Laboratórium energetického využitia vodíka: Pokročilé modelovanie pre inováciu horákových systémov

Basic informations

Thematic area: komisia č. 2 pre nové technológie, metódy a formy vo vzdelávaní

Project name (Slovak): Laboratórium energetického využitia vodíka: Pokročilé modelovanie pre inováciu horákových systémov

Project name (English): Laboratory of energy utilization of hydrogen: Advanced modeling for burner system innovation

Start of project: 2025

End of project: 2027

Condition of project: Financovaný/riešený

Project number: 033TUKE-4/2025

Project leader: doc. Ing. Róbert Dzurňák, PhD.

University: Technická univerzita v Košiciach

Department: Fakulta materiálov, metalurgie a recyklácie

Project annotation in Slovak language

Súčasné trendy v oblasti tepelnej energetiky v Európskej únii nútia inžinierov hľadať inovatívne metódy výroby energie, ktoré sú environmentálne neutrálne. Využitie vodíka, ako bezuhlikatého paliva pre energetické aplikácie, predstavuje sľubný prístup, ktorý by mohol prispieť k zníženiu environmentálneho dopadu energetického sektora, najmä v oblasti znečistenia ovzdušia. Uskutočniteľnosť a realizácia tejto transformácie bude kriticky závisieť na ekonomickej životaschopnosti procesu a na pripravenosti operačného personálu povereného implementáciou tejto zmeny v praxi.

Cieľom navrhovaného projektu je vybudovať integrované laboratórium špeciálne určené na skúmanie dopadov využitia vodíka na energetické účely. Výskum sa bude primárne sústrediť na hodnotenie zmien v procesoch spaľovania a prenose tepla v rámci metalurgického priemyslu, ktorý významne prispieva k znečisteniu ovzdušia. Kľúčovým cieľom tohto laboratória je návrh a rozvoj nových horákových systémov s využitím synergickej integrácie výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) modelovaním prostredníctvom softvérovej platformy ANSYS a fyzikálneho modelovania. Súčasne sa bude brať ohľad na voľbu materiálov, legislatívu a  bezpečnosť  pri aplikácii vodíka do procesu.

Synergický efekt prispeje k zlepšeniu návrhárskych schopností, kritického myslenia a porozumenia procesov spojených s implementáciou vodíka tým, že spojí teoretické poznatky s praktickými úlohami v experimentálnych cvičeniach formou prípadových štúdií. Tento prístup umožní absolventom získať hlbšie pochopenie praktických dôsledkov návrhov a rozhodnutí v procesoch.

Aktuálnosť problematiky implementácie vodíka na energetické účely je v dnešnej dobe na vysokej úrovni a vzhľadom na to, že k danej problematike nie je ešte vydaná žiadna potrebná literatúra písaná v slovenskom jazyku, môže byť táto publikácia vhodná nielen pre študentov, vedeckých a výskumných pracovníkov slovenských univerzít s technickým zameraním, ale aj pre odborných pracovníkov v praxi z technických útvarov a pre konštruktérov.

Počas riešenia projektu je cieľom vypracovať učebné texty s názvom „Matematické modelovanie horákových systémov v tepelných zariadeniach“ v tlačenej forme s vypracovanými návodmi pre tvorbu numerických modelov, ktoré budú dostupné aj v elektronickej podobe s ilustráciami, ako aj s video návodmi, ktoré pomôžu oboznámiť sa s problematikou teórie a techniky matematického modelovania  prenosu tepla a hmoty metódou konečných objemov v programovom prostredí ANSYS Workbench. Súčasťou výstupov budú prípadové štúdie rôznych prístupov riešenia a spôsobov vyhodnocovania riešených problémov na vytvorených modeloch. Do publikácie budú zapracované mnohé nové poznatky z oblasti spaľovania vodíka v zmesi so zemným plynom, ktoré nadobudnú riešitelia projektu pri svojej vedecko-výskumnej činnosti v novom navrhnutom laboratóriu.

Project annotation in English language

The current trends in thermal energy in the European Union are prompting engineers to seek innovative methods of energy production that are environmentally neutral. The use of hydrogen as a carbon-free fuel for energy applications represents a promising approach that could contribute to reducing the environmental impact of the energy sector, particularly in terms of air pollution. The feasibility and implementation of this transformation will critically depend on the economic viability of the process and the readiness of the operational personnel responsible for implementing this change in practice.

The goal of the proposed project is to establish an integrated laboratory specifically designed to study the impacts of hydrogen utilization for energy purposes. The research will primarily focus on assessing changes in combustion processes and heat transfer within the metallurgical industry, known for its significant contributions to air pollution. A key objective of this laboratory is to design and develop new burner systems, using synergistic integration with computational fluid dynamics (CFD) modelling through the ANSYS software platform with physical modelling. Additionally, considerations will be given to material selection, legislation, and safety in the application of hydrogen to the process.

The synergistic effect will contribute to enhancing design skills, critical thinking, and understanding of processes associated with hydrogen implementation by integrating theoretical knowledge with practical tasks in experimental exercises in the form of case studies. This approach will enable graduates to gain a deeper understanding of the practical implications of designs and decisions in processes.

The relevance of the issue of hydrogen implementation for energy purposes is currently at a high level, and due to the fact that there is no published literature written in the Slovak language, this publication may be suitable not only for students, scientific and research staff of Slovak technical universities with technical focus, but also for professionals in practice from technical departments and for designers.

During the project, the aim is to develop a pedagogic material entitled "Mathematical Modelling of Burner Systems in Thermal Devices" in printed form with guidelines for the creation of numerical models, which will also be available in electronic form with illustrations, as well as video tutorials that will help to familiarize with the theory and techniques of mathematical modelling of heat and mass transfer using the finite volume method in the ANSYS Workbench software environment. The Outputs will demonstrate case studies of various approaches and methods of evaluating the solved problems on the developed models. The publication will incorporate many new insights in the field of hydrogen combustion in a mixture with natural gas, obtained by project's investigators during their scientific research activities in the newly designed laboratory.

Financial grant of MŠVVandŠ SR within KEGA

	Financial grant of MŠVVandŠ SR within KEGA	Capital expenditures in €
Drawn in year 2026	13 165,00	0,00