Wärmetransformation durch Adsorption Grundlagen und neue Materialien Gerrit Füldner...

Wärmetransformation durch Adsorption

Grundlagen und neue Materialien

Gerrit Füldner

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE

DPG-Jahrestagung, AKE4München, 20. März 2006

Gerrit Füldner, AKE_2006_München

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Gliederung

1. Grundlagen

Einführung

Carnot‘scher Vergleichsprozess

Adsorptionswärmepumpen und –kältemaschinen

Nutzbare Materialien

2. Materialoptimierung durch Simulation

Methoden der Computersimulation

Gittergassimulationen im Ising-Modell


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Großer Anteil fossiler Energieträger zur Bereitstellung von Niedertemperaturwärme und Kälte genutzt

Reduktion möglich durch thermisch betriebene Adsorptionswärmepumpen und –kältemaschinen

Insbesondere in Kombination mit Solarenergie

Warum Adsorptionstechnik?

Quelle: MSE


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Auch: (saisonale) Adsorptions-Wärmespeicher

Größere Speicherdichten (>130 kWh/m3) als z.B. Wassertanks (ca. 58 kWh/m3)

Pilotprojekt im Solarhaus Freiburg

Weitere Nutzungsmöglichkeit

Fläche nutzbar für Bild / Graph

Quelle: ISE Freiburg


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Carnot‘scher Vergleichsprozess

Exergie Ex=(1-T1/T2)Q

Bei T2: Ex(Q2)=W

=> Q1 ‘‘=Q2 – W

Bei T0 wird W zugeführt

=> Q1 ‘=Q0 + W

=> Q1=Q0+Q2 steht bei T1 zur Verfügung

Fläche nutzbar für Bild /Graph


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Mögliche Sorptionsmaterialien

Silikagele: Amorphe Form fester Kieselsäure, Modifizierung durch Metall-Ionen

Zeolithe: Typen A, X und Y, Modifizierung durch Ionenaustausch

Aluminophosphate: besonders aussichtsreich Alpo 18, teuer in der Herstellung (Template)

Aktivkohlen: Oberflächenmodifizierung nötig (Hydrophilierung)


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Experimentell charakterisierte Adsorbentien

Beladungshub in g/g bei zwei verschiedenen Zyklenbedingungen (Verdampfung immer 10°C, Kondensation 35°C):

Vorne: Desorption bei 95°C, niedrigste Adsorptions-temperatur 30°C

Hinten: Desorption bei 140°C, niedrigste Adsorptions-temperatur 40°CQuelle: Dr. Ferdinand Schmidt, ISE Freiburg


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Methoden der Computersimulation

Molekulardynamische Simulationen (MD): Gleichgewichts- und Transporteigenschaften eines klassischen Vielkörpersystems durch Lösung der Bewegungsgleichungen

Monte Carlo Simulationen (MC): Gleichgewichtseigenschaften eines statistischen Systems durch Sampling und Mittelung boltzmannverteilter Konfigurationen


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Wasseradsorption in Simulation und Experiment:GCMC-Simulationen

Y-Zeolith bei 56 mbar und 413 K,SPC-WassermodellQuelle: Stefan Henninger, ISE Freiburg


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x

yz

Gittergassimulationen mit der Monte Carlo Methode

L

Nmit


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Mögliche Phasenübergänge von Wasser in Poren

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0200

250

300

350

400

450

500

550

600

T /

K

/ g cm-3

Isothermen nach IUPAC

Layering, Wetting und Kapillarkondensation,Brovchenko et al. 2006 (BMBF Netzwerk-Projekt)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0200

250

300

350

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450

500

550

600

T /

K

/ g cm-3

Parameter im Gittergasmodell: Surface-Site-WW,Site-Site-WW, Porenweite

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0200

250

300

350

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500

550

600

T /

K

/ g cm-3


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Zusammenfassung Adsorptionsprozesse gut geeignet zur Nutzung thermischer Solarenergie

Materialoptimierung und –Upscaling nötig, aber aussichtsreich

Sowohl experimentell in Zusammenarbeit mit Synthesegruppen als auch im Rahmen von Computersimulationen

Gittergassimulationen zum grundlegenden Verständnis der Adsorption geeignet, aber keine quantitativen Aussagen möglich

Theorie: Wetting Transition und v.a. Kapillarkondensation geeignete Phasenübergänge


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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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