Výskum vodíka pre priemysel a automobily sa robí aj na Slovensku

Zatiaľ čo elektromobilita aj v našich končinách prechádza v súčasnosti búrlivým vývojom a elektrické vozidlá sú čoraz bežnejším dopravným prostriedkom, vodík sa u nás stále považuje za niečo, čo patrí do ďalekej budúcnosti.

No ak sa o problematiku začnete zaujímať trocha viac, zistíte, že to nie je celkom pravda. Budovanie infraštruktúry pre vodíkové vozidlá sa plánuje aj u nás a prvé dve plniace stanice by sme tu mohli mať už do dvoch rokov. Tentoraz sa však na vodíkové technológie pozrieme z trochu inej strany. Zaujal nás totiž výskum prebiehajúci na Strojníckej fakulte Technickej univerzity v Košiciach, ktorý vedie doc. Ing. Tomáš Brestovič, PhD. Jeho predmetom sú možnosti využitia metalhydridových zliatin na uskladnenie vodíka. Výskum sa ­realizuje v spolupráci so Slovenskou akadémiou vied.

Meracie pracovisko, v popredí metalhydridové zásobníky. Malé sa požívajú pre modely vodíkových áut

Jeden z aspektov, ktoré dnes predražujú využívanie vodíkových vozidiel, je uskladnenie vodíka. Keďže sa pracuje s plynným vodíkom, ten sa vo vozidlách uchováva vo vysokotlakových nádobách s tlakom až 70 MPa. To, pochopiteľne, kladie veľké nároky na konštrukciu tlakových nádob, ktoré používajú až trojvrst­vovú štruktúru a v prípade havárie môžu byť potenciálne nebezpečné. Navyše pri stláčaní vodíka na také vysoké tlaky dochádza k 20 až 30-percentnej strate energie plynu. Technológia vyvíjaná v Košiciach pracuje so zliatinami rôznych kovov. Takouto zliatinou v práškovej forme na dosiahnutie čo najväčšej plochy povrchu je naplnený zásobník na vodík. Vodík sa vháňa do zásobníka pod tlakom 1 až 3 MPa. Pri styku s povrchom metalhydridu dôjde vďaka katalytickej reakcii k rozštiepeniu molekulárneho vodíka na atómy, ktoré sa priamo naviažu do štruktúry kovového materiálu. Môžeme si to predstaviť, ako keď špongia absorbuje vodu. Keďže vodík je viazaný priamo v štruktúre materiálu, nepodieľa sa na zvyšovaní tlaku v zásobníku a pracovný tlak sa pohybuje maximálne na hodnote 3 MPa. Aj keby teda došlo k prerazeniu steny nádoby, nastane iba pozvoľné uvoľňovanie vodíka, a nie výbuch.

Prototyp vodíkového metalhydridového kompresora s tepelným čerpadlom

Keďže sa pracuje s nízkym tlakom, nedochádza ani k stratám energie pri stláčaní. Pri uvoľňovaní vodíka zo štruktúry stačí znížiť tlak a dodať malé množstvo tepla. Zníženie tlaku je výhodné napríklad pri dodávke do palivových článkov, ktoré pracujú s nízkym tlakom vodíka. Pri plnení zásobníka vzniká odpadové teplo a pri uvoľňovaní sa zásobník ochladzuje. To sa dá s výhodou využiť práve v automobiloch, kde možno toto teplo použiť pri klimatizácii. Ukladanie do metalhydridov je už v súčasnom štádiu vývoja použiteľná technológia, ale zatiaľ skôr na statické aplikácie. Hmotnosť materiálu potrebného na uskladnenie asi 5 – 6 kg vodíka je v súčasnosti približne 350 kg, čo by na využitie v automobile bolo veľa. Už dnes sú však známe zliatiny, ktoré umožňujú až trikrát vyššiu absorpciu. Treba však prekonať viacero problémov, sú zatiaľ príliš drahé alebo toxické. No technológie a vývoj postupujú a dá sa predpokladať, že v priebehu niekoľkých rokov sa s takýmito úložiskami stretneme aj v dopravných prostriedkoch – od osobných automobilov cez kamióny, autobusy až po vlaky a lode.

Autíčko s vodíkovým palivovým článkom a metalhydridovým zásobníkom (pred zadnou  nápravou) zostrojený na SOS Ostrovského 1 v Košiciach

To, že táto technológia má do budúcnosti veľké perspektívy využitia, dokazujú aj sami výskumníci z Košíc. Na jej základe totiž zostrojili prototyp vodíkového metalhydridového kompresora s tepelným čerpadlom. 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 zvýšeniu 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 (MH) 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 sa ušetrí značná časť elektrickej energie. Riadiaci program je spustený v operačnom systéme Raspbian na Raspberry Pi. Zariadenie je chránené dvoma úžitkovými vzormi a súčasne sú v štádiu schvaľovania dve patentové prihlášky. 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 spotreby elektrickej energie pri kompresii vodíka. Kompresor pracuje v jednom MH zásobníku počas jedného cyklu naraz s 0,3 m³ vodíka. Kompresný pomer aj množstvo spracúvaného vodíka možno, samozrejme, zvýšiť zmenou konfigurácie a pridaním ďalších stupňov. Použité tepelné čerpadlo bolo vytvorené na mieru v spolupráci so špecialistami spoločnosti Tatramat – ohrievače vody. Prototyp MH kompresora s tepelným čerpadlom je vytvorený v autonómnom vyhotovení ovládania. Na tento účel je implementovaný riadiaci minipočítač Raspberry Pi s prídavnými kartami (1-wire; A/D prevodník-16 vstupov; I/O porty – 32×). Operačným systémom je linuxová distribúcia Raspbian. Riadiaci softvér je napísaný v jazyku C++ v prostredí Qt Creator. Kompresor je vybavený dotykovým monitorom na riadenie a vizualizáciu nameraných dát.

Vedúci výskumného týmu doc. Ing. Tomáš Brestovič, PhD.

Jedna z výhod použitého minipočítača je v tom, že zdrojový kód riadiaceho programu sa dá meniť a kompilovať priamo v kompresore, a preto v relatívne krátkom čase možno optimalizovať činnosť merania a riadenia. Prototyp kompresora bol vytvorený aj pre ďalší výskum v oblasti vývoja MH kompresorov, preto je konštrukčne riešený ako merací stojan. Konštrukčne je zostavený z nezávislých modulov na možnosť rýchlej výmeny počas optimalizácie zariadenia. To umožňuje efektívne výmeny a konštrukčné optimalizácie.

Prototyp MH kompresora je prvé zariadenie svojho druhu v strednej Európe a umožňuje výskum a vývoj v oblasti vodíkových technológií. Na vývoji zariadenia sa podieľajú zamestnanci Strojníckej fakulty, domáci aj zahraniční študenti. Ako vidno, na slovenských vysokých školách sa vyvíjajú špičkové technológie, ktoré budú mať v budúcnosti široké využitie v množstve ďalších aplikácií. Pri nástupe vodíkových technológií v doprave a iných odvetviach teda Slovensko ani zďaleka nemusí hrať iba rolu príjemcu, ale môže sa aktívne podieľať na ich vývoji a zavádzaní.

V článku boli použité materiály Katedry energetickej techniky Strojníckej fakulty TU v Košiciach so súhlasom doc. Ing. Tomáša Brestoviča, PhD.