Môže zhutňovanie biomasy šetriť svet? Presvedčili sme sa, že áno
Nie je to len o ušetrení miesta; veľkou výhodou je zaručená kvalita tuhých biopalív, dlhodobá skladovateľnosť tejto obnoviteľnej energie, ale aj redukcia prepravných a manipulačných nákladov. Napríklad aj skartovaný papier; v podobe brikiet sa do recyklačných závodov nevozí vzduch, ale kamióny plne naložené stlačeným materiálom. Informácie nám poskytol docent Miloš Matúš z Ústavu výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality Strojníckej fakulty STU. Spoluzakladal laboratórium, o ktorom bude nasledujúca reportáž.
Laboratórium na spracovanie biomasy sa zaoberá technológiami jej úpravy a zhutňovania. Jeho nosným zariadením je závitovkový briketovací lis, vyvinutý na Ústave výrobných systémov, environmentálnej techniky a manažmentu kvality a pokrytý niekoľkými patentmi. Takisto sú v laboratóriu inštalované moderné počítačom riadené linky na briketovanie a peletovanie biomasy, ktoré sú vybavené drvičom biomasy a niekoľkými druhmi lisov: peletovacím, hydraulickým briketovacím, závitovkovým briketovacím. Takisto je v ňom sušiareň na úpravu vlhkosti výstupného produktu, dopravníky, zásobníky a chladič peliet s triedením.
Toto laboratórium je na Slovensku unikát, a to hneď z dvoch dôvodov. Prvým je výskumná komplexnosť od úpravy biomasy cez produkciu tuhých biopalív až po kontrolu ich kvality, a druhým, že stroje v laboratóriu sú produkčné, aby pri výskume verne odzrkadľovali technologické podmienky priemyselnej výroby. Ako však hovorí docent Miloš Matúš, jeden z jeho zakladateľov, technológiou zhutňovania biomasy sa jeho starší kolegovia zaoberali už dávno pred jeho vznikom. „Ja som nastúpil ako diplomant pred pätnástimi rokmi, a moji súčasní kolegovia už vtedy projektovali výrobné linky a zaoberali sa danou technológiou. Postupne, ako sa rozrastal odborný kolektív, stupňovala sa potreba vybudovania špecializovaného laboratória, ktoré by výskum týchto technológií komplexne zastrešovalo,“ vysvetľuje.
Garantom pri vzniku laboratória bol profesor Šooš, ktorý je v súčasnosti dekanom Strojníckej fakulty. „On začal s daným výskumom už pred rokmi; ja som nastúpil ako jeho diplomant, pri ňom som sa do celej problematiky zasvätil a zostal som pri nej. Podieľal som sa na založení tohto laboratória, intenzívne spolupracujem aj s docentom Križanom, zamerali sme sa na technológie briketovania a peletovania. Máme však aj množstvo iných kolegov, ktorí sa zaoberajú parciálnymi úlohami, či už je to vývoj konštrukcií strojov, alebo rôzne fázy úpravy biomasy.“
Dopyt po biopalivách stúpa, drevnej biomasy ubúda
Prechádzame popri briketovacej a peletovacej linke; docent Matúš vysvetľuje, že sa to celé začalo v roku 2011. „Bežal projekt zo štrukturálnych fondov, do ktorého sme sa zapojili, a v rámci neho bola linka vybudovaná. Naprojektovali sme ju, dodávateľ zabezpečil technológie a nasledovalo dopĺňanie ďalších strojov,“ vysvetľuje ďalej s tým, že v danej oblasti môžeme pozorovať tri etapy výskumu. Prvou je výskum technológií úpravy a zhutňovania biomasy, čo nemusí končiť výhradne pri biopalivách. Keď je už na svete „recept“, ako biomasu upraviť do požadovaného produktu, pristupuje sa ku konštrukcii a návrhu nových, progresívnejších strojov; tie, ktoré sa v súčasnosti komerčne vyrábajú, totiž slúžia predovšetkým na spracovanie drevnej biomasy, ktorej voľný potenciál však postupne klesá, naopak dopyt po biopalivách neustále stúpa. Z praxe prichádzajú ďalšie a ďalšie požiadavky na briketovanie a peletovanie nových druhov biomasy; nie všetky stroje, ktoré sú momentálne na trhu, je však možné využiť uvedeným spôsobom. Preto neustále vyvíjajú nové konštrukcie, doslova šité na mieru pre daný materiál. Treťou oblasťou je už konkrétny návrh celých liniek.
V skratke to teda funguje nasledovne: vyskúma sa technológia, navrhne sa „recept“, ktorý je možné uplatniť pre vznik kvalitného produktu, vyvinú sa nové konštrukcie strojov, a napokon sa podľa požiadaviek zákazníka navrhne celá linka.
Pýtam sa teda na samotný kľúčový pojem; čo presne znamená biomasa a aké druhy poznáme. „My sa zaoberáme iba tuhou. Sem patrí drevná biomasa, fytomasa, odpad z poľnohospodárstva, zo spracovania poľnohospodárskych plodín. Napríklad slama, kakaové šupky či šupky zo semien slnečnice a podobne,“ vysvetľuje docent s tým, že najmä odpad z poľnohospodárstva predstavuje nielen u nás, ale aj v okolitých krajinách značný potenciál.
Zhutnenie biomasy nie je len o ušetrení miesta
Tuhé zhutnené biopalivá majú množstvo výhod: zaručenú vysokú energetickú hustotu, bezprašnosť pri manipulácii, prakticky neobmedzenú skladovateľnosť a niektoré sú vďaka svojmu tvaru uplatniteľné pre automatizované systémy spaľovania. Nie každý jednodruhový odpad je však možné spracovať do kvalitného tuhého biopaliva; kvalita tuhých biopalív je totiž definovaná normami, ktoré je nutné dodržať na to, aby bol výsledný produkt vôbec zobchodovateľný. „Často skúmame kompozity – napríklad zmes rôznych druhov biomasy v rôznych pomeroch tak, aby konečný výsledok spomínané normy spĺňal,“ vysvetľuje docent Matúš.
Podobným spôsobom sa vyrábajú napríklad krmivá pre hospodárske zvieratá; niektoré materiály sa zasa zhutňujú do tvaru peliet a brikiet ešte pred ďalším spracovaním, nakoľko pri tomto postupe je veľkou výhodou redukcia prepravných a manipulačných nákladov. Napríklad si vezmime skartovaný papier; v podobe brikiet sa do recyklačných závodov nevozí takpovediac vzduch, ale kamióny plne naložené stlačeným materiálom. Ďalšou výhodou je zabránenie biodegradačným procesom; ak sa daná biomasa zhutní, svojím spôsobom je zakonzervovaná a nedochádza k žiadnemu znehodnoteniu pod vplyvom atmosférickej vlhkosti, napríklad k zvetrávaniu. A je tu aj ekologický aspekt; čím menej vzduchu sa vďaka zhutneniu vozí, tým menej emisií vzniká, čím sa šetrí nielen palivo, ale následne aj životné prostredie.
Ako spomínam vyššie, toto laboratórium je na Slovensku unikát. „Integruje v sebe technológiu briketovania aj peletovania, samozrejme aj všetky tomu predchádzajúce technológie úpravy tuhej biomasy. Zároveň je k nemu pridružené laboratórium kontroly tuhých biopalív,“ hovorí docent s tým, že by sa bez neho nezaobišli. Jedna vec je totiž vyprodukovať palivo určitej kvality a druhá vec je danú kvalitu skontrolovať, či je v súlade s platnými normami. Postup je teda takýto: v laboratóriu spracovania tuhej biomasy sa najprv vyrobí produkt, ktorý sa hneď nato odnesie do laboratória kontroly tuhých biopalív, kde sa otestuje, vyskúšajú sa parametre, a hneď online sa nastaví celá technologická linka. Ak je potrebné parametre zmeniť, tak sa v tejto fáze zmenia. O online nastavení hovoríme preto, lebo linka stále beží; kvalita paliva sa priebežne kontroluje a akonáhle zodpovedný pracovník usúdi, že treba niečo upraviť, hneď sa to aj upraví. Výsledný produkt je vďaka tomuto postupu už v rámci požadovaných parametrov.
Patentovo úspešní
Ďalej sa dostávame k otázke patentov; laboratórium spracovania biomasy ich má vyše dvadsať. Pýtam sa teda, či zvykne byť na začiatku patentu unikátny nápad, a napodiv sa dozvedám, že nie natoľko nápad, ako skôr problém. „Východisková situácia býva taká, že existujú stroje a zariadenia, ale nedajú sa uplatniť na všetko. Či už na všetky druhy biomasy, alebo sa vyskytne komplikácia z hľadiska opotrebovania funkčných častí, alebo chýba požadovaná efektivita z hľadiska energie.“ Následne teda vyvstáva potreba daný problém riešiť, hľadá sa technicky vyhovujúca možnosť; keďže si svoje laboratórium a jeho technológiu vedci poznajú, dokážu potrebné nové technologické riešenia navrhnúť. Ďalším krokom je vznik spomínaných patentov v papierovej podobe. „Ešte predtým však podrobne rozpracujeme konštrukciu daného zariadenia a zhotovíme funkčný model, na ktorom sa overuje princíp. Následne sa navrhne prototyp zariadenia, ktorý môže ísť do výroby.“
Nasleduje testovanie. Navrhnúť novinku je totiž jedna vec, treba však na nej ešte takpovediac vychytať muchy. Na funkčných modeloch a prototypoch sa počas obdobia testovania nielen odstraňujú nedostatky, ale tiež sa optimalizuje konštrukcia nielen z hľadiska kvality produkcie, ale najmä z hľadiska minimalizácie nákladov na výrobu. „Prototyp, ktorý vyrobíme, je osadený množstvom snímačov, senzorov, ktoré celý proces práce daného stroja sledujú. Až na základe vyhodnotenia potom vieme povedať, čo je možné ešte zoptimalizovať,“ hovorí docent.
Celý proces od zaznamenania konkrétneho problému cez realizáciu riešenia až po papierovú podobu patentu nie je možné z hľadiska dĺžky trvania ani paušalizovať, ani vopred odhadnúť. A ani sa vždy nedá presne naplánovať požiadavka na ochranu patentom. „Niektoré myšlienky dávame chrániť až v okamihu, keď máme overený princíp, že to naozaj funguje, niektoré však ešte oveľa skôr.“ Závisí to od toho, či usúdia, že ten-ktorý nápad je nutné najskôr v praxi preskúmať a zistiť, či má zmysel o patente vôbec uvažovať.
Najnovší patent, ktorý sa laboratóriu zadaril, je zhutňovací stroj - obrátená kinematika závitovkového lisu. V súčasnosti sa už vyrába funkčný model a na budúci rok by mali začať prebiehať prvé skúšky; ak všetko dobre dopadne, nasledovať bude výroba prototypu zariadenia a v spolupráci so spriatelenou výrobnou spoločnosťou začnú prototyp dlhodobo testovať; spoločnosť ho zaradí do svojej výroby tuhých biopalív a budú prebiehať dlhodobé skúšky a prípadné optimalizácie.
Záujem o absolventov je veľký
V laboratóriu spracovania biomasy sú častým javom exkurzie, najmä pre stredoškolákov. „Celkovo k téme exkurzií môžeme spomenúť napríklad Deň otvorených dverí Strojníckej fakulty, Strojársku olympiádu či Grand Prix – tieto akcie zastrešuje dekanát a prichádzajú na ne stredoškoláci, ktorí majú záujem o techniku. Prídu autobusmi z celého Slovenska, fakulta pre nich pripraví program vrátane prezentácie laboratórií, cez ktoré potom prechádzajú v organizovaných skupinách a sledujú ukážky fungovania konkrétnych strojov,“ vysvetľuje docent. Dodáva však, že majú aj spoluprácu s konkrétnymi strednými školami, ktorým robia exkurzie a obhliadky laboratórií z opačnej strany, teda na ich požiadanie.
Ešte sa pristavujem pri otázke bezpečnosti; docent Matúš mi však ihneď odpovedá, že všetko, čo sa robí v laboratóriu na spracovanie biomasy, je bezpečné, i keď pomerne prašné. A to podľa toho, aký materiál sa práve spracúva.
Študenti, ktorí k nim nastúpia, nezvyknú mať ešte prehľad o tom, ako biopalivo vzniká, ako sa vyrábajú pelety či brikety. „Tým, že robíme spomínané exkurzie či dni otvorených dverí, majú možnosť do istej miery vopred vidieť, ako to funguje, porozprávať sa, ak majú záujem. Neskôr, od tretieho ročníka, sa môžu zapájať aj do výskumných projektov, kde svojimi bakalárskymi či neskôr diplomovými prácami na nich priamo participujú.“ Ich témy sú totiž priamo naviazané či už na konkrétnu úlohu z praxe, alebo na výskumné projekty, ktorými sa práve zaoberajú. „Ak dostanú nejakú z oblasti biopalív, každý jeden z nich sa ocitne na našej linke.“
V tomto bode sa prirodzene dostávame k otázke vychovávania nástupcov; pokles počtu záujemcov o štúdium je už do istej miery otrepaná téma, boria sa s ním všade. Po absolventoch strojariny je však neuveriteľný dopyt zo strany komerčných spoločností. „Chodia sem zástupcovia firiem priamo za študentmi, drvivá väčšina z nich je už zamestnaná na čiastočný úväzok, a to ešte ani neskončili školu. Máme tak v istom zmysel sťaženú pozíciu; tie firmy im platia štipendiá, ponúkajú im tréningové programy... je o nich vonku taký veľký záujem, že je pre nás ťažké udržať ich tu na doktorandúre.“
Na jednej strane takýto záujem poteší, na druhej strane môže paradoxne predstavovať aj problém. Pýtam sa teda docenta Matúša, prečo sa on rozhodol zostať. „Nad týmto som sa veru veľakrát zamýšľal,“ hovorí so smiechom. „Zostal som však preto, lebo som ako doktorand v tejto oblasti videl perspektívu, osobne ma bavila konštrukcia strojov. Na nových konštrukciách zhutňovacích strojov som spolupracoval už ako diplomant, s profesorom Šoošom sa ako s vedúcim mojej diplomovky veľmi dobre pracovalo, bol som zapájaný do rôznych projektov, a rozhodol som sa, že zostanem a uvidím. Práca na fakulte ma napĺňa, je to pestré, robím výskum, učím, je to presne to, čo som vždy chcel. Som spokojný.“
Text a foto: Katarína Macková
S využitím technického vybavenia laboratória boli riešené tieto projekty:
- PRAXIS - European Center for Project/Internship Excellence (518811-LLP-1-2011-1-PT-ERASMUS-ENW)
- CERREC - Central Europe Repair & Re-use Centres and Networks (3CE278P3)
- WASTRE - On-Line Learning Modules for Waste treatment, Waste disposal and Waste recycling (113101621)
- APVV - Výskum trvanlivosti nástrojov progresívnej konštrukcie zhutňovacieho stroja a vývoj adaptívneho riadenia procesu zhutňovania (APVV 0857-12)
- Recyklačný fond - Výskum technológií progresívneho zhodnocovania odpadov zo starých vozidiel (1103/11/10)
- EŠF - Vývoj progresívnej technológie zhutňovania biomasy a výroba prototypov a vysokoproduktívnych nástrojov (ITMS 26240220017)
- APVV - Vplyv kvality biopaliva na emisie plynov a emisie tuhých častíc z domácich kotlov (APVV SK-PT-2015-0033)
- APVV - Vývoj nízkoemisných palív zo zvyškov biomasy (APVV SK-PL-2015-0059)
- APVV - Nástroje na zhutňovanie biomasy odlievané z progresívnych oteruvzdorných liatin (APVV-16-0485)
- APVV - Vývoj originálnej konštrukcie zhutňovacieho lisu s obrátenou kinematikou (APVV-18-0505)
- VEGA - Stanovenie a výskum vplyvu parametrov v procese zhutňovania odpadovej biomasy na výslednú kvalitu výliskov (VEGA č. 1/0420/16)
- VEGA - Výskum silových pomerov počas zhutňovania biomasy a tvarová optimalizácia lisovacích nástrojov zhutňovacích strojov (VEGA č. 1/0085/19)
- Grant STU - Výskum trvanlivosti geometricky zložitých zhutňovacích nástrojov a technologicko-ekonomická optimalizácia ich výroby (Program na podporu excelentných tímov mladých výskumníkov v podmienkach Slovenskej technickej univerzity v Bratislave)
- Grant STU - Výskum a vývoj progresívneho kompozitného paliva na báze odpadovej fytomasy a návrh technológie na jeho priemyselnú produkciu (Program na podporu tímových projektov mladých výskumníkov)
- KEGA - Rozšírenie možností virtuálneho laboratória pre podporu výučby technológií spracovania a energetického využívania obnoviteľných energonosičov (KEGA - 059STU-4/2013)
- KEGA - Tvorba a zavedenie inovatívnych nástrojov pre podporu vzdelávania v oblasti environmentálnych a výrobných technológií (KEGA č. 058STU-4/2016)