Oblasti výzkumu

Termochemické procesy – pyrolýza a zplyňování

Skupina se komplexně zabývá problematikou termochemických konverzí.

Výzkum je zaměřen na stavbu technologických celků využívající nespalovací technologie. Mezi dosaženy výsledky patří např.

Patent na zařízení pro vícestupňové zplyňování uhlíkatých paliv (spolupráce s firmou TARPO a Energo Zlatá Olešnice):

Spolupráce s firmou Airtechnik

Skupina zajišťuje i technicko-ekonomicko-legislativní posouzení investic do technologií.

Související projekty:

1. WASTen, z. s. - Kolektivní výzkum, Podprojekt 1 - ThermoValue – výzkum hodnotového řetězce produktů termického rozkladu a vývoj metody na jejich certifikaci (2021–2023) OPPIK

Související publikace:

1. Vuppaladadiyam, S.S.V., Vuppaladadiyam, A.K., Sahoo, A., Urgunde, A., Murugavelh, S., Šrámek, V., Pohořelý, M., Trakal, L., Bhattacharya, S., Sarmah, A.K., Shah, K., Pant, K.K. Waste to energy: Trending key challenges and current technologies in waste plastic management. Science of The Total Environment 913, 169436, (2024). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.169436. (WoS, JIF 8.2 /2023/, Q1/D1*).
2. Botla, G., Barmavatu, P., Pohořelý, M., Jeremiáš, M., Sikarwar, V.S. Optimization of value-added products using response surface methodology from the HDPE waste plastic by thermal cracking. Thermal Science and Engineering Progress 50, 102514, (2024). https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.102514. (WoS, JIF 5.1 /2023/, Q1/D1*).
3. Pohořelý, M., Staf, M., Skoblia, S., Beňo, Z. Zařízení a způsob pro dehalogenaci primárního pyrolýzního plynu. A device and a method for the dehalogenation of a primary pyrolysis gas. Patent 309834, 22. 11. 2023.
4. Vuppaladadiyam, A.K., Vuppaladadiyam, S.S.V., Sikarwar, V.S., Ahmad, E., Pant, K.K., Murugavelh, S., Pandey, A., Bhattacharya, S., Sarmah, A., Leu, S.Y. A critical review on biomass pyrolysis: Reaction mechanisms, process modeling and potential challenges. Journal of the Energy Institute 108, 101236, (2023). https://doi.org/10.1016/j.joei.2023.101236. (WoS, JIF 5.7 /2022/, Q2).
5. Hidalgo Herrador, J.M., Babor, M., Tomar, R., Tišler, Z., Hubáček, J., de Paz Carmona, H., Frątczak, J., Vráblík, A., Ángeles, G.H. Polypropylene and rendering fat degrading to value-added chemicals by direct liquefaction and fast-pyrolysis. Biomass Conversion and Biorefinery, 14, 1027–1036 (2024). https://doi.org/10.1007/s13399-022-02405-4 (WoS, JIF 3.5 /2023/, Q2).
6. Sikarwar, V. S., Pohořelý, M., Meers, E., Skoblia, S., Moško, J., Jeremiáš, M. Potential of coupling anaerobic digestion with thermochemical technologies for waste valorization. Fuel 294, 120533, (2021). https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120533. (WoS, IF 6.609 /2020/, Q1).
7. Staf, M., Pohořelý, M., Skoblia, S., Beňo, Z., Šrámek, V. Stabilita pyrolýzních kondenzátů při jejich vysokoteplotním zpracování. Paliva 13, 131–140, (2021). https://doi.org/10.35933/paliva.2021.04.04. (Scopus).
8. Staf, M., Šrámek, V., Pohořelý, M. Halogenderiváty v plastech a jejich souvislost s pyrolýzou. Paliva. 2020, 12, 136-148. ISSN 1804-2058. https://doi.org/10.35933/paliva.2020.04.01. (Scopus).
9.  Sedmihradská, A., Pohořelý, M., Jevič, P., Skoblia, S., Beňo, Z., Farták, J., Čech, B., Hartman, M. Pyrolysis of wheat and barley straw. Research in Agricultural Engineering 66, 8–17, (2020). https://doi.org/10.17221/26/2019-RAE. (Scopus)

Čištění plynů pro průmyslové a pokročilé aplikace

Primární pyrolýzní plyn

Pyrolýza je termický rozklad materiálu. Podstatou pyrolýzy je ohřev materiálu nad mez termické stability přítomných organických sloučenin, což vede k jejich štěpení. Produkty pyrolýzy jsou: pyrolýzní plyn, kondenzující podíl (organický i vodný podíl) a pevný zbytek.

Primární pyrolýzní plyn je směs pyrolýzního plynu a kondenzujícího podílu nad rosným bodem.

Výzkum je zaměřen na dehalogenaci primárního pyrolyzního plynu vzniklého pyrolýzou odpadních polymerů v parní fázi.

Výsledkem výzkumu je znalost postupů snížení obsahu halogenidů a halogenvodíků v kondenzátu a pyrolýzním plynu na nižší desítky ppm_v.

Výzkum je součástí znalostí v oblasti chemické recyklace. Mezi dosaženy výsledky patří např.:

Patent na zařízení a způsob pro dehalogenaci primárního pyrolýzního plynu.

Generátorový plyn ze zplyňování biomasy

Zplyňování je termochemická přeměna uhlíkatého materiálu na výhřevných plyn a pevný zbytek.

Výzkum byl zaměřen na návrh čistících tratí pro využití chemické energie plynu v plynových motorech.

Výsledky výzkumu byly aplikovány na několika teplárnách v ČR.

Plazmová pyrolýza a zplyňování, syntézní plyn z plazmové pyrolýzy a plazmového zplyňování

Výzkum je zaměřen na návrh čistících tratí a na studium chemismů jednotlivých význačných reakcí při hlubokém čištění syntézních plynů na hodnoty akceptovatelné pro jejich pokročilé aplikace (výroba chemických komodit, kombinovaná výroba elektrické energie a tepla s využitím SOFC a separace vodíku).

Složení plynu je též silně závislé na vstupním materiálu. Zkoumanými materiály jsou:

• zemní plyn, bioplyn, resp. biomethan,
• čistý PE, PP,
•  dřevní štěpka
•  tuhá alternativní paliva,
• nemocniční odpady,
• čistírenské kaly. 

Spaliny ze spalování TAP a biomasy

Výzkum je zaměřen na návrh čistící trati separující polutanty a vodní páru na hodnoty vhodné pro separaci CO₂ pomocí membránové technologie a/nebo (V)PSA jako post-combustion CCS/U. Cílem snižování koncentrací stopových polutantů je zajistit splnění budoucích emisních limitů dle BAT 2030+, a zároveň tím umožnit integraci systému separace CO₂, extrémně citlivé na čistotu spalin.

Související projekty:

1. Plasma gasification of medical waste (2023–2025) TAČR – TN02000069/004; Smluvní výzkum pro dílčí projekt Plasma gasification of medical waste  v rámci  projektu Národní centrum kompetence pro materiály, pokročilé technologie, povlakování a jejich aplikace.
2. Národní centrum pro energetiku II (2023–2028) TAČR – TN02000025
3. Nízkoemisní technologie energetického využití biomasy a alternativních paliv (2020–2025) TAČR – TK03030167.
4.   Projekt výzkumu a vývoje technologie materiálového využití odpadních plastů a pneumatik v rafinérském a petrochemickém průmyslu v ČR (2020–2024) TAČR – FW01010158

Související publikace:

1. Fathi, J., Mašláni, A., Hlína, M., Lukáč, F., Mušálek, R., Jankovský, O., Lojka, M., Jiříčková, A., Skoblia, S., Mates, T., Jaafar, N.N.B., Sharma, S., Pilnaj, D., Pohořelý, M., Jeremiáš, M. Multiple benefits of polypropylene plasma gasification to consolidate plastic treatment, CO₂ utilization, and renewable electricity storage. Fuel 368, 131692, (2024). https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131692. (WoS, JIF 6.7 /2023/, Q1).
2. Mašláni, A., Hlína, M., Hrabovský, M., Křenek, P., Sikarwar, V.S., Fathi, J., Raman, S., Skoblia, S., Jankovský, O., Jiříčková, A., Sharma, S., Mates, T., Mušálek, R., Lukáč, F., Jeremiáš, M. Impact of natural gas composition on steam thermal plasma assisted pyrolysis for hydrogen and solid carbon production. Energy Conversion and Management 297, 117748, (2023). https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117748. (WoS, JIF 10.4 /2022/, Q1/D1*).
3. Sikarwar, V.S., Pfeifer, C., Ronsse, F., Pohořelý, M., Meers, E., Kaviti, A.K., Jeremiáš, M. Progress in in-situ CO₂-sorption for enhanced hydrogen production. Progress in Energy and Combustion Science 91, 101008, (2022). https://doi.org/10.1016/j.pecs.2022.101008. (WoS, JIF 35.339 /2021/, Q1*/D1).
4. Svoboda, K., Pohořelý, M., Ružovič, T., Veselý, V., Brynda, J., Zach, B., Šyc, M. Mercury removal in coal-fired power plants, possibilities how to attain very low emissions and minimization of hazardous waste stream. Paliva 14, 35–67, (2022). https://doi.org/10.35933/paliva.2022.01.05. (Scopus).
5. Svoboda, K., Ružovič, T., Pohořelý, M., Hartman, M., Šyc, M. Removal of Mercury from Acidic Solutions of Mercury Chloride by Means of Sorbents Prepared by Catalyzed Vulcanization of Vegetable Oils. Chemické listy 116, 48–55, (2022). https://doi.org/10.54779/chl20220048. (WoS, JIF 2.146 /2020/, Q3).
6. Sikarwar, V.S., Peela, N.R., Vuppaladadiyam, A.K., Ferreira, N.L., Maslani, A., Tomar, R., Pohořelý, M., Meers, E., Jeremiáš, M. Thermal plasma gasification of organic waste stream coupled with CO₂-sorption enhanced reforming employing different sorbents for enhanced hydrogen production. RSC Advances 12, 6122–6132, (2022). https://doi.org/10.1039/D1RA07719H. (WoS, JIF 4.036 /2021/, Q2).
7. Sikarwar, V.S., Mašláni, A., Hlína, M., Fathi, J., Mates, T., Pohořelý, M., Meers, E., Šyc, M., Jeremiáš, M. Thermal plasma assisted pyrolysis and gasification of RDF by utilizing sequestered CO₂ as gasifying agent. Journal of CO₂ Utilization 66, 102275, (2022). https://doi.org/10.1016/j.jcou.2022.102275. (WoS, JIF 8.321 /2021/, Q1).
8. Sikarwar, V. S., Reichert, A., Pohorely, M., Meers, E., Ferreira, N. L., Jeremias, M. Equilibrium modeling of thermal plasma assisted co-valorization of difficult waste streams for syngas production, Sustainable Energy & Fuels 5, 4650–4660, (2021). https://doi.org/10.1039/D1SE00998B. (WoS, JIF 6.367 /2020/, Q1).
9. Zach, B., Šyc, M., Svoboda, K., Pohořelý, M. Šomplák, R., Brynda, J., Moško, J., Punčochář, M. The influence of SO2 and HCl concentrations on the consumption of sodium bicarbonate during flue gas treatment. Energy & Fuels 35, 5064–5073 (2021). https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c03655. (WoS, JIF 3.605 /2020/, Q2).
10. Mašláni, A., Hrabovský, M., Křenek, P., Hlína, M., Raman, S., Sikarwar, V. S., Jeremiáš, M. Pyrolysis of methane via thermal steam plasma for the production of hydrogen and carbon black. International Journal of Hydrogen Energy 46, 1605–1614, (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.105. (WoS, JIF 5.816 /2020/, Q2).
11. Sikarwar, V. S., Hrabovský, M., Van Oost, G., Pohořelý, M., Jeremiáš, M. Progress in waste utilization via thermal plasma. Progress in Energy and Combustion Science 81, 100873, (2020). https://doi.org/10.1016/j.pecs.2020.100873. (WoS, JIF 28.938 /2019/, Q1/D1*).
12. Ruzovic T., Svoboda K., Leitner J., Pohorely, M., Hartman M.: Thermodynamic possibilities of flue gas dry desulfurization, de-HCl, removal of mercury, and zinc compounds in a system with Na2CO3, Ca(OH)2, sulfur, and HBr addition. Chemical Papers 74, 951–962, (2020). https://doi.org/10.1007/s11696-019-00930-7. (WoS, JIF 1.680 /2019/, Q3).

Fluidní spalování pevných paliv

Výzkum je zaměřen na problematiku návrhu technologií pro mono-spalování čistírenských kalů nebo biomasy a spolu-spalování uhlí a TAP, biomasy a TAP.

Skupina zajišťuje i technicko-ekonomicko-legoislativní posouzení investic do technologií.

TAP	chmel	kal	ořechy	posklizňové zbytky

Centrální zásobování teplem

Výzkum je zaměřen na problematiku využití technologií akumulace energie s cílem optimalizovat provoz centrálních zdrojů tepla (CZT) a přispět k jejich dekarbonizaci. CZT hrají klíčovou roli v českém energetickém sektoru, jelikož poskytují teplou vodu pro vytápění, připravují teplou užitkovou vodu pro obyvatele měst a technologickou páru pro průmyslové podniky. Subjekty provozující CZT čelí závažným výzvám týkající se udržitelnosti, související se zákonnými povinnostmi na snižování emisí zákonně monitorovaných polutantů, stupňujícími se finančními výdaji za produkci skleníkových plynů a ekonomickým tlakům na zvyšování energetické efektivity s ohledem na růst ceny paliv.

Cílem výzkumu ve spolupráci s průmyslovými partnery je provést komplexní analýzu současného stavu CZT v České republice, identifikovat vhodné technologie akumulace energie, zahrnující jak krátkodobé, tak i možnost dlouhodobého (sezonního) řešení, a navrhnout integrovaný přístup pro jejich využití v provozu CZT s důrazem na optimalizaci provozu a snižování emisí zákonem sledovaných polutantů a skleníkových plynů. 

Související publikace:

1. Verma, S.K., Kumar, R., Mendiburu, A.Z., Thakur, A.K., Gupta, L.R., Gehlot, A., Sikarwar, V.S. Experimental and numerical investigations with multifunctional heat transfer fluid to evaluate the performance of a thermal energy storage system. Thermal Science and Engineering Progress 53, 102717, (2024). https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.102717. (WoS, JIF 5.1 /2023/, Q1/D1*)
2. Kumar, R., Thakur, A.K., Gupta, L.R., Gehlot, A., Sikarwar, V.S. Advances in phase change materials and nanomaterials for applications in thermal energy storage. Environmental Science and Pollution Research 31, 6649–6677, (2024). https://doi.org/10.1007/s11356-023-31718-8. (WoS).

Další významné výsledky a projekty

Projekty:

1. Dlouhodobě spolehlivá výroba kvalitní pitné vody pomocí aktivního uhlí při respektování konceptu cirkulární ekonomiky (2024-2026) TAČR – SS07020146
2. Snížení obsahu stopových xenobiotik v pitné vodě za specifických podmínek zdroje Káraný (2020–2023) TAČR – SS01020063
3. Biofiltrační impregnované kompozitní materiály a substráty (2020–2023) TAČR – FW01010370

Publikace:

1. Kaviti, A.K., Mohiuddin, S.A., Sikarwar, V.S. Black Body-Inspired Chemically Oxidized Nanostructures with Varied Perforations: A New Frontier in Solar Desalination. Water 16, 3444, (2024). https://doi.org/10.3390/w16233444 (WoS, JIF 3.0 /2023).
2. Kaviti, A.K., Prasad, M.S., Bhanu Venkata Naga Teja, V., Sikarwar, V.S. Synergistic Impact of Magnets and Fins in Solar Desalination: Energetic, Exergetic, Economic, and Environmental Analysis. Processes 12, 2554, (2024). https://doi.org/10.3390/pr12112554 (WoS, JIF 2,8 /2023).
4. Ramena, D.V.P., Vikram, K.A., Chebolu, R. Barmavatu, P., Sikarwar, V.S., Giri, J., Sathish, T. Sustainable green cutting fluid for interpreting optimization of process variables while machining on various CNC manufacturing systems—an experimental approach for exploring. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. https://doi.org/10.1007/s00170-024-14028-2.
5. Barmavatu, P., Deshmukh, S.A., Das, M.K., Arabkoohsar, A., García-Merino, J.A., Rosales-Vera, M., Dsilva, R.S., Viswanathan, M.R., Gaddala, B., Sikarwar, V.S. Heat transfer characteristics of multiple jet impingements using graphene nanofluid for automobile industry application. Thermal Science and Engineering Progress 55, 102993, (2024). https://doi.org/10.1016/j.tsep.2024.102993 (WoS, JIF 5.1 /2023/, Q1/D1*).
6. Kaviti, A.K., Akkala, S.R., Jeremias, M., Pohorely, M., Sikarwar, V.S. Submerged nanoporous anodized alumina structure for solar-powered desalination. Environmental Science and Pollution Research (2024). DOI: https://doi.org/10.1007/s11356-024-33971-x. (WoS).
7. Swami, S., Suthar, S., Singh, R., Thakur, A.K., Gupta, L.R., Sikarwar, V.S. Potential of ionic liquids as emerging green solvent for the pretreatment of lignocellulosic biomass. Environmental Science and Pollution Research 31, 12871–12891, (2024). https://doi.org/10.1007/s11356-024-32100-y. (WoS)
8. Kaviti, A.K., Kumar, Y.P., Sikarwar, V.S. Copper-Plated Nanoporous Anodized Aluminum Oxide for Solar Desalination: An Experimental Study. Sustainability 16, 2220, (2024). https://doi.org/10.3390/su16052220 (WoS, JIF 3.3 /2023/, Q2)
9. Kaviti, A.K., Akkala, S.R., Pohořelý, M., Sikarwar, V.S. Performance Analysis of Floating Structures in Solar-Powered Desalination. Energies 17, 621, (2024). https://doi.org/10.3390/en17030621 (WoS, JIF 3.0 /2023/, Q3)
10. Swami, S., Suthar, S., Singh, R., Thakur, A.K., Gupta, L.R., Sikarwar, V.S. Integration of anaerobic digestion with artificial intelligence to optimise biogas plant operation. Environment, Development and Sustainability (2023). https://doi.org/10.1007/s10668-023-04326-2. (WoS).
11. Zhovmir, M.M., Moško, J., Farták, J., Jiříček, I., Pohořelý, M. Complex Study of Straw Suitability for the Production of Nonindustrial Straw Pellets. ACS Omega 8, 47100–47112, (2023). https://doi.org/10.1021/acsomega.3c07057. (WoS, JIF 4.1 /2022/, Q2)
12. Kaviti, A.K., Teja, M., Madhukar, O., Teja, P.B., Aashish, V., Gupta, G.S., Sivaram, A., Sikarwar, V.S. Productivity Augmentation of Solar Stills by Coupled Copper Tubes and Parabolic Fins. Energies 16, 6606, (2023). https://doi.org/10.3390/en16186606. (WoS, JIF 3.2 /2022/, Q3)
13. Kaviti, A.K., Akkala, S.R., Ali, M.A., Anusha, P., Sikarwar, V.S. Performance Improvement of Solar Desalination System Based on CeO2-MWCNT Hybrid Nanofluid. Sustainability 15, 4268, (2023). https://doi.org/10.3390/su15054268. (WoS, JIF 3.9 /2022/, Q2).
14. Kaviti, A.K., Akkala, S.R., Sikarwar, V.S., Sai Snehith, P., Mahesh, M. Camphor-Soothed Banana Stem Biowaste in the Productivity and Sustainability of Solar-Powered Desalination. Applied Sciences 13, 1652, (2023). https://doi.org/10.3390/app13031652. (WoS, JIF 2.7 /2022/, Q2).
15. Thakur, A.K., Singh, R., Gehlot, A., Kaviti, A.K., Aseer, R., Suraparaju, S.K., Natarajan, S.K., Sikarwar, V.S. Advancements in solar technologies for sustainable development of agricultural sector in India: a comprehensive review on challenges and opportunities. Environmental Science and Pollution Research 29, 43607–43634, (2022). https://doi.org/10.1007/s11356-022-20133-0 (WoS, JIF 5.190 /2021/, Q2).
16. Mohiuddin, S.A., Kaviti, A.K., Rao, T.S., Sikarwar, V.S. Historic review and recent progress in internal design modification in solar stills. Environmental Science and Pollution Research 29, 38825–38878 (2022). https://doi.org/10.1007/s11356-022-19527-x. (WoS, JIF 5.190 /2021/, Q2).
17. Sun, D., Ardestani, M. M., Pohořelý, M., Moško, J., Winding, A., Bonkowski, M., Zhao, Y., Frouz, J. Does micro-sized pyrogenic carbon made in lab affect earthworm mortality in restrained water content?. (short communication). Applied Soil Ecology 177, 104540 (2022). https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2022.104540. (WoS, JIF 5.509 /2021/, Q2).
18. Akkala, S. R., Kaviti, A. K., ArunKumar, T., Sikarwar, V. S. Progress on suspended nanostructured engineering materials powered solar distillation- a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 143, 110848, (2021). https://doi.org/10.1016/j.rser.2021.110848. (WoS, JIF 14.982 /2020/, Q1/D1*).
19. Sikarwar, V. S., Reichert, A., Jeremias, M., Manovic, V. COVID-19 pandemic and global carbon dioxide emissions: A first assessment. Science of The Total Environment 794, 148770, (2021). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148770. (WoS, JIF 7.963 /2020/, Q1/D1*).
20. Kaviti, A.K., Akkala, S.R., Sikarwar, V.S. Productivity enhancement of stepped solar still by loading with magnets and suspended micro charcoal powder. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects, 1–19, (2021). https://doi.org/10.1080/15567036.2021.2006371. (WoS, JIF 3.447 /2020/, Q2).
21. Hásl, T., Jiříček, I., Jeremiáš, M., Farták, J., Pohořelý, M. Cost/Performance Analysis of Commercial-Grade Organic Phase-Change Materials for Low-Temperature Heat Storage. Energies 3, 4087, (2020). https://doi.org/10.3390/en13010005. (WoS, JIF 2.702 /2019/, Q3).
22. Negi, P., Pathani, A., Bhatt, B.C., Swami, S., Singh, R., Gehlot, A., Thakur, A.K., Gupta, L.R., Priyadarshi, N., Twala, B., Sikarwar, V.S. Integration of Industry 4.0 Technologies in Fire and Safety Management. Fire 7, 355, (2024). https://doi.org/10.3390/fire7100335. (WoS, JIF 3.0 /2023/, Q1).