Wärmetransformation durch Adsorption

1. Gerrit Füldner Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE DPG-Jahrestagung, AKE4 München, 20. März 2006 Wärmetransformation durch Adsorption Grundlagen und neue Materialien

2. Gliederung • Grundlagen • Einführung • Carnot‘scher Vergleichsprozess • Adsorptionswärmepumpen und –kältemaschinen • Nutzbare Materialien 2. Materialoptimierung durch Simulation • Methoden der Computersimulation • Gittergassimulationen im Ising-Modell

3. Warum Adsorptionstechnik? • Großer Anteil fossiler Energieträger zur Bereitstellung von Niedertemperaturwärme und Kälte genutzt • Reduktion möglich durch thermisch betriebene Adsorptionswärmepumpen und –kältemaschinen • Insbesondere in Kombination mit Solarenergie Quelle: MSE

4. Quelle: ISE Freiburg Weitere Nutzungsmöglichkeit Fläche nutzbar für Bild / Graph • Auch: (saisonale) Adsorptions-Wärmespeicher • Größere Speicherdichten (>130 kWh/m3) als z.B. Wassertanks (ca. 58 kWh/m3) • Pilotprojekt im Solarhaus Freiburg

5. 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

8. 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)

9. 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°C Quelle: Dr. Ferdinand Schmidt, ISE Freiburg

10. 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

11. Wasseradsorption in Simulation und Experiment:GCMC-Simulationen Y-Zeolith bei 56 mbar und 413 K, SPC-Wassermodell Quelle: Stefan Henninger, ISE Freiburg

12. mit N z y x L Gittergassimulationen mit der Monte Carlo Methode

13. Isothermen nach IUPAC Mögliche Phasenübergänge von Wasser in Poren Parameter im Gittergasmodell: Surface-Site-WW, Site-Site-WW, Porenweite Layering, Wetting und Kapillarkondensation, Brovchenko et al. 2006 (BMBF Netzwerk-Projekt)

14. 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

15. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!