Im Rahmen des EU-finanzierten Projektes COMTES haben die vom SPF zusammen mit der EMPA durchgeführten Untersuchungen gezeigt, dass in der Phase der Absorption die experimentell gemessene Leistung wesentlich tiefer ist als die theoretisch berechneten Werte. Basierend auf dieser Erfahrung, sowie der weiteren Anwendung der Rohrbündel-Technologie zur Formung eines Fallfilms für den Stoff- und Wärmeübergang im Absorber-Desorber (A-D) und im Verdampfer-Kondensator (E-C), wurde daher zur Optimierung der Reaktionszone im ABSTOREX Projekt ein 1 kW Prototyp entwickelt und aufgebaut. Nebst wässriger Natronlauge können in dieser Anlage weitere, eine potentiell hohe verfügbare Energiedichte aufweisende, Stoffpaarungen wie LiBr-H2O und LiCl-H2O für die Untersuchungen eingesetzt werden. Zu den drei Stoffpaarungen wurden die thermo-physikalischen Eigenschaften in Form von Gleichungen aufbereitet sowie numerische Modelle entwickelt. Der Stoff- und Wärmeübertrager in der Reaktionszone - der Leistungseinheit - des Speichersystems hängt von der Rohrbündel-Oberflächenbenetzung durch die konzentrierte Lauge - dem Sorbent -, der Verweilzeit der Lauge im Wasserdampf sowie der Turbulenz im Fallfilm ab. Das Benetzungsverhalten der Oberfläche wird stark bestimmt durch die Oberflächenenergie der Stahlrohre in Kombination mit den Stoffeigenschaften der wässrigen Natronlauge. Die hohe Oberflächenspannung der konzentrierten Natronlauge spielt dabei eine entscheidende Rolle. Im Hinblick zum Aufbau der 1 kW Anlage wurden umfangreiche Vorversuche zur Oberflächen- Benetzung und Verweilzeit gemacht. Eine verbesserte Oberflächen-Benetzung mit konzentrierter Sorbent–Lösung wurde erreicht mit folgenden Veränderungen der Oberflächen (Chemie): Zugabe von Weichmachern in die Sorbent-Lösung, Wärmebehandlung der Wärmeübertrager-Rohre sowie Texturierung der Oberfläche. Die Verweilzeit der Lösung im Wasserdampf und die Wasserdampf- Lösungs-Grenzschicht sowie die Benetzung können mit porösen SiC-Schäumen verbessert werden. Stabilitätsversuche mit Natronlauge und SiC-Industrieschäumen zeigten, dass diese nicht stabil sind, weil sie einen hohen Sauerstoffanteil haben sowie Metalle wie Eisen (Fe) und Aluminium (Al) enthalten. In Kontakt mit Natronlage gasen die Schäume aus und werden spröde. Auf den Einbau in die A-D Einheit der 1 kW Prototype wurde daher verzichtet. Diese Ergebnisse flossen in die Planung sowie den Zusammen- und Einbau der Stoff- und Wärmeaustauscher für die A-D Einheit und die E-C Einheit der 1 kW Laboranlage ein. Am gewählten Aufbau können die Rohrbündel im A-D und im E-C leicht ausgetauscht werden. Hiermit wird eine hohe Flexibilität erreicht und es können die verschiedensten Rohrbündeltypen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen (oder mit stabilen Keramikschäumen ummantelte Rohre) eingesetzt werden. Weiter können die Fluideigenschaften, wie Reduktion der Oberflächenspannung, mit „Weichmachern“ beeinflusst werden. In der 1 kW Anlage könen die Prozesse der Leistungseinheit eines realen thermo-chemischen Speichersystems gefahren werden, da sie zudem die Fluidkreise fü Sorbent und Sorbat umfasst. Die dazu notwendigen Komponenten wie Dosierpumpen, Sensoren zur Temperatur-, Durchfluss, Dichteund Gewichtsmessung wurden ausgewält, kalibriert und installiert. Die einzelnen Bauteile sowie die aufgebaute Anlage wurden umfangreichen Lecktests unterzogen. Die erste Inbetriebnahme und die Funktion aller Bauteile im Verbund wurde mit destilliertem Wasser –sowohl auf der A-D als auch auf der E-C Seite –durchgefürt. Die Messungen zeigten, dass mit Wasser eine Wämeüertragungsleistung von 1 kW –zwischen A-D und E-C –erreicht wird. Die Effizienz von zwei unterschiedlichen A-D Wämetauschern –glatte und strukturierte Rohre - wurde mit dem Sorbent NaOH-H2O bestimmt. In den Desorptionsversuchen –Speicherbeladung –sind die Zielwerte mit 1.2 kW und einem Konzentrationsunterschied von 20 wt.% erreicht worden (Leistung Erhöung von 20 % in Vergleich zur der Referenz Wämetauscher mit glatten Rohre). Die besten Resultate in der Absorption - Speicherentladung –wurden mit texturierten Rohren und einer Leistung von 0.72 kW und der Konzentrationsunterschied von 7.5 wt.% erzielt. Mit diesem nicht optimalen Konzentrationsunterschied liegt die theoretische Energiedichte mit rund 175 kWh/m3 doppel so hoch wie diese von einem sensiblen Wasserspeischer. Wobei der Einsatz von Triton QS-15 keine messbare Erhöung der Leistung ergab, obwohl sich die Oberflähenbenetzung mit konzentrierter Lauge verbesserte. Die aus den Messresultaten (ohne Triton) - bestimmten Stoff- und Wämeüergangszahlen erreichen Werte von = 1 bis 6 g/(m2*s) und = 250-400 W/(m2*K) bei T(HTF in den A-D Rohren) = 35 °C und = 650-1000 W/(m2*K) bei T(HTF in den A-D Rohren) = 25 °C. Vergleiche mit Literaturwerten fü LiBr-H2O zeigen eine gute Üereinstimmung mit den -Werten, hingegen sind diegemessenen -Werte tiefer als die Literaturwerte. Die Optimierung des ABSTOREX Systems umfasst die Entwicklung, den Einbau und den Test eines Wäme- und Stoffüertragers mit einer gröseren Grenzflähe zwischen Natronlauge und Wasserdampf. Die Umsetzung des Konzepts mit Metallgeweben oder Schämen um die Rohre wüde die Verweilzeit der Lauge im Sorbat-Dampf erhöen und damit zu einer besseren System-Effizienz füren (bei gleicher Baugröse eine höere Absorptionsleistung und eine grösere Konzentrationsdifferenz gekoppelt mit einer erhöten Speicher-Energiedichte). Eine Skalierung der Leistungseinheit zu einem Speichersystem fü ein Einfamilienhaus oder ein Mehrfamilienhaus kann auf der Basis des numerischen Modells fü die Sorbent-Sorbat-Paarung NaOHH2O
und Wasserdampf, gemacht werden.
Der Einsatz eines kompakten, saisonalen (Ab-) Sorptionsspeichers, dessen Konzept im ABSTOREX
getestet wurde, kann den Wämebedarf im Winter mit Solarenergie aus dem Sommer befriedigen.
