Aktuelle Forschungsprojekte

Ansprechpartner: M. Sc. Micha Schäfer

Zur Wärmespeicherung im Bereich niedriger und mittlerer Temperaturen (50...250 °C) sind TCES-Konzepte auf Basis von geschlossener Adsorption vielversprechend. Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Arbeit mit der Modellierung und Simulation des Wärme- und Stofftransports in einem geschlossenen Niederdruck-Adsorber (Zeolith 13X / Wasser). Das Lade- und Entladeschema ist in der Abbildung dargestellt. Darin bezeichnet Q den Wärmefluss bei hoher (rot) und niedriger (blau) Temperatur. Das Zeolith kann entweder in Form von feinem Pulver, Granulat und Pellets oder als regelmäßige Wabenkörper vorliegen.

Bezüglich der Modellierung ergibt sich eine Herausforderung aus den besonderen Eigenschaften des betrachteten Niederdruck-Adsorbtionssystems. Für dieses System ergeben sich simultan räumlich und zeitlich veränderliche Strömungsregime mit Knudsen-Zahlen im Bereich von 0.001 bis 10. Folglich variiert das Strömungsverhalten entlang des Adsorbers. Eine weitere, allgemeinere Herausforderung folgt aus der großen Spanne relevanter Skalen, wobei die Mikroskala (mikroporöser Zeolith) und die Mesoskala (interpartikulärer Zwischenraum) das Speicherverhalten auf der Makroskale bestimmen.

Daher wird am Institut ein Subskalenmodell entwickelt um das betrachtete System akkurat und unter Berücksichtigung der genannten Herausforderungen zu beschreiben. Für den Fall des Wabenkörper-Adsorbers wird ein zweidimensionales Modell entwickelt, welches aus einem Array gekoppelter eindimensionaler Modelle für die einzelnen Kanäle des Wabenkörpers besteht. Drei unterschiedliche Ansätze für den Stofftransport (no-slip, slip, Sharipov Modell) werden implementiert und untersucht. Ferner wird der Wärmetransport und die Beladung (Wasseraufnahme) analysiert. Die Ergebnisse lassen eine Bewertung der Relevanz der Verdünnungseffekte aufgrund der geringen Absolutdrücke zu. Für das betrachtete System liefert diese Arbeit liefert eine Antwort zu der anhaltenden Diskussion, ob geschlossenen Niederdruck-Adsorber durch den Wärme- oder Stofftransport limitiert sind.

Veröffentlichungen:

Schäfer, M.; Thess, A.: "One-dimensional model of a closed low-pressure adsorber for thermal energy storage", International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018

Ansprechpartner: M. Sc. Mohammad Farahani

Zur Wärmespeicherung im Hochtemperaturbereich (>250°C) sind TCES-Konzepte auf Basis von Kalk (CaO/Ca(OH)₂) vielversprechend. Basis bildet die reversible Reaktion CaO + H₂O <-> Ca(OH)₂, welche bei der Hydratation exotherm und bei der Dehydratation endotherm verläuft. Kalk weist mehre Vorteile auf: Es ist in großen Mengen verfügbar und daher günstig, ungiftig, von hoher Energiedichte und in Hochtemperaturanwendungen einsetzbar [1]. Schmidt et al. [2] untersuchen Kalk für TCES-Anwendungen im Labormaßstab bei niedrigen Dampfdrücken in einem geschlossenen Reaktor mit indirekter Wärmeentnahme. Initial wird der Reaktor mit Kalkpulver befüllt. Abbildung a zeigt schematisch die Partikelanordnung nach initialer Befüllung. Allerdings bilden sich nach einigen Hydratations- und Dehydratationszyklen Agglomerate, schematisch in Abbildung b dargestellt. Aus der neuen Struktur des porösen Bettes folgt, dass herkömmliche Simulationsmethoden auf Basis von Kontinuumsansätzen nicht anwendbar sind.

Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Modellierung und Simulation der Prozesse auf der Mesoskala, um ein Verständnis über die Veränderung der Struktur des porösen Bettes und des Agglomerationsprozesses zu erlangen. Während dieses Prozesses verändern sich die Partikeldurchmesser, die Partikel interagieren und der Dampf übt eine externe Kraft auf die Partikel aus. Aktuell kommt die openSource Software LIGGGHTS (DEM) [3] zum Einsatz.

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Quellen:

1. Schaube, F.; Wörner, A.; Tamme, R.: "High Temperature Thermochemical Heat Storage for Concentrated Solar Power Using Gas–Solid Reactions", ASME. J. Sol. Energy Eng. 2011;133(3):031006-031006-7. doi:10.1115/1.4004245 
2. Schmidt, M.; Linder, M.: "Power generation based on the Ca(OH)2/ CaO thermochemical storage system – Experimental investigation of discharge operation modes in lab scale and corresponding conceptual process design", In Applied Energy, Volume 203, 2017, Pages 594-607, ISSN 0306-2619, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.06.063.
3. https://www.cfdem.com/

In der Sauna entspannen und die Abwehrkräfte stärken – für viele ein besonders
verlockendes Wellnessangebot. Doch die Behaglichkeit hat ihren Preis, denn
Saunen haben einen hohen Energiebedarf. Schon ein üblicher Saunagang in einer
Heimsauna schlägt mit rund 15 kWh zu Buche.
Einen hohen Energiebedarf hat zunächst auch die „Null-Energie-Sauna“ – doch
mit einem entscheidenden Unterschied: Während die Wärme in einer
herkömmliche Sauna mit Strom aus dem Netz erzeugt wird, generiert und
speichert die „Null-Energie-Sauna“ ihre gesamte Wärme lokal und CO2-neutral
aus erneuerbaren Energien. Sie stellt also, ähnlich dem „Nullenergiehaus“, ein
energieautarkes System dar. Damit die „Null-Energie-Sauna“ aber tatsächlich
umweltfreundlich ist, sollte sie besonders langlebig sein. Da elektrische
Energiespeicher wie Batterien diese Anforderung mit ihrem derzeitigen
technischen Stand nicht erfüllen, steht ein ausgeklügeltes Energiespeicher- und
Wandlersystem im Zentrum des Konzepts.

Varianten für verschiedene Saunatypen und Klimazonen

Doch Sauna ist nicht gleich Sauna: Während Europäer es überwiegend heiß und
trocken mögen (Finnische Sauna), wird im Orient das feuchtwarme Dampfbad
(Hamam) bevorzugt. Gleichzeitig ist in Europa eine hohe Verfügbarkeit an
Windenergie gegeben, während im orientalischen Raum Sonnenenergie nahezu
unbegrenzt verfügbar ist.
Für beide Saunavarianten und Standorte hat der Lehrstuhl für Energiespeicherung
der Universität Stuttgart in Kooperation mit dem Institut für Technische
Thermodynamik des DLR mögliche Konzepte erarbeitet. Das Konzept für die
finnische Sauna beinhaltet die Ankopplung an eine Kleinwindanlage und
Integration eines innovativen Energiespeicher- und Wandlersystems. Das Konzept
für das Hamam sieht entsprechend eine Versorgung durch Sonnenenergie vor. Die
Innovation dieses Konzepts besteht in der direkten Erzeugung von Dampf. Die
beiden Konzepte werden durch ein drittes Konzept, dem erschwinglichen
Schwaben-Modell fürs Ländle, abgerundet. Dieses Modell besticht durch seine
Einfachheit und Effizienz. Dank eines hybriden Wärme- und
Dampfspeichersystems ermöglicht es einen flexiblen Saunabetrieb
Ihr Konzept haben die jungen Forscher bereits zum Patent angemeldet.
Perspektivisch möchte der Lehrstuhl für Energiespeicherung eine studentische
Arbeitsgruppe initiieren, die an der Demonstration und Kommerzialisierung der
„Null-Energie-Sauna“ mitwirkt.