Metallhydride können einen wichtigen Beitrag für eine umweltfreundliche Energienutzung leisten. Hydrid-Wärmetransformatoren, -wärmepumpen und -kälteanlagen können aus niederwertiger Antriebswärme Hochtemperaturwärme sowie Nutzwärme und -kälte für die Klimatisierung bereitstellen. Hydrid-Wärmespeicher können in Solaranlagen oder der Industrie eingesetzt werden; Hydrid-Wasserstoffspeicher können in brennstoffzellen-getriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden und damit zur Reduzierung der CO2-Emissionen beitragen. Die hohen Kosten der Metallhydride und die teure Herstellung der Hydridbehälter (Reaktoren) sind das größte Hindernis bei der Nutzung dieser Technologien. In diesem gemeinsamen Forschungsvorhaben sollen am Institut für Kernenergetik und Energiesysteme (IKE), Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem Indian Institute of Technology (IITM) (gefördert durch das indische Non-Conventional Energy Ministry-MNES) neue, kostengünstige, aus herkömmlichen und leicht verfügbaren Metallen herstellbare Hydridlegierungen hergestellt und charakterisiert sowie leistungsfähige, einen guten Wärme- und Stofftransport aufweisende, kostengünstige Reaktoren für Wasserstoffspeicher und Wärmepumpen entwickelt werden.
Adsorptionswärmetransformatoren (AWT) erfüllen umweltschonend Klimatisierungsaufgaben. Schlüssel für den Einsatz von AWT sind spezielle Adsorptionsmaterialien. Diese wurden jedoch bislang kaum materialseitig für Klimatisierungsaufgaben optimiert. In diesem Forschungsprojekt sollen daher maßgeschneiderte Adsorptionsmaterialien systematisch entwickelt werden, die für die energetische Nutzung der Adsorption mittels regenerativer Energien in Gebäuden optimiert sind. Ausgehend von den Anforderungen realer Anlagen werden neue Materialsysteme für die Aufgabenbereiche Wärmetransport, -transformation und -speicherung evaluiert und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen praxisgestützt untersucht. Hierbei werden materialtechnische Kenngrößen mit thermodynamischen Eigenschaften von AWT-Anwendungen korreliert, um neue Adsorbentien für die energetische Nutzung in AWT-Anlagen zu entwickeln. Hierdurch können AWT-Anlagen noch effizienter betrieben und Treibhausgas-Emissionen eingespart werden, um so den Herausforderungen der Energiewende zu begegnen. Die Identifikation neuer Materialien erfordert eine integrierte Analyse von Materialstruktur und Materialeigenschaften. Hierzu werden Struktur-Parameter von Materialien systematisch modifiziert und mit thermodynamischen und kinetischen Adsorptionseigenschaften korreliert. Hierfür wird ein praxisgestütztes, adaptives Screening von Adsorbentien bezüglich des Einflusses verschiedener Materialparameter durchgeführt. Daneben wird die Stabilität der synthetisierten Materialien untersucht. Die Untersuchungen liefern material- und prozessrelevante Daten für die Bewertung der Materialien für den Einsatz in Adsorptionswärmetransformatoren. Aufbauend auf dem Screening werden neue Adsorptionsmaterialien entwickelt. Deren Leistungsfähigkeit wird für eine Adsorptionskälteanlage, als Referenz-Anwendung von AWT, experimentell validiert und mit kommerziell erhältlichen Adsorbentien technisch und wirtschaftlich verglichen und bewertet.
Adsorptionswärmetransformatoren (AWT) erfüllen umweltschonend Klimatisierungsaufgaben. Schlüssel für den Einsatz von AWT sind spezielle Adsorptionsmaterialien. Diese Materialien wurden jedoch bislang kaum für Klimatisierungsaufgaben optimiert. In diesem Forschungsprojekt sollen daher maßgeschneiderte Adsorptionsmaterialien systematisch entwickelt werden, die für die energetische Nutzung der Adsorption mittels regenerativer Energien in Gebäuden optimiert sind. Ausgehend von den Anforderungen realer Anlagen werden neue Materialsysteme für die Aufgabenbereiche Wärmetransport, -transformation und -speicherung evaluiert und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen praxisgestützt untersucht. Hierbei werden materialtechnische Kenngrößen mit thermodynamischen Eigenschaften von AWT-Anwendungen korreliert, um neue Adsorbentien für die energetische Nutzung in AWT-Anlagen zu entwickeln. Hierdurch können AWT-Anlagen noch effizienter betrieben und Treibhausgas-Emissionen eingespart werden, um so den Herausforderungen der Energiewende zu begegnen.
Ziel des Verbundvorhabens ETA-Fabrik ist die Senkung des Energiebedarfs in der industriellen Fertigung gegenüber konventioneller Technologie um etwa 40Prozent. Erreicht werden soll dies maßgeblich durch die Entwicklung und Optimierung von Einzeltechnologien sowie der technischen Integration dieser in das Gebäude und die gesamte Prozesstechnologie. Vom ZAE Bayern werden hierbei die Teilprojekte TP3 (Energieeffiziente Bauteilreinigung) und TP7 (Thermische Interaktion Fabrikgebäude, Gebäudetechnik, Prozesskette) bearbeitet. Im TP3 wird vom ZAE Bayern zusammen mit einem Reinigungsmaschinenhersteller die Energieeffizienz exemplarisch in einem konkreten Produktionsschritt - der Bauteilreinigung - optimiert. Ziel ist hierbei, den erforderlichen Energieeinsatz bei der industriellen Bauteilreinigung ohne Minderung des Reinigungsergebnisses zu senken. Dazu werden die gewonnen Erkenntnisse nach einer detaillierten Analyse aller Wärmeströme und der Identifizierung bisher ungenutzter Möglichkeiten an einem Reinigungsmaschinen-Prototyp umgesetzt, der mit dem Gesamtsystem ETA-Fabrik vernetzt wird. Die erzielte Energieeinsparung wird messtechnisch nachgewiesen. Ein übergreifendes Konzept zur Abwärmenutzung mit thermischer Energiespeicherung und Wärmetransformation wird im TP7 entwickelt. Das ZAE Bayern wird diesbezüglich in der Demonstratorfabrik einen Heißwasserspeicher mit Vakuum-Superisolation sowie eine Absorptionskältemaschine prototypisch umsetzen, um die Nutzung anfallender Abwärme in Produktion und Gebäude zu realisieren. Vorgesehen ist auch die Entwicklung eines Modellierungswerkzeugs zur Identifizierung der geeignetsten Konstellation von Speicher, Wärmepumpe und Kältemaschine in der industriellen Produktion für die Abschätzung des Einsparpotentials bei vergleichbaren zukünftigen Aufgabenstellungen.
Ziel des Vorhabens ist die Erweiterung der theoretischen und experimentellen Wissensbasis über Wärmetransformationsmaschinen durch den Aufbau eines Kompetenzzentrums. Das Zentrum umfasst drei wesentliche Säulen: Charakterisierung von Wärmetransformationssystemen im Labor, Evaluierung dieser Systeme in realen Anlagen mit Hilfe von Monitoring-Kampagnen sowie die Entwicklung von neuen Systemen und Bewertungsverfahren. Unter Wärmetransformationssystemen werden Systeme verstanden, die mit Hilfe von thermodynamischen Kreislaufprozessen Umweltquellen und -senken erschließen. Im Wesentlichen sind dies elektrisch und thermisch angetriebene Wärmepumpen sowie Kältemaschinen. Wesentlicher wissenschaftlicher Teil der Arbeiten ist es, Verfahren zur Bewertung von Systemen mit Wärmetransformatoren zu entwickeln, da diese in einigen Teilbereichen noch nicht existieren. So beispielsweise für thermisch angetriebene Wärmepumpen oder Kombinationssysteme aus Solarthermieanlagen und elektrischen Wärmepumpen. Dieser Teil wird als deutscher Beitrag zum IEA HPP Annex 38 'Solar and Heat Pump Systems' eingebracht. Die Arbeit wird in drei Stufen realisiert: (I) Planung und Aufbau der Teststände, (II) Inbetriebnahme und Qualifizierung der Teststände, Entwicklung der Bewertungsverfahren, (III) Überprüfung der Bewertungsverfahren durch Feldmessungen, Vergleich von Messungen realer Anlagen und Labormessungen.
Zur rationellen Nutzung von Waerme, insbesondere von Abwaerme in gekoppelten Prozessstufen gewinnen Sorptionsanlagen zunehmend an Bedeutung. Das ITT widmet sich im Rahmen des SFB 412 der Untersuchung von Sorptionsprozessen, wie sie in Absorptionswaermepumpen, -kaeltemaschinen oder -waermetransformatoren genutzt werden. Dabei ist die Leistungsfaehigkeit des Absorbers in der Anlage von ueberragender Bedeutung fuer den Guetegrad des Gesamtprozesses. Ziel des Projektes ist die Modellierung, dynamische Simulation und Analyse der Absorption in horizontalen Rohrbuendelabsorbern. Obwohl diese zu dem in der Kaelte- und Klimatechnik am weitesten verbreiteten Absorbertyp gehoeren, sind bislang nur wenige Teilaspekte des Absorptionsvorgangs ausreichend bekannt. Insbesondere fehlen Werkzeuge zur zuverlaessigen Vorhersage des dynamischen Verhaltens bei Anfahrvorgaengen oder Lastwechseln, wobei dem Einfluss von Inerten auf die Absorption grosse Bedeutung zukommt. Das dynamische Modell wird fuer einen Absorber industrieller Abmessungen entwickelt, in dem als Beispiel ein Ammoniak-Wasser-Luft Gemisch durch eine waessrige Ammoniakloesung absorbiert wird. Weitere Schwerpunkte der Betrachtung sind Teilphaenomene, wie etwa Abtropfverhalten, Stofftransport an der Phasengrenze, Filmdicke und Loesungsmittelverteilung im Absorber. Besonders der Untersuchung der Kinetik des gekoppelten Waerme- und Stoffuebergangs in diesem Absorbertyp kommt grosse Bedeutung zu. Detaillierte Kenntnisse der Transportprozesse ermoeglichen eine genaue Vorhersage des Absorberverhaltens bei zeitlich veraenderlichen Betriebsbedingungen oder veraenderter Apparategeometrie und lassen so Rueckschluesse auf kompaktere und kostenguenstigere Bauformen zu.
Die aus der Kaeltetechnik bekannten Arbeitsstoffe sind fuer einen Einsatz in Sorptionswaermepumpen und Waermetransformatoren wenig geeignet. Ziel des Vorhabens ist es daher, besser geeignete Arbeitsgemische zu finden. Eine erste Auswahl moeglicher Arbeitsstoffe erfolgt anhand eines Katalogs von Kriterien und Sollegenschaften. Da von den meisten in Frage kommenden Gemischen Stoffdaten nur unzureichend bekannt sind, werden die thermische Stabilitaet, die Viskositaet und das Dampf-Fluessigkeitsgleichgewicht experimentell untersucht. Die fuer eine vollstaendige Berechnung der Prozesse erforderlichen Stoffeigenschaften werden ausgehend von Messwerten mit Hilfe geeigneter Rechenverfahren ermittelt. Die Untersuchungen zeigen, dass das Gemisch Trifluorethanol-E181 gegenueber den bisher verwendeten Stoffen deutliche Vorteile aufweist: Geringe Energie fuer die Fluessigkeitspumpen, keine Rektifikation, keine Kristallisation, grosse Temperaturspreizung beim Prozess der Waermetransformation.
1. Vorhabenziel Das übergeordnete Ziel des Verbundvorhabens besteht in der Entwicklung eines standortunabhängigen Planungskonzeptes, um die Planung verlässlicher und effizienter thermischer Aquiferspeicher zu ermöglichen und so einen Beitrag zum zukünftigen Ausbau dieser Technologie zu leisten. Im Teilprojekt der UdK Berlin soll untersucht werden, wie die Energieeffizienz und die energetische Gebäudetechnik der Bestandsgebäude von Stadtquartieren für den Einsatz von Aquiferwärmespeichern in Verbindung mit Energiewandlungssystemen angepasst werden sollte. Hierfür soll ein vereinfachtes Stadtquartiersmodell entwickelt werden, so dass für das Gesamtsystem aus Aquifer, Energiewandlung und Stadtquartier eine maximale Energieeffizienz bei einem vertretbaren ökonomischen Aufwand ermittelt werden kann. 2. Arbeitsplanung Das entwickelte Planungskonzept soll an einem Praxisbeispiel evaluiert und optimiert werden. Hierfür soll ein Energiekonzept mit saisonaler Energiespeicherung für den Hochschulcampus TU Berlin/UdK Berlin entworfen werden. Die Umsetzbarkeit dieses Energiekonzepts wird anschließend unter wirtschaftlichen und technischen Aspekten geprüft und abschließend bewertet. Für die erfolgreiche Projektumsetzung ist die Verknüpfung verschiedener Fachgebiete erforderlich. Hierfür wird das Projekt in die vier Arbeitsbereiche Gesamtsystembetrachtung (GFZ), Aquiferspeicher (GFZ), Energieanlagentechnik (TU Berlin) sowie Stadtquartier (UdK Berlin) unterteilt. Die Koordination und Gesamtsystembetrachtung erfolgt durch das GFZ.
1. Vorhabensziel Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung eines standortunabhängigen Auslegungskonzeptes, um die Planung verlässlicher und effizienter thermischer Aquiferspeicher zu ermöglichen und damit einen Beitrag zum zukünftigen Ausbau dieser Technologie zu leisten. Die Konzeptentwicklung erfolgt unter Verwendung geeigneter Modellierungswerkzeuge, die erstmalig für diesen Anwendungszweck auch gekoppelt eingesetzt werden, sowie der Erstellung verbesserter Modelle. Dabei spielt insbesondere die betriebssichere Einbindung von Aquiferspeichern, die Weiterentwicklung der zugehörigen Anlagentechnik zur Wärmetransformation sowie die energetische Effizienz des Gesamtsystems eine zentrale Rolle. 2. Arbeitsplanung Das entwickelte Planungskonzept soll an einem Praxisbeispiel evaluiert und optimiert werden. Dabei ist vorgesehen, ein Energiekonzept mit saisonaler Energiespeicherung für den Hochschulcampus TU Berlin/UdK Berlin zu entwerfen. Die Umsetzbarkeit dieses Energiekonzepts wird anschließend unter wirtschaftlichen und technischen Aspekten geprüft und abschließend bewertet. Für die erfolgreiche Projektumsetzung ist die Verknüpfung verschiedener Fachgebiete erforderlich. Hierfür wird das Projekt in vier Arbeitsbereiche unterteilt: 1. Speichereinbindung und Gesamtsystembetrachtung (GFZ), 2. Aquiferspeicher (GFZ), 3. Energieanlagentechnik (TUB), 4. Gebäude und Stadtquartier (UdK). Die Koordination und Gesamtsystembetrachtung erfolgt durch das GFZ.
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| Förderprogramm | 38 |
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