Universität Stuttgart
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Item Open Access Investigations and technical development of adsorption thermal energy storage systems with simulation and different control strategies(2021) Abou Elfadil, Mazen; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Thermal energy storage (TES) has been receiving an increasing worldwide attention, especially with the growing concerns about environmental problems caused by an inefficient utilization of energy. A major part of the energy consumption is considered as low temperature thermal energy. Thus, a better management of this energy by using thermal energy storage could provide a significant contribution to improve the overall efficiency of energy utilization in industrial processes and economies. The thermal energy can be stored in different forms e.g. sensible heat, latent heat or thermo-chemical, allowing variety of choices depending on the application. While the sensible and latent heat storage technologies are standard products, the thermo-chemical energy storage is still under development. Based on the method used, thermo-chemical energy storage can be divided into absorptive and adsorptive thermal energy storage systems. The adsorptive thermal energy storage systems have a great potential in both daily (short term) and seasonal (long term) applications. However, their implementation is still limited due to their low degree of applicability caused by lack of scientific knowledge on the thermal analysis level, as well as the absence of knowledge on the level of system integration, which has prevented the heat storage systems from reaching their maximum potential and from being fully commercialized. Consequently, there is still a big necessity for research and development in this field [Salvatore Vasta, 2018]. The principle of the adsorption storage system is based on a gaseous working fluid (e.g. water resp. vapor) which gets adsorbed by a highly porous material (e.g. zeolite). This adsorption process is an exothermal one, thus heat is being released and can be transferred and used. In order to recharge the heat storage system, desorption of the working fluid is done by heating the porous material. The heat storage system consists mainly of a reactor (where the porous material is located), a condenser/evaporator and other auxiliary components (e.g. water tank, pumps, sensors…). Efforts of development of the adsorptive TES were concentrated mainly on developing the adsorptive material, as the performance of the storage material has been the priority so far [Salvatore Vasta, 2018]. Little focus was put on heat power analysis and temperature behavior in the different system components, which have an impact on the overall system efficiency. Thus, system approach is still needed in order to combine and integrate this technology into industrial applications and products [Hauer, Andreas 2020] [Michelangelo Di Palo 2020]. With the aim of improving the heat storage efficiency (recovered heat to stored heat ratio), both numerical (simulations) and experimental (technical modifications) approaches were applied, which have enabled the system to achieve an optimal operational status in terms of energy utilization and efficiency. These approaches were later on used to define a fully automated control system assisting the adsorption TES to instantly react with the continuously varying parameters in such a way to assure an optimal performance. Hence, in the first stage of this investigation, process-modeling and simulation of the whole heat storage system were carried out, so that the total performance of the heat storage system can be predicted and evaluated for any future applications, including the possibility of combining different reactors or heat storage units. In the second stage, different experiments and technical modifications of the system were conducted. This includes testing various possibilities of TES setups (e.g. storage cascades), where the different pressure and temperature behavior in the reactor were evaluated. With the help of experiments, a detailed numerical 3D-model of the packed bed was created, giving an insight into the heat and mass transfer in the reactor during both adsorption and desorption. As a result, a new heat exchanger design was developed, which has improved the temperature distribution and the heating/cooling power. Additionally, the simulation’s results suggested the separation between the evaporator and the condenser to achieve an enhanced water vapor transfer between the reactor and condenser. On a parallel stage of this investigation, comprehensive heat power analysis during both adsorption and desorption processes was carried out, which has showed that the sensible heat left in the reactor, contributes to ca. 50% of the total stored heat. Consequently, multiple reactor concept was introduced, in order to enable the sensible heat recovery. As a conclusion, process simulation enabled tests with different parameters to be performed within much shorter time than the real experimental time. Thus, it was possible to cover numerous application-scenarios and help improving the system overall efficiency. The experimental results have shown that the developed heat exchanger design has increased the maximum power of the heat exchanger about 74%. Moreover, by improving the fluid dynamics between the reactor and condenser, the efficiency of desorption ηd and overall efficiency ηo were increased by 32% and 9% respectively. Furthermore, about 36% of the sensible heat left in the reactor after desorption was recovered by using multiple reactors with sequential configuration, which has led to a reduction in the total invested heat by ca. 9%. For future work it’s recommended to investigate the possibility of controlling the amount of discharged heat from the system by regulating the water uptake during adsorption. In addition, trying a different approach to the reactor’s design (e.g. moving bed reactor) could bring significant improvements to the system.Item Open Access Selektive Elektrodynamische Fragmentierung : Zerkleinerungsmechanismen und Einsatzmöglichkeiten zur Rückgewinnung von Wertstoffen(2020) Pestalozzi, Samuel Fadri; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Aufschluss und Sortierung sind zentrale Schritte moderner Recyclingtechnologien. Eine treibende Kraft für die Suche nach neuen Aufbereitungsverfahren ist die Zusammensetzung moderner Produkte, welche eine zunehmende Stoffvielfalt aufweisen, was für herkömmliche Recyclingtechnologien eine erhebliche Schwierigkeit darstellt. Parallel dazu steigen auch die Anforderungen an Aufbereitungsverfahren durch steigende Verwertungsquoten. Bei der im Feststoff-Recycling bisher weit verbreiteten mechanischen Zerkleinerung wird zwar die Korngröße des Aufgabegutes verringert, die einzelnen Körner bestehen dann aber teilweise noch immer aus einem Konglomerat verschiedener Stoffe. Als alternatives Verfahren zu mechanischen Zerkleinerungstechnologien wird in dieser Arbeit die Fragmentierung mittels Hochspannungsentladungen (HSE) in Wasser untersucht. Bei der elektrodynamischen Fragmentierung (EDF, SelFrag Lab S2.1) werden mittels hoher Spannungen (90-200 kV) bei kurzer Pulsanstiegszeit (150-200 ns) Feststoffdurchschläge ermöglicht. Im Gegensatz dazu erreichen die Entladungen bei der elektrohydraulischen Fragmentierung (EHF, ImpulsTec EHF-100) geringere Spannungswerte (30-50 kV) bei längerer Pulsanstiegszeit (500-2 000 ns), was zu Durchschlägen im Arbeitsmedium führt. Die thermische Expansion im Entladungskanal (bis 10^4 K) führt in beiden Fällen zu Druckschwankungen (bis 10^10 Pa), welche die erwünschte Fragmentierung verursachen. Bei Feststoffdurchschlägen werden die Druckschwankungen innerhalb des Materials ausgelöst (Zugkräfte). Bei Entladungen im Arbeitsmedium propagieren die Druckschwankungen durch das Medium und treffen von außen auf die Probenoberfläche (Druckkräfte). Elektropulsverfahren werden für die Auftrennung von Mineralien zwar seit Jahren eingesetzt, ihre Anwendung im Recyclingbereich ist jedoch bisher wenig wissenschaftlich untersucht worden. Ein wesentlicher Vorteil beim Einsatz von HSE gegenüber mechanischer Zerkleinerung ist die verbesserte Selektivität beim Feststoff-Aufschluss. Dies birgt somit das Potential, den nachgeschalteten Trennprozess effizienter zu gestalten. Ziel dieser Arbeit ist ein grundlegendes Prozessverständnis der Fragmentierung von Verbundmaterialien mittels HSE. Die Erforschung von Zerkleinerungsmechanismen bildet dabei den ersten Schritt in der Entwicklung eines Verfahrens zur Kreislaufführung von Verbundmaterialien durch HSE. Als Forschungs- und Entwicklungslücke hinsichtlich ausgewählter sekundärer Stoffströme wurde die Anwendung zur Aufbereitung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen identifiziert und durch die vorliegende Arbeit geschlossen. Die Beiträge zum theoretischen Prozessverständnis umfassten Grundlagenuntersuchungen zur Festlegung und Bestimmung von Kennwerten zum Aufbereitungserfolg, systematische Aufbereitungsuntersuchungen sowie Übertragbarkeitsuntersuchungen mit weiteren Werkstoffen. Dabei wurden drei Haupt-Kennwerte verwendet. Der Zerkleinerungsgrad (Z) beschreibt das Verhältnis der medianen Korngröße vor und nach einem Zerkleinerungsvorgang. Der Funkenwirkungsgrad (ηPF) beschreibt das Verhältnis von in der Anlage eingesetzter Pulsenergie zu im Prozessgefäß umgesetzter Funkenenergie. Der Liberationsgrad (L) quantifiziert den Aufbereitungserfolg durch einen Vergleich zwischen der Masse eines freigelegten Zielwerkstoffes und dessen gesamter Masse im Werkstoffverbund. Das Prozessverständnis wurde durch Versuche mit kugelförmigen Modell-Probenkörpern aus der Verfahrenstechnik (Bruchkugeln mit Durchmesser 16 mm) erweitert. Als Modellmaterialien wurden Kalk-Natron-Glas (Glas) und Aluminiumoxid (Keramik) verwendet. Zur Quantifizierung einzelner Zerkleinerungsmechanismen wurden neben Bruchkugeln aus Glas oder Keramik auch bruchfeste Kugeln aus Naturkautschuk verwendet. Auf Basis dieser Versuche wurde die Zerkleinerungswirkung des elektrodynamischen Effektes quantitativ mit einer Überlagerung aus elektrohydraulischem Effekt und autogenem Mahleffekt verglichen. Als Modellparameter wurde hierzu der jeweils erreichte Zerkleinerungsgrad (Z) der massenspezifisch umgesetzten Zerkleinerungsenergie (EZ) gegenübergestellt (dZ/dEZ). Zur getrennten Betrachtung des elektrodynamischen Zerkleinerungsmechanismus einerseits und einer Überlagerung aus Elektrohydraulik und autogener Mahlung andererseits wurde eine Positionierhilfe aus ABS verwendet. Für Versuche mit Glaskugeln stieg der elektrodynamische Anteil am Zerkleinerungserfolg von 53 % mit Positionierhilfe auf 67 % ohne Positionierhilfe an. Bei der Fragmentierung von Keramikkugeln wurde eine rein elektrodynamische Fragmentierung ohne messbaren Beitrag des elektrohydraulischen Effektes und des autogenen Mahleffektes nachgewiesen. Dieses Ergebnis wurde auch durch die Tatsache gestützt, dass nach Entnahme der Positionierhilfe der Wert für dZ/dEZ bei Glas um den Faktor 5,7 anstieg, wohingegen der Anstieg bei Keramik mit einem Faktor von 1,4 deutlich geringer ausfiel. Im Gegensatz zu einer mechanischen Zekleinerung mittels Prallmühlen wurden im Verlauf einer Fragmentierung mittels HSE zunächst sinkende Werte für dEZ/dD50 gemessen. Im weiteren Zerkleinerungsverlauf stiegen die dEZ/dD50-Werte bei HSE dann ähnlich wie bei einer mechanischen Zekleinerung fortlaufend an. Als mögliche Gründe für diesen atypischen Zerkleinerungsverlauf wurden neben der in der Literatur beschriebenen Vorschwächung aufgrund hoher induzierter Dehnraten die bei der EDF wirkenden Zugkräfte identifiziert. Ein Übergang von sinkenden zu steigenden dEZ/dD50-Werten könnte somit ein Hinweis auf eine vermehrte elektrohydraulische Fragmentierung sein, da diese wie bei mechanischer Aufbereitung auf Druckkräften beruht. Eine Hypothese aus der Literatur besagt, dass sich Werkstoffverbunde mit größerer interner Permittivitätsdifferenz mittels EDF besser auftrennen lassen als homogener aufgebaute Verbunde. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden Anwendungsversuche mit Photovoltaik-Modulen (Typ CdTe und CIS), Glasfaserverbundwerkstoffen sowie Proben aus dem Elektrogerätebereich (Steckerverbindungen und Lautsprechermodule) mit unterschiedlicher interner Permittivitätsdifferenz durchgeführt. Die interne Permittivitätsdifferenz wurde über die Grenzflächenpolarisation (dε) nach Debye definiert. Aus der EDF dieser Proben ergab sich für eine Grenzflächenpolarisation über dε=100 ein Prozessfenster, in welchem eine Liberation von L > 80 % erreicht wurde. Dieses Modellvorgehen erlaubt somit die Einteilung noch unerforschter Werkstoffverbunde in zwei Gruppen zur Aufschlusszerkleinerung mittels entweder EDF oder EHF. Bei der Fragmentierung von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen (DPV) vom Typ CIS konnte festgestellt werden, dass die Liberation der enthaltenen Halbleitermetalle nicht vom Spannungsniveau, sondern lediglich von der total umgesetzten Pulsenergie abhängig war. Bei demselben Energieumsatz von 121-125 J/g erreichten sowohl die EHF als auch die EDF vergleichbare Liberationswerte über 80 %. Bei CIS-DPV wurde somit trotz eines hohen Wertes von dε=2900 entgegen der Hypothese aus der Literatur kein verbessertes Trennergebnis der EDF gegenüber der EHF beobachtet. Da für Pulse höherer Spannung ein anlagenspezifisch größerer Aufwand nötig ist, ist somit eine Fragmentierung von CIS-DPV bei tieferen Spannungen und somit die EHF der EDF vorzuziehen. Im Ergebnis zeigte diese Arbeit, dass ein Einsatz von HSE zur erhöhten Selektivität beim Feststoff-Aufschluss unter Berücksichtigung des Entladungstypus (EDF oder EHF) erfolgen muss. Mit Hilfe von Modellsubstanzen konnte der elektrodynamische Anteil einer Zerkleinerung stoffspezifisch auf 100 % (Keramik) resp. 53 bis 67 % (Glas) quantifiziert werden. Dies schließt ungeeignete Werkstoffe ohne elektrohydraulische Zerkleinerungswirkung wie etwa Keramik von einer EHF aus. Im Zusammenhang mit einer Fragmentierung durch HSE wurde in der Literatur nebem der Permittivität auch die akustische Impedanz als wichtige Einflussgröße genannt, welche sich somit als weiterer Modellierungsansatz anbietet. Im Rahmen dieser Promotion wurden neben Grundlagen- und Anwendungsuntersuchungen zusätzlich noch Ansätze zur Erweiterung des Prozessfensters der Fragmentierung mittels HSE aufgezeigt. Zur Spektroskopie während der EDF wurde eine Prozessgefäßmodifikation mit Sichtfenster umgesetzt und die Plasmatemperatur aus den aufgenommenen Emissionsspektren mit 6 800-7 700 K bestimmt. Mittels Kalibration der Spektrogramme durch Fragmentierung bekannter Reinststoffe könnte diese Modifikation in einem möglichen Folgevorhaben zur Elementidentifikation eingesetzt werden. Zur Fragmentierung in alternativen Prozessmedien wurde des Weiteren ein Autoklav entwickelt und ein erster Prototyp gefertigt, dessen Konstruktion derzeit zur Sicherstellung eines erfolgreichen Entladungsverlaufes überarbeitet wird.Item Open Access Ökobilanz für die Bioprozessoptimierung : Herstellung des Biotensids MEL(2024) Bippus, Lars; Briem, Ann-Kathrin; Beck, Alexander; Zibek, Susanne; Albrecht, StefanThis study evaluates the environmental impacts of producing mannosylerythritol lipids (MELs) using life cycle assessment (LCA) and kinetic models. MELs are microbial biosurfactants with various applications produced from biobased sources. The LCA results indicate that substrate provision, bioreactor aeration and solvent use for purification are major environmental impact sources. The findings highlight areas for improving the environmental sustainability of the production processes.