Wärme geht in Industrie, Gewerbe und Haushalten oftmals ungenutzt verloren und gilt als Abfallprodukt – dabei steckt in Abwärme viel energetisches Potenzial. Im Rahmen von THEAsmart erforschten Wissenschaftler*innen und Unternehmen im eben diese Potenziale, um herauszufinden wie das Abfallprodukt Wärme durch den Einsatz innovativer Technik für weitere Zwecke genutzt werden kann.
Materialproben im Labor
THEAsmart
gefördert durch
Energierückgewinnung aus Abwärme
Das Forschungsprojekt „THEAsmart“ wurde von Mai 2017 bis August 2020 durchgeführt. Das Ziel war die Weiterentwicklung von Formgedächtnismetallen. Diese haben die Eigenschaft, bei Einwirkung einer bestimmten Temperatur eine vorgegebene Form anzunehmen, dabei wird Bewegungsenergie freigesetzt. Ein berühmtes Beispiel hierfür ist der Löffel der sich wie von Zauberhand verbiegt, wenn man ihn in die Hand nimmt. Eine Spielerei die das Prinzip der Formgedächtnislegierung ausnutzt, dabei reicht die Abwärme der Hand bereits aus um eine Materialreaktion auszulösen.
In bestimmten Einsatzgebieten können diese Metalle als Antrieb genutzt werden, zum Beispiel für elektrische Generatoren oder als mechanische Antriebe. Die Energieeffizienz in Prozessen in Industrieunternehmen, Gewerben oder Haushalten könnte mit ihrem Einsatz zur Nutzung von Abwärme verbessert werden. Im Projekt war die Entwicklung von thermisch angetriebenen Generatoren, sogenannten „Energy Harvestern“, und die Identifikation von weiteren Einsatzbereichen geplant.
Projektziel war es, Produkte zu entwickeln die zur Energiewandlung und Energierückgewinnung aus Abwärme in unterschiedlichsten Branchen einsatzfähig sind. Von der Müllverbrennungsanlage bis zur Abzugsanlage am Industrieherd gibt es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Dazu wurden Anwendungspartner in der Region gesucht, um in unterschiedlichsten Branchen die Einsatzgebiete und Effektivität der Technologie zu erforschen.
„Wir arbeiten an Materialien, die bereits mit niedrigen Temperaturunterschieden funktionieren“, so Dr. Alexander Czechowicz von der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V.(FGW) in Remscheid, Leiter der technischen Entwicklung von Halbzeugen aus Formgedächtnislegierungen. Das ermöglicht die Erforschung von ganz neuen Einsatzgebieten der Abwärmenutzung, denn gerade bei Prozessen mit geringer Abwärme konnte bisher nur schlecht Energie zurück gewonnen werden. Bestehende Systeme könnten ausserdem noch Energieeffizienter werden, wenn die Energy Harvester als Ergänzung zu Prozessoptimierung eingesetzt werden.
Interdisziplinäre Forschung
Forschungskonsortium
Die Forschungspartner im Konsortium kommen aus Wissenschaft und Industrie in NRW. Neben der technischen Weiterentwicklung von Formgedächtnismetallen zur Nutzung von Abwärme durch die Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V., werden an der Hochschule Bochum Energiewandlungsverfahren weiterentwickelt, um die gewonnene Energie effizienter nutzbar zu machen. Die Firma Dörschler GmbH mit Sitz in Remscheid als Experte für Haustechnik sowie die Firma Bleco Apparatebau GmbH aus Greven als Experte für Belüftungstechnik sind als Forschungspartner beteiligt, um Anwendungen und Prototypen zu entwickeln und diese in Feldtests zu prüfen. Die Neue Effizienz leitet das Gesamtprojekt, sie bildet die Schnittstelle zu Anwendungspartnern aus dem bergischen Städtedreieck und Übernimmt die Identifikation von Anwendungsgebieten und entwicklet Marktanalysen.
THEAsmart auf der
Hannovermesse 2019
Erstmalig wurde im Rahmen der Hannovermesse 2019 ein THEAsmart Prototyp der Öffentlichkeit vorgestellt – das Projekt wurde vom Forschungspartner FGW e.V. auf dem NRW Landesgemeinschaftsstand ‚Schlüsseltechnologien und Neue Werkstoffe aus NRW’ des Ministeriums für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie präsentiert.
Das Funktionsmodell einer thermisch gesteuerten Pumpe, die mittels Formgedächtnismetall (FGM) und Temperaturdifferenzen angetrieben wird, wurde erstmals auf der Messe präsentiert. Virtuell wurden mithilfe einer Hololens auch weitere Entwicklungen aus dem Projekt, wie ein sogenannter Energy Harvester mit FGM Antrieb, für die Messebesucher erlebbar gemacht. Die Resonanz der Besucher*innen auf die Projektergebnisse war überwiegend positiv und die Entwicklungen wurden vom Fachpublikum interessiert diskutiert. Die Ausstellung in Halle 2, Research and Development, war insgesamt erfolgreich und brachte einen guten Austausch und interessante Impulse für das Projekt.
©-MWIDE-NRWVanessa-Leissring
Messebesuch von
Staatssekretär Christoph Dammermann
Vor allem der Besuch von NRW Staatssekretär Christoph Dammermann, welcher sich über die neusten Innovationen und Produkte aus NRW informierte und bei seinem Besuch ebenfalls den THEAsmart Prototypen begutachtete, freute uns sehr. Er ließ sich die Anwendbarkeit von FGL in der Energierückgewinnung zeigen und war beeindruckt vom Innovationsansatz. Auch die Bundesministerin für Bildung und Forschung Anja Karliczek war zu Gast auf dem Landesgemeischaftsstand NRW und informierte sich über die Forschung aus NRW.
Wir bedanken uns beim Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie für das gute Forum und die gelungene Ausstellung auf dem Landesgemeinschaftsstand NRW auf der Hannovermesse.
Erster Patenterfolg im Forschungsprojekt
Im Januar 2019 wurde die erste Erfindung aus dem Projekt ‚THEAsmart – Thermische Energierückgewinnung aus Abwärme durch Smart Materials’, erfolgreich als Patent ins Register des deutschen Marken- und Patentamtes aufgenommen. Erfinder der Idee ist Dipl.Ing. Werner Patten, der mit seiner Firma Bleco Apparatebau als Praxispartner am Forschungsprojekt THEAsmart beteiligt ist. Das Patent beschreibt die Funktionsweise eines sogenannten Energy Harvesters. Hierbei handelt es sich um eine Antriebseinheit, die mittels Temperaturdifferenzen und dem Einsatz von Federn aus Formgedächtnismetall (FGM) thermische Energie in kinetische Energie wandelt, welche anschließend als elektrische Energie genutzt werden kann. So könnte schon bald in niedrigen Temperaturbereichen zwischen 20°C und 100°C, bei einer Temperaturdifferenz von weniger als 10°C, Energierückgewinnung mittels FGL möglich sein.
Die im Projekt von der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V (FGW e.V.) entwickelten Formgedächtnisfedern, mit ihrer Programmierung auf niedrige Temperaturdifferentiale, werden dabei als Aktor zur Energiewandlung genutzt. Die patentierte Erfindung besteht aus einem zentralen Zylinderkolben, der mittels Formgedächtnisfedern und deren Reaktion auf verschiedene Arbeitsmedien in Bewegung gesetzt wird. Die Arbeitsmedien werden dabei aus verschieden temperierten Reservoirs (M1 – M3) hin und her gepumpt, um einen Temperaturwechsel am Formgedächtnislegierungs-Element (FGL-Element) zu erreichen. Die lineare Bewegung, die dadurch erzeugt wird, kann zur Wandlung in elektrische Energie genutzt werden. Als Arbeitsmedien für die Energieübertragung können sowohl Flüssigkeiten als auch gasförmige Medien genutzt werden. (Siehe schematische Darstellung)
Das Vorhaben wurde mit rund 1,3 Millionen aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und durch das Land NRW gefördert. Im Leitmarktwettbewerb „EnergieUmweltwirt-schaft.NRW“ war es eines von insgesamt 18 geförderten Projekten.
Projektvideo THEAsmart
THEAsmart II
Das Projekt THEAsmart II war die Fortsetzung der Forschung aus dem Projekt THEAsmart, hier findest du Informationen darüber.
Projektpartner
