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Entwicklung und Validierung von geothermischen Modellen und Anlagenkonzepten mit innovativen oberflächennahen Elementen für dynamisch geregelte Wärmepumpensysteme, Teilvorhaben: Vertikalabsorber und Materialoptimierung

Im Projekt lnnoFlaG sollen neuartige oberflächennahe Wärmetauscherelemente in Kombination mit Latentwärmespeichern, Energiespeichern und Hydraulikmodulen als funktionsfähige Einheit vom Firmenkonsortium entwickelt, getestet und in Wechselwirkung mit dem oberflächennahen Erdreich (inkl. Feuchtetransport und Gefrierprozessen) sowie multimodaler Regenerierung modelliert werden. Hierbei geht es um erhöhte Planungssicherheit bezüglich der Erträge, aber auch um Schadensvermeidung, denn gerade bei flachen Geo-Kollektoren sind in der Vergangenheit durch Gefrieren des Bodens Schäden entstanden. In diesem Teilvorhaben wird von der GeoCollect GmbH untersucht, wie der Einsatz von 100 % Recyclingmaterialien für die kunststoffbasierten Absorber und verbindenden Rohrleitungen ermöglicht werden kann. Neben einer Materialoptimierung von gängigem Polypropylen in Richtung Polyethylen wird die GeoCollect GmbH insbesondere die Eignung und Zertifizierbarkeit von Recycling-Granulaten und daraus hergestellten Komponenten für die Anwendung im Rahmen der oberflächennahen Geothermie untersuchen. Desweiteren werden von der GeoCollect GmbH die Absorberform und die Gesamtgeometrie bezüglich der thermischen Performance und der Langzeitbeständigkeit optimiert. Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die Gesamt-Ökobilanz des Systems gelegt. Entsprechende Optimierungsrechnungen werden in Zusammenarbeit mit dem SIJ der FH Aachen durchgeführt, wobei die C02- Emissionen als Leitparameter der Ökobilanzierung gewählt werden. Zudem führt die GeoCollect GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem SIJ und der WKG Energietechnik GmbH die Neuentwicklung eines zwangsdurchströmten Trennwärmetauschers zur Wärmerückgewinnung aus Oberflächen-, Ab- und Grundwasser bis zu einem Funktionsmuster durch. Basis der Neuentwicklung ist der Plattenabsorber der GeoCollect GmbH. Die für die Versuche an der FH Aachen benötigten Kollektor-Elemente und Anschlussmaterialien werden von der GeoCollect GmbH bereitgestellt.

Adsorptive Abwasserreinigung

Die adsorptive Abwasserreinigung gewinnt zunehmend an Bedeutung als Ergaenzung zu biologischen Reinigungsverfahren: Insbesondere bei hochbelasteten Abwaessern muss man damit rechnen, dass die biologische Reinigung allein nicht zum Ziel fuehrt. Die adsorptive Nachreinigung der biologisch vorgereinigten Abwaesser ist vom wirtschaftlichen Standpunkt dann in Betracht zu ziehen, wenn es gelingt, auf eine Regenerierung des Adsorptionsmittels entweder zu verzichten oder mit besonders einfachen Verfahren durchzufuehren. Im Rahmen des Projekts wird als Adsorptionsmittel Braunkohlenkoks verwendet. Dieser Braunkohlenkoks ist im Vergleich zur Aktivkohle ausserordentlich preiswert. In einem neuen verfahrenstechnischen Geraet der mehrstufigen Wirbelschicht mit kontinuierlichem Durchlauf von Wasser und Adsorbern soll die Beladung des Braunkohlenkokses untersucht werden. Auf eine Regenerationsstufe wird verzichtet, da der Koks als Brennstoff fuer die Verbrennung des bei der Abwasserreinigung anfallenden Schlamms verwendet wird. Die mit diesem Verfahren zusammenhaengenden Fragen sollen im Rahmen des Projekts geklaert werden.

Wasserbewusste Erzeugung von Wasserstoff und e-Fuels in trockenen Regionen (Phase 1), Teilvorhaben: Arbeiten zur Wirtschaftlichkeitsanalyse, des Technologietransfers sowie Entwicklung der Membran und der Systemsteuerung des SOEC Systems

H2Demo, Entwicklung von Demonstratoren zur direkten solaren Wasserspaltung

Herstellung von Hydrotalcit

In dem Vorhaben konnte gezeigt werden, dass die im Labor- und Technikumsmaßstab gewonnenen Ergebnisse in die Demonstrationsanlage zur umweltfreundlichen Herstellung von Hydrotalcit übertragen werden konnten. Die prognostizierte Energie- und Wassereinsparung konnte erzielt werden. Ebenfalls wurde die Zielsetzung bei den Abwasserwerten erreicht. Neben dem Einsatz von Hydrotalcit als Stabilisator in der PVC-Verarbeitung ergeben sich weitere Marktpotentiale bei der Polyolefinstabilisierung sowie mittelfristig Einsatzmöglichkeiten für basische Katalysatoren.

Untersuchung ueber die Wechselwirkung von Klaerschlaemmen auf unbelastete und belastete Boeden

Die Belastung von Boeden setzt eine Klaerung der geogenen und anthropogenen Herkunft von relevanten Schadstoffen voraus. Exakte Aussagen ueber die Herkunft solcher Schadstoffe lassen sich jedoch stets nur dann machen, wenn auch die lokalen geochemischen Verhaeltnisse bekannt sind und bei den Untersuchungen mit erfasst werden. Dieses ist besonders ausschlaggebend, wenn Klaerschlaemme aufgebracht werden. Hierbei sind die Tonmineralien als Schadstoffadsorber eine Loesung zur Vermeidung der staendig wachsenden Mengen, die insbesondere zur Deponierung oder Verbrennung fuehren. Desweiteren sind bisher nur wenige Untersuchungen ueber die Relevanz von Arsen und Thallium durchgefuehrt worden.

Reduzierung der Emissionen bei der Insekten-Raumbegasung durch Einsatz einer zweistufigen Adsorptionsanlage

Die bei der Begasung von Getreide in einer Muehle entstehenden unkontrollierten hochgiftigen Methylbromid-Emissionen werden vollstaendig vermieden und das eingesetzte Insektizid zurueckgewonnen und wiederverwertet. Hierzu ist folgende Verfahrenstechnik vorgesehen. Das eingesetzte Giftgas wird vor der Begasung auf einem Adsorberspeicher (Aktivkohle) gebunden und erst mit der zu begasenden Raumluft aus dem Adsorptionsmittel ausgetrieben und in die Muehle geleitet. Nach erfolgter Begasung wird durch umgekehrte Regelung von Temperatur und Druck die mit Schadstoff beladene Raumluft wieder durch das Adsorptionsmittel geleitet, wobei das Giftgas an der Aktivkohle adsorbiert wird. Mittels eines Hochleistungsgeblaeses mit Drosselventil wird ein fuer die Adsorption guenstiger Unterdruck von etwa 0,5 bar und ein fuer die Begasung (Desorption) entsprechender Unterdruck erzeugt. Durch mehrere Absperrhaehne koennen Adsorption und Desorption im Gegenstrom zueinander gefuehrt werden. Das Giftgas wird im Adsorber gespeichert und steht mit einer fahrbaren Anlage fuer eine weitere Nutzung zur Verfuegung. Durch Verringerung des Raumvolumens mittels eines aufblasbaren Verdraengungskoerpers kann der Begasungsaufwand zB bei geometrisch regelmaessig gestalteten leeren Siloraeumen deutlich gesenkt werden. Durch Anpassen der Stufenzahl der Adsorberspeicher an das Begasungsvolumen wird erreicht, dass die Adsorber immer mit annaehernd gleichen spezifischen Bedingungen arbeiten. Die Entsorgung kann durch diese mobile Anlage aeusserst wirtschaftlich durchgefuehrt werden.

Entwicklung einer Analysenmethode zur simultanen Bestimmung polarer und unpolarer flüchtiger Luftinhaltsstoffe (VOC) unter Verwendung zweidimensionaler Gaschromatographie

Aufbauend auf den Erfahrungen des Antragstellers auf dem Gebiet der mehrdimensionalen Gaschromatographie (GC) und der Luftanalytik wird eine Analysenmethode zur simultanen Bestimmung polarer und unpolarer flüchtiger Luftinhaltsstoffe (volatile organic compounds (VOC)) mittels zweidimensionaler GC entwickelt. Dazu werden Säulen unterschiedlicher Polarität für die Trennung der unpolaren und polaren Verbindungen getestet. Die aufgrund der ersten Untersuchungen ausgewählten Säulen werden seriell gekoppelt. Es wird eine GC-Methode entwickelt, mit deren Hilfe eine Ausschnittsdosierung der unpolaren Verbindungen auf die zweite Säule erfolgt. Weiterhin wird eine geeignete Strategie für die Probenahme entwickelt. Die Untersuchungen fokussieren sich dabei sowohl auf die adsorptive Anreicherung als auch auf die Probenahme mit Hilfe von Edelstahlkanistern. Es werden verschiedene Adsorbentien getestet und charakterisiert. Bei der Probenahme in Kanistern wird die Stabilität der polaren Verbindungen (Aldehyde, Ketone, Alkohole) im Kanister und der vollständige Probentransfer der Analyten in das Analysensystem untersucht. Zur Validierung der entwickelten gaschromatographischen Methode und zur Validierung der jeweiligen Probenahmestrategie werden Feldexperimente durchgeführt.

Erstellung und Kennzeichnung poroeser Adsorbentien und Katalysatoren

Ziel der Untersuchung ist es, von quantitativer Einsicht in das Zusammenwirken von Transportvorgaengen, Porenmorphologie und Porenentstehung ausgehend, die Herstellungsverfahren von poroesen Adsorbentien bzw. Katalysatoren methodisch zu begruenden und zu verbessern.

Entwicklung und Erprobung eines effizienten CO2-Abscheidungsverfahrens auf der Basis wabenstrukturierter Adsorbentien

Die Abscheidung von Kohlendioxid (Carbon Capture) wird für viele energieintensive und schwer dekarbonisierbare Prozesse wesentlich sein, um zukünftige CO2-Ziele einhalten zu können. Es gibt unterschiedliche Verfahren zur CO2-Abscheidung, wobei die Aminwäsche (Absorption) am weitesten verbreitet ist und in großem Maßstab kommerziell eingesetzt wird. Den Vorteilen der hohen Beladungskapazität und Selektivität stehen bei diesem Verfahren die Nachteile eines hohen Energiebedarfs, hoher Investitionskosten und verfahrensbedingter Aminemissionen gegenüber. Eine äußerst attraktive Alternative stellen adsorptive Trennverfahren mit festen Adsorbentien dar, mit dem Potential für geringeren Energiebedarf, einer Vermeidung von Aminschlupf durch die feste Bindung an den Träger und sehr guter Skalierbarkeit des Verfahrens. Als Adsorbentien für die CO2-Abtrennung werden heute praktisch ausschließlich Granulate oder Pellets betrachtet, da keine Alternativen in großem Maßstab verfügbar sind. Zur Behandlung von sehr großen Volumenströmen sind strukturierte Packungen, z.B. Wabenkörper, aufgrund Ihres deutlich günstigeren Verhältnisses von Druckverlust zu spezifischer Oberfläche von wesentlichem Vorteil im Vergleich zu Festbettschüttungen. Strukturierte Adsorbentien zur CO2-Abtrennung sind derzeit nicht in industriellem Maßstab verfügbar. Die Entwicklung und Fertigung ist kapitalintensiv und erfordert sehr spezielles Know-how auf dem Gebiet der Materialwissenschaften. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen auf aminfunktionalisierten Wabenkörpern basierenden Adsorptionsprozess zur effizienten Abscheidung von CO2 aus Prozess- oder Rauchgasen zu entwickeln und anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele zu demonstrieren.

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