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

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

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

Fläche nutzbar für Bild / Graph Weitere Nutzungsmöglichkeit Quelle: ISE Freiburg 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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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