A design Approach for Adsorption Energy Systems Integrating Dynamic Modeling with Small-Scale Experiments

Adsorptionsbasierte Energiesysteme können als Adsorptionskältemaschinen und Adsorptionswärmepumpen Kälte und Wärme bereitstellen sowie als thermische Adsorptionsspeicher thermische Energie speichern. Sie können Abwärme oder Solarenergie nutzen, dadurch den Bedarf an fossilen Energieträgern senken und Treibhausgasemissionen reduzieren.
Allerdings sind sie in ihrer Anschaffung teuer, da sie in ihrer Leistungsfähigkeit beschränkt
sind. Die Leistung von adsorptionsbasierten Energiesystemen hängt maßgeblich von den Gleichgewichtseigenschaften des eingesetzten Sorptionsmaterials und des Kältemittels (Stoffpaarung) ab. Daneben wird die Leistung durch Wärme- und Stofftransportmechanismen des verwendeten Sorptionsmaterials stark beeinflusst. Die Bewertung neuer Stoffpaarungen für den Einsatz in adsorptionsbasierten Energiesystemen gestaltet sich schwierig: Während die Gleichgewichtseigenschaften
mit standardisierten Messgeräten bestimmt werden können, hängen die Wärme- und Stofftransportmechanismen stark vom großskaligen Energiesystem ab. Der Aufbau und die Durchführung von Experimenten zur Untersuchung von adsorptionsbasierten Energiesystemen ist sehr aufwändig. Außerdem stehen oftmals nur kleine Proben des Sorptionsmaterials zur Verfügung, die keine Untersuchung im großskaligen Energiesystem erlauben.
Um neue Stoffpaarungen für adsorptionsbasierte Energiesysteme bewerten zu können, werden in dieser Arbeit einfache, kleinskalige Experimente genutzt. Hierzu wird das "Large-Temperature-Jump ("Großer-Temperatur-Sprung) Experiment mit einer dynamischen Modellierung der auftretenden Wärme- und Stofftransportmechanismen gekoppelt. Zusätzlich wird das Experiment um eine Infrarot-Kamera erweitert, wodurch Wärme- und Stofftransportkoeffzienten unterschieden und zeitaufgelöst bestimmt werden können. Die Wärme- und Stofftransportkoeffzienten werden genutzt, um ein dynamisches
Modell des großskaligen Energiesystems am Beispiel einer Adsorptionskältemaschine zu parametrieren. Das großskalige Modell erlaubt die Bestimmung von Leistungskennzahlen der Stoffpaarungen. Exemplarisch werden ein kommerziell erhältliches Silikagel und die Stoffklasse metall-organischer Gerüstverbindungen mit dem Kältemittel Wasser untersucht.
Die vorgeschlagene Methodik wird an einem Experiment einer Adsorptionskältemaschine validiert. Neben der Vorhersage der Leistung von Stoffpaarungen für adsorptionsbasierte Energiesysteme, erlaubt die Methodik auch die Optimierung des Energiesystems und die Identikation von Verbesserungspotenzialen der Stoffpaarungen. Zusammenfassend schlägt
diese Arbeit eine Brücke von kleinskaligen Experimenten hin zur Modellierung großskaliger Energiesysteme und erlaubt eine ganzheitliche Bewertung von Stoffpaarungen.