Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Energieeffiziente Luftentfeuchtung auf Basis lichtsensitiver Hydrogele

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Synthese lichtsensitiver Hydrogele sowie die Entwicklung eines energieeffizienten Luftentfeuchtungsverfahrens auf Basis der Gele.

Die Hydrogele ändern ihre Hydrophilie und somit ihre Wasseraufnahmekapazität bei Bestrahlung mit sichtbarem oder ultraviolettem Licht. Werden sie mit feuchter Luft überströmt, können sie ein Vielfaches ihres Eigengewichts an Feuchtigkeit absorbieren. Durch Bestrahlung mit VIS- oder UV-Licht erfolgt eine Entquellung unter Abgabe des vorher aus der Luft aufgenommenen Wassers. Neben der Entwicklung und Synthese der Hydrogele wird eine Charakterisierung des hygienischen Zustands der Systeme anhand einer Auswahl von für RLT-Anlagen repräsentativen Mikroorganismenarten vorgenommen.

Die Herausforderungen bei der Überführung der Gelsysteme in eine verfahrenstechnische Anwendung liegen vor allem in der Effizienz der Lichteinkopplung, dem Druckverlust des Entfeuchtungssystems sowie in der Wassersorptionskinetik unter praxisrelevanten Randbedingungen. Diese Parameter definieren maßgeblich die energetische Effizienz des Verfahrens und damit auch dessen Marktpotenzial, insbesondere relevant für KMU als typische Technologie- und Marktpioniere.

Daher werden in enger Zusammenarbeit der Forschungsstellen Verfahrenskonzepte erarbeitet und einer Vorauswahl unterzogen. Auf Basis der als vielversprechend eingestuften Konzepte werden Laboranlagen realisiert, die eingehend untersucht und charakterisiert werden. Im Anschluss wird durch beide Projektpartner an einer weiteren Optimierung der Verfahren gearbeitet und ein Scale-Up auf einen Technikumsmaßstab durchgeführt, der es erlaubt, die Konzepte unter praxisnahen Bedingungen zu testen. Die Identifizierung noch vorhandener Energieeinsparpotentiale sowie die Erarbeitung von Konzepten zur Überführung der Verfahren in die großtechnische Anwendung bilden den Abschluss des Vorhabens.

Die neue Technologie leistet einen signifikanten Beitrag zur Energiewende.

Ergebniszusammenfassung:

Bei Raumlufttechnischen Anlagen spielt neben der Regulierung der Lufttemperatur auch die Luftfeuchte eine wichtige Rolle zur Realisierung behaglicher Raumluftkonditionen. Im Durchschnitt muss dabei mehr Energie zum Entfeuchten als zum Kühlen aufgewendet werden. Die Luftentfeuchtung erfolgt meist durch einen energetisch aufwändigen Prozess basierend auf der Taupunktunterschreitung mit anschließender Wiederaufheizung des Luftstroms.

Um eine Reduzierung der Energiekosten zu erreichen, erfolgten im Rahmen des Forschungsprojektes daher Untersuchungen zur Luftentfeuchtung unter Einsatz von Stimuli-sensitiven Hydrogelen (lichtsensitive sowie thermosensitive Hydrogele). Die Stimuli-sensitiven Hydrogele wurden dabei gezielt hinsichtlich ihrer Zusammensetzung sowie ihres Oberflächen/Volumen-Verhältnis optimiert und verfahrenstechnische Ansätze zur Stimulus-Einkopplung erarbeitet.

Die besten Ergebnisse wurden mit thermosensitiven Mikrogelen erzielt, die oberhalb einer definierten Temperatur von einem hydrophilen in einen hydrophoben Zustand übergehen. Hierdurch wird es möglich, Hydrophilie und somit Wasseraffinität der Gele über die Temperatur zu steuern. Beim Entfeuchtungsvorgang (Raumtemperatur) besitzen die Gele eine hohe Wasseraufnahmekapazität. Im Regenerationsprozess werden sie durch Umströmen mit warmer Luft (Lufttemperatur 50 °C) auf eine Temperatur oberhalb der Schalttemperatur erwärmt. Dadurch sinkt die Wasseraffinität der Gele und der Desorptionsprozess wird begünstigt.

Um die Eignung der thermosensitiven Mikrogele zur energieeffizienten Luftentfeuchtung bewerten zu können, wurde ein Entfeuchtungssystem im Labormaßstab realisiert und Sorptions- sowie Desorptionsprozess im Vergleich zum praxisrelevanten Sorptionsmittel Silicagel bewertet. Die thermosensitiven Mikrogele besitzen im Luftentfeuchtungsprozess eine höhere Aufnahmekapazität als Silicagel. Zudem ist der Energie- und Zeitaufwand für den Regenerationsprozess im Fall der thermosensitiven Mikrogele geringer.