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Regenerationsmodul für dezentrale Trocknung

BMWi Euronorm Innokom Ost

02/2015-07/2017

Dipl.-Ing. (FH) Hannes Rosenbaum

+49-351-4081-667

erfolgreich abgeschlossen

Energiespeicher und Sorption dezentral im Einsatz

Themenschwerpunkt: „Membranbasierte Raumklimatisierung“

Infolge der Energiewende und dem zunehmenden Anteil an witterungsabhängigen erneuerbaren Energien bei der Energieversorgung besteht zunehmend das Bestreben, Lastverläufe dem Verlauf der Erzeugung – und nicht (wie bisher) die Erzeugung den Lastverläufen – anzupassen. Aktuelle Studien fordern eine Flexibilisierung der Stromnachfrage, ein effizientes Lastmanagement sowie eine intelligente Verknüpfung des Strom- und Wärmemarktes, u.a. durch:

  • Erzeugungsspitzen von Windkraft- und Photovoltaikanlagen vermeiden oder für Wärme nutzen
  • Vermehrter Einsatz von Energiespeichern, Ausbau der Energiespeichertechnologie
  • Variable Verbraucher, z.B. sogenannte „intelligente Haushaltsgeräte“
  • Intelligente Haustechnik, insbesondere derjenigen mit Kälte oder Wärme arbeitenden Geräte (Tiefkühltruhen, Kühlschränke, Warmwasserbereiter, Klimageräte, Spülmaschinen, Waschmaschinen)
  • Verknüpfung der Strom- und Wärmeversorgung, z.B. Gebäudeheizung und industrielle Prozesswärme

Trocknungs- und Luftentfeuchtungsprozesse sind jedoch in aller Regel dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Trennung von Energieversorgung und Nutzungszeit ohne energetische Verluste nahezu unmöglich möglich ist. Daher werden weder industrielle (Prozesslufttechnik), noch gebäudetechnische (Klimatechnik), noch haushaltsnahe (Wohnungslüftung, Wäschetrockner,…) Trocknungs- und Luftentfeuchtungsprozesse in konventioneller Form (Kondensationstrocknung, Marktanteil 92…95 % oder mit Sorptionstrocknungsverfahren mit festen Sorptionsmitteln, Marktanteil 5…8 %) den komplexen Anforderungen an die Energiewende gerecht.

Die einzige auf die Anforderungen der Energiewende anpassbare Technologie zur Trocknung bzw. Luftentfeuchtung sind Flüssigsorptionsprozesse in Kombination mit Sorptionsmittelspeichern. Bisher sind jedoch (entwicklungsbedingt) keine dezentralen Anlagen mit diesem Trocknungsprozess bekannt.

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Regenerationsmoduls für dezentrale flüssigsorptionsbasierte Trocknungsprozesse. Als „Herz“ eines modular aufgebauten Gesamtsystems ist es das Bindeglied zwischen mehreren vereinzelten Entfeuchtungsmodulen (Absorptionseinheiten) und einer lokalen Energieversorgung für die Regeneration des Sorptionsmittels im Trocknungsprozess. Im Mittelpunkt der Entwicklung standen umfangreiche theoretische und messtechnische Analysen zu Konstruktion, Anschlusstechnik, Regenerationsmanagement und Hydraulik – beispielhaft ausgelegt für die Anwendung der Wäschetrocknung.

Ebenso wie die Entwicklung der Anschlusstechnik für membranbasierte durchströmbare textile Verbunde war auch die Entwicklung des Regenerationsmanagements sowie der konzentrationsvariablen Speicherung des flüssigen Sorptionsmittels erfolgreich. Zielführend sind demnach folgende zwei Aufbereitungsoptionen:

  • „Umwälzprinzip“ (1-Tanksystem) für hohe Übertragungsgrade bzw. Sorptions-Akku-Anwendung
  • „Umschichtprinzip“ (2-Tanksystem) für unmittelbar nutzbare bedarfsgerecht aufbereitete Sole

Für das entwickelte Funktionsmuster wurden drei Ansprüche formuliert:

  1. Maximierung Übertragungsgrade (Wasserdampfmassenstrom über Membranfläche > 1,70 kg/h)
  2. Maximaler Hub der Massenkonzentration der Sole beim einmaligen Durchströmen des Membran-Wärmeübertragers
  3. Maximale Auffeuchtung der Regenerationsluft zur Taupunkttemperaturanhebung derselben über Prozessluft-Eintrittstemperatur zum Zwecke der prozessinternen Kondensationswärmenutzung

Eine maximale Regenerationsleistung von 1,73 kg/h konnte am Versuchsmuster des Regenerationsmoduls bei einem Temperaturniveau von 55 °C mit Volumenströmen von 31,5 l/h (Sole) bzw. 390 m³/h (Luft) nachgewiesen werden. Einschließlich Aufheizzeit, Solestillstandszeit und Entleerungszeit dauerte der gesamte Regenerationsprozess insgesamt 125 Minuten, um 14,38 Liter 31,52 %iger LiCl-Lösung auf 40,13 % aufzukonzentrieren und dabei 2,62 kg Wasser auszutreiben. Diese Regenerationsleistung entspricht den Zielparametern des Projekts und den Vorgaben für einen Sorptionsakku (ein wechselbarer Tank) mit der Trocknungskapazität eines Wäschetrocknungsvorgangs. Unter vergleichbaren Randbedingungen wurden diese Übertragungsgrade ausschließlich im Umwälzprinzip erreicht.
Der maximale Hub von 29,04 % Eintritts- auf 39,60 % Austrittskonzentration mit nur einer einzigen Durchströmung des Membran-Wärmeübertragers wurde mit erheblichem Luftüberschuss (4,5 l/h Sole, 55 °C und 390 m³/h Luft, 52 … 54 °C) erzielt. Wenngleich die Regenerationsleistung mit 1,44 kg/h aus der Sole ausgetriebenes Wassers etwas geringer ausfällt, gelten die Zielvorgaben des Projektes als erreicht. Durch die volumenstrombedingt lange Fülldauer des Membran-Wärmeübertragers steht jedoch erst 45 Minuten nach Prozessstart erste auf Endkonzentration aufkonzentrierte Sole zur Verfügung. Anzustreben ist diese Art des Regenerationsmanagements deshalb für kontinuierliche Aufbereitungsprozesse in einem fest vernetzten Regenerationsmodul, bei dem neben den Tanks auch das Rohrleitungsnetz als Speichervolumen fungieren kann.
Die maximale Auffeuchtung der Regenerationsluft zum Zwecke der prozessinternen Kondensationswärmenutzung erfordert ein höchstmögliches Temperaturniveau und ein minimales Kapazitätsstromverhältnis. Im Versuch (Regenerationsluftvolumenstrom 100 m³/h, Eintrittstemperatur 21 °C, Regenerationstemperaturniveau 66 °C und ĊLuft/ĊSole =1) muss zudem die trockene Rückwärmzahl der luftseitigen Wärmerückgewinnung mindestens 0,88 betragen. Ermittelt wurde eine trockene Rückwärmzahl von 0,93 sodass eine anteilige Kondensationswärme innerhalb des Prozesses nachgewiesen werden konnte.
Als wichtige Anwendungsgebiete dezentraler flüssigsorptionsbasierter Trocknungsprozesse – und damit auch des Regenerationsmoduls – gelten der häusliche Bereich (lokale Trocknungsvorgänge in Wäschetrockner, …), der Gebäudebereich (Raumklimatisierung) aber auch industrielle Trocknungsanwendungen. Bis zur angestrebten Etablierung auf dem Markt kann, sind jedoch noch Entwicklungsaufgaben zu lösen, bspw. die sichere Abdichtung und die massenfertigungstaugliche Konfektionierung und Fertigung der Membransegel des Membranwärmeübertragers. Die Markteintrittschancen sind vergleichsweise hoch, denn das Regenerationsmodul und die Vernetzung von flüssigsorptionsbasierten Trocknungsprozessen bedienen mit jeweils positiven Auswirkungen auf Hygiene, Strömungswiderstand, Bauvolumen, Korrosion, Temperaturniveaus, regenerative Energien, kondensatfreie Entfeuchtung, verlustfreie Energiespeicherung,… ein breites Themenspektrum.

Innovative Vorteile des neuen Systems gegenüber dem Stand der Technik sind:

  • zeitlich flexible Regeneration gemäß den Anforderungen „intelligenter Verbraucher“
  • Energieeffizienz: Nutzung regenerativer Wärmequellen verschiedener Energieträger mit Temperaturniveau ab 55 °C: Primärenergiebedarf < 0,75 kWh zur Desorption von 2,5 kg Wasser aus dem Sorptionsmittel
  • Hygiene, Korrosionsschutz und aerosolfreie Stoffübertragung immer Membranen
  • Kondensationswärmenutzung innerhalb des Regenerationsprozesses
  • Übertragbarkeit der Technologie auf andere Wärme- und Stofftransportvorgänge der Luftbe- und Luftentfeuchtung in der Luft- und Klimatechnik

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