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Prof. Dr.-Ing. Christian Cierpka

Fachgebietsleiter

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INHALTE

Forschungsschwerpunkt Energiespeicher

Der weltweite Energiebedarf nimmt ständig zu. Dieser Energiebedarf soll zunehmend aus regenerativen Energiequellen gedeckt werden, um die Umweltbelastung zu verringern und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu minimieren. Für nicht kontinuierlich verfügbare regenerative Energieträger wie Sonnenlicht und Windkraft spielt die Energiespeicherung daher eine essentielle Rolle, um die Stabilität der Energieversorgung zu gewährleisten. Unter dem Forschungsschwerpunkt Energiespeicher werden unterschiedliche Forschungsprojekte zur thermischen und elektrochemischen Energiespeicherung bearbeitet.

Entwicklung von Vakuum-Isolations-Paneelen (VIPs) zur effizienten Wärmedämmung von Hochleistungswärmespeichern

 

Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Erprobung einer bis 140°C belastbaren Hochleistungswärmedämmung (Vakuumisolationspaneele) für Wärmeenergiespeicher. Wasser kann somit mit Siedetemperatur erhöhenden Zusätzen (Bsp. Glycol) als Wärmeträger verwendet werden. Dadurch kann der Energieinhaltes des Speichers bei konstantem Speichervolumen durch die Erweiterung der nutzbaren Temperaturdifferenz erreicht werden. Außerdem soll die Speicherzeit durch den geringen Wärmeverlust über die Außenwand gesteigert werden, um ein einfaches System zur saisonalen (> 6 Monate) Energiespeicherung bereit zu stellen. Der Gesamtwirkungsgrad eines Speicherzyklus (Laden-Speichern-Entladen) erhöht sich damit deutlich. Die Zielvorgabe ist hier die Erreichung der Energieeffizienzklasse A+ für Wärmespeicher.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Wärmedämmung soll die einfache Montage, sowie ein Reparaturkonzept sein, womit einen Nachrüstung bereits bestehender Speicher bzw. der Einbau in engen Räumen sowie eine lange Lebensdauer gewährleistet werden.

Förderkennzeichen: 2017 FE 9086 (Verbund 2017 VF 0032)

Projektlaufzeit: 01.01.2018 bis 31.01.2020

Partner:
Va-Q-tec AG
Thüsolar GmbH

Bearbeiter:  

Aktuelle Publikationen:

 

 

DFG Emmy-Noether-Gruppe: Kontrollierte elektrochemische Energieumwandlung durch oberflächennahe Strömungsbeeinflussung

Elektrochemische Energieumwandlung

Die effiziente elektrochemische Energieumwandlung spielt im Rahmen der Brennstoffzellentechnik in Form von Wasserelektrolyse eine signifikante Rolle. Die Energieumwandlung findet dabei immer an der Elektrodenoberfläche statt, wodurch mikrofluidische Systeme besonders geeignet erscheinen, da hier das Verhältnis von benetzter Oberfläche zum Volumen stark gesteigert werden kann. Durch die Parallelisierung solcher Mikrobrennstoffzellen und Elektrolysezellen lassen sich Einheiten mit quasi beliebiger Leistung erzeugen. Ziel der DFG geförderten Emmy Noether Nachwuchsgruppe (CI 185/3) ist es die Effizienz der elektrochemischen Energieumwandlung durch wandnahe Strömungskontrolle zu steigern und die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse aufzuklären, um zukünftige Systeme optimieren zu können. Dazu sollen zeitlich und räumlich hochaufgelöste experimentelle Untersuchungen der Geschwindigkeits- und Skalarfelder (Temperatur, pH-Wert, Druck) in ein- und mehrphasigen Mikroströmungen durch das neu entwickelte und erweiterte 3D Astigmatismus PTV beitragen. Der Fokus der Arbeiten liegt dabei zum einen auf der effektiven Temperaturkontrolle durch Nanofluide und Partikel-Partikel Interaktion im Fluid, zum anderen auf der gezielten Beeinflussung der wandnahen Konvektionsströmung durch elektromagnetische Volumenkräfte.

Partner:

Universität der Bundeswehr München, Technische Universität Dresden, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, University of Washington, University of Purdue

Bearbeiter:

Aktuelle Publikationen:

 J. Massing, G. Mutschke, D. Baczyzmalski, X. Yang, K. Eckert, C. Cierpka (2019) Thermocapillary Marangoni convection during hydrogen evolution at microelectrodes, Electrochimica Acta 297, 929-940

X. Yang, D. Baczyzmalski, C. Cierpka, G. Mutschke, K. Eckert (2018) Marangoni convection at electrogenerated hydrogen bubbles, Physical Chemistry Chemical Physics 20, 11542

T. Weier, D. Baczyzmalski, J. Massing, S. Landgraf, C. Cierpka (2017) The effect of the rotating MHD flow on the detachment of gas bubbles from the electrode surface. International Journal of Hydrogen Energy 42, 20923-20933

D. Baczyzmalski, F. Karnbach, M. Uhlemann, G. Mutschke, X. Yang, K. Eckert, C. Cierpka (2017) Growth and detachment of single hydrogen bubbles in a MHD shear flow. Physical Review Fluids 2, 093701

R. Irwansyah, C. Cierpka, C.J. Kähler (2016) On the reliable estimation of heat transfer coefficients for nanofluids in microchannels, Journal of Physics: Conference Series 745, 032078

D. Baczyzmalski, F. Karnbach, X. Yang, G. Mutschke, M. Uhlemann, K. Eckert, C. Cierpka (2016) On the Electrolyte Convection around a Hydrogen Bubble Evolving at a Microelectrode under the Influence of a Magnetic Field, Journal of the Electrochemical Society 163, E248-E257

D. Baczyzmalski, T. Weier, C.J. Kähler, C. Cierpka (2015) Near-wall measurements of the bubble-driven and Lorentz-force-driven convection at gas-evolving electrodes. Experiments in Fluids 56, 162

Minimierung der Mischungsverluste in thermischen Energiespeichern durch Sekundärströmungen an der Wand

Minimierung der Mischungsverluste in thermischen Energiespeichern durch Sekundärströmungen an der Wand

Thermische Energiespeicher sind zentraler Bestandteil solarthermischer Anlagen zur Nutz- und Trinkwassererwärmung, um die Zeit zwischen Energiegewinnung und -nutzung zu überbrücken. In modernen Schichtenspeichern wird, durch die Nutzung des thermischen Dichtegradienten von Wasser, eine stabile Schichtung von warmem über kaltem Fluid erzeugt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit von Wasser ermöglicht grundsätzlich eine lange Aufrechterhaltung der Schichtung und trägt damit zu einer hohen Effizienz des Speichers bei.

Allerdings werden die Speicherwände von thermischen Schichtenspeichern zumeist aus Stahl gefertigt, welcher eine um ca. zwei Größenordnungen höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als Wasser. Dadurch bildet die Stahlwand eine Wärmebrücke zwischen der oberen heißen und unteren kalten Wasserschicht. Der damit hervorgerufene thermische Ausgleichsprozess bewirkt das Aufsteigen erwärmten Wassers von unten und das Herabsinken abgekühlten Wassers von oben. Diese wandnahen Sekundärströmungen sollen im Rahmen der Arbeit charakterisiert werden, um später ihren negativen Einfluss auf die Schichtung quantifizieren und geeignete Lösungskonzepte erarbeiten zu können. Dazu werden mittels PIV- und LDA-Verfahren räumlich hochaufgelöste Strömungsmessungen der natürlichen Konvektion in der Wandgrenzschicht durchgeführt. Sie liefern ein tiefgehendes Verständnis des Antriebs der Wandströmung und dienen zusätzlich der Validierung parallel durchgeführter Strömungssimulationen mit dem Strömungslöser ANSYS Fluent.

 Bearbeiter:  

Aktuelle Publikationen:

H. Otto, C. Resagk, C. Cierpka: Convective near-wall flow in thermally stratified hot water storage tanks, 13th International Symposium on Particle Image Velocimetry, 22.-24.7.2019, Munich, Germany

H. Otto, S. Resagk, C. Cierpka: Kombinierte Geschwindigkeits- und Temperaturfeldmessungen in thermischen Schichtenspeichern, Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik", 03.-05.09.2019, Erlangen, Germany