Úspech Strojníckej fakulty na svetovej výstave Expo Dubaj 2020 (HALÓ TU 2 - 2021/2022)

Slovensku sa podarilo dosiahnuť významný úspech vo vývoji a aplikácii technológie vodíkového pohonu. Zásluhu na tom má tím Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach. S firmou ROŠERO–P, s.r. o., spolupracoval na výrobe prototypu vodíkového autobusu. Model športového automobilu vznikal v spolupráci s firmou MATADOR Group. Obidva prototypy si aktuálne môžu pozrieť návštevníci slovenského pavilónu na výstave Expo 2020 v Dubaji. Pozrime sa spoločne na vznik konceptu vodíkového pohonu a jeho unikátnosť v porovnaní so svetovou konkurenciou.

Areál Expo Dubaj 2020, Spojené arabské emiráty

Prestížna svetová výstava Expo sa tentokrát koná v Dubaji, v Spojených arabských emirátoch. Jej zrod siaha až do roku 1851, kedy bola po prvýkrát zorganizovaná v Londýne. Odvtedy sa uskutočňuje každých 5 rokov. V dôsledku nepriaznivej pandemickej situácie bol termín konania výstavy posunutý a po ročnom odklade otvorilo Expo svoje brány návštevníkom 1. októbra 2021. Za sprievodu bohatého kultúrneho programu, podujatí, stretnutí a rôznych aktivít výstava potrvá do 31. marca 2022. Po prvýkrát v histórii má každá zo 193 zúčastnených krajín vlastný výstavný pavilón.

Ústrednou témou tohto svetového podujatia je „Spájanie myšlienok, vytváranie budúcnosti” („Connecting Minds, Creating the Future“), čím zosobňuje symboly inovácie a progresu. Na hlavnú tému nadväzujú tri podtémy: príležitosť, udržateľnosť a mobilita. Ich úlohou je podporovať internacionálnu spoluprácu, zdieľanie progresívnych myšlienok a posun v inklúzii. Poskytujú zúčastneným krajinám priestor na prezentáciu nápadov, možnosť predstaviť príbehy o víziách do budúcnosti. Voľba tohtoročných podtém je reakciou na súčasné globálne problémy a potreby, ktoré z nich vyplývajú. Slovenský pavilón predstavuje svoje myšlienky a výstupy v rámci zvolenej témy – mobilita.

Hlavným mottom slovenskej expozície je: „Pohyb budúcnosti: vodík, letectvo a vesmír”. Využívame príležitosť predstaviť sa ako krajina, ktorá je pokroková a svojím technologickým vývojom má šancu prispieť v boji proti klimatickým zmenám, a to cestou udržateľnosti a starostlivosti o životné prostredie. Slovenská expozícia je umiestnená na ploche s rozlohou vyše 2 100 m², ktorá je členená na tri podlažia. Pre zaujímavosť spomeňme, že areál výstaviska Expo v Dubaji má rozlohu viac ako 438 hektárov. Návštevníci si v slovenskom pavilóne môžu pozrieť okrem už spomínaného vodíkového autobusu aj 3D model unikátneho projektu čistenia oceánov Ôsmy kontinent autorky Lenky Petrákovej, ale aj koncept vodíkového auta MH2. Práve ono bolo vyvinuté na základe spolupráce firmy MATADOR Group a Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach. V neposlednom rade sa na Expe nachádza aj vesmírny robot Androver a letový VRM simulátor. Slovenský pavilón pripravil pre návštevníkov aj sériu odborných prednášok a workshopov. Účasť na Expe je jedinečná príležitosť pre spoločnosti, ako aj pre akademickú sféru, podeliť sa o najnovšie poznatky a nadviazať cenné kontakty. Zároveň poskytuje možnosť ukázať, že Slovensko má vôľu a intelektuálne kapacity na tvorbu a integráciu inovatívnych technológií, ktoré deklarujú, že nám klimatická situácia nie je ľahostajná.

Ako sme už spomínali, autobus, rovnako ako aj automobil, sú momentálne súčasťou expozície slovenského pavilónu na prehliadke Expo Dubaj 2020. Pán prodekan Strojníckej fakulty TUKE pre inovácie a transfer technológií prof. Ing. Tomáš Brestovič, PhD., nám v rozhovore priblížil, ako prebiehal proces ich zrodu od prvého nápadu až po prototyp. Prezradil nám aj to, ako sa darí fakulte napredovať a aké má plány do budúcnosti.

Stretli sme sa, aby sme prediskutovali ďalší vydarený projekt Strojníckej fakulty TUKE. Na začiatok by ma zaujímalo, ako vnímate vývoj a význam fakulty za posledné roky?

Strojnícka fakulta je jednou z najprosperujúcejších fakúlt na Technickej univerzite v Košiciach, pričom ako jedna z troch zakladajúcich fakúlt Vysokej školy technickej oslávi čoskoro 70 rokov od svojho vzniku. Fakulta má veľmi silné postavenie v rámci výskumu, vývoja a inovácií nielen doma, ale aj v zahraničí, kde intenzívne spolupracuje vo všetkých vedných oblastiach, ktoré sú na našej akademickej pôde predmetom bádania. V posledných rokoch bol zaznamenaný významný progres najmä v oblasti výskumu robotiky, materiálového inžinierstva, implantátov šitých na mieru a uskladnenia vodíka v metalhydridoch. Významným krokom v procese podpory výroby bolo vytvorenie Prototypového a inovačného centra Strojníckej fakulty, ktoré nám umožnilo pružnejšiu adaptáciu pri konštrukcii prototypových a výskumných zariadení. Odzrkadlilo sa to aj na kvalite najnovších exponátov prezentovaných na domácich a zahraničných výstavách.

Napriek pretrvávajúcej pandémii sa Vám podarilo dotiahnuť projekt zameraný na vodíkové technológie do úspešného konca. Ako ovplyvnila táto globálna situácia Vašu prácu a výskum?

Výskum v oblasti vodíkových technológií je na fakulte realizovaný už viac ako 15 rokov. Významnou časťou vývoja bola implementácia získaných výsledkov v oblasti efektívneho nízkotlakového uskladnenia vodíka a vytvorenie certifikovaných zásobníkov, ktoré je možné využiť v mobilných dopravných prostriedkoch. Napriek tomu, že naša spolupráca s priemyselnými partnermi na transfere technológií z fázy vývoja do praktických aplikácií bola dlhodobá, vplyvom dekana prof. Živčáka a pod jeho vedením, ako aj uznesením vlády 114/2021 došlo k návrhu zámeru zabezpečenia prezentácie unikátnych vodíkových technológií vyvíjaných na Strojníckej fakulte Technickej univerzity v Košiciach na svetovej výstave Expo Dubaj 2020. Najdôležitejšia práca nás čakala práve v období zavádzania opatrení na boj s pandémiou COVID-19. Našťastie žijeme v období pokročilých informačných technológií, a preto sa to Model športového automobilu na výstave Expo Dubaj 2020 Pohľad na Expo Dubaj 2020 dalo aj napriek týmto problémom zvládnuť. Samozrejme, určite by sa nám pracovalo lepšie bez týchto obmedzujúcich opatrení. Pandémia nás však prinútila orientovať výskum a výrobu aj na oblasť ochranných pomôcok, akými sú štíty, respirátory, pľúcne ventilátory a dekontaminačné zariadenia Emma&Nella, ktoré sú súčasťou Expo Dubaj 2020.

Model športového automobilu na výstave Expo Dubaj 2020
 

Prototyp vodíkového autobusu je výsledkom pilnej práce. Pracovali ste simultánne na projektoch autobusu aj automobilu? Akým spôsobom sa od seba líšili procesy navrhovania?

Aj napriek tomu, že sme mali za sebou roky výskumu, pri reálnom nasadení metalhydridových materiálov bolo nutné realizovať množstvo limitných podmienok pri dodržaní príslušných noriem a bezpečnostných predpisov. Naša práca sa sústredila na vývoj vhodných zásobníkov, ktoré okrem uskladnenia vodíka umožňujú aj intenzívny odvod a prívod tepla, ktorý je potrebný pre správny chod absorpčného systému. Nevyhnutnou súčasťou bolo správne navrhnutie komponentov vodíkového okruhu, ktoré malo za úlohu ovládať jednotlivé toky vodíka pri súčasnom meraní a napĺňaní bezpečnostných aspektov. Na oboch projektoch sa pracovalo paralelne, keďže išlo o podobné systémy, ktoré sa od seba líšili najmä parametrizáciou.

Vyvíjanie komplexného produktu nie je úloha pre jednotlivca. Bolo náročné udržať a manažovať tím ľudí, ktorí pracujú na spoločnom cieli?

Áno, máte pravdu, riešenie takéhoto projektu nie je možné realizovať jednotlivcom. Do projektov boli zapojení riešitelia z celej fakulty, tak tvoriví pracovníci, ako aj študenti. Celý projekt manažoval dekan Strojníckej fakulty prof. Živčák. Samotné nasadenie nízkotlakového uskladnenia vodíka do autobusu a automobilu si vyžadovalo riešenie multiodborových problematík. Medzi ne patrili návrh a výroba metalhydridových zliatin, ich testovanie, pevnostné a energetické výpočty, posudzovanie bezpečnostných požiadaviek, ako aj výroba špecializovaných komponentov. Všetky úlohy museli byť neustále konzultované s našimi priemyselnými partnermi a dodávateľmi, keďže išlo o živý proces výroby prototypov, kde sa často robili úpravy na základe novovzniknutých požiadaviek.

Autobus, rovnako ako aj auto poháňané vodíkovým palivom, sú úspešnými projektmi. Ak by ste to mali vo všeobecnosti zhrnúť, aký význam majú tieto inovácie pre Strojnícku fakultu? Do akej miery ovplyvnili jej celkové nasmerovanie a vývoj?

Účasť na medzinárodnej výstave Expo v Dubaji je úžasným úspechom nielen Strojníckej fakulty, ale aj celej Technickej univerzity v Košiciach. Fakulte sa podarilo umiestniť do Slovenského pavilónu až 3 stále exponáty, ktoré nás na výstavisku reprezentujú celých 6 mesiacov. Okrem už spomenutých vodíkových dopravných prostriedkov je to aj čistiace zariadenie vzduchu Emma&Nella, ktoré dokáže priamo likvidovať vírusy a baktérie. V dnešnej dobe pandémie je to veľmi dôležitý aspekt našej adaptability na nové výzvy súčasnosti. Naše výskumné kapacity sme nasmerovali na riešenie aktuálnych problémov spoločnosti, čoho dôkazom je aj enormná účasť zahraničných návštevníkov na výstavisku v Slovenskom pavilóne.

Prototyp vodíkového autobusu, Expo Dubaj 2020
 

Pre univerzity je v rámci výskumu a zdieľania vedomostí dôležité spolupracovať s praxou. Príležitosť podieľať sa na realizácii produktov s firmami ROŠERO – P, s. r. o., a MATADOR Group je určite prínosná. Aký význam má kooperácia s partnermi pre úspešný vývoj prototypov?

Spolupráca s praxou je nevyhnutným aspektom práce vysokých škôl, ktoré majú napomáhať rozvoju priemyslu a spoločnosti. Vzájomné prepojenie nás núti rozvíjať sa cestou vzájomnej výmeny informácií a poznatkov. Firma ROŠERO – P, s.r. o., má bohaté skúsenosti s vývojom elektrických autobusov, čo je výbornou príležitosťou pre implementáciu našich vodíkových technológií. Všetky moderné vodíkové automobily sú vo svojej podstate elektromobilmi, avšak na uskladnenie energie využívajú vodík. Aby sme nezvyšovali celkovú hmotnosť autobusu, nahradili sme značnú časť batérií nízkotlakovými vodíkovými nádržami, rozvodmi a palivovým článkom. Kooperácia nám umožnila realizovať transfer výsledkov základného výskumu do reálneho komerčného zariadenia, o ktorý je v súčasnej dobe vysoký záujem. Pri kooperácii s firmou MATADOR Group išlo o prepojenie vodíkových technológií s nadčasovým dizajnom športového automobilu. Tu sme chceli poukázať na možnosť implementácie vodíkového pohonu aj do vysoko špecifického segmentu dopravy. Uloženie vodíka v metalhydridových zliatinách prináša enormné zníženie prevádzkového tlaku, čo sa odzrkadľuje aj na vysokej bezpečnosti prevádzky. Súčasne sme sa v rámci dizajnového návrhu auta zamerali nielen na futuristický vzhľad, ale aj na aerodynamické aspekty, ktoré umožňujú jeho dlhší dojazd. Vytvorili sme tak zaujímavý koncept vozidla, na ktorom naďalej intenzívne pracujeme.

Na Expo Dubaj 2020 sa vodíkový autobus a auto prezentuje v rámci zóny „mobilita“. Napriek tomu, vzhľadom na technológiu pohonu, je možné oba produkty zaradiť aj do témy „udržateľnosť“. Akú rolu zohrávala téma udržateľnosti pri navrhovaní konštrukčných a materiálových riešení?

V celosvetovom meradle je stále intenzívnejší tlak na využívanie bezemisných technológií v energetike, priemysle a doprave. Minulý rok prijala EÚ Vodíkovú stratégiu pre klimaticky neutrálnu Európu, podľa ktorej by sme sa mali stať do roku 2050 nezávislými na fosílnych palivách. Tento rok prijala aj Slovenská republika vodíkovú stratégiu, čím sa pripojila k celosvetovému zámeru implementácie vodíkových technológií. Samozrejme je pred nami ešte množstvo výziev, aby mohol byť vodík plnohodnotne využívaný v globálnom meradle, ale už teraz môžeme vidieť extrémnu snahu o dlhodobé využívanie tohto plynu. Udržateľnosť systému vodíkového pohonu môžeme teda považovať za jeden zo základných pilierov nášho úsilia už od čias prvotných výskumov na Strojníckej fakulte.

Vizualizácia športového automobilu poháňaného vodíkovým palivom

Expo Dubaj 2020 predstavuje prestížnu prehliadku, ktorá ponúka nielen priestor na prezentáciu, ale aj networking. Ako prebiehali prípravy na toto podujatie?

Súčasťou vytvorenia exponátov bola aj príprava propagačných materiálov a webstránok. Už v rámci riešenia projektov sme uskutočňovali takmer na dennej báze stretnutia s našimi dodávateľmi a partnermi, čo prispelo k vytvoreniu veľmi dobrých vzájomných vzťahov, ktoré budú určite prínosné aj pre našu spoluprácu v budúcnosti. Počas októbrovej návštevy Slovenského pavilónu v Dubaji sme absolvovali niekoľko pracovných stretnutí s potenciálnymi partnermi, ktorí mali záujem o naše prezentované technológie.

O vodíku sa hovorí ako o palive budúcnosti. Predpokladáte, že sa mu podarí postupne dosiahnuť absolútnu pozíciu pohonnej látky?

Veríme v diverzitu pohonných systémov v budúcnosti dopravy. Vodík si určite nájde miesto v aplikáciách zameraných na mobilitu, hlavne v nákladnej a hromadnej doprave, kde má zatiaľ lepšie parametre ako elektromobilita. Rozvoj elektrických batérií však poukazuje na to, že si v budúcnosti určite nájdu svoje pevné miesto, a preto by sme zatiaľ mali byť pri tvrdeniach o absolútnom zastúpení vodíka opatrní. Samozrejme sme pri vývoji vodíkových technológií na veľmi dobrej ceste, aby bol vodík v budúcnosti využívaný v maximálnej možnej miere.

Ako sme už spomenuli, Vaše patentované pohonné ústrojenstvo bolo, okrem autobusu, použité aj v športovom aute vyrobenom v spolupráci so značkou MATADOR. V čom spočíva výnimočnosť tejto technológie?

Vodík má veľmi nízku hustotu, takže ak chceme uskladniť veľké množstvo tohto plynu, musíme využívať extrémne vysoké tlaky. Vodíkové automobily využívajú tlak až 70 MPa. Ak by sme chceli využiť kvapalný vodík, museli by sme ho schladiť na veľmi nízke teploty, približne -250 °C. Aby sme sa vyhli týmto extrémnym podmienkam, zamerali sme sa na uloženie vodíka v špecifických zliatinách kovov. Tie dokážu uskladniť vodík vo svojej štruktúre, čím vzniká metalhydrid. Takto absorbovaný vodík sa už nepodieľa na vytváraní tlaku plynného vodíka, keďže je už pevne naviazaný v mriežke kovu. Uskladňovací tlak je preto na úrovni 1 až 4 MPa. To výrazne zvyšuje bezpečnosť celého systému. V rámci vývoja a implementácie týchto zliatin sme patentovali spôsob konštrukcie zásobníka, ktorý musí obsahovať špecifický typ výmenníka tepla, ktorý umožňuje vodík efektívne uskladniť a uvoľniť zo zliatiny. Na vývoji nových zliatin spolupracujeme so Slovenskou akadémiou vied, konkrétne s Ústavom materiálového výskumu v Košiciach.

Nepopierateľne veľkým úspechom je nádejné zavedenie autobusu do prevádzky. Dokáže autobus vyhovieť potrebám MHD aj vo veľkých mestách ako Bratislava či Košice?

Dojazd autobusu je 180 km, čo postačuje na bežnú jednodňovú prevádzku aj vo väčších mestách. Samozrejme parametrizácia je variabilná a pridaním ďalšieho zásobníka môžeme dosiahnuť zväčšenie dojazdu. Pre MHD nie je dôležitý veľký dojazd, ale uprednostňuje sa bezpečnosť, keďže sa prevádzkuje v husto zaľudnených oblastiach.

Je možné použiť túto technológiu aj na ostatné typy autobusov?

Technológiu sme úmyselne využili v autobuse MHD, kde sa vyžaduje vyššia bezpečnosť a postačuje nižší dojazd. Zvyšovanie dojazdu je možné realizovať využívaním nových zliatin s vyššou koncentráciou uloženého vodíka, resp. zvyšovaním množstva zliatiny. To má však za následok zvýšenie celkovej hmotnosti. Tu sa práve prejavuje diverzita možných vodíkových pohonov. Metalhydridy dokážeme využiť v MHD, pričom pre diaľkové autobusy je zatiaľ vhodnejšie vysokotlakové uskladnenie. Úmyselne hovoríme „zatiaľ“, pretože výskum a vývoj nových typov zliatin stále pokračuje.

V rámci rozhovorov sme na záver zaviedli sekciu: „Rada nad zlato“ pre študentov Technickej univerzity v Košiciach. Čo by ste im poradili Vy?

Každý študent, ktorý začal študovať na TUKE, urobil významný krok pre svoju úspešnú kariéru a budúcnosť. Jednotlivé oblasti techniky posúvajú ľudstvo dopredu, a preto je dôležité venovať sa ich rozvíjaniu a vyberať si tie zdanlivo najkomplikovanejšie výzvy, pretože len tie nás môžu posunúť ďalej a urobiť z nás skutočných odborníkov vo zvolenej oblasti výskumu a vývoja.

Ďakujeme veľmi pekne za podnetný rozhovor a Strojníckej fakulte TUKE, ako aj celému tímu odborníkov, ktorí sa podieľajú na vývoji progresívnych vodíkových technológií, prajeme veľa úspechov aj do budúcnosti.

Prof. Ing. Tomáš Brestovič, PhD., pôsobí na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty TUKE. V rámci svojho výskumu sa zameriava na vodík ako alternatívne palivo a jeho uplatnenie v budúcnosti dopravy. Strojnícka fakulta vznikla v roku 1952 a je jednou z troch fakúlt Technickej univerzity v Košiciach, ktoré stáli pri jej zrode. Budúci rok fakulta oslávi 70. výročie svojho založenia. Za obdobie svojej existencie táto fakulta vychovala viac ako 400 bakalárov, približne 13 000 inžinierov a takmer 300 kandidátov vied, resp. doktorandov. Je uznávanou vedecko-výchovnou inštitúciou doma i v zahraničí.

Autor: Mgr.art. Andrea Kováčová, redakcia HALÓ TU