Project

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THRIVE Sub-project 1: Tailored materials for high-performance adsorption heat pumps

English title THRIVE Sub-project 1: Tailored materials for high-performance adsorption heat pumps
Applicant Koebel Matthias
Number 154008
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Abteilung Bautechnologien Departement Bau- und Maschineningenieurwesen EMPA
Institution of higher education Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology - EMPA
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.12.2014 - 31.10.2018
Approved amount 268'173.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Material Sciences

Keywords (8)

Pore structure control; Water sorption capacity; Silica ; Microporous materials; Materials synthesis; Carbon; Heat and mass transport; Adsorption heat pump

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 Forschungsprojekts

Sorptionskältemaschinen (thermisch getriebene Wärmepumpen), können beträchtliche Mengen an Elektrizität einsparen und den CO2 Ausstoss merklich verringern. Heute steckt diese Technologie noch in den Kinderschuhen; Grund dafür ist der unbefriedigende Wirkungsgrad, welcher direkt mit dem aktiven Absorbermaterial verbunden ist. Unsere Ziele in diesem Projekt sind es (i) bestehende Absorbermaterialien unter in thermisch getriebenen Wärmepumpen relevanten Bedingungen zu testen und zu vergleichen und (ii) neue Materialien auf Kohlenstoff- und Silikatbasis zu entwickeln, welche die bisher existierenden bezüglich spezifischer Kälteleistung deutlichübertreffen und dennoch wirtschaftlich herstellbar sind. In einem weiteren Schritt (iii) werden die neu entwickelten Materialien in Kilogrammengen hergestellt und anschliessend (iv) in diversen Anordnungen in Modellwärmetauschersysteme integriert. Diese Technologie bildet die Materialgrundlage für den Einsatz in Wärmepumpenprototypen.

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Unsere Arbeiten bilden die Grundlage für neue, effizientere thermisch angetriebene Wärmepumpensysteme. Die Ergebnisse erlauben es, die enormen Mengen heute grossteils ungenutzter Abwärme weiter zu nutzen und dadurch signifikante Einsparungen an Elektrizität zu bewerkstelligen. Falls grossflächig eingesetzt, hat diese Technologie das Potential, den Atomausstieg deutlich zu vereinfachen.

Direct link to Lay Summary Last update: 20.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Monolithic nitrogen-doped carbon as a water sorbent for high-performance adsorption cooling
Huber Lukas, Ruch Patrick, Hauert Roland, Saucke Gesine, Matam Santhosh Kumar, Michel Bruno, Koebel Matthias M. (2016), Monolithic nitrogen-doped carbon as a water sorbent for high-performance adsorption cooling, in RSC Advances, 6, 25267-25278.

Collaboration

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

Knowledge transfer events



Self-organised

Title Date Place
"Advanced sorption technologies and their applications" 18.05.2015 Dübendorf, Switzerland

Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media Empa press release entitled “Waste not, want not” Empa Press release International 2015

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
170754 High resolution AFM combined with high resolution IR spectroscopy 01.07.2017 R'EQUIP

Abstract

In contrast to conventional heat pumps in which a mechanical compressor drives a heat pump cycle, adsorption heat pumps make use of adsorption/desorption cycles of water in a porous sorbent to provide a temperature lift. Preferred materials have steep, step-like water adsorption isotherms in a particular pressure range relevant for the application (scenarios 1 through 3 defined in umbrella proposal) to maximize the amount of cycled water. While the equilibrium adsorption characteristics are dominated by pore size distribution and hydrophilic character of the adsorbent, the dynamic adsorption characteristics are largely influenced by the rate of heat and mass transport in the adsorbent. Sol-gel synthesis enables the fabrication of materials with a wide spectrum of structural and functional properties. In particular, tuning of pore size distribution and pore volume is achieved by varying the lengths of side-chains of precursor molecules or using liquid crystal templating. The affinity toward water can be varied by modifying the precursor chemistry or the post-synthetic treatments such as annealing and activation. Finally, the thermal transport properties of adsorbents with favorable adsorption isotherms can be enhanced by the formulation of composite materials combining the adsorbent with thermal conductivity enhancers such as metallic nanowires, carbon nanotubes/-fibers or metallic foams. Engineering both the sorption and transport properties is expected to provide fundamental insight into sorption mechanisms and may show the path toward future high-performance adsorption heat pump systems.
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