HiPel

Das Prinzip der Adsorption wird in vielen technischen Anwendungen genutzt, um beispielsweise Luft oder Gase zu entfeuchten oder Stoffgemische zu trennen. Eine weitere Anwendung ist die sorptive Wärmespeicherung, mit der die Energieeffizienz in Industrieprozessen und wärmetechnischen Anwendungen gesteigert werden kann. Als Adsorbens kommen aufgrund der einfachen Handhabung und Herstellbarkeit in der Regel pelletierte Adsorbentien (beispielsweise Zeolithe, Aktivkohle, Silica-Gel etc.) in Kugel- oder Zylinderform zum Einsatz. Diese weisen allerdings oftmals eine eingeschränkte mechanische Stabilität sowie eine stark limitierte Wärmeleitfähigkeit auf. Dies ist für die Leistungsfähigkeit vieler Anwendungen und insbesondere die Wärmespeicherung von Nachteil.

Projekttitel

MEF HIPEL – Hochleistungs-Komposit-Pellets

Projektlaufzeit

September 2011 – August 2013

Koordinator

• Fraunhofer IGB

Kooperationspartner

• Fraunhofer IKTS, Dresden    
  
• Fraunhofer IWU, Chemnitz

Die Fraunhofer-Institute IGB, IKTS und IWU entwickeln im Rahmen eines von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten Projekts metallummantelte Pellets, die als Schüttung bei gleichbleibender Adsorptionskapazität eine deutlich gesteigerte Wärmeleitfähigkeit aufweisen und mechanisch stabil sind. Eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit ermöglicht bei der Anwendung in Wärmespeichern oder Wärmepumpen eine signifikant erhöhte Leistungsdichte durch eine schnellere Be- und Entladung. In der chemischen Reaktionstechnik soll die Temperaturregelung des Sorptionsbetts einfacher und effektiver werden. Ziel ist zudem, Abriebverluste beim Transport der Materialien und Befüllen der Reaktoren durch die erhöhte mechanische Stabilität zu minimieren. Dies führt zu längeren Standzeiten der Sorbensschüttungen, ermöglicht neue Reaktoren (Fließreaktor) und mobile Anwendungen. Um möglichst gute Adsorptionseigenschaften zu erreichen, sollen die Pellets eine hohe innere Porosität aufweisen. Die Herstellungsweise soll zur Fertigung großer Mengen geeignet sein.

Im Projekt werden zylindrische Pellets mit einer Mantelfläche aus Kupfer, Aluminium oder anderen Metallen hergestellt, indem Sorbensgranulate in dünnwandige Metallröhrchen gefüllt werden. Hierzu wurde in einem ersten Schritt ein geeignetes Herstellungsverfahren konzipiert, welches aus den vier Teilschritten Granulierung, Befüllen der Metallröhrchen, Fließwalzen und Vereinzeln der Pellets besteht. Eine besondere Herausforderung hierbei ist es, die Verdichtung des Materials so vorzunehmen, dass das Sorbens in der Metallhülle verbleibt und trotzdem eine ausreichende Porosität besteht, um die Adsorptionseigenschaften beizubehalten. Dazu wurden beim Fraunhofer IKTS Modellversuche mit NaY-Zeolith unter Verwendung verschiedener Binder vorgenommen. Die Ausgangsgranulate wurden zu zylinderförmigen Pellets verpresst und die Festigkeit sowie die spezifische Oberfläche bestimmt. Aufbauend auf diesen Vorversuchen hat das Fraunhofer IWU eine Testanlage zur Herstellung von 5–10 kg Adsorbenspellets konzipiert und gebaut. In Kürze werden größere Mengen ummantelter Pellets zur Verfügung stehen, um diese in einem Modellwärmespeicher beim Fraunhofer IGB zu erproben.

Parallel wurden am Fraunhofer IGB Referenzmessungen mit nicht ummantelten Pellets durchgeführt. Dazu wurden zwei Qualitäten Zeolithkugeln (Durchmesser 1,6–2,5 mm und 2,5–5 mm) sowie nicht ummantelte Zylinder (5,25 x 10 mm) mit einem alternativen Binder, der auch bei den ummantelten Pellets eingesetzt wird, im Hinblick auf ihre Leistungsfähigkeit in einem geschlossenen Adsorptionsspeicher getestet. Es wurde gezeigt, dass sich Größe und alternative Binder bei den zylindrischen Pellets im Vergleich zu den Kugeln kaum auf die Sorptionseigenschaften wie Adsorptionskapazität und massenspezifische Wärmespeicherdichte auswirken.

Zusätzlich wurde am Fraunhofer IGB eine Apparatur zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Schüttungen unter veränderlichen Luft- oder Gasdrücken im Reaktionsbehälter konzipiert und gebaut. Das Messprinzip basiert auf der Heißdrahtmethode, die schnelle Messungen mit einer hohen Genauigkeit zulässt. Die Messung erfolgt in einem hochvakuumdichten Behälter, der in Abhängigkeit von der Adsorbensmenge mit verschieden großen Probenbehältern ausgerüstet werden kann. Dies ermöglicht schnelle Referenzmessungen der Wärmeleitfähigkeit von Sorptionspellets unter verschiedenen Prozessbedingungen.

Nach Vorliegen ausreichender Mengen ummantelter Pellets werden diese im Adsorptionswärmespeicher (Maßstab 5–10 L Speichervolumen) am Fraunhofer IGB unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht und die Ergebnisse mit den Referenzdaten verglichen. Parallel erfolgen Untersuchungen zur mechanischen Stabilität der Pellets. Somit wird es möglich, den anwendungsrelevanten Nutzen der neuartigen Pellets zu bestimmen und die erreichte Leistungssteigerung zu erfassen. Im Hinblick auf die Wärmespeicherung wird mit einer signifikanten Steigerung der erreichbaren Leistungsdichte und somit stark verkürzten Be- und Entladezeiten gerechnet. Abschließend wird eine Kosten-Nutzenrechnung für eine industrielle Herstellung erstellt.