Effipad
Das Projekt im Rahmen des 5. NRW-Patent-Validierungs-Programms bezweckt die Validierung einer zum Patent angemeldeten Optimierung pneumatisch angetriebener Druckerhöhungsvorrichtungen (Druckbooster) mittels eines bistabilen mechanischen Energiezwischenspeichers zur anschließenden Vermarktung. Die betrachteten Druckbooster finden unter anderem aufgrund ihres günstigen Anschaffungspreises beispielsweise in Wasserstofftankstellen breite Anwendung und sind folglich ein wichtiger Baustein zur Erreichung einer langfristig klimaneutralen und bezahlbaren Mobilität.
| Nutzen | Vorgehen |
|---|---|
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Effizienzsteigerung von Druckboostern |
Konzeptentwicklung |
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Einfacher mechanischer Aufbau |
Simulative Optimierung |
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Möglicher Einsatz in explosionsgefährdeter Atmosphäre |
Entwicklung und Aufbau eines Funktionsmusters |
| Experimentelle Validierung |
Druckbooster werden unter anderem zur Steigerung der Gesamteffizienz pneumatischer Netzwerke eingesetzt, da durch vereinzelte lokale bedarfsgerechte Druckerhöhung der Netzdruck abgesenkt werden kann und folglich die Energieaufnahme der Drucklufterzeugung deutlich reduziert wird. Darüber hinaus werden sie in Prüfanwendungen mit höheren Druckanforderungen, zur Befüllung von Druckflaschen und zur Kompression von Prozessgasen eingesetzt. Aufgrund ihrer kostengünstigen Umsetzung für die Kompression explosiver Gase und des großen erzielbaren Druckes kommt ihnen eine maßgebende Rolle bei der dezentralen Wasserstoffverdichtung, beispielsweise bei der Erzeugung aus regenerativer Energie, und der Nachverdichtung in Wasserstofftankstellen zu.
Das Projekt bezweckt die Validierung einer zum Patent angemeldeten Optimierung pneumatisch angetriebener Druckerhöhungsvorrichtungen mittels eines bistabilen mechanischen Energiezwischenspeichers. Zur Validierung der energetischen Vorteile durch Einsatz der patentierten Lösung im Rahmen des Projekts wird zunächst ein erfindungsgemäßer Antrieb eines Druckboosters entwickelt und erprobt. Während der Erprobung wird das Betriebsverhalten mit einer aktuellen marktüblichen Komponente verglichen, um somit die erzielbare Effizienzsteigerung am Prototyp quantifizieren zu können. Zur Veranschaulichung der Ergebnisse wird ein Demonstrator zum direkten Vergleich realisiert. Dieser soll anschießend der Öffentlichkeit präsentiert werden und potentielle Verwertungspartner von der Technologie überzeugen.
Es wird eine Lizensierung durch ein oder mehrere in der Branche etablierte Unternehmen angestrebt.
Untersuchte Strategie zur Effizienzsteigerung
Es wird ein Druckbooster mit zwei gegensinnig angeordneten Kompressionsräumen und einem doppeltwirkenden Antrieb betrachtet. Aufgrund des mit der Kompression des Gases einhergehenden Kraftverlaufs ergibt sich am Antriebszylinder eine geringe Last bei Bewegungsbeginn, die im weiteren Hubverlauf aufgrund der Kompression des Gases in der aktiven Kompressionskammer stetig ansteigt. Ist der Nachdruck des Druckboosters erreicht, so öffnet das Auslassventil der aktiven Kompressionskammer und die Kraft am Antrieb verharrt auf einem näherungsweise konstanten Niveau. Somit ergibt sich antriebsseitig aufgrund des Vorliegens der maximalen Kraft in der Endlage ein hoher Druckluftbedarf.
Durch Zwischenspeicherung der zu Bewegungsbeginn aufgrund des Kraftüberschusses des Antriebs abrufbaren Energie und Freisetzung zu Bewegungsende kann die Belastung des Antriebs derart angepasst werden, dass der Druckluftbedarf im zuluftgedrosselten Betrieb sinkt, also der Gesamtwirkungsgrad steigt. Hierzu ist eine bistabile mechanische Lösung erforderlich, die in einem ersten Hubbereich Energie aufnimmt und diese im weiteren Hubverlauf kontrolliert wieder abgibt. Die Ausgestaltung und Erprobung dieser Vorrichtung inkl. einer adaptiven Verstellung zur Anpassung an die aktuellen Betriebsbedingungen bilden den Kern des Projekts.
Beschreibung der entwickelten Konzepte
Abbildung 1 zeigt Kraftkennlinien der konzeptionierten Lastkompensation. Angelehnt an das Schema einer Tellerfeder ist beim vorliegenden Konzept auch die negative Federsteifigkeit beim mechanischen Durchschlag ausgenutzt.
Die Modellierung der optimalen Kraftkurve ist aufgrund der Charakteristik der durchschlagenden Mechanik begrenzt. Jedoch ist die absehbar einfache Umsetzbarkeit ausschlaggebendes Kriterium für die Auswahl dieses Konzepts.
Die Implementierung der ermittelten Kraftkennlinien in die Simulation zeigt die in Abbildung 2 dargestellten Ergebnisse. Neben dem avisierten sinkenden Druckbedarf am Hubende mit integrierter Mechanik, zeigt sich zudem auch eine Leistungssteigerung des Druckboosters durch die zunehmende Hubfrequenz. Durch eine Vorspannung der Feder können diese Effekte noch gezielt optimiert werden.
Weiterer Projektverlauf
Ergänzend zu den theoretischen Analysen des Systems wird die tatsächliche Wirkungsgradsteigerung im Rahmen des Projektes anhand eines Demonstrators nachgewiesen. Das Funktionsmuster der Feder wird an den marktüblichen Prüfling adaptiert, sodass ein direkter experimenteller Vergleich ermöglicht wird. Der hierzu notwendige Prüfstand wurde bereits konzipiert, aufgebaut und in Betrieb genommen.
Danksagung
Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt Effipad - Effiziente pneumatisch angetriebene Druckerhöhung - wurde durch die Europäische Union und das Land Nordrhein-Westfalen gefördert. Das ifas bedankt sich herzlich bei allen Projektpartnern, dem europäischen Fonds für regionale Entwicklung und dem Land NRW.
Veröffentlichungen
| Titel | Autor(en) |
|---|---|
| Efficiency Optimized Pneumatic Pressure Booster Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2019) | Reinertz, Olivier (Corresponding author) Schmitz, Katharina |