BME-s kutatás kínálhat alternatív módot a hidrogéngyártáshoz

A hidrogéngyártás energetikai hatékonyságát vizsgálja pályamunkájában Kozák Áron, Gábor Dénes Tudományos Diákköri Ösztöndíjjal kitüntetett mechatronikai mérnökszakos hallgató.

„Először indultam tudományos diákköri versenyen, és nagyon örültem, hogy több színvonalas pályamunka közül az enyémet találta az egyik legjobbnak a szakmai zsűri. A BME színeiben részt vehetek a tavaszi OTDK-n is, ami ugyancsak hatalmas megtiszteltetés, az ösztöndíj pedig egy külön szakmai elismerés, amire nagyon büszke vagyok” – fogalmazott Kozák Áron, a BME Gépészmérnöki Kar (BME GPK) mechatronikai mérnök BSc-szakos hallgatója, aki egyike volt a Gábor Dénes Tudományos Diákköri Ösztöndíj legutóbbi nyerteseinek. Díjazott pályamunkájának címe: „Buborékdinamika a hidrogéngyártásban: energetikai hatékonyság numerikus optimalizációja” (témavezetői: Hegedűs Ferenc - egyetemi docens, és Kalmár Csanád doktorandusz, mindketten a BME GPK Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék munkatársai).

Kozák Áron a BME GPK mechatronikai mérnök BSc-képzését választotta továbbtanuláskor. A döntésében sokat nyomott latba, hogy e szak hallgatójaként számos tudományterületbe belekóstolthat, emellett nagy hangsúlyt kapnak a programozási ismeretek, amelyeknek a tanulmányai során és remélhetőleg végzett mérnökként is hasznát veszi majd.

Kutatási témájával egy szabadon választható tantárgy keretében került kapcsolatba: a nagy teljesítményű számítástechnika alapjairól szóló kurzust (Bevezetés a dinamikai rendszerekbe és hardverre optimalizált numerikus módszereikbe) későbbi konzulense, Hegedűs Ferenc hirdette meg azzal a céllal, hogy hallgatókat is bevonjon a témával kapcsolatos kutatásokba. „Egy szabadon választott feladat programozási kihívásait kellett megoldanunk” – idézte fel az egyetemi tantárgy követelményeit Kozák Áron. „Nagyon érdekelt a téma, így készítettem egy olyan számítógépes programot, amely kirajzolja a Mandelbrot-halmazt. Az első félévben minden ’újdonsült’ mechatronikai mérnökszakos hallgató is végrehajtja ezt a feladatot egy kötelező kurzus keretében, ám én ezt a műveletet az órán tanultak alapján nagyságrendekkel gyorsabban tudtam elvégezni. Ezután kaptam felkérés Hegedűs Ferenctől, aki programozásban jártas hallgatókat keresett a tudományos munkájához.”

Kozák Áron Mandelbrot rajzolója

Kozák Áron néhány hónappal később kapcsolódott be a tanszéken zajló szonokémiai kutatásokba, amelynek keretében a szakemberek nagyon apró, mindössze néhány mikrométer átmérőjű buborékokat kémiai reaktorként próbálnak alkalmazni. Hidrogéngyártás során egy adott folyadékban (pl. vízben) oxigén vagy argon tartalmú, előre meghatározott mikroméretű buborékokat hoznak létre. E folyamat megvalósítására már léteznek technológiák, amelyeket korábban fémhabok vagy gyógyszerek gyártásához fejlesztettek ki. A kutatók – általában – szinuszos ultrahanggal hozzák rezgésbe a létrehozott buborékokat, amelyek a radiális pulzálásuk során előbb kitágulnak, majd hirtelen összeroppannak. „Tágulás közben víz tud bepárologni a buborékon belülre, majd az összeroppanás során a buborék belsejében jelentős nyomás- és akár több ezer Kelvin-fokos hőmérsékletemelkedés megy végbe. Ilyen körülmények között a víz hidrogénre és oxigénre disszociál, vagyis végbemegy a hidrogéntermelés folyamata” – ecsetelte a vizsgálatok részleteiről Kozák Áron. A Gábor Dénes ösztöndíjas hallgató a buborékokban lejátszódó kémiai folyamatokat számítógépen szimulálja, emellett megoldásokat javasol a módszer energiahatékonyságának optimalizálására. Kozák Áron kifejtette, hogy vizsgálatai hozzájárulnak a kutatócsoport egyik fő célterületéhez is: a szakemberek a műtrágyagyártás alapanyagainak (ammónia, ammónium-nitrát vagy karbamid) metánmentes előállításán dolgoznak víz, levegő, szén-dioxid és ultrahangos távadók segítésével.

Illusztráció egy szimuláció eredményéről: kékkel jelölve a buborék sugara, pirossal a hőmérséklete, lent a kémiai anyagok anyagmennyisége látható. (Forrás: Kozák Áron TDK pályamunkája)

A hidrogéngyártás előállítása során jelenleg az energiaköltségek jelentik az egyik legfőbb megoldandó mérnöki kihívást. A hidrogén nagy részét jelenleg szénhidrogénekből állítják elő, például földgáz gőzreformálása lévén, ami egyben jelentős szén-dioxid kibocsátással is jár. A folyamathoz felhasznált, egyébként nem megújuló nyersanyagforrást az Európai Unión kívülről importálják, emiatt a kutatók célja részben az, hogy a hidrogéngyártás folyamatát minél inkább „zöldebb útra” tereljék.

Kozák Áron elárulta, hogy elméleti számításai során meghatározza, mekkora energia szükséges a buborékok rezgésbe hozásához, emellett numerikus szimulációk segítségével megállapítja a buborékokban keletkező hidrogén mennyiségét. E két érték elosztásából már egy olyan eredményt kap, amely direktben összevethető más egyéb módszerekkel, valamint a hidrogén égéshőjével is. Áron ehhez olyan modellt használt, amely csak egy darab gömbszimmetrikus, homogén belsejű buborékot vesz górcső alá, és egy közönséges differenciálegyenlettel is leírható. „A látszólagos egyszerűség ellenére a modell nagyon bonyolult. Pályamunkámban közel 60 egyenletre bontottam a folyamatot, ugyanis a buborék dinamikáján túl szükségesek a termodinamikával és a párolgással kapcsolatos számítások is, és ki kell számolni a buborékfalnál fellépő hővezetés is. Arról nem is beszélve, hogy a reakciómechanizmusban 11 vegyület között 29 reakció megy végbe. A folyamatokat leíró differenciálegyenletek ráadásul úgynevezett merev viselkedésűek, azaz numerikus megoldása rendkívül számításigényes. A feladatot tovább bonyolítja, hogy az optimalizálási számításokhoz a szimulációt többször is le kell futtatni bizonyos kontrol paraméterek (például buborék mérete, gerjesztés mértéke, környezeti nyomás, hőmérséklet stb.) finomítása, állítása után” – ecsetelte elméleti kutatómunkája részleteiről Kozák Áron.

A fiatal mérnökhallgató beszámolójából kiderült, hogy a megoldandó energiahatékonysági kérdések miatt a folyamat ipari alkalmazása egyelőre még nem valósult meg. A kutatócsoport emiatt pontosan ezen energetikai kérdések javításán dolgozik. A műegyetemi hallgató hangsúlyozta, hogy a hidrogén a fenntartható jövő szempontjából is egy nagyon fontos tényező, ugyanis az Európai Unió 2030-ig előirányozta évi tízmillió tonna belföldi és ugyanennyi importált, teljesen szén-dioxidmentes hidrogén előállítását. A megújuló energiaforrások változó időjárás okozta teljesítményingadozásának kiegyenlítése miatt szükség lenne például hidrogénes csúcserőművekre és energiatárolókra is. A hidrogén ezek mellett zöld üzemanyagként is alkalmazható, főként azokban a nagyobb járművekben, amelyekben a lítium-ion akkumulátorok kevésbé bizonyulnak jó megoldásnak (például kamionok, vonatok vagy repülők esetében). Kozák Áron szerint a szakemberek vizsgálják azt a feltevést, miszerint a hidrogén a globális emesszió jelenleg 7%-áért felelős acélgyártást is karbonsemlegessé teheti. A hidrogén nélkülözhetetlen összetevője a mezőgazdaságnak is: a műtrágya egyik fő alapanyaga az ammónia összetevőjeként.

Részlet Kozák Áron szakmai prezentációjából, képen a hidrogéngyártással kapcsolatos folyamatok

A díjazott hallgató a kutatási téma komolyságára reflektálva elmondta, hogy a vízbontással történő hidrogéngyártás kutatása terén is nagy a verseny. A szakemberek körében legelterjedtebb eljárás az elektrolizálás, amely jelenleg 70%-os (laboratóriumi irányított körülmények között ennél valamivel magasabb) hatásfokkal működik.

A hidrogéngyártással kapcsolatban figyelemreméltó szerep jut a termokémiának is. A folyamat során – akárcsak a buborékok belsejében – hőmérséklet hatására a víz hidrogén és oxigén elemekre esik szét. A reakciót végrehajtó berendezés kímélésére valamilyen fém-oxid is részt vesz a reakcióban: ezt zárt körbe vezetik be, így alacsonyabb hőfokon is végbemehet a folyamat. A módszer előnye, hogy közvetlenül hőből állít elő hidrogént (például koncentrált napfény erőműben vagy atomerőműben).

„A vegyiparban még nem használják, ám az ultrahanggal gerjesztett buborékoknak akusztikus kavitáció néven vannak már meglévő ipari alkalmazásai. Használják többek között szennyvízkezelésre és sterilizálásra az élelmiszeriparban, illetve mostanában kezdték meg a klinikai tesztjét egy ultrahangos rákkezelésnek, ami kemo- és sugárterápiával gyógyíthatatlan ráktípusokat hívatott kezelni” – avatott be a téma további részleteibe és érdekességeibe Kozák Áron. Elárulta, hogy alapképzéses szakdolgozatát is e kutatási téma részleteiről tervezi elkészíteni, ezentúl szívesen részt vállal a témával kapcsolatos tudományos publikációk megírásában is. Jelenleg azon dolgozik, hogy a számítógépes programja szoftverkódját olyan formátumúvá alakítsa, hogy az mások számára is elérhető és hasznosítható legyen saját kutatásaikban.

Kozák Áron hamarosan befejezi alapképzését a Műegyetemen. Mindenképpen továbbtanul, ám azt még nem döntötte el, hogy belföldön és a Műegyetemen gépészeti modellezés mesterszakán, vagy külföldön folytatja tanulmányait. Most úgy látja, hogy a diploma megszerzése után az iparban szeretne munkát vállalni. „Nyitott vagyok minden lehetőségre, és meglátjuk, mit tartogat még a jövő. Most a mesterképzésre koncentrálok, mindenképpen szeretnék továbbtanulni” – zárta gondolatait a bme.hu-nak adott interjúban Kozák Áron.

TZS-KJ

Fotók forrása: NOVOFER Alapítvány és Kozák Áron