Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines effizienten Langzeitwärmespeichers für die Gebäudebeheizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern. Das Projekt ist ein direktes Nachfolgeprojekt des Verbundprojekts CWS (FKZ 0327468B). Die dort erarbeiteten und im Labor erprobten Verfahren zur Langzeitwärmespeicherung werden weiterentwickelt und in einer Demonstrationsanlage umgesetzt. Durch den Einsatz von hocheffizienten chemisch-sorptiven Speichermaterialien (Komposite aus zeolithischen Trägern und Salzen), die innerhalb dieses Projekts optimiert und hergestellt werden, können deutlich höhere Speicherdichten bei kompakten Speichervolumina erzielt werden, als dies bei Wasserspeichern möglich ist. Am Ende dieses Forschungsvorhabens ist ein Demonstrator eines chemisch-sorptiven Wärmespeichers verfügbar, welcher in die vorindustrielle Produktentwicklung überführt und in den Markt eingeführt werden kann. Arbeitsschwerpunkte sind: - Erarbeitung bzw. Weiterentwicklung verfahrenstechnischer Konzepte zur Einbindung eines Langzeitwärmespeichers in unterschiedliche Anlagenkonzepte (Solarthermie, Photovoltaik, Kraft-Wärme-Kopplung) und Bewertung anhand von Simulationsstudien und Referenzszenarien - technische Umsetzung und Erprobung des Verfahrens am Beispiel einer thermischen Solaranlage mit Langzeitwärmespeicher (sowohl im Labor, als auch im Rahmen einer Demonstrationsanlage) - Entwicklung und Optimierung der Speichermaterialien hinsichtlich Sorptionskapazität, Kinetik, Langzeitstabilität sowie Erarbeitung von Prozessen zur industriellen Herstellung der Speichermaterialien.
Gesamtziel des Projektes ist die Speicherkapazität von PCM-Speichersystemen gegenüber dem Stand der Technik bei PCM-Slurries (PCS) zu erhöhen und die Kosten zu senken. Bei Speicherung mittels makroverkapselten PCM oder Verbundmaterialien sollen vor allem die Kosten gesenkt werden. Am Ende des Projekts werden die PCS in einer Demonstrationsanlage getestet. Als PCM werden speziell auf die Anwendung optimierte Paraffine entwickelt. Die neu zu entwickelnden Materialien sollen zum Kühlen bzw. Vorkühlen und Vorwärmen im Gebäudesektor und zur Kühlung im technischen Bereich, z.B. von Fertigungsmaschinen, eingesetzt werden. Gesamtziel ist den Energieverbrauch zum Kühlen in den beiden Sektoren zu senken und damit einen Beitrag zu den Klimaschutzzielen zu leisten. Durch Sasol werden Paraffine, Ether und Alkohole synthetisiert mit dem Ziel die Schmelztemperaturen und Mindestenthalpien, die in APII ermittelt werden, zu erreichen. Die PCM werden auf ihre Eignung zur Herstellung von Emulsionen und Makrokapseln bzw. Verbundmaterialien untersucht. Die PCM müssen modifiziert werden, wenn die Paraffine ein ungewünschtes Schmelz- oder Kristallisationsverhalten zeigen. Ausgehend von den synthetisierten Stoffen werde in Zusammenarbeit mit den Fraunhofer Instituten ISE/UMSICHT die Emulsionen hergestellt. Zusammen mit IMTECH werden zusätzlich verschiedene Verbundmaterialien hergestellt und getestet.
Im Projekt PC-Cools-V sollen neue PCM (Salzhydrate) mit Schmelzpunkten um 15 C und 21 C entwickelt werden. Weiterhin sollen Verkapselungsmöglichkeiten (Meso- und Makroverkapselung) entwickelt werden, um die Integration der PCM in Baumaterialien und Räume zu ermöglichen. Anhand einer Systemstudie werden weiterhin die Wärmeübertragungsmechanismen im Kältekreislauf zur Kühlung eines Raumes mit Kühlflächen mittels neuartiger Wärmeträgermedien untersucht. 1. Anhand von theoretischen Untersuchungen soll zunächst die Wirksamkeit des Wärmeentzugs durch zwei neuartige Prinzipien der Kälteverteilung ermittelt werden. Dazu werden die innovativen Methoden zur Kälteverteilung mittels Phase-Change-Slurry (PCS) bzw. Heat-Pipe mit der Kälteverteilung durch ein herkömmliches Kältefluid (z.B. Wasser) in einer Systemstudie verglichen. 2. Im Bereich der Materialforschung setzt sich das Projekt das Ziel, PCM auf Salzhydratbasis mit Schmelztemperaturen von 15 C (passend für zentrale Speicher) und 21 C (für raumintegrierte Speicher mit aktiver Rückkühlung) zu entwickeln. 3. Im Arbeitsbereich der PCM-Verkapselung zielt das Projekt auf die Entwicklung einer metallischen Makroverkapselung ab. Des Weiteren werden bestehende Lösungsansätze zur Mesoverkapselung von Salzhydrat-PCM weiterentwickelt und ergänzt.
1. Vorhabenziel Die Erhöhung des Nutzungsgrads von fossiler und regenerativer Primärenergie ist eine wesentliche Aufgabe, um die globalen Klimaschutzziele zu erreichen. Wärmespeicher spielen dabei eine elementare Rolle, um (Ab-)Wärme zu speichern und so den zeitlichen Ausgleich von Wärmeangebot und -bedarf, z.B. in Kraft-Wärmekopplungsanlagen zu ermöglichen. Die sorptive Wärmespeicherung bietet grundsätzlich große Vorteile hinsichtlich Speicherdichten, minimierten Wärmeverlusten und möglichen Temperaturniveaus. Projektziel ist die Entwicklung eines leistungsfähigen, kosteneffizienten und modular aufgebauten Wärmespeichers im Hinblick auf eine Anwendung im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung. Dazu soll der Anwendungsbereich der Technologie durch die systematische Entwicklung von neuartigen Komposit-Adsorbentien auf den Temperaturbereich von deutlich unter 110 Grad C erweitert werden. 2. Arbeitsplanung Der Arbeitsplan verfolgt einen integrierten Ansatz aus Material-, Komponenten- und Prozessentwicklung sowie fertigungsoptimierter Konstruktion. In der ersten Projektphase sollen eine Reihe von innovativen Ansätzen bezüglich der einzelnen Entwicklungsfelder im Labor- und Technikumsmaßstab entwickelt und erprobt werden. Diese sollen dann in der zweiten Projektphase in einer großen Anlage zusammengeführt und unter praxisnahen Bedingungen erprobt werden.
Das Projekt PC-Cools-S setzt sich die Verbesserung und Weiterentwicklung der PCM-Technologie im Bereich der Gebäudekühlung zum Ziel, welche eine energetisch sinnvolle Alternative bzw. Ergänzung zur herkömmlichen Kältetechnik darstellt. Voraussetzung ist allerdings, dass die eingesetzten Latentwärmespeicher zyklenstabil sind und effizient regeneriert werden können. Daher sollen im hier beantragten Projekt neue PCM (Phase Change Materials) auf Salzhydratbasis mit Schmelztemperatur 15 Grad Celsius für zentrale Speicheranwendungen entwickelt und charakterisiert werden. Das Projekt umfasst weiterhin umfangreiche Entwicklungsarbeiten für einen zentralen Speicher und zur Herstellung von PCS (Phase Change Slurries). Es werden neue Ansätze zur Herstellung von PCS untersucht, in welchen Salzhydrate zum Einsatz kommen sollen. Die Forschungsarbeiten an den PCS beinhalten neben deren thermischer Charakterisierung auch umfangreiche Tests zur benötigten Pumpen-, Wärmeüberträger- und Systemtechnik. Es wird ein PCM mit Phasenübergangstemperatur bei etwa 15 Grad C für den Einsatz in einem zentralen Speicher entwickelt. Darauf aufbauend wird ein zentraler Speicher für die Gebäudekühlung entwickelt und getestet.
Die Nutzung von chemischen oder Sorptionswärmepumpen ist bislang eine kaum verwendete Möglichkeit, fossile Energieträger durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme zu substituieren. Kernprobleme in der Anwendung sind momentan die Gewährleistung eines ausreichenden Wärme- und Stofftransportes sowie die Vermeidung von Agglomerationen der Arbeitsmedien. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung neuer Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen, die mit Metallsalzen als reaktives Arbeitsmedium beladen werden. Das Teilprojekt am Fraunhofer IFAM Dresden beschäftigt sich vor allem mit der Auslegung, Auswahl und Herstellung der porösen metallischen Trägerstrukturen sowie der wärme- und strömungstechnischen Charakterisierung der Metall-Metallsalz-Verbünde. Die Metallstrukturen werden dabei pulver- bzw. schmelzmetallurgisch hergestellt. Die Trägerstrukturen werden charakterisiert und optimiert, sodass eine gezielte Nutzung der Metall-Metallsalz-Verbünde in Wärmepumpensystemen ermöglicht wird. Einen wesentlichen Bestandteil bilden dabei Simulationen zum Verständnis der auftretenden physikalischen Effekte. Nach Festlegung der Spezifikationen für die untersuchten Materialien (AP 1) durch alle Projektpartner werden Vorversuche an flachen Material- und Strukturproben durchgeführt, die das IFAM-DD herstellt und geometrisch sowie thermisch und strömungstechnisch charakterisiert (AP 2). Die Bestimmung der Sorptionsisothermen der einzelnen Hydratstufen der Salze (AP 3) dient als Basis für spätere Auslegungsrechnungen. Hauptarbeitspunkt des Projektes ist die Synthese und Charakterisierung der Trägerstrukturen (AP 4) sowie die Analyse der Verbünde (AP 6) von verschiedenen Metallen und Salzen. Diese Ergebnisse werden zur iterativen Optimierung der Metallsalzsynthese und der Trägerstrukturen verwendet. Abschließend wird das Zusammenspiel der Komponenten an einem Versuchsmuster demonstriert.
Die Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser stellt den größten Anwendungsbereich beim Endenergieverbrauch dar. Durch den Einsatz von Wärmepumpen kann ein Teil dieses Energiebedarfs durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme substituiert werden. Einen vielversprechenden Ansatz stellen thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen auf der Basis reversibler chemischer Reaktionen oder Sorptionsprozesse dar. Zur dauerhaften Gewährleistung eines guten Wärme- und Stofftransportes müssen die Arbeitsstoffe auf poröse Trägerstrukturen aufgebracht werden. Bisher werden dafür vor allem Silicagel und Zeolithe verwendet, die aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeiten die erreichbare Leistungsdichte solcher Systeme limitieren. Im Forschungsvorhaben sollen daher neue Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen untersucht werden, die eine Verbesserung der Eigenschaften versprechen. Das Teilprojekt beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Herstellungstechnologie zur Verbindung der untersuchten Metall-/Metallsalz-Verbünde mit dem Wärmeübertrager. Im Projekt werden verschiedene Verfahren (Weiten der Rohre, Löten) zur Anbindung der Metallstrukturen an Rohre mit und ohne Lamellenbleche untersucht und analysiert. Im Ergebnis sollen Aussagen zur thermischen Leistungsfähigkeit des gesamten Wärmeübertragers sowie zur thermischen und mechanischen Stabilität des Aufbaus getroffen werden. Aufbauend auf den Ergebnissen soll ein Versuchsmuster eines Adsorber-Wärmeübertragers für eine Wärmepumpe konstruiert und gefertigt werden. In experimentellen Untersuchungen wird die Funktionalität des Versuchsmusters mit verschiedenen Temperaturen getestet. Aus den Ergebnissen werden wichtige Kenngrößen wie die spezifische Leistungsdichte und erreichbare Werte für den COP abgeleitet.
Die Bereitstellung von Raum- und Prozesswärme sowie Warmwasser stellt den größten Anwendungsbereich beim Endenergieverbrauch dar. Durch den Einsatz von Wärmepumpen kann ein Teil dieses Energiebedarfs durch Umweltwärme oder Niedertemperaturabwärme substituiert werden. Einen vielversprechenden Ansatz stellen thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen auf der Basis reversibler chemischer Reaktionen oder Sorptionsprozesse dar. Zur dauerhaften Gewährleistung eines guten Wärme- und Stofftransportes müssen die Arbeitsstoffe auf poröse Trägerstrukturen aufgebracht werden. Bisher werden dafür vor allem Silicagel und Zeolithe verwendet, die aufgrund geringer Wärmeleitfähigkeiten die erreichbare Leistungsdichte solcher Systeme limitieren. Im Forschungsvorhaben sollen daher neue Arbeitsstoffe für chemische Wärmepumpen auf Basis poröser Metallstrukturen untersucht werden, die eine Verbesserung der Eigenschaften versprechen. Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung dieser Metall-Metallsalz-Verbünde. Salze ermöglichen mit Wasserdampf, Ammoniak oder Alkoholen die Nutzung verschiedener Gas-Feststoff-Reaktionen, die sich für Anwendungen in Wärmepumpen, Kältemaschinen oder thermochemischen Speichern im Niedertemperaturbereich eignen. Das Ziel ist die Erzeugung von reaktiven Salzschichten auf porösen metallischen Schaum- oder Faserstrukturen. Hierzu sollen unterschiedliche Synthesepfade und deren Einfluss auf die Eigenschaften und Haftung der Salzschichten untersucht werden. Die hergestellten Verbundmaterialien werden anschließend experimentell charakterisiert, um Aussagen zu den Wärmeleiteigenschaften, zur Kinetik der Reaktions- bzw. Adsorptionsvorgänge und zur erreichbaren Leistungs- und Speicherdichte zu treffen. Anhand der Ergebnisse sollen Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet und ein Simulationsmodell zur Auslegung von Adsorber-Wärmeübertragern auf Basis der neuen Verbundmaterialien erstellt werden.
Ziel des Projektes ist es die Qualität von Erdwärmesonden in Planung, Bau und Betrieb zu verbessern. Es werden zentrale Aspekte der Qualitätssicherung aus technischer, ökologischer und ökonomischer Sicht bearbeitet. 1. Verfahren zur Überprüfung der Messeinrichtungen für Thermal Response Tests 2. Abdichtung von Erdwärmesonden-Bohrungen mit Verfüllmaterialien 3. In-situ Messverfahren zur Qualitätsüberwachung und -monitoring von Erdwärmesonden 4. Verfahren zur Verbesserung der Bohrlochverfüllung bei Erdwärmesonden 5. Entwicklung und Implementierung konsistenter Auslegungsmodelle für oberflächennahe geothermische Anlagensysteme (GEOSYST+) 6. IEA ECES Annex 27 - Quality Management in Design, Construction and Operation of Borehole Systems.
Die zukünftige Entwicklung im Marktbereich der untiefen Geothermie wird in den nächsten Jahren aber stark von gesteigerten Planungssicherheiten und effizienteren Qualitätskontrollmöglichkeiten und -anforderungen abhängen. Die Anwendung von Erdwärmesonden ist eine relative junge Technologie und es ist sehr wenig darüber bekannt, wie langzeitstabil sie sich langfristig im Untergrund verhalten. Deshalb ist es für die Akzeptanz von Erdwärmesonden zwingend erforderlich, umfangreiche Kenntnisse über die Qualitätssicherung bei Erdwärmesonden zu erhalten. Deshalb werden im Vorhaben zentrale Aspekte der Qualitätssicherung bearbeitet.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 42 |
| Wissenschaft | 5 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 42 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 42 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 42 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 1 |
| Webseite | 41 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 23 |
| Lebewesen und Lebensräume | 16 |
| Luft | 6 |
| Mensch und Umwelt | 42 |
| Wasser | 9 |
| Weitere | 42 |