THEAsmart II - Neue Effizienz gemeinnützige GmbH

THEAsmart II

Thermische Energiewandlung mittels Formgedächtnismaterialien zur Nutzung von Abwärmepotenzialen

Abwärme aus Industrie, Gewerbe, Haushalten sowie die solare Energieerzeugung stellen ein großes Energiepotenzial in Deutschland und weltweit dar. Große Mengen fossiler Energieträger könnten eingespart werden, wenn diese effizienter genutzt werden könnte. Bei Ausnutzung des technisch verfügbaren Abwärmepotenzials könnten, je nach Technologie, jährlich 7 bis 13 Millionen Tonnen CO2 vermieden werden. Abwärme in niedrigen Temperaturbereichen zwischen 20-100°C stellt dabei eine besondere Herausforderung dar. Dieser Temperaturbereich kann aber mit Formgedächtnislegierungen (FGL) nutzbar gemacht werden.

gefördert durch progres.nrw

Abwärmenutzung

Smart Materials zur Energiewandlung

Vor diesem Hintergrund wurden bereits im Forschungsprojekt THEAsmart grundlegende Rahmenbedingungen und Wirkungszusammenhänge der technischen Nutzbarkeit aufgezeigt. Es wurden Potenziale identifiziert, die eine Nutzung von Wärmequellen mit Hilfe von FGL-Systemen in verschiedenen Anwendungen technisch möglich, wirtschaftlich tragfähig und ökologisch sinnvoll erscheinen lassen.

Zwei Kernansätze sollen daher im Folgeprojekt THEAsmart II weiter erforscht und in Demonstrationsvorhaben prototypisch vorgestellt werden. Die Entwicklungen sollen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen und Einsatzfeldern Wärmequellen abgreifen und thermische in kinetische (FGL Fluid-Pumpe) bzw. elektrische Energie (Energy Harvester) wandeln können. Dabei werden sogenannte Nassaktoren, FGL-Aktoren die Mittels Fluiden aktiviert werden, weiter für die Energiewandlung in den bereits patentierten Anwendungen aus dem Projekt THEAsmart optimiert.

Neben der Weiterentwicklung der Aktoren soll ein umfangreicher Innovationsprozess bei der Entwicklung als Leitfaden dienen, in dem nicht nur die technischen Anforderungen sondern auch marktseitige Anforderungen sowie Ressourcen- und Energiebilanz im Entwicklungsprozess mitgedacht werden. Anwendungsfälle für die Entwicklungen werden systematisch auf ökologische und ökonomische Faktoren hin geprüft. Die Energieautarkie in dezentralen Systemen durch Kombinatorische Anwendungen mit FGL Systemen zu erhöhen ist ein Fokus, neben der Anwendung in industriellen Kontexten.

Das Projekt wird im Programm für rationelle Energieverwendung, regenerative Energien und Energiesparen — progres.nrw – Programmbereich Innovation (progres.nrw — Innovation) des Landesministeriums NRW gefördert. Die Projektlauftzeit beträgt drei Jahre (09/2021 – 08/2024).

Interdisziplinäres Team

Die Forschungspartner

Das Forschungskonsortium wird weiter durch die Neue Effizienz geleitet, sie koordiniert das Projekt, übernimmt die Ansprache und Integration von externen Unternehmen in das Gesamtprojekt, sowie die Erforschung der marktseitigen Anforderungen und die Lifecycle Betrachtung der FGL Entwicklungen.

Neben der Forschungsarbeit an FGL Aktoren durch die FGW in Remscheid, wird an der Hochschule Bochum ebenfalls Forschungsarbeit zur Technik der Energiewandlungssysteme durchgeführt. Hier wird grundlegend an Energiewandlungsverfahren geforscht um Energie effizienter nutzbar zu machen. Die Weiterentwicklung der FGL Pumpe in Kooperation mit dem assoziierten Industriepartner Dörschler, findet ebenfalls maßgeblich in Remscheid und Bochum statt.

Die FH Münster erweitert das Konsortium mit gleich zwei Lehrstühlen, einerseits mit dem Institut für Energie und Prozesstechnik, andererseits mit dem Fachbereich Maschinenbau und seinem Labor für Antriebstechnik, Hydraulik, Regelungstechnik& Steuerungstechnik. Mit Sitz in Steinfurt sind beide Lehrstühle eng mit dem Industriepartner Bleco vernetzt, gemeinsam wird hier die Weiterentwicklung des FGL Energy Harvesters vorangetrieben.

Die Firma Bleco aus Greven, als Industriepartner im Projekt, hält die Patente für den Energy Harvester und unterstützt bei der Entwicklung, sowie bei der Identifikation von Einsatzgebieten und Business Szenarios. Die Umsetzung von Feldtests wird auch von der Firma Bleco begleitet und durchgeführt.

Die Firma Dörschler GmbH mit Sitz in Remscheid als Experte für Haustechnik, begleitet das Projekt als assoziierter Partner. Das Patent der FGL Pumpe wird in Kooperation mit Lars Dörschler weiterentwickelt und in die Anwendung gebracht.

Zwischenstand

Forschung THEAsmart2

Foto: FH Münster/Jana Bade

Energy Harvester

Entwicklung einer Wärmekraftmaschiene

Einen Ansatz zur Gewinnung von Strom verfolgt die Forschungsgruppe mit Beteiligung von Prof. Dr. Tilman Sanders vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik und Prof. Dr. Dieter Scholz vom Fachbereich Maschinenbau. In ihrem Teilvorhaben entwickeln die FH-Forscher*innen einen Energy Harvester, also ein „Energie-Erntegerät“. Die Idee der Konstruktion ist, 45 ringförmig angeordnete FGL-Federn längs zwischen zwei Metallscheiben einzuspannen. Aus Düsen im oberen Bereich wird kaltes Wasser auf die Federn gesprüht.

Foto: FH Münster/Jana Bade

Die Federn erkalten und lassen sich mit geringer Kraft dehnen. In ein Becken im unteren Teil der Konstruktion wird warmes Wasser eingelassen – hier kommt die industrielle Abwärme ins Spiel. Die hohe Temperatur sorgt dafür, dass sich die Federn mit hoher Kraft wieder auf ihre ursprüngliche Länge zusammenziehen. Da die zweite Scheibe nicht parallel, sondern schräg zur ersten Scheibe steht, verrichten die Federn bei ihrer Formänderung mechanische Arbeit – die Scheibe dreht sich. Durch diese Bewegung wird ein nachgeschalteter Generator angetrieben, der Strom erzeugt. Nun gilt es herauszufinden, mit welchem Wirkungsgrad und bei welcher Lebensdauer die FGL Maschiene ihre Arbeit verrichten kann.

FGL Pumpe

Demonstratorentwicklung

In diesem Teilprojekt wird unter Leitung der FGW e.V. in Zusammenarbeit mit der FH Bochum der Demonstrationsprototyp einer Fluidpumpe auf Basis von FGL-Zugfedern aufgebaut. Dabei soll die thermische Energie des zu pumpenden Fluides genutzt werden, um die FGL-Zugfeder in einer „Warm-Phase“ zu aktivieren. Weiterhin wird die Feder mit kälterem Fluid in einer „Kalt-Phase“ wieder auf die Umwandlungstemperatur abgekühlt. Die über die FGL-Zugfedern erzeugte Kraft wird über eine Kurbelwelle in eine Drehbewegung umgewandelt, an die eine herkömmliche Fluidpumpe angeschlossen werden kann.

Der direkte Kontakt von Flüssigkeit und FGL-Material erlaubt einen schnellen Wärmeübergang und somit eine schnelle Aktivierung, bzw. Deaktivierung der FGL-Federn. Durch die hohen Geschwindigkeiten, verglichen mit der Aktivierung in Gas, sind viele Zyklen in kurzer Zeit möglich, um Verschleißtests am FGL Material durchzuführen. Eine FGL-Zugfeder wird dazu in einen Zylinder mit Sichtfenster eingebaut, in dem sie wechselweise mit warmen und kalten Wasser bespritzt werden kann, im Versuchsaufbau sind fünf Zylinder sternförmig um die Kurbelwelle angeordnet. Die gegenüberliegenden Federn werden wechselweise aktiviert und gekühlt, sodass eine Drehbewegung entsteht.

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THEAsmart2 auf der Hannovermesse 2024

Im letzten Projektjahr möchten wir erneut als Teil des Landesgemeinschaftsstandes des Landes NRW vom 22.-26.April auf der Hannovermesse unsere Prototypenentwicklung ausstellen. Wir halten Sie über die Ausstellung auf dem Laufenden und melden uns hier bald mit weiteren Details. Wenn Sie Interesse am Projekt haben, freuen wir uns sehr, Sie auf der Messe zu begrüßen.

Sollten Sie Fragen zum Projket haben, melden Sie sich gerne bei Nina Spanke.