásobníky MNTZV-60 sú uložené medzi riadidlami a sedadlom vodiča, pričom poskytujú dojazd približne 60 km. Predná časť trojkolky je plne odpružená, v tejto časti sa nachádza 3 kW, 72V batéria. Tá slúži na regulačné účely a zároveň predlžuje dojazd vozidla o ďalších 60 km. Celkový dojazd vozidla je tak 120 km.
Pohon zabezpečuje 3 kW elektromotor integrovaný do zadného kolesa o rozmeroch 26x4“. Tento výkon postačuje na dosiahnutie maximálnej rýchlosti vozidla 55 km/h. Elektrická energia je vyrábaná v palivovom článku o výkone 1 kW. Chladenie zásobníkov je zabezpečené prostredníctvom prietokového chladiča umiestneného v čelnej maske trojkolky a na cirkuláciu chladiacej kvapaliny slúži čerpadlo.
Kompresor využíva na stláčanie vodíka chemicko-tepelný cyklus absorpcie a desorpcie vodíka do intermetalickej štruktúry kovov. Použitá koncepcia vodíkového kompresora spočíva v použití vhodnej zliatiny kovov, ktorá umožňuje absorbovať vodík do svojej štruktúry pri nízkej teplote a tlaku. Po ohriatí zliatiny dochádza k výraznému navýšeniu tlaku, čo umožňuje stláčať vodík bez jeho priameho kontaktu s pohyblivými časťami, čím sa zvyšuje bezpečnosť procesu.
Vodíkový kompresor pozostáva z dvojice tandemovo zapojených metalhydridových zásobníkov s integrovaným výmenníkom tepla. Zásobníky sú striedavo ohrievané a chladené, pričom pri absorpcii vodíka v jednom zásobníku dochádza k desorpcii v druhom zásobníku. Transport tepla na ohrev a chladenie je zabezpečený tepelným čerpadlom, vďaka ktorému dochádza k značnej úspore elektrickej energie. Riadiaci program je spustený v operačnom systéme Raspbian na Raspberry Pi.
V čase keď prebieha absorpcia v zásobníku MH1, dochádza k desorpcii vodíka zo zásobníka MH2. Pri zmene pracovnej teploty však ani jeden zo zásobníkov neabsorbuje vodík, a preto je kompresor vybavený pomocným medzizásobníkom MH3. Tento medzizásobník má vlastný teplotný manažment, ktorý je založený na dvojici Peltierových článkov. Pomocou nich je možné meniť teplotu v potrebnom rozsahu. Kompresor dosahuje v jednom vyhotovenom stupni kompresný pomer ε = 4. Stredná hodnota COP tepelného čerpadla je 3, čo znamená, že na kompresiu sa použije 1/3 elektrickej energie v porovnaní s vyprodukovanou tepelnou energiou. To má za následok zníženie spotrebu elektrickej energie pri kompresii vodíka. Kompresor pracuje v jednom zásobníku počas jedného cyklu naraz s 0,3 m3 vodíka.
Jedným z možných zdrojov vodíka je aj syntézny plyn, ktorý vzniká splyňovaním komunálneho odpadu alebo v plazmových reaktoroch pri tepelnom rozklade odpadov rôzneho druhu. Separácia vodíka zo syntézneho plynu môže prebiehať rôznymi metódami, väčšinou na princípe membránovej separácie jednotlivých zložiek. Zaujímavou možnosťou separácie vodíka je využitie metalhydridových zliatin, ktoré dokážu absorbovať vodík do svojej intermetalickej štruktúry, čím dochádza k efektívnemu oddeleniu vodíka od zvyšných zložiek syntézneho plynu.
Centrum výskumu vodíkových technológií n.o.
Technická univerzita v Košiciach, Univerzitný vedecký park TECHNICOM
B. Němcovej 5, 042 00 Košice-Sever
e-mail: tomas.brestovic@tuke.sk
tel. č.: +421 908 377 567
tel. č.: +421 55 602 2488
tel. č.: +421 55 602 4104