Stratégiai műhely a megújuló alapú energiarendszer technológiai kihívásaira

Projekt megnevezése: Stratégiai műhely a megújuló alapú energiarendszer technológiai kihívásaira

Támogató: Pénzügyminisztérium
A projekt az Európai Unió és Magyarország Kormánya közös finanszírozása keretében az Európai Regionális Fejlesztési Alap támogatásával a Versenyképes Közép-Magyarország Operatív Program – Stratégiai K+F műhelyek kiválósága részben valósul meg.
Kedvezményezett: Energiatudományi Kutatóközpont
Konzorciumi tag: Wigner Fizikai Kutatóközpont
Projekt azonosító: VEKOP-2.3.2-16-2016-00011
Konzorciumvezető/Témavezető: Dr. Pécz Béla
A projekt támogatásának összege: 564 063 112Ft
Saját forrás: 2 399 999Ft
Támogatásintenzitás: 99,57%

Futamidő: 2017.07.01-2021.05.29.

A projekt terve, rövid leírása:

A 21. század legnagyobb technikai kihívása az energiarendszerünk teljes átalakítása. A tudományos kutatásnak nagy szerepe lesz abban, hogy az energiaszektor megfeleljen ellátás biztonsági és a környezetvédelmi elvárásoknak. Jelen projektben az elsődleges célok a fotovillamos energiatermelés, tárolás és egyéb környezeti hatások kutatása:

• Új napelemek fejlesztése fotovillamos erőművekhez, ahol elsősorban új optikai tulajdonságú anyagok fejlesztése a cél: elsősorban ólom és ón alapú perovszkit típusú anyagok, valamint ásványi (pirit valamint Cu-Zn-Sn-szulfidok) alapú anyagok felhasználásával
• Intelligens villamosenergia-hálózat (smart grid) számítógépes szimulációja, a hálózati és háztartási méretű fotovillamos (PV) rendszerek esetén
• Alkalmazások fejlesztése megújuló energia tárolására: egyrészt hidrogén elektrolízises előállítását elősegítő katalizátorok fejlesztése, valamint szén nanoszemcsékkel adagolt szuperkondenzátorok lehetőségeinek feltárása a cél
• Lézeres energiatovábbítás, célja hogy egy nagyteljesítményű lézer, amelyet egy speciális adaptív optikával a PV-átalakítónál optimális méretűre lehet fókuszálni, továbbítsa az energiát mozgó és mobil eszközök felé
• A megújuló energetikához kapcsolódó új nanotechnológiai eljárások és a biomassza hasznosítás hatása a légköri aeroszolok összetételére alig ismert, ezen nano részecskék környezeti hatását vizsgáljuk az új módszerekkel.

A projekt folyamán kiemelt szerepet kapnak a nanoszerkezetű anyagok előállítási módszerei, spektroszkópiai, mikroszkópiai, szeparációs anyagvizsgálati és minősítési eljárásai és ezek kiértékelése. A feladatokkal összhangban ezért beszerzésre kerülnek nagy értékű berendezések: dual beam mikroszkóp (SEM+FIB), részecskeszeparátor, Raman mikroszkóp, potenciosztát, gázkromatográf.

Az élvonalbeli publikációs eredmények mellett a projekt eredményei és a megerősített kutatási infrastruktúra a Magyarországi vállalatok további fejlesztéseit segíthetik.

Sajtóközlemény – 2017.11.08

Új anyagokkal, új energiatárolási és elosztási rendszerrel szélesítik a megújuló energiatermelés lehetőségeit

A megújuló energiatermelés széleskörű elterjedéséhez kulcskérdés a jobb hatásfok elérése és a hatékonyabb energiatárolás. A tudományos kutatások egyre nagyobb szerepet kapnak abban, hogy az energiaszektor környezetbarát módon, megújuló forrásokból állítson elő energiát, ugyanakkor az ellátás stabil és kiszámítható legyen: áramra akkor is szükség van, ha éppen nem süt a nap. Ezt részben hatékonyabb energiatárolással, részben jobb energiaelosztási módszerrel lehet elősegíteni, míg a hatékonyabb napelemek előállításában például új anyagok alkalmazása vezethet sikerre.

Az MTA Energiatudományi Kutatóközpont és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont anyagtudományra és méréstechnológiára specializált csoportjai már több sikert is magukénak tudhatnak ezen a területen, például a fotoaktív perovszkitok kombinálása szén nanocsövekkel témában. Ezek alapján most olyan stratégiai projektet indítottak, melyben az elsődleges cél a napenergiát hasznosító ún. fotovillamos energiatermelés, tárolás és egyéb környezeti hatások kutatása.  

A kutatás során új napelemeket fejlesztenek fotovillamos erőművekhez, új optikai tulajdonságú anyagok létrehozásával: elsősorban ólom és ón alapú perovszkit típusú, valamint ásványi (pirit valamint Cu-Zn-Sn-szulfidok) alapú anyagokat terveznek felhasználni.

Az energiaellátást intelligens villamosenergia-hálózat (smart grid) számítógépes szimulációjával tesztelik hálózati és háztartási méretű fotovillamos (PV) rendszerek esetén.

A megújuló energia tárolására egyrészt hidrogén elektrolízises előállítását elősegítő katalizátorokat fejlesztenek, másrészt szén nanoszemcsékkel adagolt szuperkondenzátorok használatának lehetőségeit tárják fel.

A kutatás során a lézeres energiatovábbítást is vizsgálják, amelynek célja, hogy egy a fotovillamos átalakítónál speciális adaptív optikával optimális méretűre fókuszálható nagyteljesítményű lézer továbbítsa az energiát mozgó és mobil eszközök felé.

A megújuló energetikához kapcsolódóan nanotechnológiai eljárások hatásaival is foglalkoznak, különös tekintettel a biomassza hasznosításra, a légköri aeroszolok összetételére és nanorészecskék környezeti hatására.

A projekt folyamán kiemelt szerepet kapnak a nanoszerkezetű anyagok előállítási módszerei, spektroszkópiai, mikroszkópiai, szeparációs anyagvizsgálati és minősítési eljárásai és ezek kiértékelése. A feladatokhoz olyan speciális berendezéseket is beszereznek, mint a dual beam mikroszkóp (SEM+FIB: pásztázó elektronmikroszkóp, fókuszált ionnyaláb), részecskeszeparátor, Raman-mikrospektrométer, potenciosztát vagy gázkromatográf.

A projekt fejlesztési eredményei és a megerősített kutatási infrastruktúra a magyarországi vállalatok piaci igényeit is segítik majd: lehetőségük lesz többek között korszerűbb szerkezeti és felületi anyagvizsgálatokat folytatni, szennyeződéseket kimutatni, a kutatás publikált eredményeit felhasználni. A kutatócsoportok felkészült műhelyként kapcsolódnak a hazai ipar munkájába.

A „Stratégiai műhely a megújuló alapú energiarendszer technológiai kihívásaira” című  VEKOP-2.3.2-16-2016-00011projekt az Európai Unió és Magyarország Kormánya közös finanszírozása keretében az Európai Strukturális és Beruházási Alapok 564 MFt-os támogatásával a Versenyképes Közép-Magyarország Operatív Program keretében valósul meg.

Eddigi eredményeink 2020.02.29

Több prekurzor gáz tesztelése után bis(N,N’-di-t-butylacetamidinato) vas (II) prekurzorral ALD technikával sikeresen növesztettünk FeS vékonyréteget, majd  célunk volt a növesztés optimalizálása. Ennek során célunk a Fe:S arány növelése, illetve a texturáltság növelése, azaz polikristályos réteg helyett egykristály réteg növesztése. A növesztett rétegben a S:Fe arányt eddig nem sikerült ALD-ben növelni. Egyes hordozókon a FeS jelentősen jobban orientálva nő, így sikerült növelni a réteg texturáltságát.

Olcsó réz-peptid komplex bomlási mellékreakcióját kihasználva in situ katalitikus CuO-filmet képeztünk fejlett, nanoszerkezetű oxid-bevonatokon, megőrizve a hordozó morfológiáját. Nem szimmetrikus, heterociklusos ligandumok Fe(II)komplexeivel kimutattuk, hogy a ligandum módosítása alapvető változásokat vált ki a vízoxidáció során: a katalizátor stabilitását és a felülethez való kötődését is biztosítja. Heteroatomok beágyazása vékonyrétegű MoS2 hordozóba a korábbiaknál jóval anyagtakarékosabb hidrogénfejlesztő elektródot eredményezett.

Főkomponens analízis és k-közép klaszterezés segítségével elvégeztünk az elosztóhálózati topológiák csoportosítását. A létrehozott csoportokból kiválasztottuk a szimulációhoz használni kívánt reprezentatív hálózatokat. Elvégeztük az aktuális és várhatóan bevezetésre kerülő tartalékpiaci tervezési irányelvek kvalitatív elemzését feltártuk a hiányosságokat, hazai hatásokat. Javaslatot készítettünk a sztochasztikus tartaléktervezés hazai implementálására.

Nyári és téli időszakban légköri aeroszolok fizikai és kémiai tulajdonságainak mérése optikai és röntgen spektroszkópiával. Egy budapesti lakó-pihenő övezeti helyszínen 10-10 napos nyári és téli terepi mérésen valamint egy nógrádi községben vett mintákból megállapítottuk a fő- és nyomelemek méreteloszlását. Az ultrafinom frakció nagy időfelbontású méreteloszlási adataiból sztochasztikus tüdőmodellel meghatároztuk beteg és egészséges tüdő régióiban a részecskék ülepedési sűrűségét. Az MH GoPower VMJ gyártmányú függőleges többátmenetes fotovoltaikus átalakító hatásfokának hullámhosszfüggését 50, 100, 200 és 300 W/m2 teljesítménysűrűségek mellett határoztuk meg a 800-1200 nm-es tartományban. 50 W/m2-nél a cella kimeneti feszültsége a kisebb hullámhosszaknál (900 nm alatt) 6,5-6,7 V körül változik, 900 nm fölött növekedésnek indul, és a legnagyobb, 7,2 V körüli értéketeket 1000 és 1050 nm között éri el. Az 1050 nm-nél nagyobb hullámhosszakon a kimeneti feszültség csökken. Ugyanez a tendencia figyelhető meg nagyobb teljesítménysűrűségeknél is. Összességében elmondható, hogy a hatékonyság 1000-1050 nm-es hullámhosszal való megvilágításnál a legnagyobb. A hatékonyság beesési szögtől való függése azt mutatja, hogy az a merőlegestől kb. ±10-15°-ig nem változik, azt követően viszont csökken. A gerjesztő folt esetében kritikus, hogy az átmérője ne legyen kisebb a cella átlójánál. Ellenkező esetben a megvilágítás nélküli részek negatív hatása miatt jelentősen lecsökken az átalakítási hatékonyság

A projekt eredményei (2021.07.05)

Az Energiatudományi Kutatóközpont és a Wigner Fizikai Kutatóközpont anyagtudományra és méréstechnológiára specializált csoportjai által most befejezett 4 éves stratégiai megújuló energiás kutatási projektben az elsődleges cél a napenergiát hasznosító úgynevezett fotovillamos energiatermelés, tárolás és egyéb környezeti hatások kutatása volt.

Az elmúlt években kiemelkedő eredményeket értek el az alábbi területeken:

• az általuk fejlesztett vas-szulfid vékonyrétegek a jövőben ideálisabb sávszerkezettel rendelkező, ennél fogva nagyobb hatásfokú új típusú napelemek készítésére adnak lehetőséget
• molekuláris rendszerek kis módosításával energia- és anyagtakarékos megoldást kísérleteztek ki a gyakorlatban is alkalmazható katalizátorbevonatok fenntartására, melyek a korábbiaknál hatékonyabban alkalmazhatók majd a víz (foto)elektrolízises bontása, így a tiszta hidrogéngáz fejlesztése során
• új mintavételi eljárást és méréstechnikai rendszert fejlesztettek a levegőben szálló porban levő ultrafinom részecskék – és azok esetleges toxikus komponensei – fizikai és kémiai paramétereinek monitorozására, amely különösen alkalmas a szilárd biomassza tüzelésből származó részecskék meghatározására  
• kimutatták, hogy a háztartási naperőművek termelése rendszerszinten is mérhető változásokat generál. Kidolgozták egy égboltkamera által rögzített felhőképek feldolgozására épülő, nagy pontosságú napenergiatermelés-előrejelző rendszer alapjait, amivel következtetni lehet az elosztóhálózat feszültségminőségére.
• fontos eredményeket értek el az újfajta, ólomhalogenid alapú perovszkit napelem-alapanyagok területén
• kifejlesztettek egy lézeres energiatovábbításra szolgáló rendszert, mellyel nagyobb távolságra lehet vezeték nélküli módszerrel elektromos energiát továbbítani
• létrejött egy nemzetközi szinten is kiemelkedő Raman-spektroszkópiai laboratórium, a melyet hazai kutatók mellett külföldi kutatócsoportok is intenzíven használnak anyagvizsgálati mérésekhez
• a két intézet közösen kifejlesztett egy új Raman-mérési eljárást, amelynek szabadalmaztatása folyamatban van.

A fejlesztések eredményeként hatékonyabb energiatermelésre, továbbításra, pontosabb környezetvédelmi és energia-elosztási előrejelzésekre van lehetőség. A „Stratégiai műhely a megújuló alapú energiarendszer technológiai kihívásaira” című VEKOP-2.3.2-16-2016-00011 számú projekt a Széchenyi 2020 program keretében valósult meg. Az Európai Regionális Fejlesztési Alapból és hazai központi költségvetési előirányzatból vissza nem térítendő támogatás formájában 564,06MFt került felhasználásra.

A projekt zárásakor a konzorcium kiemelkedő (Q1) publikációi:

1. János Pető, Tamás Ollár, Péter Vancsó, Zakhar I. Popov, Gábor Zsolt Magda, Gergely Dobrik, Chanyong Hwang, Pavel B. Sorokin, Levente Tapasztó: Spontaneous doping of 2D MoS2 basal plane by oxygen substitution during ambient exposure  Nature Chemistry volume 10, pages 1246–1251 (2018) https://doi.org/10.1038/s41557-018-0136-2
2. M.G.Perrone, S.Vratolis, E.Georgieva, S.Török, K.Šega, B.Veleva, J.Osán, I.Bešlić, Z.Kertész, D.Pernigotti, K.Eleftheriadis, C.A.Belis: Sources and geographic origin of particulate matter in urban areas of the Danube macro-region: The cases of Zagreb (Croatia), Budapest (Hungary) and Sofia (Bulgaria)  Science of the Total Environment 619–620 (2018) 1515–1529, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.11.092
3. A.Bonyár, I.Csarnovics, M.Veres, L.Himics, A.Csik, J.Kámán, L.Balázs, S.Kökényesi: Investigation of the performance of thermally generated goldnanoislands for LSPR and SERS applications  Sensors and Actuators B 255 (2018) 433–439 https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.08.063
4. Hajnalka M. Tóháti,  Áron Pekker,  Pavao Andričević,  László Forró,Bálint Náfrádi,  Márton Kollár,  Endre Horváth  and  Katalin Kamarás  : Optical detection of charge dynamics in CH3NH3PbI3 – carbon nanotube composites  Nanoscale 9, 17781-17787 (2017),  https://doi.org/10.1039/C7NR06136F
5. Łukasz Szyrwiel, Dávid Lukács, Tetsuya Ishikawa, Justyna Brasun, Łukasz Szczukowski, Zbigniew Szewczuk, Bartosz Setner, József S.Pap: Electrocatalytic water oxidation influenced by the ratio between Cu2+ and a multiply branched peptide ligand  Catalysis Communications Available online 3 January 2019 , https://doi.org/10.1016/j.catcom.2019.01.004
6. János Pető, Tamás Ollár, Péter Vancsó, Zakhar I. Popov , Gábor Zsolt Magda, Gergely Dobrik, Chanyong Hwang, Pavel B. Sorokin and Levente Tapasztó: Spontaneous doping of the basal plane of MoS2 single layers through oxygen substitution under ambient conditions  Nature Chemistry 2018 https://doi.org/10.1038/s41557-018-0136-2
7. V. Sugár, A. Talamon, A. Horkai, K. Michihiro: Architectural style in line with energy demand: Typology-based energy estimation of a downtown district  ENERGY AND BUILDINGS, vol. 180., pp. 1-15., 2018; (D1, IF 4.457) https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.09.031
8. Holomb R, Kondrat O, Mitsa V, Veres M, Czitrovszky A, Feher A, Tsud N, Vondráček M, Veltruská K, Matolín V, Prince KC; Super-bandgap light stimulated reversible transformation and laser-driven mass transport at the surface of As2S3 chalcogenide nanolayers studied in situ  Journal of Chemical Physics 149 pp. 214702 (1-11) (2018)  https://doi.org/10.1063/1.5053228
9. Łukasz Szyrwiel, Dávid Lukács, Tetsuya Ishikawa, Justyna Brasun, Łukasz Szczukowski, Zbigniew Szewczuk, Bartosz Setner, József S. Pap: Electrocatalytic water oxidation influenced by the ratio between Cu2+ and a multiply branched peptide ligand  Catalysis Communications 122 (2019) 5–9 https://doi.org/10.1016/j.catcom.2019.01.004   
10. Dávid Lukács, Miklós Németh, Łukasz Szyrwiel, Levente Illés, Béla Pécz, Shaohua Shen, József S. Pap: Behavior of a Cu-Peptide complex under water oxidation conditions – Molecular electrocatalyst or precursor to nanostructured CuO films?  Solar Energy Materials and Solar Cells 201 (2019) 110079 https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.110079
11. Inna Székács, Paweł Tokarz, Robert Horvath, Krisztina Kovács, Adam Kubas, Mari Shimura, Justyna Brasun, Vadim Murzin, Wolfgang Caliebe, Zbigniew Szewczuk, Aneta Paluch, László Wojnárovits, Tünde Tóth, József S. Pap, Łukasz Szyrwiel: In vitro SOD-like activity of mono- and di-copper complexes with a phosphonate substituted SALAN-type ligand  Chemico-Biological Interactions 306 (2019) 78–88, https://doi.org/10.1016/j.cbi.2019.04.003
12. Sahir M. Al-Zuraiji, Tímea Benkó, Levente Illés, Miklós Németh, Krisztina Frey, Attila Sulyok, József S. Pap: Utilization of hydrophobic ligands for water-insoluble Fe(II) water oxidation catalysts – Immobilization and characterization  Journal of Catalysis 381 (2020) 615–625 https://doi.org/10.1016/j.jcat.2019.12.003
13. Péter Vancsó, Zakhar I. Popov, János Pető, Tamás Ollár, Gergely Dobrik,József S. Pap, Chanyong Hwang, Pavel B. Sorokin, and Levente Tapasztó: Transition Metal Chalcogenide Single Layers as an Active Platform for Single-Atom Catalysis  ACS Energy Lett. 2019, 4, 1947−1953 https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b01097
14. Janos Osan, Endre Börcsök, Ottó Czömpöly, Csenge Dian, Veronika Groma,Luca Stabile, Szabina Török: Experimental evaluation of the in-the-field capabilities of total-reflection X-ray fluorescence analysis to trace fine and ultrafine aerosol particles in populated areas  Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectrometry 167 (2020) 105852 https://doi.org/10.1016/j.sab.2020.105852
15. Szilvia Kugler, Attila Nagy, János Osán, László Péter, Veronika Groma, Simone Pollastri, Aladár Czitrovszky: Characterization of the ultrafine and fine particles formed during laser cladding with the Inconel 718 metal powder by means of X-ray spectroscopic techniques  Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 177 (2021) 106110, https://doi.org/10.1016/j.sab.2021.106110
16. Balint Hartmann: Comparing various solar irradiance categorization methods – A critique on robustness  Renewable Energy Volume 154, July 2020, Pages 661-671, https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.03.055
17. Kondrat, O ; Holomb, R ; Mitsa, A ; Veres, M ; Csik, A ; Takats, V ; Duchon, T ; Veltruska, K ; Vondracek, M ; Tsud, N et al. Reversible laser-assisted structural modification of the surface of As-rich nanolayers for active photonics media  APPLIED SURFACE SCIENCE 518 Paper: 146240 , 7 p. (2020) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146240
18. Pal, P. ; Bonyár, A. ; Veres, M. ; Himics, L. ; Balázs, L. ; Juhász, L. ; Csarnovics, I., A generalized exponential relationship between the surface-enhanced Raman scattering (SERS) efficiency of gold/silver nanoisland arrangements and their non-dimensional interparticle distance/particle diameter ratio  SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL 314 Paper: 112225 , 10 p. (2020) https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112225
19. Rigó, I. ; Veres, M. ; Pápa, Zs. ; Himics, L. ; Öcsi, R. ; Hakkel, O. ; Fürjes, P., Plasmonic enhancement in gold coated inverse pyramid substrates with entrapped gold nanoparticles  JOURNAL OF QUANTITATIVE SPECTROSCOPY & RADIATIVE TRANSFER 253 Paper: 107128 , 8 p. (2020) https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107128
20. M.D. Özeren, B. Botka, Á. Pekker, K. Kamarás: The role of potassium in the segregation of MAPb(Br0.6I0.4)3 mixed-halide perovskite in different environments  Phys. Status Solidi-R. 14, 2000335-1-7 (2020) https://doi.org/10.1002/pssr.202000335