Thermisch getriebene Wärmetransformation
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Dipl.-Ing. Sebastian-Johannes Ernst
Beschreibung
Eines der in jüngerer Zeit erst aufgekommenen Anwendungsgebiete für mikro- und mesoporöse Materialien wie Zeolithe, SAPOs (Silico-Aluminophophate), AlPOs (Aluminiumphjosphate) oder metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs, metal organic frameworks) ist die Adsorption von Wasser, Methanol oder Ethanol für den Einsatz in der Wärmespeicherung und –transformation. Angesichts der Tatsache, dass derzeit ca. 40 Prozent des Endenergieverbrauchs in Deutschland zu Bereitstellung von Niedertemperaturwärme und Warmwasser, sowie weitere 17 Prozent für Prozesswärme eingesetzt werden (Quelle: Statistisches Bundesamt), bieten Adsorptionswärmepumpen und –kältemaschinen großes Potential, einen Beitrag zur Erreichung der Ziele der Energiewende der Bundesregierung zu leisten.
Abbildung 1 zeigt eine Adsorptionskältemaschine in geschlossener Bauweise. Ausgehend von trockenem Adsorbens beginnt der Kreislauf mit der Adsorption (rechte Seite) des Arbeitsmediums (in der Regel Wasser oder kurzkettige Alkohole). Die im Laufe der Adsorption zur Verdampfung des Arbeitsfluides benötigte Verdampfungsenthalpie wird dem Kaltwasserkreis (blau) entzogen. Die frei werden Adsorptionsenthalpie wird über einen Kühlwasserkreislauf (grün) abgeführt, um eine isotherme Adsorption zu gewährleisten. Sobald das Adsorbens die Gleichgewichtsbeladung erreicht hat, muss es zur erneuten Verwendung mithilfe eines Heißwasserkreislaufs (rot) wieder ausgeheizt werden (linke Seite).
Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) für Wärmetransformation
Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind mikroporöse Gerüste, aufgebaut aus Metallknoten, die mit organischen Molekülen verbunden werden. Als Edukte kommen Metallsalze und eine organische Säure in verschiedenen Lösungsmitteln zum Einsatz, die unter unterschiedlichen Bedingungen zur Reaktion gebracht werden. Einer der ersten publizierten und am besten untersuchten MOFs ist ein Kupfertrimesat mit dem Namen HKUST-1 (für Hong Kong University of Science and Technology), dargestellt in Abbildung 2. Für die Wärmetransformation werden derzeit hauptsächlich MOFs auf Basis von Aluminium, Kupfer, Eisen oder Chrom untersucht.
Neben der Kapazität für verschiedene Arbeitsmittel wie Wasser, Methanol und Ethanol ist vor allem die Stabilität über viele Zyklen hinweg auch bei hohen Desorptionstemperaturen interessant. Von Bedeutung ist zudem die Sorptionskinetik. Schnelle Sorptionsgeschwindigkeiten ermöglichen kürzere Zyklenzeiten und damit höhere Leistungsdichten, verbesserte Effizienz und kleinere Apparateabmessungen. Die Zyklenzeit hängt dabei nur zum Teil vom verwendeten Material ab, ein weiterer großer Einflussfaktor sind Dampfdiffusion und Wärmeleitung im Apparat. Wärme- und Stoffübertragung können begünstigt werden, indem das Adsorbens nicht, wie zumeist üblich, granuliert in einer Schüttung vorgelegt, sondern auf gut wärmeleitende Strukturen beschichtet wird. Schließlich bleiben noch zwei wichtige Kriterien für die Eignung eines Materials in großer Anwendung: Die finanzielle Realisierbarkeit und die Umweltverträglichkeit.
Beschichtungen von Wärmeübertragerstrukturen
Die Leistung einer sorptionsgetriebenen Wärmepumpe beziehungsweise Kältemaschine hängt neben den Materialeigenschaften maßgeblich davon ab, wie gut die Adsorptionswärme aus dem Adsorbens abgeführt werden kann und wie gut das Adsorbens für das Arbeitsfluid zugänglich ist. Wärme- und Stoffübergang können begünstigt werden, indem das Adsorbens nicht, wie zumeist üblich, granuliert in einer Schüttung vorgelegt, sondern auf gut wärmeleitende Strukturen beschichtet wird. Hierfür wird eine Methode eingesetzt und untersucht, bei der das gewünschte Adsorbens direkt auf der Struktur aufkristallisiert. Für die Direktaufkristallisation wird eine zu beschichtende Struktur beheizt und in eine von außen gekühlte Reaktionslösung getaucht. Dadurch bildet sich in der Lösung ein thermischer Gradient aus, der die Kristallisation gezielt an diejenigen Oberflächen richtet, durch die der größte Wärmestrom geht.
Das Verfahren wird in einem Testaufbau untersucht, dargestellt in Abbildung 3. Das Substrat, hier rot eingefärbt, wird auf einen Träger appliziert und mithilfe von Heizpatronen beheizt, das Gefäß wird von außen gekühlt. In dem kleinen Aufbau werden an Modellblechen Synthesebedingungen wie verschiedene Edukte und Lösungsmittel, Temperatur, Temperaturdifferenz und verschiedene Oberflächen untersucht. Daran anschließend erfolgt das Hochskalieren auf dreidimensionale Strukturen beziehungsweise reale Wärmeübertrager. Die drei Entwicklungsstufen sind in Abbildung 4 dargestellt.
