Udržitelné procesy (energie, odpady)

V letošním roce jsme pro Vás připravili inovované tematické okruhy bakalářských práci, které reagují na aktuální výzvy. V médiích rezonují pojmy jako „Green Deal (Zelená dohoda)“, „udržitelnost“ či „oběhové hospodářství“. Ceny energií jsou nestabilní, v některých částech roku dosahují rekordních hodnot. Chcete hlouběji pochopit, co znamenají tyto pojmy a co se vlastně děje? Chcete zjistit, jak může strojní inženýr přispět k řešení nových výzev, kterým bude muset průmysl v ČR v následujících letech čelit?

Okruhy témat se svým zaměřením a obsahem týkají především oborů „odpadové hospodářství“ a „energetika“. Témata jsou koncipována tak, aby se student s danou problematikou seznámil, získal a sepsal odborné informace, které následně využije v dílčím výpočtu (praktické části práce). Rozsah, hloubka a náročnost výpočtů se může v jednotlivých zadáních lišit a je vždy přizpůsobena schopnostem studenta.

Prvotní bližší informace o problematice v širších souvislostech se dozvíte v části Doplňkové informace

Garant: doc. Ing. Martin Pavlas, Ph.D., Sekce energetických systémů a simulačních výpočtů

Seznam zadání závěrečných prací pro rok 2024/25

Okruhy:

• Udržitelné nakládání s odpady
• Udržitelné výrobní procesy
• Udržitelná energetika

Pozn. Součástí nakládání s odpady je také jejich doprava (logistika). Tuto problematiku jsme vyčlenili do samostatného okruhu Chytrá logistika: Vývoj a testování inovativních výpočtových nástrojů.

Udržitelné výrobní procesy

Účelem výrobních procesů (strojírenských ale i jiných) je vytvářet výrobky. K tomu musí do procesu vstoupit materiály, které se průchodem procesem postupně transformují na kýžené produkty. Transformace probíhá postupně v tzv. jednotkových operacích. Protože tato transformace není stoprocentně účinná, je doprovázena vznikem odpadů.

Aby transformační procesy mohly probíhat, potřebují energii. Stroje potřebují elektřinu, v některých případech je potřeba ohřívat, chladit, spotřebovává se tlakový vzduch.

Výrobní firmy jsou nuceny se zabývat udržitelností, tj. snižovat svoji uhlíkovou stopu, snižovat spotřebu energie, snižovat tvorbu odpadů (včetně nebezpečných). Klíčem k úspěchu pak může být nasazení nových technologií.

Jako příklad lze uvést srovnání aditivní výroby (3D tisk) a konvenčního třískového obrábění. Ty se liší v produkci odpadů a energetické náročnosti. Aditivní technologie přidávají materiál vrstvu po vrstvě, což vede k minimalizaci odpadů, protože materiál je využíván efektivněji a pouze tam, kde je potřeba. Naopak, konvenční obrábění často zahrnuje odebírání materiálu z většího polotovaru, což generuje více odpadu. Co se týče energetické náročnosti, aditivní výroba může být v některých případech energeticky náročnější, zejména při použití technologií vyžadujících vysoké teploty nebo laserové systémy. Nicméně celková energetická bilance může být vyvážena snížením potřeby následného obrábění a úprav, díky přesnosti a efektivitě aditivních procesů.

Dále je možné posoudit dílčí opatření pro zefektivnění systémů jako jsou systémy dodávky stlačeného vzduchu, vzduchotechniky a ventilace, dopravy médií.

Práce se v tomto okruhu zaměřují na:

• Seznámení se s problematikou udržitelnosti ve výrobních procesech
• Popis a shromáždění informací a publikovaných prací o možnostech udržitelného řešení jednotkových operací ve strojírenství
• Jako konkrétní příklad lze uvést srovnání aditivních technologií a konvenčního třískového obrábění z pohledu produkce odpadů a spotřeby energie.
• Sběr dat s cílem vyhodnotit uhlíkovou stopu konkrétního podniku.

Předběžné názvy prací v tomto okruhu jsou následující:

• Uhlíková stopa podniků
• Udržitelné jednotkové operace
• Uplatnění principu ekodesignu – dobře navržené výrobky
• Emisní stopa z dopravy zboží a materiálu

Úplný seznam zadání včetně jejich charakteristiky najdete zde.

Pozn.: Jedná se o předběžný seznam témat. Na základě dohody s námi lze témata modifikovat, popř. vypsat další. Neváhejte nás proto kontaktovat na martin.pavlas@vutbr.cz.

Udržitelné nakládání s odpady

V současnosti probíhá v Českém a Evropském odpadovém hospodářství bouřlivý vývoj související jak se stanovenými cíli v odpadovém hospodářství (např. odklon od skládkování využitelného odpadu), tak i s přechodem na tzv. oběhové hospodářství (cirkulární ekonomika). Výzvy se týkají jak odpadů komunálních, tak také průmyslových. Náklady na zpracování odpadů rostou, proto by se výrobní podniky měly zabývat tím, jak minimalizovat jejich vznik. Pokud už odpady vzniknou, měla by existovat snaha o jejich maximální využití, především pak recyklaci. Toho lze dosáhnout především změnou myšlení při návrhu výrobků a jejich obalů (tzv. eko-design), využitím kvalitních, efektivních a účelných technologií pro třídění.  

Studenti se budou podílet na zpracování vybraných dílčích úkolů, které se dotýkají produkce odpadů v průmyslu a komunální sféře.

Práce se v tomto okruhu zaměřují na:

• Rešerše legislativy a současné úrovně poznání v odpadovém hospodářství.
• Zpracování rozsáhlých datových sad týkající se produkce odpadů, svozových tras, hmotnosti či implementace legislativních cílů.
• Analýza datových sad z reálných provozů.
• Zpracování výsledků a jejich analýza.

Předběžné názvy prací v tomto okruhu jsou:

• Průmyslové odpady a nakládání s nimi
• Možnosti recyklace nových typů elektroodpadu
• Recyklace textilních materiálů
• Využití komunálního odpadu v české energetice
• Implementace principů cirkulární ekonomiky v odpadovém hospodářství institucí a firem
• Efektivní logistika nových odpadových proudů

Konkrétní názvy zadání (úplný seznam zadání) včetně jejich charakteristiky najdete zde.

Pozn.: Jedná se o předběžný seznam témat. V případě oboustranné dohody lze témata modifikovat, popř. vypsat další. Témata vždy upravujeme na základě konkrétního zájmu studenta tak, aby student měl zadání dle jeho představ a závěrečná práce ho bavila a nebyla mu na obtíž. Nenašli jste pro Vás vhodné téma? Napište nám na martin.pavlas@vutbr.cz.

Udržitelná energetika

EU si dala ambiciózní cíl být do roku 2050 klimaticky neutrální. Tradiční využívání fosilních paliv k výrobě energie se stává z různých důvodů neudržitelné. Výzvou tak je na lokální úrovni (v průmyslu a obcích) náhrada těchto zdrojů zdroji jinými, jako jsou obnovitelné zdroje, vodík nebo odpady. Část odpadů nelze využít materiálově a v takovém případě je preferovanou formou jejich energetické využití, čímž mohou nahradit část fosilních energetických zdrojů.

Student se s problematikou seznámí a případně se bude podílet na zpracování vybraných dílčích úkolů, které souvisí s řešením projektů Národního centra pro energetiku (NCE II) a EneXChange (viz doplňkové informace, část energie).

Témata zahrnují:

• Rešeršní práce (cílem je získat přehled v dané oblasti – legislativa související s Green Deal, zelené činnosti v oblasti energetiky (tzv. EU Taxonomie, popis vybraných technologických konceptů pro výrobu tepla a elektřiny).
• Seznámení se s problematikou Hodnocení dopadu výstavby a provozu energetických celků na životní prostředí (tzv. LCA, Life-Cycle-Assessment).
• Práce jejichž součástí jsou již dílčí výpočty a analýzy související s výše uvedeným.
• Analýza dat z provozovaných energetických celků.

Předběžné názvy prací v tomto okruhu jsou následující:

• Obnovitelné zdroje a jejich uhlíková stopa
• Zpracování a analýza provozních dat z teplárenských provozů
• Energetické využití biomasy – uhlíková neutralita a další dopady
• Podzemní akumulace tepla pomocí vrtů podmínkách ČR

Úplný seznam zadání včetně jejich charakteristiky najdete zde.

Pozn.: Jedná se o předběžný seznam témat. V případě oboustranné dohody lze témata modifikovat, popř. vypsat další. Neváhejte nás proto kontaktovat na martin.pavlas@vutbr.cz.

Doplňkové informace

Co řešíme: Činnosti v rámci sekce Energetických systémů a simulačních výpočtů se zaměřují na problematiku Udržitelnosti ve výrobních firmách a organizacích. Stát se udržitelnou pro firmu obvykle znamená:

• Vyřešit energie, popř. snížit její spotřebu
• Snížit spotřebu vstupních materiálů, snížit produkci odpadů, vyřešit nakládání s odpady
• Vyřešit logistiku (viz samostatný okruh zadání prací ZDE).

Dle charakteru konkrétní firmy pak, tyto tři položky mají různou důležitost. Proto se v rámci naší činnosti zabýváme:

1. Efektivním využitím energie v oblasti komunální a malé průmyslové energetiky. Hlavní pozornost je věnována analýzám, jak v konkrétním případě efektivně využít obnovitelnou energii v energetickém zdroji, jak se povede snížit emise skleníkových plynů.
2. Odpady, monitorování jejich toku na území ČR, prognózování jejich množství (vliv třídění a předcházení odpadů) a určování reálného potenciálu pro jejich recyklaci.
3. Doprava odpadů a dalších materiálů po silnici a železnici.

Kde a proč se pohybujeme na špičce: Témata úzce souvisí s řešením aktuálních výzkumných projektů a spoluprací s průmyslovou sférou.

V oblasti energetiky:

• Národní centrum pro Energetiku II či projekt EneXChange – v těchto projektech spolupracujeme s partnery TEDOM, Pražské služby a Orgrez s cílem přispět ke snížení uhlíkové stopy v oblasti dodávky tepla. Teplárenství se začíná měnit, uhlí se nahrazuje moderními zdroji jako jsou tepelná čerpadla, fotovoltaické systémy a další efektivní technologie. Cílem projektu EneXchange je využití 5G sítě a cloudového řešení k vytvoření pokročilého řídicího systému pro technickou a obchodní správu teplárenských zařízení. Hlavním účelem je umožnit efektivní integraci zelených technologií, obchodování s flexibilitou s cílem dosáhnout maximalizace ekonomického potenciálu v CZT a současně posílit schopnost absorpce obnovitelných zdrojů energie v distribuční soustavě elektrické energie. Úkolem naší sekce je navrhnout výpočtové optimalizační jádro celého systému.

V oblasti odpadů:

• V rámci projektu LiNES se zabýváme odpadem, který vzniká v souvislostí s rozšiřováním nových zdrojů energie. Dnes se jedná především o baterie a akumulátory, které se používají v lehkých dopravních prostředcích jako jsou elektrokoloběžky, elektrokola atd. S rozšiřováním obnovitelných zdrojů budou vzrůstat také odpady z vysloužilé fotovoltaiky a bateriových uložišť. Je potřeba mít jasnou strategii, jak s těmito odpady dále nakládat.
• Plán odpadového hospodářství ČR na období 2025-2035 –  V roce 2024 jsme ve spolupráci s Ministerstvem životního prostředí ČR pracovali na novém Plánu odpadového hospodářství. Jedná se o strategický dokument, který má navrhnout, jak bude ČR v následujících deseti letech nakládat s odpady.
• V roce 2024 jsme společně se společností CAJKU s.r.o. a IDEAWAYSOLUTION řešili studii proveditelnosti nakládání s komunálními odpady pro svazek 82 obcí z Uherskobrodska, Luhačovicka a Valašskokloboucka, reprezentující přes 105 tisíc obyvatel. V této komplexní studii, která měla za úkol zhodnotit současný stav nakládání s komunálními odpady na území svazku a navrhnout systém budoucího sběru, a logistiky odpadů, bylo VUT zodpovědné za vytvoření prognózy budoucího množství komunálních odpadů v řešeném území a současně výpočet nákladů na budoucí svoz odpadů z jednotlivých obcí do logistických center – překládacích stanic. K tomuto VUT využilo svůj původní a ojedinělý logistický model Popelka.

V oblasti udržitelnosti (obecně):

• Projekt Akcelerace zelených dovedností a udržitelnosti na VUT v Brně – Jsme součástí velkého projektu na VUT, který má za cíl rozvíjet vzdělávání v oblasti udržitelnosti na VUT. Inovujeme některé naše stěžejní předměty (jako jsou Energie Emise, Bilancování procesních a energetických zařízení, Stavba procesních zařízení). Současně s Fakultou stavební připravujeme nový kurz celoživotního vzdělávání zaměřený na udržitelnost
• Jsme součástí týmu, který zpracoval první zprávu o udržitelnosti VUT.