Project

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THRIVE Sub-Project 2: Materials assembly for high transport rates in adsorber heat exchangers

English title THRIVE Sub-Project 2: Materials assembly for high transport rates in adsorber heat exchangers
Applicant Studart André R.
Number 153940
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.11.2014 - 30.06.2018
Approved amount 470'744.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Mechanical Engineering

Keywords (5)

Porosity; Self assembly; Heat exchanger; Adsorption; Templating

Lay Summary (German)

Lead
Das Heizen und Kühlen von Gebäuden verursacht einen beträchtlichen Stromverbrauch und grosse CO2-Emissionen. Im Rahmen der „Energiestrategie 2050“ sollen sowohl CO2-Emissionen reduziert sowie ein Ausstieg aus der Kernkraft ermöglicht werden. Im interdisziplinären Verbundprojekt „THRIVE“ (Projekt-Nr. 407040_153989) werden innovative thermisch getriebene Wärmepumpen entwickelt, deren Ziel die Nutzung von Abwärme und erneuerbaren Energien zum Heizen und Kühlen von Gebäuden mit minimalem Stromverbrauch sowie verminderten CO2-Emissionen ist. Die technische Realisierung des Projekts wird durch Industriepartner gestärkt und mit fünf Teilprojekten abgedeckt: (1) Massgeschneiderte poröse Materialien (Nr. 407040_154008), (2) Optimierte Adsorptionswärmetauscher (Nr. 407040_153940), (3) Kompakte Adsorptionswärmepumpe (Nr. 407040_153975), (4) Anwendungen und Technologiebewertung (Nr. 407040_153949), (5) Ökobilanz und Nachhaltigkeitsbewertung (Nr. 407040_1153937).
Lay summary

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.

Direct link to Lay Summary Last update: 20.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Quantification of heat and mass transport limitations in adsorption heat exchangers: Application to the silica gel/water working pair
Ammann Jens, Ruch Patrick, Michel Bruno, Studart André R. (2018), Quantification of heat and mass transport limitations in adsorption heat exchangers: Application to the silica gel/water working pair, in International Journal of Heat and Mass Transfer, 123, 331-341.
3D-printed SAPO-34 monoliths for gas separation
Couck Sarah, Cousin-Saint-Remi Julien, Van der Perre Stijn, Baron Gino V., Minas Clara, Ruch Patrick, Denayer Joeri F.M. (2018), 3D-printed SAPO-34 monoliths for gas separation, in Microporous and Mesoporous Materials, 255, 185-191.
Insights from modeling dynamics of water sorption in spherical particles for adsorption heat pumps
Radu A.I., Defraeye T., Ruch P., Carmeliet J., Derome D. (2017), Insights from modeling dynamics of water sorption in spherical particles for adsorption heat pumps, in International Journal of Heat and Mass Transfer, 105, 326-337.
3D Printing of Emulsions and Foams into Hierarchical Porous Ceramics
Minas Clara, Carnelli Davide, Tervoort Elena, Studart André R. (2016), 3D Printing of Emulsions and Foams into Hierarchical Porous Ceramics, in Advanced Materials, 28(45), 9993-9999.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
IBM Research, Dr. Bruno Michel Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
MOF Technologies Great Britain and Northern Ireland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Empa, Dr. Matthias Koebel and Dr. Dominique Derome Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
HEIG-VD, Prof. Stéphane Citherlet Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Zeochem AG Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Industry/business/other use-inspired collaboration
Paul Scherrer Institut, Dr. Peter Burgherr Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
Hochschule für Technik Rapperswil, Dr. Elimar Frank Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Sorption Friends Talk given at a conference Adsorption cooling in high-density datacenters: Emerging application 16.07.2018 Pisa, Italy Ammann Jens;
Advanced Sorption Materials - Applications, Optimization, Characterization Poster Co-enhancement of heat and mass transfer in adsorbent coatings 08.05.2018 Dübendorf, Switzerland Studart André R.; Michel Bruno; Ammann Jens;
International Sorption Heat Pump Conference Talk given at a conference Analysis of heat and mass transport limitation in a packed silica bed and SAPO-34 coatings 09.08.2017 Tokyo, Japan Ammann Jens; Michel Bruno; Studart André R.;
Sorption Friends Poster Gas transport measurements in porous monolithic adsorbents 13.09.2015 Milazzo, Italy Michel Bruno; Studart André R.; Ammann Jens;
Advanced sorption technologies and their applications Poster Hierarchically porous adsorbents for adsorption heat exchangers 18.05.2015 Dübendorf, Switzerland Studart André R.; Michel Bruno; Minas Clara Margarethe; Ammann Jens;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media Aus Schaum gedruckte Keramik German-speaking Switzerland International 2016
Media relations: print media, online media Ceramics 3D printed from foams German-speaking Switzerland International 2016
Media relations: print media, online media Keramikschaum zum Wärmen und Kühlen German-speaking Switzerland International 2016

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
157696 3D Printing of Heterogeneous Bioinspired Composites 01.02.2016 Temporary Backup Schemes
170754 High resolution AFM combined with high resolution IR spectroscopy 01.07.2017 R'EQUIP

Abstract

High rates of adsorption and desorption are desirable to deliver large cooling or heating power per unit mass of sorbent in thermally driven heat pumps. However, the sorption speed is limited by the rate of heat and mass transport within the porous material. The simultaneous optimization of both of these parameters is a complex materials challenge. Dense materials tend to exhibit high thermal conductivities but low effective diffusion coefficients of the sorbate. Macroporous materials with pore sizes typically >1 µm feature facile vapor transport and high diffusion coefficients, but have a low sorbate capacity due to low surface area. Micro- and mesoporous sorbents with pore sizes typically <10 nm have larger surface areas, but the sorbate diffusion to this inner surface is slow. Therefore, hierarchical porous materials with tailored porosity at different length scales combine fast transport of vapor with high adsorption capacity.The goal of this sub-project is to design and fabricate hierarchical porous materials that could fulfill the combined fast mass transport and high surface areas required for adsorption heat pump applications.
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