Experimental Demonstration and Model-Based Optimization of Adsorption Heat Transformation for Waste Heat Upgrading

Die Arbeit untersucht, wie Adsorptionswärmetransformatoren (AdHTs) dazu beitragen können, die industrielle Wärmebereitstellung zu dekarbonisieren, indem sie Niedertemperaturabwärme um 100 °C aufwerten. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen, die ausschließlich auf thermodynamischen Gleichgewichtsmodellen basierten, werden hier experimentelle Machbarkeit sowie dynamische Leistungsdichten und Effizienzkennzahlen analysiert. Zunächst zeigt ein ideales dynamisches Modell, dass durch eine präzise Abstimmung des AdHT-Designs exergetische Wirkungsgrade von bis zu 0,64 J_th/J_th und Leistungsdichten von 590 W/kg erreichbar sind. Ein Ein-Bett-Prototyp demonstriert die Wärmeaufwertung mit einem exergetischen Wirkungsgrad von 0,23 J_th/J_th, einem thermischen Wirkungsgrad von 0,18 J_th/J_th und einer Leistungsdichte von 168 W/kg. Die Untersuchung von 57 Betriebspunkten führt zu grundlegenden Auslegungsregeln, etwa zur Vermeidung von Kondensation und Wärmeverlusten am Adsorbergehäuse. Ein detailliertes, kalibriertes Modell des Prototyps bestätigt die Vorhersagen (mittlere Abweichung von 8,1 %) und ermöglicht weitere Prozessdesignoptimierungen. So erreicht ein verbessertes Prototypendesign thermische Wirkungsgrade von 0,35 J_th/J_th und 304 W/kg, während ein Zwei-Bett-AdHT mit Rückgewinnungsstrategien den thermischen Wirkungsgrad auf 0,40 J_th/J_th steigert. Zudem zeigt die Modellierung elektrischer Verbraucher, dass bei einer Nennwärmeleistung von 500 kW ein elektrischer Wirkungsgrad von 40 J_th/J_el möglich ist. Insgesamt hebt die Arbeit den Technologie-Reifegrad der AdHTs zur Wärmeaufwertung von Stufe 2 auf Stufe 4 an und untermauert damit deren Potenzial für eine nachhaltige, dekarbonisierte Wärmebereitstellung.