Projekty dotyczące zaawansowanych materiałów dla energetyki finansowane przez sieć M-ERA.NET 3

Projekt ArcAMAT

tytuł: Zaawansowana inżynieria materiałowa dla wytwarzania gazu syntetycznego zawierającego wodór przy użyciu palników plazmowych (ang. Advanced materials engineering for arc plasma-assisted production of hydrogencontaining syngas for clean energy utilization)
kierowniczka polskiego zespołu: dr hab. inż. Beata Dubiel, prof. AGH, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej
partnerzy zagraniczni: Technical University Bergakademie Freiberg (Niemcy), Technical University of Denmark (Dania), DBI-Virtuhcon GmbH (Niemcy)
środki przyznane polskiemu zespołowi: 952 820 zł

Projekt dotyczy innowacyjnych rozwiązań materiałowych umożliwiających opracowanie nowych materiałów na elektrody palników plazmowych stosowanych w procesie zgazowania odpadów. Proces ten umożliwi przekształcanie odpadów w gaz syntezowy zawierający wodór. Oryginalność proponowanego podejścia polega przede wszystkim na zastosowaniu pary wodnej jako gazu tworzącego plazmę. Dzięki temu palniki plazmowe będą pracować bez gazów obojętnych, które zwykle stosowane są do ochrony powierzchni elektrod. Para wodna jest gazem reaktywnym, powodującym przyspieszoną erozję powierzchni elektrod, dlatego trwałość konwencjonalnych elektrod jest zbyt krótka, aby umożliwić ekonomiczną eksploatację palników plazmowych. ArcAMAT ma na celu rozwiązanie tego problemu poprzez opracowanie zaawansowanych materiałów elektrodowych o wysokiej odporności mechanicznej i chemicznej, aby ograniczyć degradację elektrod pod wpływem plazmy łukowej i gazów reaktywnych. Kolejną planowaną innowacją w ramach projektu jest opracowanie nowatorskich elektrod wytwarzanych w procesie przyrostowym – druku 3D. Elektrody te będą posiadały kanały chłodzące zapewniające lepszą wymianę ciepła i zapobiegające uszkodzeniom termicznym. Wydajność nowo opracowanych elektrod zostanie przetestowana w warunkach laboratoryjnych przy użyciu próbek odpadów, które trudno poddać recyklingowi (np. łopaty turbin wiatrowych, zużyte akumulatory, zanieczyszczone odpady tekstylne, wielowarstwowe odpady z tworzyw sztucznych). Nowatorskie elektrody opracowane w projekcie będą charakteryzować się dłuższą trwałością, obniżonymi kosztami eksploatacji oraz umożliwią zwiększenie wydajności procesu zgazowania odpadów i uzyskanie wysokiej jakości gazu syntezowego.

Projekt HYPHAD

tytuł: Projektowanie wodorków metali o parametrach aplikacyjnych przy wykorzystaniu uczenia maszynowego (ang. Machine Learning-Assisted Design of Metal Hydride Alloys for Hydrogen Applications using CALPHAD Predictive Modelling)
kierownik polskiego zespołu: dr hab. Łukasz Gondek, prof. AGH, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
partnerzy zagraniczni: Korea Institute of Energy Technology (Korea Południowa), Fraunhofer IFAM (Niemcy), Wonil T&I Co., Ltd (Korea Południowa)
środki przyznane polskiemu zespołowi: 768 612 zł

Wodorki metali wykazują ogromne zalety w wielu zastosowaniach, np. do przechowywania wodoru, sprężania wodoru, oczyszczania wodoru lub jako elektrody do baterii niklowo-wodorkowych (NiMH). Opracowywanie stopów mogących stanowić rezerwuary wodoru jest obecnie kosztowne i czasochłonne z uwagi na wykorzystanie metody prób i błędów przy testowaniu kolejnych materiałów. Projekt Materials Genome Initiative, polegający na digitalizacji danych dotyczących materiałów, daje szanse na oparcie badań o przewidywanie właściwości nowych materiałów. Dzięki uczeniu maszynowemu przewidującemu właściwości stanu podstawowego, takie jak stabilność i przerwa energetyczna, można projektować nowe materiały. Jednak w odniesieniu do wodorków metali problem jest bardziej złożony z uwagi na mnogość czynników wpływających na parametry wodorków, w tym warunków aktywacji materiału i tworzenia się wodorków, pojawiających się naprężeń/rozszerzalności, kinetyki sorpcji wodoru, histerezy i nachylenia krzywych koncentracji ciśnienia, stabilności wodorków, czasu życia, stopnia degradacji i utleniania. Aby sprostać tym wyzwaniom, konieczne jest opracowanie uogólnionych modeli uczenia maszynowego, które przewidują te parametry dla różnych pierwiastków w ramach wielkoskalowej strategii symulacji i proponowanych badań. Realizacja projektu pozwoli na kompleksową i szybką ocenę wszystkich niezbędnych parametrów nowych wodorków metali. W ramach HYPHAD zostanie wdrożony wielkoskalowy proces wyszukiwania i projektowania materiałów (wodorków metali) w oparciu o stopy FeTi oraz TiMn2, tak aby zaproponować nowe materiały o lepszych właściwościach. Dzięki opracowaniu własnych baz danych symulacje oparte na sztucznej inteligencji i CALPHAD (obliczanie diagramów fazowych) będą mogły wiarygodnie sugerować pewne klasy materiałów, które należy przetestować w warunkach laboratoryjnych. Zaproponowane związki zostaną poddane walidacji ich parametrów w skali laboratoryjnej, a następnie syntezy i testów na dużą skalę, co pozwoli na udokładnienie algorytmów szukających nowych materiałów. 

***

O finansowanie w konkursie sieci M-ERA.NET 3, których członkami z Polski są Narodowe Centrum Nauki oraz Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, mogły starać się konsorcja międzynarodowe złożone z co najmniej trzech zespołów badawczych pochodzących z różnych krajów biorących udział w konkursie: Austria, Belgia, Bułgaria, Brazylia, Chorwacja, Czechy, Dania, Estonia, Finlandia, Francja, Hiszpania, Izrael, Kanada, Korea Południowa, Litwa, Luksemburg, Łotwa, Niemcy, Norwegia, Polska, Republika Południowej Afryki, Rumunia, Słowacja, Słowenia, Szwecja, Tajwan, Turcja, Węgry, Włochy.

W konkursie zostały złożone 382 wnioski wstępne, a następnie 109 wniosków pełnych. Finansowanie w wysokości 44 mln euro otrzymały ostatecznie 43 międzynarodowe projekty badawcze angażujące 205 zespołów (w tym kilkanaście z Polski, z finansowaniem z NCN lub NCBR).