Forrás: Depositphotos/malpetr

Az ezt célzó technológiák elterjedésének azonban gá­tat szab azok időszakossága (pl. napelemek esetén a napszakok váltakozása), illetve, hogy a megtermelt villa­mos energia tárolására egyelőre nem sikerült ál­taláno­san kielégítő megoldást találni. Az idő­szakosan megtermelt többlet­energia kémiai tárolása (különböző nagy energia­­sűrűségű vegyületek­ben, pl. H₂-elő­állítással és/vagy a szén-dioxid meg­kötésével és újra­hasznosításával) egy, az ipari fo­lya­matokba könnyen integrálható megoldást kínál (power to gas, P2G és power to liquid, P2L koncepció), így az ezt célzó technológiák­nak kiemelt sze­repük lehet a jövő gazdaságában. A Megújuló Energiák Nemzeti Laboratórium (MENL) (RRF-2.3.1-21-2022-00009) a nehezen dekarbonizál­ható ágaza­tok kibocsátás­csökkenté­sé­nek két fő területével (hidrogén­tech­nológiák és szén-dioxid-hasznosítás) foglalkozik. Ebben a cikkben a Szegedi Tudomány­egyetemen (SZTE) folyó kutatás-fejlesztési tevékenységet ismertetjük, és bemutatjuk az egyes kutatócsoportokat.

Elektrokémiai Technológiák Kutatócsoport – Dr. Janáky Csaba

A májusban átadásra kerülő Energetikai Innovációs Tesztállomás (EIT) egyik fő pillére különböző gáztermékek előállítása elektrolízis révén (power to gas, P2G). Erre a célra egy két elektrolizáló technológiát tartalmazó konténert, valamint egy ezt kiszolgáló elektromos konténert alakítottak ki. Az egyik technológia proton­cserélő membrános (PEM) víz­elektrolízis­sel állít elő tiszta vízből oxigént és hidrogént. Utóbbit akár 40 bar nyomáson, ami megkönnyíti a tárolást (szintén az EIT részeként), illetve a felhasználást az EIT további technológiáiban.

A körforgásos vegyipar és energiaipar koncepciója.

Érkeznek a konténerek az Energetikai Innovációs Tesztállomásra.

A másik technológiában szén-dioxid elektrokémiai átalakítása valósítható meg szén-monoxiddá, melyet szintén az EIT telephelyén tudnak tárolni és hasznosítani. A P2G konténer teljes egészében saját tervezésű és fejlesztésű, így lehetőség nyílik az egyes eszközök (pl. vízleválasztók, hőcserélők stb.) össze­hasonlító vizsgálatára, vagy akár más elektrolizáló cellák és cella­kötegek vizsgálatára. A P2G konténer maximum 50 kilowattos be­meneti teljesítményű elektrolizáló cella­kötegek tesztelésére méretezett, ezért az egy nagylabor és egy tesztüzem (pilot) közötti méretet képvisel. A hagyományos hálózati megtápláláson felül az elektrolízis megvalósítható az EIT részeként létesített fotovoltaikus kiserőművel termelt energia fel­használásával is, így szimulálva a technológia sziget­üzem-jellegű dinamikus működtetését.

Elektrokatalízis Kutatócsoport – Dr. Endrődi Balázs

Az Elektrokatalízis Kutatócsoport az elektrokémiai szén-dioxid-redukcióval kapcsolatos tudományos kérdésekkel foglalkozik. Ez magában foglalja az elektrolizáló cellák működését befolyásoló kísérleti para­­méterek feltárását, valamint a különböző degradációs mechanizmu­sok vizs­gála­­tát. Ezenfelül vizsgálják a reakcióban képződő szén-monoxid termék tovább­alakítási lehetőségét olyan nagy értékű termékek, mint például etilén előállítására. Kísérleteik során azonosítottak egy korábban ismeretlen katalizátor­réteg-adalékot, mely lehetővé teszi a szén-monoxid elektro­ké­miai redukcióját nagy áram­sűrűségen. Ezt alkalmazva meg­állapították, hogy az elektrolizáló cella szerkezete is döntően befolyásolja az elérhető reakció­­sebességet – egy saját fejlesztésű, rés nélküli elektroli­záló cellát használva a szak­irodalomban található legnagyobb reakció­sebességek­kel versengő értéket tudtak elérni.

Kapcsolt CO₂ redukció és glicerinoxidáció.

Kutatásaik másik fő iránya olyan anód­reakciók vizsgálata, melyeket a szén-di­oxid redukciójával egy időben (és egy cellában) végre­hajtva mindkét elektródon értékes termékeket állítanak elő, és/vagy lehetőséget biztosítanak a cella­­feszültség csökkentésére. Megmutatták, hogy megfelelő reakció­körülményeket alkalmazva nagy áram­sűrűségen valósítható meg a glicerin elektrokémiai oxidációja. A szén-dioxid elektrolizáló cella anód oldalán víz­oxidáció helyett glicerin parciális oxidációját lejátszatva je­lentősen csökkenthető a cella­feszültség, miközben értékes termékek elegye képződik.

Fotoelektrokémiai Kutatócsoport – Dr. Janáky Csaba

A fotoelektrokémiai folyamatok célja a „mesterséges foto­szintézis” folya­matának vegyipari hasznosítása. Ennek során a kutató­csoport különböző fél­vezető/oldat határ­felületen hajt végre kémiai reakciókat, a napfény energiáját hasznosítva. A közelmúltban bemutatták, hogy egy saját fejlesztésű elektro­kémiai cellában – több Napnak megfelelő fény­erősségű megvilágítással – foto­elektro­kémiai úton hasznos nyers­anyagokká alakították a biodízel­gyártás mellék­termékét, a glicerint, valamint ugyanabban a cellában szén-monoxiddá redukálták a szén-dioxidot. Eredményük azért jelent áttörést, mert a folyamatot legalább egy nagyság­renddel nagyobb reakció­sebességgel valósították meg a korábbi foto­elektro­kémiai kutatások eredményeihez viszonyítva. Ez már összemérhető a hagyományos (megvilágítás nélkül működő) elektrolizálókkal, azonban a foto­elektro­kémiai cellák költség­hatékonyabban működtethetők. Munkájuk során új félvezetők és katalizátorok alkalmazásával igyekeznek a továbbiakban új reakciókat vizsgálni, és egy adott termék szelektív képződése felé eltolni a folyamatokat.

Környezeti Katalízis Munkacsoport – Dr. Sápi András

A csoport célul tűzte ki a szén-dioxid direkt és indirekt módon történő, termo­katalitikus átalakítását, szén­hidrogén-alapú cseppfolyós üzem­anyagok gyártását. A laboratóriumi kereteken belül a kétlépéses, közvetett fordított vízgáz­reakciót (RWGS) követő Fischer–Tropsch-megoldás mellett a direkt, egylépéses szén-dioxid hidrogénezését végző katalizátorokat és technológiákat fejlesztik, azokat tökéletesítik. Az Angewandte Chemie rangos folyóirat címlapjára került publikációjuk­ban olyan nanostrukturált platina/mangán-oxid (Pt/MnOx) interfészről számoltunk be, amely fokozott aktivitást mutatott vízgáz eltolódási (RWGS) reakcióban, ahol a határ­felületen keletkező éldiszlokációk eredménye­ként a lineárisan adszorbeált CO destabilizálódik, és gyorsan felszabadul a Pt nano­részecske felszínéről. Egy másik fejlesztésük során a megszokott vas-oxid-katalizátorok mellett azok vas-karbiddal történő hangolásával sikerült magasabb szén-dioxid-átalakítást és cseppfolyós üzemanyag szelektivitást elérniük.

A Szegedi Tudományegyetem kutatói és a széndioxidból üzemanyagok előállítását végző többreaktoros tesztrendszer.

A laboratóriumban szerzett tapasztalatokat a Szegedi Tudomány­egyetem Energetikai Innovációs Teszt­állomás másik pillérében, a többreaktoros, félüzemi teszt­állomáson (P2L) fogják kamatoztatni. Az üzemi egység a P2L reaktorból érkező hidrogénből, szén-dioxidból napenergiából származó elektromos áram segítségével, tiszta vízből fog cseppfolyós üzemanyagot gyártani. A keletkezett cseppfolyós üzemanyag hasonló a természetben bányászott kőolajhoz, abból benzin, gázolaj, kerozin vagy akár nehezebb olajok is gyárthatók. A gyártás napi kilogrammos mennyiségben fog történni, ami a laboratóriumi gyártáshoz képest 1000-szeres méretet jelent. Ezután már csak egy ugrás az ipari méretekben történő előállítás! Ez a rendszer egyedülálló Magyar­országon, sőt, nemzetközi szinten is az elsők között van.

Li-ion Akkumulátor Kutatócsoport – Dr. Sápi András

Egyre gyakrabban találkozunk zöld rendszámos autóval, mely egyre növekvő igényt jelent a Li-ionos akkumuláto­rok e-mobilitásban történő fel­használásában. A már gazdaságilag autókban nem használható akkumuláto­rokat főként a vég­állapotba küldik, ahol megfelelő technológia után, alap­anyagaira bontva, újra­hasznosítható formába kerülnek. Viszont a végállapot előtt még elképzelhető egy a hulladék­piramis fentebbi lépcsőjén álló újra­hasznosítási lehetőség, ahol az ún. másodlagos életút során az akku­mulátorokat még felhasznál­hatjuk tárolókként, szünet­mentes rendszerek segédeként, mielőtt azokat a vég­állapotba küldenénk. Az EU-s jogszabályi környezet alapján az akkumulá­torok útlevéllel ellátása megköveteli majd a másodlagos források diagnosztikáját, de előírt szabványt vagy létező technológiát nem találtak.

A Li-ion Akkumulátor Kutatócsoport szakemberei az egyik munkájuk során kapcsolatot találtak az akkumulátorok hősokkolása és az akkumulátorrétegek közötti elváltozások és anyagi kiválások között.

A kutatócsoport vizsgálja az újra­használatot megelőző szabványos és alkalmas diagnosztika kidolgozása mellett a másodlagos használati lehetőségeket is. A diagnosztika és gazdasági háttér kidolgozásra került. Emellett még roncsolás­mentes CT-vizsgálatokkal derítették fel az akkumulátorok hőhatást követően bekövetkező belső átalakulásait, illetve egy kínai kooperációban tudomány­metriai analízisek alapján vizsgálták a jövő akkumulátor­igényeit, problémáit, átalakítási és feldolgozási lehetőségeit, illetve a Magyar Akkumulátor Szövetséggel kooperálva egy az akkumulá­torokra irányuló tankönyv kidolgozásában is részt vettek a kutatók.

Reakciókinetikai és Felületkémiai Kutatócsoport – Prof. Dr. Kónya Zoltán

A kutatócsoport alacsony dimenziós (0D, 1D és 2D) anyagok vizsgálatával foglalkozik, és ehhez a felület­kémia, az anyag­tudomány, valamint a heterogén katalízis által határolt területen végez kutatásokat. A két, látszólag különálló domént, a gáz­fázisú heterogén katalízist és a folyadék­fázisú elektro­katalízist egysége­sen kezelve a csoport hosszú távú célja klíma­semleges energia­hordozók, vegyipari alapanyagok és termékek – hidrogén, ammónia stb. – (elektro)katalitikus előállítása.

Szerves molekula adszorpciója 2D modellkatalizátoron (a), valamint az elektrokémiai oxigénredukció lépései 2D lemezekből álló katalizátoron (b).

Ehhez első lépésben kétdimenziós modell­katalizátorok mint katalitikusan aktív felületek atomi léptékű szerkezetének és morfológiájá­nak meghatározása mellett azok kémiai és elem­analízisét végzik el. Ezt egészítik ki a felületi adszorbátu­mok és hordozók jellemzésével, továbbá a reakciók során képződő közti- és reakció­termékek analitikájával. A felületi folyamatok mechanizmusát a kísérletek mellett elméleti számításokkal tárják fel. A vizsgált aktív felületeket ezután három­dimenziós katalizátoro­kon hozzák létre, és heterogén katalitikus (pl. CO₂ hidrogénezés), valamint elektro­katalitikus (pl. HER, OER, NO₃RR) reakciókban tesztelik.

Mesterséges Intelligencia Kutatócsoport – Dr. Vidács László

Az SZTE Szoftver­fejlesztés Tanszék Alkalmazott Mes­ter­sé­ges Intelligencia Kutató­csoport MENL-projektben vállalt feladata, hogy az SZTE Elektro­kémiai Technológiák és Elektro­katalízis Kutató­csoportjainak kutatóival együtt­működve egy, a mesterséges intelligenciával (MI) támogatott eljárást dolgozzanak ki CO₂ redukciós elektro­kémiai cellák működésének optimalizálására. A kutató­csoport egyfelől adatelemzési oldalról segített a nagy mennyi­sé­gű kísérleti adatgyűjtés feltételeinek megteremtésében, másfelől a gyűjtött adatok elemzésével és gépi tanuló algoritmusok fejlesztésével segítette a közös munkát.

A szén-dioxid elektrolizáló cellák optimális működési paramétereinek megtalálásához használt genetikus algoritmus sematikus bemutatása.

Az együttműködés célja, hogy a nagy mennyiségű kísérleti adat alapján olyan MI-alapú modelleket fejlesszenek, melyek az elektro­kémiai cella bemeneti paraméter­érté­keinek (cella­hőmérséklet, gázáramlási sebesség stb.) ismeretében jól meg tudja becsülni a kimeneti paraméterek (CO%, CO₂%, H₂% stb.) értékeit. Egy ilyen modellt ezután paraméter­optimalizálási kísérletben tudnak alkalmazni, mely során a modelltől egy sor, korábban nem látott bemeneti paraméter­értékre kérnek kimeneti értékeket. A kapott kimeneti értékek alapján jósági metrikákat számolnak, melyek alapján el lehet dönteni, hogy az adott bemeneti paraméter­értékeket milyen irányba érdemes változtatni az optimális cella­működés elérése érdekében. Az optimális bemeneti paraméter­értékek megtalálásának egy lehetséges módja genetikus algoritmusok alkalmazása. Ennek folyamatát az ábra szemlélteti.

Pórusos Nanokompozitok Kutatócsoport – Prof. Dr. Kukovecz Ákos

A csoport feladata a projekt számára fontos elektrokémiai cellákban használt gázdiffúziós rétegek vizsgálata. Ehhez eddig három kísérleti módszert fejlesztettek. Az egyik lehetővé teszi a szövetek elektromos ellenállásának pontos mérését a vastagság (összenyomás) függvényében. Kísérleti berendezésüket adaptálták a projekt mintáihoz, majd folyamatosan javították az ellenállásmérés pontosságát. Eredményeik rámutattak a hiszterézis fontosságára. 

Má­sik módszertani fejlesztésük nagy felbontású mikro-CT-felvételeket szolgáltat különböző mértékben összenyomott elektrokémiai cellaszövetekről. Az így nyert 3D re­konstruk­ciók a szövetszerkezet és a porozitás változásairól informálnak, ahogyan az a mellékelt ábrán is látható.

Egy jellegzetes gázdiffúziós réteg mikro-CT jellemzése.

Kísérleteik harmadik iránya a funkcionálisan módosított szénszövetek szerkezeti változásainak in situ XRD (röntgendiffrakciós) feltárására irányult. Szénszöveteken ezüst – piridin-2,5-dikarbonsav koordinációs polimert szintetizáltak, a mintát in situ XRD-mérés során inert és reduktív atmoszférában hőkezelték, majd felállították a hőkezelési paraméterek és a részecskék mérete/felületi borítottsága közötti szemikvantitatív összefüggéseket.

Zöld Technológia Társadalomtudományi Kutatócsoport – Dr. Törőcsikné Prof. Dr. Görög Márta, Dr. Lukovics Miklós

A kutatócsoport a zöld technológiák­kal kapcsolatos tár­sa­da­lom­­tudo­mányi aspektusok széles skáláját vizsgálja: use case-eket, business case-eket értékelnek, azonosítják a stake­holdereket, menedzselik azok bevonását, techno­ökonómiai elemzéseket végeznek, felmérik a technológiák társadalmi megítélését, elemzik mindezek jogi-szabá­lyozási hátterét, javasolatot tesznek alkalmazandó modellekre – mindezt a felelősség­teljes innováció, mint horizontális szempont figyelembevételével.

Legfontosabb eredményük, hogy a MENL gondozásában, az IFUA Horváth & Partners Kft. együtt­működésében elkészítették a Szén-dioxid-tárolási és -hasznosítási (CCS/CCU) lehetőségek Magyar­­országon című Fehér Könyvet. Ennek célja a hazai CCU/S ipar (szén-dioxid-leválasztás, -felhasználás és -tárolás; carbon capture, utilization and storage – a szerk.) szakmai megalapozása, különlegessége pedig az, hogy primer kutatásuk le­fedi az ETS hatálya alá eső magyar kibocsátás több mint 86 százalékát. Elemzésük leg­fontosabb megállapítása, hogy Magyar­országon jelentős kibocsátás­csökkentés érhető el viszonylag kevés szereplő bevonásával és együttműködésével.

A Fehér Könyvet bemutató workshop.

A Fehér Könyvet bemutató workshop rendezvényükre Lantos Csaba energia­ügyi miniszter, Deli Daniella klíma­politikáért felelős helyettes államtitkár és Bódis László innovációért felelős helyettes államtitkár részvételével került sor. Kerek­asztal-beszélgetést tartottak az állami, az ipari és az egyetemi szféra képviselőinek bevonásával a CCU/S jelenlegi helyzetéről és várható jövőjéről, valamint a könyvvel kapcsolatos észrevételekről. Mindemellett tudományos tanulmányokat készítenek és konferencia-előadásokat tartanak a magyar CCU/S helyzetről.•

Címlapkép forrása: Depositphotos/malpetr