N2-0361 Večnivojske raziskave zajemanja emisij ogljika in termodinamskih ciklov
Oznaka in naziv projekta: N2-0361 Večnivojske raziskave zajemanja emisij ogljika in termodinamskih ciklov (Multiscale investigations of carbon emissions capture and thermodynamic cycles)
Akronim: MultiCO2
Gre za sofinanciranje prilagojenega raziskovalnega projekta v okviru komplementarne sheme za prijave na razpise Evropskega raziskovalnega sveta (ERC) »Call for Proposals for ERC Consolidator Grant (ERC-2023-COG)« Naslov ERC projekta: Multiscale Investigations on Design and Performance Improvement of an S-CO2 Mixture Brayton Power Cycle (POWERCO2)
Namen javnega razpisa je, da se prijaviteljem zagotovi pogoje, da izpopolnijo lastno znanstveno odličnost in prvotno idejo raziskovalnega projekta.
Vrednost prilagojenega projekta: 50.000 eur
Trajanje prilagojenega projekta: 1. 4. 2024 do 31. 3. 2027
Ključne besede: Emisije toplogrednih plinov, proizvodnja energije, termodinamski cikli, delovni fluidi na osnovi CO2, simulacijski in optimizacijski pristop, zajem, shranjevanje in uporaba CO2, organski porozni materiali, največja učinkovitost, ekonomska upravičenost
Projektna skupina
Vodja prilagojenega projekta: izr. prof. dr. Lidija Čuček
Prijavitelj: Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Vsebinski opis projekta:
Za uravnoteženje naraščajočega povpraševanja po energiji z zmanjševanjem škodljivih vplivov na okolje je potrebno v energetske sisteme v zadostni meri vključiti obnovljive in odpadne vire. Optimizacija različnih vrst termodinamskih ciklov, kot so super kritični vodno-parni Rankinov cikel, Braytonov cikel in drugi napredni cikli, je zato ključnega pomena. Zlasti Braytonov cikel je znan po svojih zmožnostih doseganja višjih izkoristkov pri pretvorbi toplote v električno energijo pri zmernih temperaturah, čeprav je glede njegove uporabe v velikem obsegu še vedno nerešenih mnogo tehnoloških vprašanj. Ogljikov dioksid (CO2) in njegove mešanice imajo v primerjavi z drugimi delovnimi tekočinami številne prednosti pri uporabi v tovrstnih termodinamskih ciklih. Kljub številnim prizadevanjem za razvoj učinkovitih in stroškovno sprejemljivih rešitev za boj proti podnebnim spremembam, se zajemanje CO2 še vedno sooča s številnimi težavami in ostaja ena najbolj zahtevnih možnosti blaženja podnebnih sprememb. Vprašljivi so tudi ekonomska upravičenost, vpliv na okolje in trajnost prej omenjenih tehnologij. Reševanje teh izzivov je pomembno za zmanjšanje problema energetske krize in podnebnih sprememb.
Predlagani projekt se zato osredotoča na raziskave termodinamskih ciklov iz vidika učinkovitosti različnih mešanic na osnovi CO2 in fleksibilnosti povezovanja ciklov z različnimi obnovljivimi viri toplote z namenom oblikovanja integriranega energetskega sistema. Raziskava bo obravnavala tudi nekatere izzive zajemanja in shranjevanja CO2. S tega vidika bo raziskana sinteza naprednih organskih poroznih materialov (organic framework materials, OFM) za zajemanje in shranjevanje CO2 za zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, vključno z modifikacijo organskih ligandov. Projektne dejavnosti bodo osredotočene na izboljšanje učinkovitosti naprednih termodinamskih ciklov, prav tako bodo z modifikacijo organskih ligandov in tehnološkimi inovacijami zagotovile nova spoznanja o zajemanju in shranjevanju CO2 z organskimi poroznimi materiali. Delo bo razdeljeno na dva dela: i) razvoj procesnih modelov za izboljšanje termodinamskih ciklov na osnovi mešanic CO2 in ii) sinteza organskih poroznih materialov za selektivno zajemanje in shranjevanje CO2.
Projekt MultiCO2 združuje teoretične študije, napredne simulacijske in optimizacijske tehnike ter eksperimentalno sintezo za izboljšanje razumevanja parametrov in spremenljivk, ki prispevajo k naprednim termodinamskim ciklom na osnovi mešanic fluidov s CO2 kot delovnih mešanic. Izvedene bodo sledeče aktivnosti: najprej bodo modelirani termodinamski cikli (npr. Braytonov, Rankinov), povezani z obnovljivimi viri toplote, pri čemer bodo uporabljeni različni kriteriji, kot so največja učinkovitost ter ekonomska upravičenost. Nadalje bodo za primerjavo učinkovitosti različnih mešanic fluidov na osnovi CO2 izdelani zanesljivi in natančni modeli za napovedovanje in ocenjevanje njihovih termodinamskih lastnosti. Poleg tega bo raziskana sinteza organskih poroznih materialov za selektivno zajemanje in shranjevanje CO2, s poudarkom na testiranju in modifikaciji izbranih organskih ligandov. Modificirani organski gradniki oz. ligandi bodo karakterizirani in nadalje uporabljeni za sintezo organskih poroznih materialov s klasično metodo šaržne sinteze in napredno metodo kontinuirne sinteze v mikro-reaktorjih. Proizvedeni organski porozni materiali bodo karakterizirani in preizkušeni v različnih aplikacijah, kot je zajemanje in shranjevanje CO2. Zaradi širšega obsega projekta bodo raziskane nekatere reprezentativne možnosti modeliranja termodinamskih sistemov, analize različnih mešanic fluidov na osnovi CO2 in sinteza organskih poroznih materialov.
Program dela oziroma cilji na raziskovalnem projektu:
WP1: Optimizacija delovanja termodinamskih ciklov z uporabo CO₂ mešanic
- Naloga 1.1: Napoved lastnosti CO₂ mešanic
- Naloga 1.2: Integracija ciklov z viri toplote
- Naloga 1.3: Superstruktura in optimizacija ciklov
WP2: Sinteza organskih ogrodnih materialov (OFM) za selektivni zajem CO₂
- Naloga 2.1: Izbor organskih gradnikov
- Naloga 2.2: Sinteza in karakterizacija OFM
- Naloga 2.3: Testiranje OFM za zajem CO₂
Reference:
Izvirni znanstveni članki:
- Ocena okoljskih vplivov organskega Rankinovega cikla z izrabo odpadne toplote iz aluminijske industrije, COBISS: 239290883
- Valorizacija biomase z anaerobno digestijo in hidrotermalno karbonizacijo: integrirana optimizacija procesne sheme in omrežja dobavne verige, COBISS: 223256323
- Vloga biorazgradljivih plastik v trajnostnem gospodarstvu: napredek in izzivi, COBISS: 261527555
- Povečanje vključenosti potrošnikov pri zmanjševanju plastičnih odpadkov: Stackelbergov pristop, COBISS: 250404611
- Imobilizirani CuCl₂/TiO₂ fotokatalizatorji za selektivno oksidacijo benzilnega alkohola v benzaldehid, COBISS:
- Enzyme-Assisted Extraction of Pectin: A Sustainable Alternative to Conventional Techniques, COBISS: 261547267
Konference:
- Hidrotermalna sinteza in karakterizacija kovinsko-organskih poroznih materialov, Slovenski kemijski dnevi 2025, COBISS: 249929987
- Ocena ogljičnega odtisa solarno-podprtega organskega Rankinovega cikla z maksimalno proizvodnjo energije, PRES’24, COBISS: 211413251
- Optimizacija rabe energije in izrabe odpadne toplote pri ravnanju s plastičnimi odpadki z uporabo programa TRNSYS, 28th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction 24th – 27th August 2025, COBISS: 250414339
- Environmental impact evaluation of biomass-based steam rankine cycle, 7th TBMCE 2024, COBISS: 208261379
- Development of a carbon footprint evaluation tool for the Slovenian healthcare sector, 8th TBMCE 2025, COBISS: 252626435
- A review of carbon footprint and decarbonization efforts in healthcare, 8th TBMCE 2025, COBISS: 252894979
Druge reference:
- Primerjalna ocena okoljskih vplivov obstoječega in novega sistema za obdelavo hladilne vode : analiza življenjskega cikla (LCA),
COBISS: 250664451
- Ocena življenjskega cikla pametne samočistilne steklenice za vodo, COBISS: 224361219
• izvedba eksperimentalnih študij sinteze kovinsko-organskih ogrodij (MOF) z različnimi kovinskimi ioni, ligandi in alternativnimi topili (vključno z globoko evtektičnimi topili),
• celovita fizikalno-kemijska karakterizacija materialov (XRD, SEM, BET, FTIR, TGA) ter vzpostavitev nabora materialov za nadaljnje raziskave adsorpcije CO₂,
• razvoj in validacija eksperimentalnega sistema za generiranje plinskih zmesi ter izvedba preliminarnih adsorpcijskih eksperimentov,
• razvoj matematičnih in termodinamskih modelov za napoved ključnih lastnosti delovnih fluidov (npr. entalpija, tlak nasičenja, toplotna kapaciteta)
kot funkcij temperature, tlaka in sestave zmesi, ki omogočajo zanesljive predikcije in predstavljajo osnovo za optimizacijo procesov,
• razvoj pristopov za optimizacijo energetskih sistemov in oskrbovalnih mrež, vključno s hkratnim optimiranjem procesnih shem in dobavnih verig, z okoljskega in ekonomskega vidika,
• modeliranje in simulacija naprednih energetskih in procesnih sistemov a vključevanjem CO₂ kot surovine ter analiza možnosti za njihovo učinkovito izrabo,
• priprava izhodišč za nadaljnjo optimizacijo procesnih pogojev ter nadgradnjo eksperimentalnih in modelnih pristopov v naslednji fazi projekta.
• prenos razvitih metodologij na realne sisteme kot podpora odločanju pri uvajanju nizkoogljičnih tehnologij.
Diseminacija rezultatov:
• predstavitev rezultatov na mednarodnih in domačih konferencah (ESCAPE, PRES, TBMCE, SPIL, SDEWES, SKD)
• aktivno sodelovanje pri diseminaciji rezultatov in vzpostavljanju novih raziskovalnih povezav.
Razvoj kadrov:
• vključevanje rezultatov v pedagoški proces ter mentorstvo pri zaključnih delih (diplomske, magistrske in doktorske naloge),
• izvajanje doktorskih raziskav na področjih večkriterijskega optimiranja energetskih sistemov v industrijskem in stanovanjskem sektorju ter sinteze trajnostnih sistemov za proizvodnjo energije in materialov iz obnovljivih in odpadnih virov,
• krepitev raziskovalne skupine s vključevanjem mlajših raziskovalcev in prenos znanja,
• sistematično vzpostavljanje interdisciplinarne raziskovalne ekipe, ki podpira razvoj samostojnih raziskovalnih smeri in dolgoročno raziskovalno odličnost.
Projektne in druge aktivnosti:
• priprava in oddaja projektnih predlogov, ki temeljijo na razvitih metodologijah in rezultatih projekta (npr. CarbNets, E-FUSION – odobren, BICYCLE in drugi)
• izvedba analiz življenjskega cikla (LCA) za različne sisteme in procese, vključno z aplikacijami v gospodarstvu,
• aktivno sodelovanje raziskovalne skupine v več nacionalnih in mednarodnih projektih s področja trajnostnih procesov, materialov in nizkoogljičnih tehnologij
• izvedene raziskovalne mobilnosti na tujih univerzah in raziskovalnih institucijah, ki so omogočile prenos znanja, dostop do napredne raziskovalne opreme ter vzpostavitev novih raziskovalnih povezav.