MAKSORE

Das IGTE ist in dem Projekt MAKSOR^E mit dem Speicherkonzept B: Offener Sorptionsspeicher mit Komposit-Adsorbentien als Teilprojekt beteiligt.

Übergeordnetes Ziel des Gesamtprojektes ist es, das grundlegende Verständnis von Sorptionsspeichern zu erweitern und mit einem grundlagenorientierten Forschungsansatz die Voraussetzungen für deutlich verbesserte Sorptionsspeicher zu schaffen. Dabei sollen Materialforschung an Sorbentien und Kompositen sowie Ansätze zur Verbesserung der Wärme- und Stoffübertragung im engen Zusammenhang mit den Randbedingungen der jeweiligen Anwendung betrachtet werden. Die wichtigsten Ziele sind hierbei:

• Erhöhung der Speicherdichte (durch neue Materialien, Komposite und Systemkonzepte)
• Verbesserte Speicherkonzepte für die Wärmeversorgung (kaskadierende Nutzung und Nutzung der Kristallisation; Zusatznutzen durch Wärmetransformation z.B. zur Klimatisierung).
• Weiterentwicklung und Optimierung von Sorptionsspeichern

Aufbauend auf früheren Forschungsvorhaben der Arbeitsgruppe am IGTE soll das Konzept eines offenen Adsorptionsspeichers auf Basis extrudierter Formkörper weiterentwickelt und auf neue Materialien übertragen werden. In einem vorangegangenen nationalen Forschungsvorhaben (MonoSorp) wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Kunststofftechnik (IKT) erstmals ein Sorptionsspeicherprototyp bestehend aus zeolithischen Wabenkörpern aufgebaut und erfolgreich im Labormaßstab erprobt. An diese Arbeiten wird in dem jetzigen Teilprojekt bezüglich der Herstellung der Formkörper angeknüpft und das Extrusionsverfahren weiterentwickelt. Durchströmbarkeit und volumetrischer Feststoffanteil dieser Formkörper sollen optimiert werden.

Die Funktionsweise des Sorptionswärmespeichers basiert auf dem Prinzip der Adsorption. Als Adsorption wird die Anlagerung von Molekülen an die Oberfläche eines Feststoffs unter Freisetzung von Wärme bezeichnet. Dieser Effekt kann zur Speicherung von Wärme genutzt werden, welche zu einem späteren Zeitpunkt benötigt wird. Das Speichermaterial wird mit der zu speichernden Wärmeenergie vollständig desorbiert. Die Energie kann dem Speicher zu jedem Zeitpunkt durch Zuführen des zu adsorbierenden Stoffes wieder entnommen werden. Solange das desorbierte Material nicht in Kontakt mit dem zu adsorbierenden Stoff kommt, kann die Energie beliebig lange ohne Verluste gespeichert werden.

Zeolithe eignen sich aufgrund ihrer hochporöse Matrix und einer daraus resultierenden großen inneren Oberfläche zur Adsorption von z.B. Wassermolekülen besonders für die Speicherung von Adsorptionswärme. In dem Projekt wird daher das Stoffpaar Zeolith und Wasser betrachtet. Die Wärme wird gespeichert, wenn dem Speicher durch Desorption das Wasser entzogen wird und umgekehrt kann die Wärme entnommen werden, wenn dem Speicher wieder Feuchtigkeit über einen Luftstrom zugeführt wird (s. Abbildung 1).

Bei dem Konzept eines offenen Adsorptionsspeichers wird das Arbeitsmittel Luft nach dem Durchströmen des Speichers in die Umgebung abgeführt. Die offene Prozessführung ist apparativ einfach und verfahrenstechnisch günstig umzusetzen. Bei der Durchströmung des Sorptionsspeichers mit feuchter Luft bleibt die Austrittstemperatur bis zur vollständigen Beladung des Speichers nahezu auf konstant hohem Niveau. Die bei der Adsorption freiwerdende Wärme führt zu einer Temperaturerhöhung der Adsorptionsmaterials und dies wiederum zur Erwärmung des durchströmenden Luftstroms. Über den Luftstrom wird die Reaktionswärme aus dem Speicher ausgetragen und an nachfolgende Prozesse wie z.B. an ein kontrolliertes Lüftungssystem für die Gebäudebelüftung übertragen.

Verschiedene Zeolithe wie beispielsweise Zeolith 3A, 4A und 13X sind bereits kommerziell in Form von Kugel- oder Formkörperschüttungen verfügbar (s. Abbildung 2). Diese verursachen insbesondere bei großen Durchströmlängen einen sehr hohen Druckverlust. Es gab bereits mehrere Projekte (Monosorp, EnErChem) bei denen die Zeolithe daher in eine Wabenkörperform gebracht und untersucht wurden (s. Abbildung 3). In dem Teilprojekt geht es daher darum, die Herstellung der Wabenkörper, die in Monosorp bereits für den Zeolith 4A realisiert wurde, auch auf andere Zeolithe wie 13X oder Y zu übertragen. Dabei gilt es die makroskopische und mikroskopische Geometrie der Wabenkörper zu verbessern und die Herstellung großer Mengen im Kilogramm zu ermöglichen.

Das Projekt beinhaltet folgende Schritte:

Herstellung – Charakterisierung – Modellierung des Materials – Modellierung des Gesamtsystems

Herstellung

Der erste Meilenstein im Arbeitspaket B1- die Extrusion von Zeolithen des Typs 4A und 13X im Kilogrammbereich – wurde bereits erreicht. Die Herstellung erfolgt mit Hilfe eines Doppelschneckenextruders. Die Rezeptur der Rohmasse soll im Verlauf noch weiter verbessert werden.

Charakterisierung

Die im ersten Schritt erzeugten Wabenkörper werden am ITW in einem Laborreaktor (Volumen ca. 200 ml) zur Charakterisierung der thermo-physikalischen Stoffeigenschaften experimentell untersucht. In Form von Adsorptions-/Desorptionszyklen unter Variation der Zulaufbedingungen der Luft wird das thermische Verhalten der Speichermaterialien im makroskopischen Bereich analysiert.

Modellierung des Materials

Zur mathematischen Modellbildung und numerische Simulation des thermischen Verhaltens der hergestellten Materialien werden die für die Modellbildung relevanten Kenngrößen experimentell ermittelt. Dazu werden bei den Projektpartnern ISE bzw. THW Porengrößenverteilungen, Wasserdampfisothermen, Zyklenstabilität, Adsorptionskapazität und Adsorptionskinetik der Sorptionsmaterialien bestimmt.

Modellierung des Gesamtsystems

Um eine Zeit und kostenintensive messtechnische Untersuchungen an realen Anlagen zu vermeiden, wird die thermische Leistungsfähigkeit des untersuchten Speicherkonzepts in Verbindung mit den neu entwickelten Speichermaterialien durch eine numerische Systemsimulation ermittelt. Dazu wird aus den zuvor erstellten Detailmodellen und experimentellen Untersuchungen im Laborreaktor ein vereinfachtes Modell für das Gesamtsystem abgeleitet und validiert.

09/2014 - 03/2018

Benjamino R. Formisano; Tamara Schapitz; Henner Kerskes; Christian Bonten: Development and Characterization of Zeolitic Honeycombs for Heat Storage, University of Stuttgart, Germany, Deutsche Zeolithtagung 2016, Gießen

B.R. Formisano; T. Schapitz; H. Kerskes; C. Bonten: Extrudierte zeolithische Wabenkörper für den Einsatz in der Wärmespeicherung

Das Projekt MAKSOR^E wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch den Projektträger Jülich unter dem Förderkennzeichen 03SFO441C gefördert. Die Autoren danken für die Unterstützung.