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Verbundprojekt "Wärmenutzung durch Sorptionstechnologie"

 

Fossile Energieträger und Strom zum Heizen und Kühlen sind für einen wesentlichen Teil des Energieverbrauchs und der Emissionen verantwortlich. Das Verbundprojekt THRIVE hat die Adsorptionswärmepumpen-Technologie untersucht und weiterentwickelt, um in der Schweiz Abwärme und erneuerbare Wärme zu nutzen und Strom und fossile Energieträger zu ersetzen.

Projektbeschrieb (abgeschlossenes Forschungsprojekt)

Thermisch geführte Adsorptionswärmepumpen sind eine vielversprechende Technologie zur Nutzung von Abwärme oder erneuerbarer Wärme beim Heizen und Kühlen in optimalen Temperaturbereichen bei hoher exergetischer Effizienz. Reduktionen sowohl des Stromverbrauchs als auch der CO2-Emissionen beim Heizen und Kühlen sind im Vergleich zu konventionellen Heiz- und Kühltechniken beträchtlich. Bisher haben jedoch verschiedene Herausforderungen eine breite Anwendung von Adsorptionswärmepumpen in der Praxis behindert. Erstens fehlt es an detaillierten Anwendungsszenarien für Adsorptionswärmepumpen im Kontext bestehender Heiz- und Kühlinfrastrukturen, oder diese sind ungenügend beschrieben. Zweitens führt die Verwendung ineffizienter Adsorptionsmaterialien und Wärmetauscher-Designs zu hohen Systemvolumen und Kapitalkosten. Drittens fehlen detaillierte Analysen zum Lebenszyklus und zu den Kosten von Adsorptionswärmepumpen im Vergleich zu anerkannten Benchmarks. Durch die Fokussierung auf diese drei zentralen Herausforderungen sollten das Verständnis für geeignete Einführungspläne verbessert sowie technische und wirtschaftliche Anreize für die Einführung von Adsorptionswärmepumpen als nachhaltige Heiz- und Kühltechnologie geschaffen werden.

Zielsetzung

Die Motivation des THRIVE-Projekts bestand darin, einen Beitrag zur Reduktion des Stromverbrauchs und der CO2-Emissionen beim Heizen und Kühlen zu leisten. Die Hauptbeiträge bestanden in der Identifikation von Anwendungsszenarien für Adsorptionswärmepumpen in der Schweiz, in der Verbesserung der Technologie durch neue Materialien und der Materialintegration sowie der Technologieevaluation bezüglich Leistung, Nachhaltigkeit und Kosten.

Resultate

Zentrale Ergebnisse der einzelnen Subprojekte waren die Entwicklung und Demonstration von leistungsfähigeren Adsorptionsmaterialien, Materialbearbeitungsverfahren zur Aufbereitung und Integration von hochleistungsfähigen Adsorptionsschichten in Wärmetauschern, neuartige experimentelle Charakterisierungsinstrumente und Infrastruktur für die Adsorptionswärmepumpen-Forschung im Bereich von <1 W bis ca. 10 kW Kühlleistung sowie ein Framework zur Beurteilung der Nachhaltigkeit und der Kosten von Adsorptionswärmepumpen über den gesamten Lebenszyklus.

Bedeutung

Bedeutung für die Forschung

Die Ergebnisse der einzelnen Subprojekte sind von Bedeutung für verschiedene Gebiete. Diese wurden in einem synergetischen Vorgehen gewonnen, das nur im Rahmen des koordinierten Verbundprojekts möglich war. Aus der Formulierung überzeugender Anwendungsszenarien folgten klar definierte Anforderungen für das Adsorptionsmaterial im Verbundprojekt. Diese Erkenntnisse sind auch für die Materialentwicklung anderer Gruppen wertvoll. Die vielversprechenden Ergebnisse der Subprojektteams für die Sol-Gel-Synthese von monolithischen Aktivkohle-Adsorbentien und für die Charakterisierungs- und Strukturierungsmethoden zum besseren Verständnis und zur Optimierung von Transportphänomenen in Adsorbentien eröffnen neue Wege in der Materialforschung. Darüber hinaus wurden wichtige Instrumente geschaffen, welche künftige Forschungsarbeiten ermöglichen und unterstützen, unter anderem eine einzigartige modulare Adsorptionswärmepumpe mit 10 kW Kälteleistung sowie ein Framework für die Nachhaltigkeitsbewertung und die Lebenszykluskostenrechnung.

Bedeutung für die Forschung

Das THRIVE-Projekt hat das technische, ökologische und wirtschaftliche Potenzial von Adsorptionswärmepumpen verdeutlicht und bietet damit eine grundlegende Unterstützung für Entscheidungsprozesse von Endbenutzern und Akteuren aus der Industrie und von Geldgebern. Insbesondere sollte bei der Nachrüstung oder beim Neubau von Wärmenetzen der Einbezug von Adsorptionswärmepumpen zur Verbesserung der Kapazität und Energieeffizienz in Betracht gezogen werden. Gleichzeitig können durch den Einsatz der Adsorptionswärmepumpentechnik Betriebskosten und Emissionen von dezentralen Anlagen wie Gebäudeheizungen oder Rechenzentrumskühlungen reduziert werden.

Originaltitel

THRIVE: Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels

Projektverantwortliche

Leiter des Verbundprojekts

  • Dr. Bruno Michel, IBM Research GmbH, Rüschlikon; Dr. Elimar Frank, Hochschule für Technik, Rapperswil

Stellvertretender Leiter des Verbundprojekts

  • Dr. Patrick Ruch, IBM Research GmbH, Rüschlikon

Verbundene Projekte

Zu diesem Verbund gehören folgende fünf Forschungsprojekte

THRIVE: Tailored materials for high-performance adsorption heat pumps

  • Dr. Matthias Koebel, Departement Bau- und Maschineningenieurwesen, EMPA Dübendorf; Dr. Bruno Michel, Prof. André R.Studart, Prof. Stéphane Citherlet

THRIVE: Materials assembly for high transport rates in adsorber heat exchangers

  • Prof. André R. Studart, Departement Materialwissenschaft, ETH Zürich; Dr. Dominique Derome, Dr. Matthias Koebel, Dr. Bruno Michel

THRIVE: Development of an adsorption heat pump - Component characterization and integration in compact device

  • Prof. Andreas Häberle, Institut für Solartechnik, Hochschule für Technik Rapperswil; Dr. Matthias Koebel, Dr. Bruno Michel, Prof. André R.Studart, Prof. Stéphane Citherlet

THRIVE: Thermally driven adsorption heat pumps for substitution of electricity and fossil fuels: tests, simulation and validation of applications

  • Prof. Stéphane Citherlet, Laboratoire d'énergétique solaire et de physique du bâtiment, HEIG-VD Yverdon; Dr. Peter Burgherr, Dr. Bruno Michel

THRIVE: Sustainability analysis of thermally driven heat conversion in Switzerland

  • Dr. Peter Burgherr, Laboratory for Energy Systems Analysis, Paul Scherrer Institut, Villigen; Prof. Stéphane Citherlet

 

 

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