Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG) - GZ: NI 932/10-1

Kombinierte Material- und Verfahrensentwicklung für effiziente Adsorptionswärmepumpen

Bearbeitung: M.Sc. Marc Scherle, Dipl.-Ing. P. Günther

   

Projektpartner

Arbeitsgruppe Prof. Dr.-Ing Dipl.-Kfm. Bastian J.M Etzold, Technische Universität Darmstadt, Ernst-Berl-Institut für Technische und Makromolekulare Chemie

FIB-SEM Aufnahme einer Aktivkohle (c) Markus Osenberg, Helmholtz-Zentrum Berlin
FIB-SEM Aufnahme einer Aktivkohle hergestellt von der Arbeitsgruppe Prof. Dr.-Ing B.J.M Etzold, Technische Universität Darmstadt, Ernst-Berl-Institut für Technische und Makromolekulare Chemie / eingesetzt und getest am ICVT

Motivation

In der Verfahrenstechnik spielen die Entwicklung von Prozessen sowie deren Verbesserung eine erhebliche Rolle. Herkömmlicherweise werden Prozesse für einen gegebenen Satz an Materialien entwickelt oder ein bestehender Prozess mit dem Einsatz eines anderen Materials, z.B. Katalysators, verbessert. In diesem Projekt wird eine simultane Prozess- und Materialentwicklung demonstriert sowie das dadurch entstehende Optimierungspotentialam Beispiel des adsorptiven Mehrbett-Prozesses für eine Wärmepumpeaufgezeigt werden.

Das übliche Vorgehen soll erweitert werden, bei dem die Prozessentwicklung auf der Basis eines vorgegebenen Satzes an verfügbaren Materialien erfolgte, oder bei dem eine Materialentwicklung einseitig, z.B. auf dünne Schichten, fokussiert ist. Im Fall regenerativer Speicherprozesse schöpfen beide Ansätze das Potential nicht aus, da z.B. dünne Schichten die Transportwiderstände verkleinern, aber die niedrige Speicherfähigkeit (und die damit einhergehenden inerten Massen) der Steigerung der Effizienz zuwiderläuft. Die Vorgehensweise steht exemplarisch für viele Aufgaben in der Verfahrenstechnik, bei denen nur eine gute Abstimmung von Prozess- und Materialentwicklung noch weiteres Optimierungspotenzial bietet. Beispielhaft soll die simultane Verfahrens- und Materialentwicklung für die adsorptive Kühlung mit dem Arbeitspaar CDC /Methanol durchgeführt werden.

 (c)
Hochvakuum-Apparatur zur Messung von Adsorptionsgleichgewichten

Projektziel

Bei Adsorptionswärmepumpen handelt es sich um ein komplexes, instationäres Verfahren. Durch Nutzung der „True-Moving-Bed“-Approximation ist es allerdings möglich, ein stationäres Ersatzmodell für die Optimierung des Verfahrens zu generieren, welches nach Erweiterung um eine zweite örtliche Dimension (1+1-D-Modell) eine detaillierte Beschreibung des Wärme- und Stofftransportes in der Adsorbensstruktur zulässt. Die stationäre Beschreibung des Prozesses erlaubt den Einsatz einer effizienten Parameterfortsetzung in relevanten Prozess- und Materialparametern. Die damit verfügbare Modelldetaillierung erlaubt sowohl die Optimierung des Prozesses als auch den Einfluss der Speicher- und Transporteigenschaften des Adsorbens auf die Effizienz des Gesamtverfahrens vorherzusagen.

Bei karbidabgeleiteten Kohlenstoffen können Materialeigenschaften wie Porenstruktur, Funktionalisierung und Kohlenstoffmikrostruktur in weiten Bereichen reproduzierbar eingestellt werden. Daher lassen sich die Speicherfähigkeit und die Wärme- und Stofftransporteigenschaften in einem großen Bereich variieren und somit ein großer, zugänglicher Materialraum realisieren. Allerdings sind die Anwendungseigenschaften nicht unabhängig voneinander. Kennt man die Beziehungen zwischen Materialstruktur und Eigenschaften (Speicherung, Transport), sowie die Grenzen der Herstellung, kann in Kombination mit der Prozess-Simulation eine optimale Kombination von Prozessdesign, Betriebsweise und verwendetem Material identifiziert werden. Auch wenn CDC‘s in der Herstellung aufwändiger sind als konventionelle Aktivkohle, so besitzen sie ein bisher noch nicht genutztes Anwendungspotenzial für Adsorptionswärmepumpen, zumal sie im Rahmen der Methodenentwicklung viele Möglichkeiten bieten, um Strukturen in einem sehr weiten Bereich zu variieren.

Die erste Antragsperiode dient dazu Simulations- und Herstellungsmethoden auszuarbeiten, Struktur-Wirkungsbeziehungen zu erarbeiten und an einem Einzelmodul die Vorgehensweise zu validieren. Die zweite Antragsperiode dient der Optimierung unter Zuhilfenahme mathematischer Methoden und gezieltem Materialdesign.

Ansprechpartner

Marc Scherle
M.Sc.

Marc Scherle

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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