OPTIMAT – Optimierung von neuartigen Materialien für zyklische Adsorptionsprozesse

Heizen, kühlen, be- und entfeuchten – diese Vorgänge machen mehr als 40 Prozent des deutschen Primärenergieverbrauchs aus. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Funktionsmusters zur direkten Entfeuchtung von Gebäude-Zuluft mithilfe von porösen, schwammartigen Materialien. Statt mit Elektrizität kann dann für die Klimatisierung die oft reichlich verfügbare und energetisch günstigere Ab- oder auch Fernwärme verwendet werden. Neben der Synthese und Charakterisierung neuer Hochleistungsmaterialien spielen die Formgebung dieser Materialien sowie strömungsoptimierte Wärmeübertragerstrukturen eine große Rolle. Diese grundlagenorientierten Arbeiten werden schließlich im Aufbau eines Funktionsmusters zusammengeführt, anhand dessen die Leistungsfähigkeit dieser Technologie gezeigt wird.

Mit zunehmendem Wohlstand steigt der Bedarf nach Klimatisierung. Gleichzeitig wird die verfügbare Menge an klimaschädlichen Kältemitteln, so genannten F-Gasen, die für den Betrieb von konventionellen Klimageräten benötigt werden, massiv eingeschränkt. In Zusammenarbeit mit Forschern von der Heinrich Heine Universität Düsseldorf und dem Lüftungs- und Klimagerätespezialisten FläktGroup wird im Forschungsprojekt OPTIMAT das Potential einer sorptionsgestützten Klimatisierung evaluiert. In diesem Prozess wird ein wasseranziehendes, poröses Material, das Adsorbens, eingesetzt, um der Außenluft Luftfeuchtigkeit zu entziehen und somit komfortable Zuluftbedingungen zu schaffen. Sobald die Aufnahmekapazität des Adsorbens ausgeschöpft ist, wird das Wasser beispielsweise mit Abwärme oder Fernwärme ausgetrieben. So steht das Adsorbens wieder trocken zur Verfügung und der Kreislauf ist geschlossen.

In einem Grundlagenteil werden neue Adsorbentien unter anderem aus den Klassen der metallorganischen Gerüstverbindungen (metall-organic frameworks, MOFs) und der kovalenten organischen Gerüstverbindungen (covalent organic frameworks, COFs) synthetisiert und evaluiert. Von Bedeutung ist dabei nicht nur eine geeignete Charakteristik der Wasseradsorption sondern vor allem auch die Stabilität über den kompletten Lebenszyklus hinweg.

Entscheidend für die Leistung des Adsorbens ist außerdem die Formgebung. Hier werden Ansätze verfolgt, das Adsorbens direkt auf einer gut wärmeleitenden Struktur aufwachsen zu lassen oder in eine Polymermatrix einzubetten. Außerdem werden unterschiedliche Verfahren wie Tauch- und Sprühbeschichtungen evaluiert, mit denen das Adsorbens unter Verwendung eines Bindemittels auf eine Struktur aufgebracht wird.

In der Anpassung der Wärmeübertragerstrukturen an die Anforderungen der Strömungsgeometrie und der Wärmeübertragung besteht ein weiteres Effizienzsteigerungspotenzial. Mithilfe textiler Fertigungsmethoden können Draht-Strukturen hergestellt werden; Eingebettet in einen Wärmübertrager können diese einen deutlich besseren Wärmeübergang und große Oberflächen bei kompakterer Bauweise ermöglichen.

Die Ergebnisse dieses grundlagenorientierten Projektteils werden in einer zweiten, anwendungsfokussierten Projekthälfte zusammengeführt. Bestandteil dieses Projektabschnitts sind die Aufskalierung der untersuchten Prozesse (wie z.B. Synthese und Beschichtung), sowie Fertigung und Vermessung von Gewebe-Wärmeübertragern. Die Arbeiten werden von einer Modellsimulation flankiert und im Aufbau eines Demonstrationsmusters zusammengeführt.