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Inhalt und Ziel des Forschungsprojektes
Die thermische Leistung von Adsorptionswärmetauschern wird massgeblich durch Material- und Struktureigenschaften bestimmt. In dem vorliegenden Teilprojekt wird ein Adsorbermaterial entwickelt, welches hohe Diffusionsraten, gute thermische Leitfähigkeit und eine grosse Oberfläche besitzt. Dieses Eigenschaften-Profil wird durch eine hierarchische inverse Opalstruktur ermöglicht, welche durch einen Schäumungsprozess mit porösen Partikeln hergestellt wird. Die Makroporen des Schaums ermöglichen hohe Diffusionsraten während die intrinsische Porosität der Partikel zu einer hohen Oberfläche führt und somit hohe Adsorptionsraten ermöglicht.
Ziele dieses Projektes sind (a) eine kosteneffiziente Hochskalierung des Herstellungsverfahrens und (b) Verständnis des Zusammenhangs zwischen Materialstruktur und Adsorptionsdynamik. Für Letzteres werden komplexe Strukturen mittels 3D Drucken hergestellt und untersucht. Durch den Druckprozess werden definierte Porenstrukturen in das Material eingebracht, wodurch der Einfluss der Materialstruktur auf die Adsorptionsdynamik ermittelt werden kann. Die Simulation von Massen- und Wärmetransport in hierarchisch porösen Materialien trägt zur Optimierung der Adsorptionsraten bei. Ein rechengestütztes Modell wird eingesetzt, um komplementär zu den experimentellen Methoden das Design von hierarchisch porösen Materialen mit optimierten Transporteigenschaften zu gewährleisten.
Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Die Adsorptionswärmepumpen können industrielle Abwärme sowie Wärme aus erneuerbaren Energien nutzen, um Nutzwärme und Kälte bereitzustellen. Der Einsatz dieser Technologie kann die primärenergetische Effizienz von Erdöl- und Erdgasheizungen massgeblich erhöhen und deren CO2-Emissionen reduzieren. Insgesamt können damit der Stromverbrauch für Heizung und Kühlung in der Schweiz um 70% und der Verbrauch von fossiler Heizenergie um knapp 20% gesenkt werden.