Adsorptionswärmepumpen

Die Bereitstellung einer langfristig sicheren, wirtschaftlichen und umweltverträglichen Energieversorgung ist eine der größten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Dies erfordert die Entwicklung neuer effizienter und umweltfreundlicher Energie­wandlungs­technologien.

Wärme und Kälte sind die wichtigsten Endenergien der zivilisierten Welt. Danach entfallen mehr als zwei Drittel des Endenergieverbrauchs in den OECD-Ländern auf die Erzeugung dieser beiden Energieformen. Insbesondere die thermische Gebäudekonditionierung ist dabei weiterhin stark von fossilen Energieträgern geprägt. Ein umfassender Umstieg auf strombetriebene Wärmepumpen ist aus mehreren Gründen nicht in absehbarer Zeit möglich. So ist der Anteil gepumpter Wärme an kalten Wintertagen bei strombetriebenen Wärmepumpen verschwindend gering, so dass die gesamte Heizwärme durch elektrische Energie bereitgestellt werden muss. Die benötigte Heizwärme ist dazu auch bei energetisch sanierten Bestandsgebäuden weiterhin so groß, so dass das Stromnetz an solchen Tagen mehr als doppelt so stark belastet werden würde wie heute. Es ist also auch zukünftig sinnvoll, das Erdgasnetz mit seinem großen Speichervolumen zu nutzen und teilweise mit regenerativem Gas (Methan und/oder Wasserstoff) zu betreiben. Allerdings muss gleichzeitig eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades auf der Verbraucherseite (Heizungen) realisiert werden, um eine signifikante CO2-Reduktion zu bewirken.

Sorptionsprozesse bieten hier eine Möglichkeit zur technischen Realisierung von thermisch angetriebenen Wärmepumpen, die nicht nur den Wärme-, sondern auch den Exergieinhalt von Wärmeströmen nutzen. Dadurch kann Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres gepumpt werden, was neue Möglichkeiten zur Kälte- und Wärmeerzeugung in mobilen und stationären Anwendungen eröffnet. Thermisch angetriebene Kälte- und Klimaanlagen sowie Wärmepumpen sind zwar schon lange bekannt und hauptsächlich in großen Leistungsklassen vorwiegend als Absorptionsmaschinen auch marktverfügbar. Allerdings lässt sich diese Technik nur schwer in den für 1-2-Familienhäuser und mobile Anwendungen benötigten Kleinstleistungsbereich kostengünstig skalieren. Attraktiver sind diesbezüglich Adsorptionswärmepumpen, die ohne schnell bewegte Teile auskommen und sich durch rein thermischen Antrieb betreiben lassen. 

Die Forschungsgruppe Thermofluiddynamik und effiziente Energiewandlung beschäftigt sich in einer Reihe von Drittmittelprojekten mit der Entwicklung kostengünstiger Adsorptionswärmetransformatoren. Themen sind u.A. neue Adsorbercompounds mit künstlichen Zugangsporen für einen schnellen Stoff- und Wärmetransport, mit denen die Leistungsdichte der Maschinen deutlich erhöht und die Kosten drastisch reduziert werden können [1,2]. In weiteren Projekten werden zusammen mit Industriepartnern modulare Anlagenkonzepte entwickelt, mit denen weitere Kostensenkungen erreicht werden können. Neben den notwendigen experimentellen Untersuchungen [3,4] steht die Entwicklung von möglichst genauen Simulationsmodellen im Vordergrund, mit denen eine Material-, Geometrie- und thermodynamische Zyklenoptimierung erst ermöglicht wird [1].

Ansprechpartner: Prof. Dr.-Ing. Matthias Stripf

 

[1] Kraft, O, Stripf, M and Hesse, U (2019):
Heat and mass transfer in activated carbon composites with artificial macro pores for heat pump applications
Adsorption, Vol. 25(6), pp 1121–1133, https://doi.org/10.1007/s10450-019-00077-7 .

[3] Kraft O, Stripf, M (2017):
OptiSorp: Steigerung der Leistungsdichte von Adsorber Compounds für mobile und stationäre Adsorptionswärmepumpen
Forschung aktuell, pp. 47-50.

[3] Kraft O, Stripf M, Hesse U (2018):
Determination of Kinetic Parameters of Porous Adsorbents with Artificial Macro-Pores Using a Pressure Jump / Pressure Drop and a Transient Hot Bridge Method
8th Pacific Basin Conference on Adsorption Science and Technology, 03.09.-06.09.2018, Sapporo, Japan.

[4] Kraft O, Gaiser J, Stripf M, Hess U (2016):
Determination of Load Dependent Thermal Conductivity of Porous Adsorbents
Proceddings of the COMSOL Conference 2016, 12.-14.10.2016, München.