In dem Projekt PCM-Metro-2 soll das dynamische Verhalten und die Alterung von PCM Komponenten untersucht werden. Das Verständnis zeitabhängiger Prozesse in PCM Komponenten ermöglicht eine zielgerichtete, effektive Auslegung der Komponenten auf die vorhandene Aufgabenstellung. Erfahrungen aus vorherigen Arbeiten haben gezeigt, dass die alleinige Kenntnis von Speicherkapazität und maximaler Leistung nicht ausreicht, um die Wirkung einer PCM Komponente in einer Anwendung genau vorherzusagen. Das bisherige Augenmerk der Forschung auf die Größe Enthalpie reicht deshalb hierbei nicht aus. Im Rahmen des Vorhabens sollen die jeweils maßgeblichen Parameter für das dynamische Verhalten unter unterschiedlichen Randbedingungen von der Materialebene über die Komponentenebene bis hin zur Systemebene ermittelt werden. Um die vor allem für Anwendungen im Gebäudebereich notwendige hohe Lebensdauer einer PCM Anwendung garantieren zu können, muss die Alterung von PCMs untersucht werden. Alterungsmechanismen müssen verstanden werden und daraufhin gezielt abgestimmte Methoden der beschleunigten Alterung entwickelt oder vorhandene Prüfverfahren auf die Belange eines PCM modifiziert werden. Das Vorgehen zur beschleunigten Alterung beruht bisher auf der thermischen Zyklierung von PCM. Makroskopische Systeme, z.B. PCM gefüllte Platten, wurden nur in Einzelfällen zykliert. Ziel ist es in diesem Projekt, ein grundlegendes Verständnis der Degradationsprozesse zu erlangen so dass zukünftig eine gezielte messtechnische Erfassung und objektive Bewertung möglich wird. Materialabhängig sollen die Grundlagen geschaffen werden zur Entwicklung geeigneter Prüfmethoden der beschleunigten Alterung und Messverfahren zur Bestimmung der Degradationsparameter. Weiterhin sollen durch einen Abgleich der Ergebnisse aus Versuchen der beschleunigten Alterung mit realen Erfahrungen Skalierungsparameter bestimmt werden, die eine belastbare Hochrechnung der Prüfergebnisse auf die reale Anwendung ermöglichen.
Ziel des Projektes ist die Effizienzsteigerung des Kühlwassereinsatzes zur Verringerung des Frischwasserverbrauchs. Konkret wird eine Halbierung der Absalzwassermenge als realistisches Ziel angesehen - für einen durchschnittlichen Stahlstandort ergibt sich eine Wassereinsparung von bis zu 800.000 m3/a. Der Lösungsweg besteht in der Verfahrensentwicklung zur Salzabtrennung aus Kreislaufwasser, Zusatzwasser und Absalzwasser. Durch die bedarfsgerechte Dosierung und Abstimmung von Kühlwasserchemikalien auf die Wasserbehandlung sollen der Salzeintrag und damit der Wasserverbrauch zusätzlich gesenkt werden. Dies ist nur durch Entwicklung und Einsatz eines Simulationstools für das gesamte Kreislaufwassersystem möglich. Mit der Effizienzsteigerung werden folgende Ziele erreicht: Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von gekühlten Prozessen, Schutz der natürlichen Wasserquellen vor Verunreinigung durch Zusätze und Salze und geringere Abhängigkeit des Produktionsprozesses von der Wasserverfügbarkeit. In Europa, in Ländern ohne Wassermangel, wird ein Marktpotential für das System zur bedarfsgerechten Chemikaliendosierung gesehen. Weltweit, insbesondere in Gebieten mit Wassermangel, wird ein Marktpotential für die entwickelte Verfahrenskombination zur Salzentfernung und hocheffizienten Wasserkreislaufführung gesehen. Das Teilvorhaben beinhaltet die Erstellung eines Tools zur Simulation der Stoff-, Wasser- und Enthalpieströme. Dieses wird für die Optimierung der Kühlung und der neuen Technologien und Hilfsstoffe genutzt. Die LCA ermöglicht eine Bewertung der Wirtschaftlichkeit und der Nachhaltigkeit. Zur Erstellung des Tools und für die LCA ist eine umfangreiche Datenerhebung nötig. Es werden z.B. die Abwasserströme charakterisiert, die Systemgrenzen für die LCA definiert sowie Modelle für noch nicht vorhandene Prozesse erstellt. In der zweiten Projekthälfte werden diese mit Hilfe der praktischen Ergebnisse validiert und anschließend für die Optimierung und Bewertung genutzt.
Evaluation der unter MeProRisk I entwickelten Methodik zur Reservoirsimulation, Unsicherheitsbewertung und Risikoanalyse hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit im technisch-wirtschaftlichen Umfeld geothermischer Erkundung. Diese Methodik umfasst (a) iterative Modellbildung mit stochastisch bewerteten thermischen und hydraulischen Gesteinseigenschaften, (b) stochastische numerische Simulation der Reservoire und Produktionsbedingungen zur quantitativen Unsicherheitsabschätzung, (c) neuartige seismische Interpretation zur Abschätzung der Permeabilität. Darüber hinaus sollen Methoden der Optimierung der Exploration im Hinblick auf eine Reduktion der Unsicherheit oder eine Maximierung des Informationsgewinns erarbeitet und bei der Exploration umgesetzt werden. (1) Anwendung der MeProRisk Methodik auf: (a)'Pawsey-Dublette' - Geothermie Projekt im städtischen Umfeld, (b) 'Murci' und 'Guardia Lombardi' Felder, Italien - geothermische Explorationsvorhaben in ca. 250 km2 großen Medium-Enthalpie Regionen. (2) Entwicklung, Evaluierung und Implementierung eines mathematischen Verfahrens zur 'Optimierten Exploration' und exemplarische Anwendung des Verfahrens auf die Explorationsvorhaben. (3) Bewertung unterschiedlicher Produktionsszenarios in den Explorationsfeldern hinsichtlich der Unsicherheiten von Temperatur und Fließraten.
Zur Charakterisierung der Stoffeigenschaften von neuen Kältemittelgemischen mit niedrigem Treibhauspotenzial werden Phasengleichgewichtsmessungen in einer statischen Messzelle durchgeführt. Aus den Messdaten werden die stoffspezifischen Parameter von Modellen der Exzess-Gibbs-Enthalpie angepasst, so dass die Zustandsgleichungen dieser Gemische für Kreislauf-Simulationen zur Verfügung stehen. Die Messzelle kann zwischen 250 K und 450 K temperiert werden, sie ist für Drücke bis 20 bar ausgelegt.
Das Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung eines neuartigen Enthalpietauschers für die Lüftungstechnik. Im Vergleich zu konventionellen Systemen überzeugt das innovative Konzept durch geringe Druckverluste (reduzierten Energieverbrauch) sowie bessere Übertragungsleistungen. Die technische Ausarbeitung des Enthalpietauschers sieht den Einsatz wasserdampfpermeabler Membranen als selektive Barriere zwischen den Strömungskanälen vor. Ab- und Zuluft strömen an den jeweils gegenüberliegenden Seiten der Membran vorbei und sorgen somit für den Übergang von sensibler und latenter Wärme, ohne eine Rezirkulation der Abluft in den Raum zuzulassen. Aufbauend auf der Definition eines Lastenheftes werden innerhalb der ersten beiden Projektjahre grundlegende Untersuchungen im Bereich der Membran- und Spacerentwicklung sowie des Moduldesigns durchgeführt. Die Konzeptionierungsphase endet mit einer vorläufigen Bewertung der Energieeffizienz und der Ausarbeitung eines großtechnischen Fertigungskonzeptes für die Module. Nach einer Prototypenfertigung im Maßstab1:1 werden in einer Messreihe innerhalb des Neubaus der Aachener Verfahrenstechnik (NGP2) die neuartigen Enthalpietauscher unter realen Bedingungen und bei verschiedenen Lastfällen vermessen . Bauliche Veränderungen, die für die Realisierung der Messreihe erforderlich sind, werden in der Planung des Gebäudes berücksichtigt. Eine Anpassung der Regelungsparameter des Lüftungssystems an die neuen Module ist jedoch unausweichlich.
In der Vergangenheit wurde in mehreren Ursache-Wirkungs-Untersuchungen der Einfluss der Beimischung von Bioethanol zu Dieselkraftstoffen auf die Schadstoffemissionen und die Verbrennungseffizienz untersucht. Es wurde bislang NICHT untersucht, wie der Bioethanolanteil die Kraftstoff/Luft-Gemischbildung (Luft meist im überkritischen Zustand) beeinflusst, so dass die eigentlichen Gründe für die Bioethanol-induzierte Veränderung der Schadstoffemissionen und der Verbrennungseffizienz nicht bekannt sind. Darum wird in diesem Forschungsvorhaben die Strahl-/Jetvermischung zwischen dem bioethanolhaltigen Dieselkraftstoff und dem Umgebungsfluid unter dieselrelevanten Druck- und Temperaturbedingungen experimentell und in situ quantitativ analysiert und in einem numerischen Model abgebildet. Aus dem daraus erwachsenen Verständnis über die durch die Bioethanolzugabe entstandenen Veränderungen in der Kraftstoff/Luft-Gemischbildung kann die Prozessführung (Einspritzdruck, Einspritzzeitpunkt, ...) auf den Bioethanolgehalt angepasst werden und so das eigentliche Potenzial (Herabsetzung der Viskosität, erhöhte Verdampfungsenthalpie, Sauerstoffanteil im Ethanol) der Bioethanolzumischung erst richtig ausgeschöpft werden. Das Vorhaben unterteilt sich in vier ineinandergreifende Arbeitspakete, die jeweils von einer Forschungsstelle mit der entsprechenden Expertise bearbeitet werden. Im Arbeitspaket (AP) I werden in einer optisch zugänglichen Einspritzkammer die verschiedenen Gemischbildungs-regime charakterisiert. Im AP II wird die Gemischbildung an ausgesuchten Betriebspunkten quantitativ analysiert, so dass sie im AP III numerisch abgebildet werden kann. Im AP IV wird die praktische Relevanz durch die Einbindung eines Industriepartners sichergestellt.
In der Vergangenheit wurde in mehreren Ursache-Wirkungs-Untersuchungen der Einfluss der Beimischung von Bioethanol zu Dieselkraftstoffen auf die Schadstoffemissionen und die Verbrennungseffizienz untersucht. Es wurde bislang NICHT untersucht, wie der Bioethanolanteil die Kraftstoff/Luft-Gemischbildung (Luft meist im überkritischen Zustand) beeinflusst, so dass die eigentlichen Gründe für die Bioethanol-induzierte Veränderung der Schadstoffemissionen und der Verbrennungseffizienz nicht bekannt sind. Darum wird in diesem Forschungsvorhaben die Strahl-/Jetvermischung zwischen dem bioethanolhaltigen Dieselkraftstoff und dem Umgebungsfluid unter dieselrelevanten Druck- und Temperaturbedingungen experimentell und in situ quantitativ analysiert und in einem numerischen Model abgebildet. Aus dem daraus erwachsenen Verständnis über die durch die Bioethanolzugabe entstandenen Veränderungen in der Kraftstoff/Luft-Gemischbildung kann die Prozessführung (Einspritzdruck, Einspritzzeitpunkt, ...) auf den Bioethanolgehalt angepasst werden und so das eigentliche Potenzial (Herabsetzung der Viskosität, erhöhte Verdampfungsenthalpie, Sauerstoffanteil im Ethanol) der Bioethanolzumischung erst richtig ausgeschöpft werden. Das Vorhaben unterteilt sich in vier ineinandergreifende Arbeitspakete, die jeweils von einer Forschungsstelle mit der entsprechenden Expertise bearbeitet werden. Im Arbeitspaket (AP) I werden in einer optisch zugänglichen Einspritzkammer die verschiedenen Gemischbildungs-regime charakterisiert. Im AP II wird die Gemischbildung an ausgesuchten Betriebspunkten quantitativ analysiert, so dass sie im AP III numerisch abgebildet werden kann. Im AP IV wird die praktische Relevanz durch die Einbindung eines Industriepartners sichergestellt.
In der Vergangenheit wurde in mehreren Wirkungs-Ergebnis-Untersuchungen mit teils unterschiedlichen Ergebnissen der Einfluss der Beimischung von Bio-Ethanol zu Dieselkraftstoffen auf die Schadstoffemissionen und die Verbrennungseffizienzuntersucht. Es wurde bislang NICHT untersucht, auf welche Weise der Bio-Ethanol-Anteil die Kraftstoff/Luft-Gemischbildung beeinflusst, so dass die eigentlichen Gründe für die bio-ethanol-induzierte Veränderung der Schadstoffemissionen und der Verbrennungseffizienz nicht bekannt sind. Um die Möglichkeiten regenerativer Kraftstoffe besser zu verstehen und nutzen zu können, wird in dem Forschungsvorhaben die Strahl-/Jetvermischung zwischen dem bio-ethanol-haltigen Dieselkraftstoff und dem Umgebungsfluid unter aktuellen (sehr hohen, häufig sogar überkritischen) dieselrelevanten Druck-und Temperaturbedingungenuntersucht. Mit modernen Mess-und Simulationsmethoden wird die Gemischbildung experimentell und in situ quantitativ analysiert und in einem numerischen Model abgebildet. Aus dem daraus erwachsenen Verständnis über die durch die Bio-Ethanol-Zugabe entstandenen Veränderungen in der Kraftstoff/Luft-Gemischbildung kann die Prozessführung (Einspritzdruck, Einspritzzeitpunkt, ...) auf den Bio-Ethanol-Gehalt angepasst werden und so das eigentliche Potenzial (Herabsetzung der Viskosität, erhöhte Verdampfungsenthalpie, Sauerstoffanteil im Ethanol) der Bio-Ethanol-Zumischung erst richtig ausgeschöpft werden. Ziel ist es durch die gemeinsame Optimierung der Kraftstoffveränderung und der Gemischbildungssteuerung durch die Einspritztechnikeine über das reine Substitutionspotenzial hinausgehende Reduzierung von umwelt-und klimaschädlichen Emissionen zu erreichen. Das Vorhaben unterteilt sich in vier ineinandergreifende Arbeitspakete, die jeweils von einer Forschungsstelle mit der entsprechenden Expertise bearbeitet werden. Im Arbeitspaket (AP) I (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Professur für Technische Thermodynamik, Prof. Wensing) werden in einer optisch zugänglichen Einspritzkammer die verschiedenen Gemischbildungs-regime unter anwendungsnahen Bedingungen charakterisiert. Im AP II (FAU, Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies, PD Dr. Bräuer) wird die Gemischbildung an ausgesuchten Betriebspunkten quantitativ analysiert, so dass sie im APIII (Technische Universität Berkakademie Freiberg, Lehrstuhl für Numerische Thermofluiddynamik, Prof. Hasse)numerisch abgebildet werden kann. Im AP IV wird die praktische Relevanz durch die Einbindung eines Industriepartners (L'Orange GmbH, Stuttgart) sichergestellt.
Die Entwicklung effektiver thermischer Speichertechnologien stellt einen wichtigen Baustein zur Umsetzung des im Jahre 2011 verabschiedeten Energiekonzeptes der Bundesregierung dar. Neben der Erhöhung des Anteils regenerativer Energien an der Primärenergieversorgung muss der Fokus ebenfalls auf der Erschließung energetischer Einsparpotenziale liegen. Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz bieten sich besonders im Bereich der Prozesswärmenutzung an, die im Jahr 2008 rund 23 % der Endenergie in Deutschland ausmachte (552 Mrd. kWh). Ein großer Teil dieser Prozesswärme steht nach dem technologischen Prozess als Abwärme zur Verfügung. Wärmespeicher erlauben die örtlich und vor allem zeitlich versetzte Nutzung dieser Abwärme und damit die Erschließung dieses enormen energetischen Potenzials. Eine Möglichkeit zur Speicherung thermischer Energie im Temperaturbereich zwischen 130 °C und 350 °C sind Phasenwechselmaterialien (PCM - phase change materials, Wärmespeicherung beim Phasenübergang fest-flüssig). Übliche PCM-Speicherelemente sind jedoch gekennzeichnet durch einen begrenzten Wärmeübergang zwischen Wärmeträger und PCM sowie die schlechte Wärmeleitung im PCM, beide Effekte beschränken die Wärmeleistung entscheidend. In den vergangenen Jahren wurde wiederholt die Forderung nach einem mechanisch stabilen 'PCM-Schüttgut' laut, welches gut durchströmbar ist und damit insbesondere bei Gasen einen effektiven Wärmetransport gewährleistet. PCM-gefüllte metallische Hohlkugeln im Millimeter-Durchmesserbereich sollen die Funktion dieses Schüttgutes übernehmen. Anwendungsmöglichkeiten sind vorrangig die Aus-/Einkopplung von Abwärme aus/in Gasströmungen (z. B. heiße Abgase einer Verbrennung) bzw. die Verbesserung der Effektivität von Katalysatoren durch eine Vergleichmäßigung von deren Arbeitstemperatur. Ein weiterer Ansatz besteht darin, die meist geringe Wärmekapazität von Wärmeträgerflüssigkeiten für den Hochtemperaturbereich (z. B. Thermoöle) durch Zugabe der PCM-Kapseln deutlich zu steigern. Die Arbeiten umfassen die Auswahl geeigneter PCM (Salze/-mischungen, Zuckeralkohole, Hydroxide ) nach der Temperatur des Phasenüberganges, der Schmelzenthalpie und besonders bezüglich der korrosiven Wechselwirkung mit den porösen Schalen der als Kapseln dienenden metallischen Hohlkugeln. Neben der Fertigung der metallischen Hohlkugeln stehen das Befüllen mit PCM (die Infiltration) sowie das zuverlässige Aufbringen einer Versiegelung und - falls erforderlich - einer katalytischen Beschichtung im Fokus. Der Einsatz als pumpbare Wärmekapazität in Thermoölen erfordert optimierte mechanische Eigenschaften der PCM-Kapseln. Aktuelle Projektarbeiten umfassen die Auswahl und wärmetechnische Charakterisierung geeigneter PCM sowie die Auswahl der Werkstoffe für die metallischen Hohlkugeln bzw. deren Versiegelung. Ebenfalls in Entwicklung befindet sich die Infiltrationstechnologie der Kugeln im Labormaßstab.
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| Bund | 53 |
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| Förderprogramm | 51 |
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