Kombinierte Material- und Verfahrensentwicklung für effiziente Adsorptionswärmepumpen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bastian Etzold; Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 266154638

Für den Betrieb herkömmlicher Wärmepumpen, sei es zu Heizzwecken oder zur Klimatisierung, wird exergetisch hochwertige elektrische Energie verwendet. Eine Alternative bieten die thermisch angetriebenen Wärmepumpen, bei denen solare Wärme, geothermische Energie oder industrielle Abwärme genutzt werden kann. Charakteristisch für Adsorptionswärmepumpen ist der zyklische Wechsel von Beladung und Regeneration des festen Adsorbens und, wie bei allen thermischen Wärmepumpen, der Betrieb zwischen drei Temperaturniveaus. Voraussetzungen für eine hohe thermische Effizienz sind: 1) Das verwendete Adsorbens muss eine hohe Adsorptionskapazität aufweisen und eine - relativ zum Gesamtprozess - schnelle Sorptionskinetik. Das Material sollte eine hohe innere Oberfläche aufweisen (Mikroporen) und gute Zugänglichkeit durch eine hinreichende Anzahl und Anordnung von Transportporen (Makroporen). 2) Um eine schnelle Aufheizung oder Abkühlung des Adsorbens zu gewährleisten, sollte das Adsorbens eine große Wärmeleitfähigkeit aufweisen, damit der Temperaturwechsel schnell und vollständig erfolgt. 3) Das Adsorbens (und ggf. das Sorbat) werden periodisch aufgeheizt und gekühlt. Ziel des Gesamtverfahrens ist es, derartige Wärmeumladungsverluste zu minimieren. Dies kann neben den unter 2) genannten Punkten erreicht werden durch Minimierung der Wärmekapazität des Adsorbens und Vermeidung inerter Massen oder eine Prozessführung mit mehreren Modulen, die durch eine simulierte Gegenstromführung von Adsorbens und Wärmeträgerfluiden zu einer weitgehenden internen Rückgewinnung von gespeicherter Wärme führt. 4) Minimierung von Transportwiderständen des Sorbatflusses zwischen Adsorbens und der Phasenwechselzone (Kondensator/Verdampfer). Jede der o.a. Anforderungen ist für sich genommen optimierbar, jedoch nicht alle Eigenschaften simultan. So kann z.B. eine hohe thermische Leitfähigkeit des Adsorbens durch die Zugabe leitfähiger Materialien erreicht werden, was andererseits die Adsorptionskapazität vermindert. Der Einfluss einzelner Materialeigenschaften ist auch vom favorisierten Gesamtprozess abhängig: die Effizienz eines Prozesses mit hoher interner Wärmerückgewinnung (simulierter Gegenstrom-Prozess) ist weniger sensitiv gegen inerte Massen als ein einfaches Zweibettverfahren. Material- und Verfahrensentwicklung erfolgten bisher unabhängig voneinander. Ziele der Materialentwicklung liegen meist bei den Aufgaben 1 oder 2, während die verfahrenstechnische Entwicklung (3 und 4) in der Regel von gegebenen und nicht weiter beeinflussbaren Materialien ausgeht. Aufgrund der beschriebenen Abhängigkeiten ist davon auszugehen, dass dieses Vorgehen nicht in einem gemeinsamen Optimum aus Material und Prozess resultiert. In dem beantragten Projekt sollen beide Entwicklungen in Synergie gebracht werden, um eine optimale Kombination von Material und Prozess zu identifizieren und exemplarisch eine Methodik des kombinierten Material- und Verfahrensdesigns zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Heißpresse mit Vakuummöglichkeit
• Gerätegruppe: 2130 Pressen und Maschinen zum Biegen, Drücken, Stanzen, Prägen, Ziehen