Témata
Reklama

Inovativní materiály pro energetiku

Jednou z nejvýznamnějších částí německého výzkumného programu MaTech, zabývajícího se novými materiály pro klíčové technologie 21. století a zahájeného v roce 1994, je výzkum inovativních materiálů pro energetiku, pro výrobu elektrické energie a její akumulaci a výzkum následného dopadu na životní prostředí. Právě zde již malá zlepšení vlastností materiálu mohou znamenat velký přínos v účinnosti využití primárních zdrojů a ve snížení zátěže životního prostředí.

Argumentace na podporu programu je jasná. Celosvětově potřeba energie stále stoupá. Od roku 1980 se výroba elektrické energie zvýšila o 66 %, především v rozvojových zemích, a stále stoupá. Jen v Číně bude v nejbližších desetiletích uvedeno do provozu o 300 % více nových kapacit, především na bázi fosilních zdrojů. Účinnost nových kapacit se též stává rozhodujícím obchodním argumentem, v němž technologicky nejvyspělejší země - USA, Japonsko a Spolková republika Německo - nechtějí zaostávat. Účinnější energetické systémy produkují i méně oxidu uhličitého. Zvýšení účinnosti o 2,5 % znamená snížení produkce CO2 o 7 %. Počítáno na výrobu energie v SRN, bylo by možno ušetřit emise 26 mil. tun CO2, celosvětově asi 1,5 mld. tun CO2 ročně.
Reklama
Reklama
Reklama

Souvislost se studií Delphi ´98

Podíl obnovitelných zdrojů na výrobě elektrické energie je stále nízký. V SRN lze ale pozorovat vzestupný trend. Výroba proudu z vodních a větrných elektráren, fotovoltaik, spalování biomasy a odpadu se zde v roce 1998 meziročně zvýšila o 10 % a podílela se asi 5 % na celkové výrobě proudu v SRN v roce 1999. Podle studie globálního vývoje vědy a techniky Delphi ´98, provedené ústavem Fraunhofer Institut für Systemtechnik und Innovationsforschung (ISI) v Karlsruhe, se dosáhne 10% podílu výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů (kromě výroby z vodních zdrojů) v SRN nejdříve v roce 2012, podle pesimistických odhadů až v roce 2025. Uvedení nesubvencovaných větrných elektráren s výkonem 1 MW a s investičními náklady pod 2000 DEM/kW na trh se předpokládá v letech 2002 - 2008. Vývoj amorfních solárních článků s účinností nad 15 %, životností nad 10 let a s cenou pod 4000 DEM/kWp, se předpokládá podle studie nejdříve v roce 2008.
Podle studie Delphi ´98 se s ohledem na hrozbu emisí CO2 předpokládá dosažení akceptace jaderných elektráren se zlepšenou bezpečností veřejností v Evropě v letech 2010 až 2020 s mediánem v roce 2015. Odpovědi respondentů ze všech oborů vědy a odpovědi odborníků z oblasti energie se zde velmi přibližují. Na využití jaderné fúze dojde až po roce 2025. Po roce 2015 by mělo dojít k návratu využití rychlých množivých reaktorů s uzavřeným palivovým cyklem a s vyřešením nešíření plutonia jako jaderné zbraně. Za zmínku stojí, že v 70. letech proběhl v Československu velmi úspěšný vývoj materiálů a komponent rychlých reaktorů - povlakových trubek na palivové články, parogenerátorů a armatur (ověřený v sovětských rychlých reaktorech BOR-60 a BN-350).
U elektráren spalujících fosilní paliva se pokládá za reálný vývoj extrakce CO2 ze spalin nejdříve po roce 2021, ale možnost jeho ukládání do vytěžených ropných a plynových polí (pokud technika extrakce bude k dispozici) bude reálnou již v roce 2015. Kombinované elektrárny s vysokoteplotními palivovými články a paroplynovým cyklem a účinností až 70 % by měly být na trhu mezi roky 2008 až 2018. Velké paroplynové elektrárny s velmi vysokou účinností a s teplotou na vstupu do turbíny více než 1500 °C se mají využívat již v letech 2004 - 2009.

Cíle programu MaTech

Též o tyto prognózy se opírají průběžné zprávy programu za období 1999 - 2000. Za efektivní považuje program MaTech vývoj materiálů pro zvýšení účinnosti tradičních kapacit; z tepelných elektráren spalujících hnědé uhlí se dosahuje netto účinnosti asi 43 %, ve stavbě je jednotka, která má dosáhnout 45 %. Elektrárny na černé uhlí dosahují asi 47 %. Celosvětovým cílem je zvýšení teploty páry na vstupu do turbíny na 650 °C, což umožní zvýšení účinnosti asi na 50 %. Naproti tomu se pracuje, především v Japonsku, USA, ale i v Německu, na vývoji superžárupevných ocelí na rotory, hřídele, tělesa, lopatky, armatury a potrubí. Pro realizaci technologického skoku s účinnostmi nad 50 % a s teplotou páry nad 700 °C dojde zřejmě k nasazení superslitin na bázi niklu i u těchto komponent. Nasazením jejich pokročilých typů a nasazením oxidy disperzně zpevněných superslitin (ODS) v plynových turbínách došlo v posledních letech k velkému pokroku a kombinace parní a plynové turbíny paroplynových elektráren dosáhne brzo účinnosti 60 %. Ale i jejich možnosti jsou omezeny, vývoj se ubírá k intermetalickým slitinám, keramice a kompozitům.
Ve vztahu k materiálům si program MaTech stanovil v oblasti energetiky následující cíle:
* zvýšení účinnosti u určených technologických procesů vyššími provozními teplotami a vyššími tlaky;
* vyšší výkon a vyšší životnost nasazených komponent;
* zvýšení hospodárnosti a konkurenční schopnosti energetických systémů vyšší spolehlivostí a pohotovostí a snížením výrobních a provozních nákladů a nákladů na údržbu;
* zlepšení vztahu energetických systémů k životnímu prostředí snížením spotřeby paliva a tvorby emisí.

Program a jeho projekty

Po pětileté práci na programu jsou práce zaměřeny na vývoj prvního stupně paroplynových zařízení, na plynovou turbínu s vývojem stávajících superslitin a nových materiálových systémů na bázi např. intermetalických slitin.
K realizaci nasazení superslitin při vyšších teplotách s cílem zvýšení hustoty výkonu a úspor energie je nutno u nich dosáhnout ještě vyšší pevnosti při tečení, odolnosti vůči tepelné únavě a vysokoteplotní korozi a vyšší strukturní stability. Zvláště lopatky s usměrněnou krystalizací a monokrystalové lopatky mají ještě vysoký potenciál zlepšení; problémem je jejich ekonomická výroba v délkách pro stacionární turbíny. V programu MaTech se proto řeší technologie chladnutí tekutými kovy LMC (Liquid Metal Cooling) v roztaveném cínu ve dvou projektech. Prvním je vývoj monokrystalových lopatek délky nad 450 mm pro optimalizaci plynových turbín pro teploty nad 1425 °C, druhým je vývoj technologie vysoce integrovaných segmentových lopatek nové generace s nižším podílem pájecích operací o 30 %. Oba projekty jsou řešeny v MTU Mnichov, Doncasters Precision Castings Bochum, BAM Berlín a na univerzitě v Erlangenu.
Nasazení titanaluminidů TiAl v leteckých turbínách a niklaluminidů ve stacionárních turbínách je možné, s ohledem na jejich nižší měrnou hmotnost, dobrou korozní odolnost a tuhost pro požadované vysoké otáčky a vysokou provozní teplotu. Vývoj materiálů typů NiAl-Cr27 (IP 27) a NiAl-Ta-Cr+Lavesovy fáze (IP 75) vede Siemens KWU s účastí H.C. Starck, Sintermetallwerk Krebsöge, Thyssen Guss a Max-Planck-Institut f. Eisenforschung Düsseldorf.
Jinou možnost zvýšení provozních teplot představují netavitelné bariérové povlaky na lopatky, spalovací komory a výměníky na bázi perovskitů, spinelů a pyrochloru ve vrstvách 0,1 - 0,5 mm, které by měly nahradit zirkoniovou keramiku na bázi ZrO2, která je funkční do teplot 1200 °C. Na vývoji pracují Siemens KWU, BMW - Rolls-Royce, TACR, EADS, H.C. Starck a univerzity ve Stuttgartu, Karlsruhe a v Erlangenu. Do této skupiny patří i bariérové povlaky pro ochranu proti oxidaci uhlíkových kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny (CFC), uvažovaných pro velmi vysoké teploty.
U monolitní keramiky a kompozitů s keramickou matricí vyztuženou dlouhými keramickými vlákny z oxidové i neoxidové keramiky (např. SiNBC) pro dlouhodobé použití (do 105 hodin) při teplotách nad 1400 °C, např. u spalovacích komor, převládá zdrženlivost pramenící z obav ze strukturních změn a korozních problémů.
Přestože výzkum materiálů pro energetiku není prioritou programu MaTech a činí pouze 7 % z objemu 1,3 mld. DEM celkového financování za roky 1994 - 1999 (z toho 770 mil. DEM z prostředků Spolkového ministerstva pro vzdělání a výzkum), jeho výsledky přispějí ke zlepšení technologické úrovně SRN, ke konkurenční schopnosti německého energetického strojírenství ve srovnání s USA a Japonskem, k očekávaným úsporám ve spotřebě primárních neobnovitelných zdrojů a snížení dopadů energetiky na životní prostředí i v celosvětovém měřítku.
Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 10104
Datum: 31. 01. 2001
Rubrika: Inovace / Věda a výzkum
Autor:
Firmy
Související články
Pořádná špona je dnes věda

S obráběním, vrtáním pomocí nástroje začali pravděpodobně jako první už staří Egypťané cca 4 000 let před naším letopočtem, přičemž využívali tětivu luku – základ smyčcového soustruhu. Potom přišel středověk, dále Leonardo da Vinci a návrh prvního soustruhu… Technologie třískového obrábění ale v porovnání s dnešní dynamikou vývoje postupovala jen pomalu.

Pokročilé mazání pro úspornost a spolehlivost

Věda a výzkum přinášejí zcela unikátní řešení i pro procesy zdánlivě zavedené a v oblastech, kde by inovace laik neočekával. Každý pozitivní a použitelný krok ke zlepšení klimatické situace naší planety je přínosem a jednou z nesmírně efektivních, užitečných, a vlastně poměrně snadných a finančně nenáročných záležitostí. Takovými by mohly být aplikace pokročilých tribologických řešení především pro dopravu, průmysl a výrobu energií.

Modernizace laboratoře pro měření emisí

Od listopadu 2011 je v Roztokách u Prahy otevřen objekt VTP Roztoky. Objekt o celkové ploše 4 200 m2 využívá pro k realizaci svých aktivit zejména Centrum vozidel udržitelné mobility (CVUM), založené při ČVUT v Praze, Fakultě strojní. Budova vznikala právě na základě požadavků vědeckých a akademických pracovníků z ČVUT, kteří hledali nové laboratorní a kancelářské prostory se záměrem vytvořit špičkové výzkumné pracoviště a navázat tak na projekty Výzkumných center spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka I, II, úspěšně řešené v  letech 2000 až 2011 pod vedením prof. Jana Macka. Záměr se podařilo realizovat také díky synergii projektů, využitých pro financování výstavby objektu a následně vybavení jednotlivých laboratoří. V loňském roce, sedm let po oficiálním otevření, byla realizována přístavba a obnova emisního vybavení v laboratoři s válcovou brzdou.

Související články
Mezi vědou a rodinou

S Mgr. Kseniyí Illkovou, Ph.D., mladou vědkyní působící v Praze, jsem se potkala při příležitosti předávání cen Wernera von Siemense. Získala totiž ocenění za vynikající kvalitu ženské vědecké práce. Na tom by jistě nebylo nic zarážejícího – vynikající práce byla oceněna, tak to bývá. Na první pohled však všechny přítomné zaujal doprovod mladé ženy – několikaměsíční miminko. A tak mě samozřejmě zajímalo, jak vlastně lze skloubit práci na špičkové úrovni a rodinu...

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Podpora mezinárodního výzkumu

Inženýrská akademie České republiky, z. s., (IA ČR) je organizace sdružující odborníky, jejichž společným zájmem je podpora a rozvoj technických disciplín odrážející technické, ekonomické, sociální, environmentální a kulturní potřeby společnosti. Byla založena v roce 1995 a jedním z jejích hlavních úkolů je rozvíjet a propagovat technické vědy a sbližovat výzkumnou sféru se sférou průmyslovou. Toho dosahují mimo jiné naplňováním cílů projektů, jejichž jsou řešiteli. Jedním z těchto projektů je „Podpora mezinárodní spolupráce v inženýrském výzkumu“ programu EUPRO Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy, který bude ukončen koncem (byl ukončen v závěru???) roku 2016.

Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci, Sekce Strategie výzkumu a vývoje

Obecným posláním Inženýrské akademie ČR je odborná podpora rozvoje technických věd a technického školství a zejména využívání nových poznatků vědy a výzkumu a teoretických znalostí průmyslovou sférou. Cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Specializované odborné sekce IA ČR sdružují přední specialisty daného oboru a poskytují expertní a poradenské služby. Vyjadřují se k závažným technickým řešením a rozhodnutím, která vycházejí z univerzitní oblasti, průmyslu, vládních i nevládních institucí. Na stránkách MM Průmyslového spektra jednotlivé odborné sekce představujeme.

Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci

Obecným posláním Inženýrské akademie ČR je odborná podpora rozvoje technických věd a technického školství a zejména využívání nových poznatků vědy a výzkumu a teoretických znalostí průmyslovou sférou. Cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Specializované odborné sekce IA ČR sdružují přední specialisty daného oboru a poskytují expertní a poradenské služby. Vyjadřují se k závažným technickým řešením a rozhodnutím, která vycházejí z univerzitní oblasti, průmyslu, vládních i nevládních institucí. Na stránkách MM Průmyslového spektra jednotlivé odborné sekce představujeme.

Trendy v nabídce doprovodných služeb a v koordinaci podniku

V současné době se řada výrobních podniků snaží být konkurenceschopná ve využívání nejnovějších trendů, ale i vědeckých poznatků. Tyto jsou markantní zejména v oblasti technologické, ovšem nelze se upnout pouze na přijímání technologických novinek a přitom opomíjet ostatní obory, neboť i tyto mohou podnikatelům nabízet zásadní poznatky a mít vliv na celkovou úspěšnost daného podniku. O tom, že je prospěšné, jak pro zákazníka, tak pro samotný podnik nabízet doprovodné služby k dodávaným výrobkům (jako např. montáž, zaškolení, servis), je asi dnes už zbytečné hovořit. Tyto služby jsou dnes téměř všude samozřejmostí a nabývají na významu i v průmyslovém sektoru.

Inženýrská akademie ČR nabízí spolupráci Sekce stavebnictví a architektura

Poslání Inženýrské akademie ČR (IA ČR) spočívá v odborné podpoře a rozvoji technických věd a technického školství, jakož i aplikaci nových poznatků vědy a výzkumu. Naším cílem je přispívat k růstu ekonomického potenciálu a konkurenceschopnosti české ekonomiky. Tentokrát se zaměříme na stavebnictví a architekturu.

Mechanika na VŠ

V nynějším vydaní jsme o strukturovanou prezentaci požádali ústavy zaměřené na mechaniku a mechatroniku. Naši nabídku vyslyšelo pracoviště na Strojní fakultě v Brně.

Strojírenské konstruování na VŠ

V nynějším vydání jsme o strukturovanou prezentaci požádali ústavy zaměřené na výrobní stroje a komponenty. Naši nabídku vyslyšela pracoviště na strojních fakultách v Praze, Brně a Liberci.

Materiálové inženýrství na VŠ

V nynějším vydání jsme o strukturovanou prezentaci požádali ústavy zaměřené na výrobní systémy a techniku. Naší nabídku vyslyšela pracoviště na strojních fakultách v Praze a Brně.

Podpory výzkumu, inovací a podnikání

Vývoj hospodářství v Evropě je v posledních letech charakterizován četnými ekonomickými problémy (finanční krize, dluhová krize), které ve svých důsledcích znamenají stagnaci či jen křehké oživení. Většina evropských ekonomik si uvědomuje, že disproporci mezi disponibilními kapacitami a místní poptávkou může dlouhodobě řešit pouze exportem.

Vliv spolupráce a dalších inovačních aktivit firem na jejich úspěch

V posledních letech jsou hodně diskutovanými tématy inovace, jejich vliv na podnikání a nezbytnost firem inovovat. Dá se říci, že inovace jsou stavěny do pozice klíčové podmínky rozvoje firem a zvyšování jejich konkurenceschopnosti a produktivity. Částečně je to dáno tím, že některé firemní aktivity zahrnované mezi inovační aktivity patří k činnostem, které jsou pro úspěch na trhu těžko nahraditelné, jako například externí spolupráce i využívání různých informačních zdrojů. Inovačními aktivitami jsou pak rozuměny všechny výzkumné, technologické, organizační, finanční a marketingové kroky, které jsou určeny k zavedení inovace.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit