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16 eneRgIeeFFIZIenZ Zu den Stärken der neuen Arbeitsstoffpaare auf Basis ionischer Flüssigkeiten gehört, dass sie in einem deutlich breiteren Temperatur und Druckbereich einsetzbar sind als die klassischen Varianten Bedingungen für den Einsatz des Arbeitsstoffpaars Lithiumbromid/Wasser Wasser (100 Gewichtsprozent) Ionische Flüssigkeiten von Evonik/Wasser 56 58 80 88 Gewichtsprozent ionische Flüssigkeit Lithiumbromid/Wasser 50 60 Gewichtsprozent Kristallisationsgrenze Lithiumbromid (60–70 Gewichtsprozent Lithiumbromid) Druck [mbar] 70 10 6 0 elements36 Ausgabe 3|2011 10 30 50 70 90 110 Temperatur [°C] Maßschneidern von Absorptionsmitteln ohne Kristallisationsgrenzen im Temperaturbereich von –100 °C bis +200 °C Natriumchlorid (Tafelsalz) Lithiumbromid 1Methyl3Methylimidazoliumchlorid 1Buthyl3Methylimidazoliumchlorid Arbeitsstoffpaar von Evonik (nicht chloridbasiert) Schmelzpunkt [°C] 1.000 800 600 400 200 0 –200 Klassische Arbeitsstoffpaare haben Kristallisations-, Korrosions- oder Toxizitätsprobleme In den meisten Fällen kommt als Kältemittel Wasser und als Absorptionsmittel Lithiumbromid zum Einsatz. Wasser/Lithiumbromid gilt als effizientes Arbeitsstoffpaar. Allerdings hat Wasserdampf ein großes spezifisches Volumen und unterliegt relativ engen Temperaturgrenzen, weshalb der Einsatz des Arbeitsstoffpaars Wasser/Lithiumbromid auf die Klima - ti sierung oder die Kältebereitstellung oberhalb von 0 °C beschränkt ist. Das Arbeitsstoffpaar Wasser/Lithiumbromid hat aber noch weitere Nachteile. Ein großes Problem ist die Kristallisation des Lithiumbromids. Bei einem Anteil von mehr als 65 Prozent in wässrigen Lösungen kristallisiert Lithiumbromid bereits bei 25 °C – ein Problem, das vor allem in feuchten und heißen Ländern relevant ist. Dort sind deshalb mitunter teure Kühlsysteme erforderlich, die die Kristallisation des Lithiumbromids verhindern. Darüber hinaus wirkt Lithiumbromid gerade bei höheren Antriebstemperaturen stark korrosiv. Damit können die besonders energieeffizienten, weil mehrstufigen Absorptionskälteprozesse nur dann mit Lithiumbromid betrieben werden, wenn größere Mengen an Korrosionsinhibitoren oder teure korrosionsresistente Werkstoffe verwendet werden. Ionische Flüssigkeiten – umwelt freundlich, nicht korrosiv und nicht kristallisierend Mitarbeiter des Geschäftsbereichs Advanced Intermediates von Evonik haben dieses Problem des klassischen Arbeitsstoffpaars schon vor Längerem erkannt. In enger Kooperation mit dem Ser vice bereich Verfahrenstechnik & Engineering des Unter nehmens entwickelten sie eine neue Systemlösung, die als Arbeitsstoffpaar in Absorptionskältemaschinen und Wärmepumpen eingesetzt werden kann. Ionische Flüssigkeiten sind Salze, also vollständig aus Ionen aufgebaut, deren Schmelzpunkt unterhalb von 100 °C liegt. Unterhalb ihrer Zersetzungstemperatur weisen ionische Flüssigkeiten keinen messbaren Dampfdruck auf, sie sind thermisch und elektrochemisch sehr stabil und lösen sich in vielen organischen, anorganischen und organometallischen Verbindungen. Ionische Flüssigkeiten bestehen für gewöhnlich aus organischen Kationen und organischen oder anorganischen Anionen. Ihre physikalischen Eigenschaften lassen sich durch die Variation der Ionenpaarung und -struktur gezielt einstellen. Darüber hinaus sind sie im Allgemeinen im Vergleich zu konven tionellen Salzen wie dem Lithiumbromid nur sehr wenig korrosiv. Aufgrund der Kompetenz in der großtechnischen Herstellung von ionischen Flüssigkeiten und von geeigneten Additiven ist es dem Team von Evonik
In einer Absorptionskältemaschine am Standort Hanau haben der Geschäftsbereich Advanced Intermediates und die Fluidverfahrenstechnik die neuen Arbeitsstoffpaare auf Basis ionischer Flüssig kei ten entwickelt und getestet. In Feldversuchen werden die Arbeits stoffpaare nun in Großanlagen einem Dauertest über mehrere Monate unterzogen. Dabei gilt: Für jede Anlage der verschiedenen Hersteller stellt Evonik das passende Arbeitsstoffpaar bereit, das direkt und ohne technische Änderungen in die jeweilige Anlage eingefüllt werden kann. Das ist Voraussetzung für eine erfolgreiche Markteinführung gelungen, ein neues Arbeitsstoffpaar mit deutlichen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik zu entwickeln. Voraussetzung dafür war die genaue Kenntnis der Bedürfnisse und der Systeme der Kunden. Sie erlaubte es, komplexe, nachhaltige Systemlösungen zu erarbeiten, die aus neuen Absorptionsmitteln und Performance-Additiven maßgeschneidert sind und die umfangreichen Anforderungsprofile der Kältemaschinenbauer erfüllen. Und auch sonst punkten die neuen Arbeitsstoffpaare: Sie sind deutlich weniger korrosiv als Wasser/ Lithiumbromid und besitzen einen deutlich breiteren Arbeitsbereich. Grund hierfür ist, dass die ionischen Flüssigkeiten von Evonik in Anwesenheit von Wasser keine Kristallisationsgrenzen im Arbeitsbereich von Absorptions kältemaschinen oder -wärmepumpen aufweisen. Die frühe Einbindung von Kunden, die die Anforderungen des Marktes genau kennen, hat diese Innovation deutlich begünstigt. Im Jahr 2012 will Evonik Formulierungen von Arbeitsstoffpaaren für Kältemaschinen und Wärmepumpen in den Markt einführen. Vielversprechende Feldtests Derzeit laufen Feldtests mit verschiedenen Industriepartnern, unter anderem zur Bereitstellung von Kälte im Megawattbereich. Die Industriepartner, mit denen Evonik zusammen arbeitet, wollen ganz unterschiedliche Anwendungen mit dem neuen Arbeitsstoffpaar von Evonik erschließen. Bisher zeigen alle Technikumsversuche und industriellen Feldtests, dass Kältemaschinen und Wärmepumpen nach einem Wechsel des Arbeitsstoffpaars von Wasser/Lithiumbromid auf die Systemlösung von Evonik immer einen mindestens gleich guten Wirkungsgrad (Coefficient of Performance) aufweisen. Hinsichtlich Kristallisation und Korrosion schneidet die ionische Flüssigkeit dagegen deutlich besser ab. Dank der neuen Formulierungen von Evonik für Arbeitsstoffpaare lassen sich die Betriebsparameter eines Absorptionssystems viel flexibler auslegen, was sich positiv auf die Kosten auswirkt. So wird zum Beispiel die effizientere Nutzung höherer Antriebstemperaturen in mehrstufigen Anlagen mit trockener Rückkühlung möglich. Das Potenzial von Absorptionssystemen könnte sich also bald deutlich stärker ausschöpfen lassen als bislang – zum Wohle einer nachhaltigen und effizienten Energienutzung. 777 eneRgIeeFFIZIenZ 17 Dr. matthias Seiler arbeitet als Director New Business Development im Geschäftsbereich Advanced Inter - me diates von Evonik. Nach Studium der Verfahrens- und Energietechnik an der TU Berlin und Promotion im Bereich Polymerverfahrenstechnik/Polymer thermodynamik an der Universität Erlangen-Nürnberg star tete er 2004 seine berufliche Karriere im Service bereich Verfahrenstechnik & Engineering von Evonik. Hier leitete er zuletzt die Abteilung „Bringing Tech no logy to Market“, bevor er 2010 seine aktuelle Position übernahm. Parallel zu seiner beruflichen Tätigkeit absolvierte er einen Executive MBA an der ESSEC & Mannheim Business School. +49 6181 59-3049, matthias.seiler@evonik.com marcChristoph Schneider beschäftigt sich im Bereich New Business Development des Ge schäfts - be reichs Advanced Intermediates mit Kälte an lagen und Wärmepumpen. Nach Studium der Mathe matik und Chemie an der TU Darmstadt arbeitete er ab 2008 im Bereich Business Development Form mas sen der Evonik Röhm GmbH und studierte parallel dazu Wirtschafts ingenieurwesen Chemie an der Hoch schule Fresenius. 2009 wechselte er in die Ab teilung „Bringing Techno lo gy to Market“ des Service bereichs Verfahrens technik & Engineering und übernahm 2011 seine aktuelle Position. +49 6181 59-6664 marc-christoph.schneider@evonik.com elements36 Ausgabe 3|2011
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