by Uwe Franzke
Ab 2021 stellt die Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH den ILK-Podcast "Wissenschaft praktisch erklärt" bereit. Im Rahmen dieser Veranstaltungsreihe werden neueste Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschungsprojekten des ILK Dresden vorgestellt.
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🇩🇪
Publishing Since
5/4/2021
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November 23, 2022
<div>Thermisch angetriebene Absorptionskälteanlagen sind ein wichtiger Baustein für die kältetechnische als auch für die wärmetechnische Versorgung, wenn man diese Systeme intelligent koppelt. Sie bieten beispielsweise die Chance, die bisher ungenutzte Abwärme sinnvoll zu nutzen.<br><br></div><div>In diesem Podcast erläutert Dr. Mathias Safarik, Hauptbereichsleiter der Angewandten Energietechnik am ILK Dresden, welchen Beitrag die thermische Kälteerzeugung in der Energiewende leisten kann, wo noch Handlungsbedarf besteht und welche wissenschaftlichen Herausforderungen er sieht.: Zum Beispiel wie diese Systeme an die erneuerbaren Energien angepasst werden müssen und ab welcher Kälteleistung überhaupt eine Absorptionskälteanlage interessant ist?<br><a href="https://www.ilkdresden.de/leistungen/forschung-und-entwicklung/projekt/thermische-kaelteerzeugung-absorptionskaeltetechnik">https://www.ilkdresden.de/leistungen/forschung-und-entwicklung/projekt/thermische-kaelteerzeugung-absorptionskaeltetechnik<br></a><br></div><div><a href="https://www.ilkdresden.de/leistungen/forschung-und-entwicklung/projekt/seethermie-studie-jetzt-frei-verfuegbar">https://www.ilkdresden.de/leistungen/forschung-und-entwicklung/projekt/seethermie-studie-jetzt-frei-verfuegbar<br></a><br></div><div><a href="https://www.ilkdresden.de/leistungen/produkte-und-prototypenbau/projekt/vakuum-fluessigeis-technologie">https://www.ilkdresden.de/leistungen/produkte-und-prototypenbau/projekt/vakuum-fluessigeis-technologie<br></a><br></div><div><br><br></div>
July 1, 2022
<div><strong>Herzlich Willkommen zur vierten Folge „Wissenschaft praktisch erklärt“<br></strong><br></div><div>Im Rahmen dieser Veranstaltungsreihe möchten wir neueste Erkenntnisse und Erfahrungen aus Forschungsprojekten des ILK Dresden vorstellen. <br><br></div><div>Heute sprechen wir über Wärmepumpen, Sektorenkopplung und Energiewende. <br><br></div><div>Die Energiewende ist seit vielen Jahren in aller Munde. Die Sektorenkopplung bezeichnet die umfassende Vernetzung aller Sektoren der Energiewirtschaft und Industrie. Also den Austausch von Energie, um wirklich alle fossilen Brennstoffe wie Gas, Kohle und Benzin zu ersetzen. Den Wärmepumpen kommt dabei mit der strombasierten Wärmeerzeugung eine ganz besondere Bedeutung bei.<br><br></div><div>Das ILK Dresden arbeitet seit Jahrzehnten an der Verbesserung der Wärmepumpen und deren Integration in Anwendungen. <br><br></div><div>Mein Name ist Uwe Franzke. Ich bin der Geschäftsführer des ILK Dresden. <br><br></div><div>Ich begrüße unseren heutigen Gast ganz herzlich – Herrn Markus Müller.<br><br></div><div>Er arbeitet im Bereich Kälte- und Wärmepumpentechnik des ILK seit über 20 Jahren<br><br></div><div>Seine Themengebiete im ILK u.a.:</div><ul><li>Wärmepumpen</li><li>Kälteanlagen/Prüfstände</li><li>Wärmeübertragung</li></ul><div>Herzlich willkommen!<br><br></div><div> </div><div>Herr Müller, wir werden heute über die Forschungsarbeiten zu den Wärmepumpen sprechen und wollen den Podcast unter die Überschrift stellen:<br><br></div><div><strong>„Beiträge der Wärmepumpen zur Sektorenkopplung“ <br></strong><br></div><div><strong>Was genau sind Wärmepumpen?<br></strong><br></div><div>Obwohl der Begriff in aller Munde ist, stelle ich immer wieder fest, dass viele Leute nicht genau wissen, was eine Wärmepumpe ist, wie sie funktioniert und was die wichtigsten Randbedingungen sind. Wir Ingenieure verwenden sehr gern Analogien, wenn wir etwas erklären wollen. So will ich die Wärmepumpe mal mit einer Wasserpumpe vergleichen, die Wasser aus einem Brunnen an die Oberfläche befördert, um z.B. den Garten zu bewässern. Dazu kurz der eigentlich triviale Hinweis, dass im Brunnen auch Wasser da sein muss, dass ich hochpumpen kann. <br><br></div><div>Da es den sogenannten Energieerhaltungssatz gibt – d.h. Energie kann nicht erzeugt werden oder verschwinden, sondern nur umgewandelt werden, betrachten wird die Wärme als Energieform, die von einem niedrigen Temperaturniveau, also z.B. kalte Außenluft oder Erdwärme, auf ein hohes Temperaturniveau gepumpt wird. Hierzu wird elektrische Energie benötigt. Die technische Einrichtung dafür ist eine Kältemaschine bzw. Wärmepumpe, die aus einem oder mehreren Verdichtern und Wärmeübertragern besteht, in denen ein sogenanntes Kältemittel zirkuliert. Je nach der Temperaturdifferenz zwischen dem kalten und warmen Temperaturniveau ist die elektrische Antriebsenergie nur ein Bruchteil der gepumpten Wärme, hängt aber wie bei der Wasserpumpe auch immer von der Höhe, also dem Temperaturhub, ab.<br><br></div><div>Mit einer kWh Strom kann ich also mehrere kWh Wärme für die Beheizung oder Erzeugung von warmem Wasser bereitstellen. Wichtig dabei ist zu beachten, dass ich die Wärmemenge auf dem niedrigen Niveau auch zur Verfügung habe – wie in meinem Beispiel vorhin, das Wasser. Und da kommt dann schon die Sektorkopplung ins Spiel.<br><br></div><div><strong>Wie genau geschieht die Integration der Wärmepumpen in die Sektorenkopplung?<br></strong><br></div><div>Der Begriff Sektorenkopplung meint heute meistens die Verknüpfung der Bereiche Elektroenergie, Wärme, Kälte, ggf. noch Verkehr – und dies aus Angebots- und Nachfragesicht, was also auch die Speicherung mit einbezieht. Insbesondere im Hinblick auf erneuerbare Energien, die bekanntermaßen sehr ungleichmäßig zur Verfügung stehen, ist es notwendig, intelligente Strategien zu entwickeln. Die Wärmepumpe als Schnittstelle zwischen Elektroenergie und Wärme kann hier einen großen Beitrag leisten. Zum Beispiel kann Wärme erzeugt und gespeichert werden, wenn ausreichend Strom zur Verfügung steht und dann genutzt werden, wenn gerade Flaute ist. So könnte nach und nach das Verbrennen von Öl und Gas durch erneuerbaren Strom ersetzt werden.<br><br></div><div><strong>Was war Ihre Motivation, sich mit diesem Thema zu beschäftigen?<br></strong><br></div><div>Ich bin in der klassischen Kältetechnik gestartet. Kältemaschinen und Wärmepumpen sind eigentlich die gleichen Maschinen – nur das ich bei der Kältemaschine die kalte Seite nutze, z.B. entziehe ich im Kühlschrank dem Innenraum Wärme, und bei der Wärmepumpe die warme Seite, also da, wo die Maschine Wärme abgibt. Ich sehe die Wärmepumpe als Schlüsseltechnologie, um eine „fossilfreie“ Wärmebereitstellung zu ermöglichen. <br><br></div><div><strong>Welche gesamtgesellschaftlichen Möglichkeiten bietet die Berücksichtigung der Wärmepumpe bei der Energiewende?<br></strong><br></div><div>Abgesehen von der Verbrennung von nachwachsenden Rohstoffen wie Biogas oder Holz ist die Wärmepumpe eine elegante und sehr effiziente Einrichtung zur Bereitstellung von Wärme. Dies betrifft den großen Sektor der Gebäudebeheizung, aber auch in der Industrie wird viel Wärme benötigt, die irgendwann komplett aus erneuerbaren Energien kommen muss. Sogenannter grüner Wasserstoff aus erneuerbarem Strom kann meiner Meinung nach nur einen kleinen Teil dieser Anwendungen versorgen.<br><br></div><div>Wichtig dabei ist, dass der Strom zum Antrieb der Wärmepumpen natürlich aus regenerativen Quellen stammen muss. Und hier liegen die größten Herausforderungen, denn wenn auch noch der Verkehr elektrifiziert werden soll, dann benötigen wir ein Vielfaches des bisher erzeugten regenerativen Stroms. Je effizienter die Wärmepumpe, umso weniger Strom benötige ich aber.<br><br></div><div><strong>Sie untersuchen seit vielen Jahren die Leistungsparameter von Wärmepumpen. Gibt es da deutliche Verbesserungen?<br></strong><br></div><div>Es ist immer wieder erstaunlich, welche Verbesserungen über die letzten Jahre bei der Effizienz von Wärmepumpen erreicht wurden. Momentan erreichen sehr gute Wärmepumpen etwas über 50% des theoretisch überhaupt nur erreichbaren Effizienzwertes, des sogenannten Carnot-Gütegrades. Die größten Verluste entstehen dabei im Verdichter und in den Wärmeübertragern, welche die wichtigsten Bauteile einer Wärmepumpe darstellen. Sich immer weiter dieser theoretischen Grenze anzunähern, ist unsere Aufgabe. Aber auch die Verbesserung der Randbedingungen – also möglichst warme Wärmequellen zu nutzen und im Gegenzug die Nutztemperaturen soweit es geht zu drücken (Stichwort Fußbodenheizung als Niedertemperatursystem) ist eine Aufgabe zur Effizienzsteigerung von Wärmepumpenanlagen.<br><br></div><div><strong>Welche Probleme sehen Sie bei der Anwendung im System?<br></strong><br></div><div>Die Ausbauziele der Bundesregierung sehen in den nächsten Jahren die Installation von 6 Millionen Wärmepumpen vor. Neben der Herstellung muss das auch für die Installation gut organisiert sein. Wichtig ist, dass die Installateure möglichst gut für die Einbindung in das Wärmequellen und –senkensystem geschult sind. Prinzipiell ist eine Wärmepumpe wie eine normale Heizung, aber es gibt aus meiner Sicht mehr Dinge, die ich bei der Installation falsch machen kann.<br><br></div><div>Groß- bzw. Industriewärmepumpen können in dieser Hinsicht anders betrachtet werden. Da diese Projekte von speziellen Anlagenbauern errichtet werden, kommt hier dem Konzept und der Planung eine besondere Rolle zu. Hier haben wir im ILK eine besondere Kompetenz entwickelt.<br><br></div><div><strong>Bis zu welcher Leistungsgröße sind Wärmepumpen interessant?<br></strong><br></div><div>Die kleinsten Wärmepumpen sehe ich im Bereich von ca. 1 kW Leistung, etwa vergleichbar mit Klimageräten für einen Einzelraum. Großwärmepumpen etwa für die Versorgung von Fernwärmenetzen haben Leistungen von mehrere Megawatt. Es gibt also praktisch keine technische Grenze. Man muss aber immer die speziellen Randbedingungen beachten – insbesondere, ob sinnvolle Wärmequellen zur Verfügung stehen.<br><br></div><div><strong>Gibt es besondere wissenschaftliche Herausforderungen?<br></strong><br></div><div>Neben der Weiterentwicklung der einzelnen Komponenten der Wärmepumpe, wie Verdichter, Wärmeübertrager oder Expansionsorgan, sehe ich vor allem die Herausforderung, für den großen Bereich der Wärmebereitstellung in der Industrie, insbesondere im höheren Temperaturbereich, z.B. bei der Dampferzeugung, effiziente und zuverlässige Wärmepumpen zur Verfügung zu stellen. <br><br></div><div>Wenn die letzten Effizienz-Prozente herausgeholt werden sollen, kommen Details eine hohe Bedeutung zu. Beispielhaft seien hier die Auswahl des Kältemittels oder die spezielle Anpassung der Maschine an die Quellen- und Senkentemperaturen genannt. Die Nutzung von vielfach vorhandenen Abwärmequellen ist wichtig, aber nicht immer ganz leicht. Auch die Sicherheitsproblematik, insbesondere bei den umweltfreundlichen Kältemitteln, ist immer wieder ein Thema.<br><br></div><div><strong>Wo sehen Sie die Wärmepumpen in 20 Jahren?</strong><br> Ich denke, in 20 Jahren wird die Wärmepumpe die Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Wärmebereitstellung weitgehend verdrängt haben. Die aktuellen globalen Entwicklungen zeigen ja gerade recht deutlich, dass es höchste Zeit wird, hier signifikant voran zu kommen.<br><br></div><div> <br><br></div><div>Zusammenfassung<br><br></div><div>Wärmepumpen sind ein wichtiger Baustein für die heizungstechnische Versorgung von Gebäuden und technologischen Prozessen. Die Verbindung von natürlichen Kältemitteln und Strom aus erneuerbaren Energien schafft ein Heizungssystem mit der geringsten ökologischen Belastung. Wertvolle Energieträger, wie z.B. Wasserstoff, können dadurch für andere Anwendungen im Bereich der Schwerindustrie bereitgehalten werden. Gesamtgesellschaftlich eine Win-Win-Situation!<br><br></div><div> <br><br></div><div>Herzlichen Dank für die Vorstellung Ihrer Forschungsarbeiten und weiterhin viel Erfolg!<br><br></div>
January 11, 2022
<div>Im Gespräch: Prof. Uwe Franzke | Dr.-Ing. habil. Matthias H. Buschmann<br><br><strong>Nanopartikel – Chance oder Gefahr?</strong><br><br>Nanopartikel spalten die Gesellschaft. Auf der einen Seite gibt es unzureichend erforschte gesundheitliche Risiken. Auf der anderen Seite bieten sie scheinbar ungeahnte Möglichkeiten durch die deutlich anderen physikalischen Eigenschaften.<br><br>Das ILK Dresden hat an verschiedenen Themen geforscht, um sowohl das Verhalten von Nanopartikeln besser zu verstehen als auch die Möglichkeiten der Anwendung zur Effizienzsteigerung bei der Wärmeübertragung kennenzulernen.<br><br>Heutiger Gast ist Herr Dr.-Ing. habil. Matthias H. Buschmann. Er hat an der TU Dresden Strömungsmechanik / Thermodynamik studiert und anschließend promoviert. Gegenstand seiner Promotion waren „turbulente Wandgrenzschichten“. Heute beschäftigt er sich am ILK Dresden mit Strömungsmechanik, Wärme- und Stoffübertragung und mit Nanofluiden.<br><br><strong>Was genau sind Nanopartikel?</strong><strong><br></strong><br>„Nanopartikel sind, wie ihr Name schon sagt, sehr, sehr klein. Wir bewegen uns in der Größenordnung von 1 Millionstel eines Millimeters. Das klingt erstmal sehr klein, wenn wir jedoch uns Wassermoleküle anschauen, die circa 0,3 Nanometer im Durchmesser groß sind, sind die Partikel, die wir am ILK Dresden betrachten, schon wieder relativ groß, denn sie haben 100 Nanometer. Diese Partikel können auf unterschiedlichen Wegen hergestellt werden. Vorrangig sind es Metalle oder Oxide, wie zum Beispiel Siliziumoxid oder Metalle, wie sie uns im Alltag begegnen, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium oder Gold.“<br><br><strong>Was war Ihre Motivation, sich mit diesem Thema zu beschäftigen?</strong><br><br>„Wir beschäftigen uns nicht mit der Herstellung der Partikel. Wir kaufen die Nanopartikel ein. Für uns sind in erster Linie die Suspensionen bedeutsam, wo man die Nanopartikel in Wasser, Kältemittel, Wärmeübertrageröl oder anderen Trägerfluiden dispergiert. Damit prüfen wir, ob wir in ganz normalen konventionellen Wärmeübertragungssystemen den Wärmeübertrager, vorrangig ist das ja Wasser, durch solche Nanofluide - die bessere thermodynamische, thermophysikalische Stoffeigenschaften haben - ersetzen kann. Unser Ziel ist es also, die Wärmeübertragung zu verbessern, indem wir durch die Zufügung von diesen Partikeln zu dem ursprünglichen Wärmeträger dessen Eigenschaften verbessern und somit die Wärmeübertragung verbessern können.“<br><br><strong>Welche wissenschaftlichen Herausforderungen gibt es? </strong><br><br>„Eine Herausforderung ist, die Prozesse laufen auf Skalen - Zeit und Länge – ab, die wir experimentell nicht auflösen können. Wir können nicht im Nano- oder Mikrometerbereich Wärmeübertragerprozesse experimentell auflösen. Wir müssen immer in den maschinenbaulich relevanten Zeitskalen und Abmessungen denken und dann sehen ob die Effekte, die in viel kleineren Skalen ablaufen, auch wieder in unseren Experimenten sichtbar werden.“<br><br><strong>Welche Gefahr geht für den Mensch oder die Umwelt aus? </strong><br><br>„Ich möchte vorab sagen, dass sich unsere Nanopartikel immer in Suspensionen befinden. Das ist ein bisschen anders, als wenn sich Nanopartikel in Form von Stäuben in der Luft befinden. Da sind sie viel weniger zu kontrollieren als bei uns. Am ILK Dresden sind Nanopartikel immer in Suspensionen gebunden. Aber Sie haben Recht, natürlich bestehen diese Herausforderungen. Die Nanopartikel sind so klein, dass sie jede Barriere im menschlichen Körper überwinden können. Sie können die Blut-Hirn-Schranken überwinden und sie können quasi überall Schaden anrichten, wenn sie in den Körper gelangen. Wir haben aber, und da spreche ich wieder unsere chemischen Labore an, Technologien entwickelt, wie man technisch korrekt und sorgfältig mit den Nanofluiden umgeht, um solche Probleme zu vermeiden. Mehr noch, wir haben ein Europäisches Netzwerk (gefördert durch COST), mit welchem wir einen Businessplan für die Anwendung von Nanofluiden in den europäischen Industrien entwickeln. Hier gehört als Komponente dazu: „Wie gehe ich sicherheitstechnisch korrekt mit diesen Nanofluiden um?“ bis „Wie entsorge ich sie korrekt?“. Unter anderem gibt es Studien, dieses Jahr zum Beispiel publiziert von einer unserer portugiesischen Gruppen, die sehr genau auflisten, wo noch Regulierungsbedarfe in der EU formuliert werden müssen und was dort der Gesetzgeber noch leisten muss.“<br><br><strong>Wo sehen Sie die Nanopartikel in 5 bis 10 Jahren?</strong><br><br>„Mit dem Businessplan, den wir in einem europäischen Projekt entwickeln, sind zwei Geschäftsfelder näher beschrieben worden. Das erste ist die ERZEUGUNG von Nanofluiden mit thermodynamischen Eigenschaften und das zweite ist ANWENDUNG und Nutzung in Unternehmen, die Wärmeübertragungssysteme entwickeln, verkaufen und warten. Ich denke, dass diese beiden Bereiche essentiell sind und dass sich in den nächsten fünf Jahren entscheiden wird, ob Unternehmen, wie zum Beispiel Start up‘s, auf diesen Zug aufspringen und kostengünstig thermodynamische Nanofluide herstellen können und damit dann auch große Anwendungen möglich werden.“<br><br>Herr Dr.-Ing. habil. Matthias H. Buschmann erreichen Sie telefonisch unter +49 (0)351- 4081 5311 oder per Email: matthias.buschmann@ilkdresden.de<br> </div>
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