{"id":{"repo_id":"freiburg-diss","oai_identifier":"oai:freidok.uni-freiburg.de:1506"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/freiburg-diss/oai:freidok.uni-freiburg.de:1506","repository":{"repo_id":"freiburg-diss","name":"University of Freiburg","base_url":"https://freidok.uni-freiburg.de/oai/oai2.php"},"display":{"title":"Optimizing adsorbents for heat storage applications : estimation of thermodynamic limits and Monte Carlo simulations of water adsorption in nanopores","abstract":"This thesis starts out with a review of low temperature heat storage technologies. A reference application of seasonal solar heat storage for space heating is considered. The principles of adsorptive heat storage utilizing reversible water adsorption in microporous solids are discussed. Thermodynamic limits to the energy density achievable in such a system are analyzed through statistical mechanical adsorption models (Langmuir, Bragg-Williams lattice gas). It is shown that an energy density of 300 kWh/m3 would be achievable under the chosen cycle conditions with an ideal adsorbent having a porosity of 40% (corresponding to the value for real silica gels). Adsorption data of real silica gels and zeolites are compared to this thermodynamic limit, showing that there is plenty of room for a targeted optimization of adsorbents for this application. <br> <br>Understanding the relationship between adsorbent microstructure and water adsorption equilibria is a prerequisite for a targeted materials design. To this end, molecular Monte Carlo simulations of water adsorption in microporous model systems are employed in the second part of this thesis. Simulations based on the Metropolis algorithm are carried out in the grand canonical ensemble, yielding the number of water molecules adsorbed in thermodynamic equilibrium under given conditions of temperature and pressure. The simulation makes use of configurational bias (CBMC) methods to improve sampling efficiency at high adsorbate densities. The model of the water molecule employed here is one developed in the group of K. Gubbins at Cornell, featuring tetrahedrally arranged square-well interaction sites and a Lennard-Jones core. A slit pore geometry is considered for the microporous solid. In a computationally demanding parametric study, the influence of pore width and the distribution of hydrophilic surface sites on adsorption equilibria of the model system are analyzed. It is shown that the results obtained are consistent with recent theoretical findings on the phase equilibria of water under geometrical confinement. <br> <br>Based on the adsorption properties of the model system, various hypotheses relevant to a targeted design of adsorbents for heat storage applications are developed. The findings of this thesis are considered to be equally relevant to the improvement of adsorbents for heat pumps and cooling machines.","abstract_html":"This thesis starts out with a review of low temperature heat storage technologies. A reference application of seasonal solar heat storage for space heating is considered. The principles of adsorptive heat storage utilizing reversible water adsorption in microporous solids are discussed. Thermodynamic limits to the energy density achievable in such a system are analyzed through statistical mechanical adsorption models (Langmuir, Bragg-Williams lattice gas). It is shown that an energy density of 300 kWh/m3 would be achievable under the chosen cycle conditions with an ideal adsorbent having a porosity of 40% (corresponding to the value for real silica gels). Adsorption data of real silica gels and zeolites are compared to this thermodynamic limit, showing that there is plenty of room for a targeted optimization of adsorbents for this application. &lt;br&gt; &lt;br&gt;Understanding the relationship between adsorbent microstructure and water adsorption equilibria is a prerequisite for a targeted materials design. To this end, molecular Monte Carlo simulations of water adsorption in microporous model systems are employed in the second part of this thesis. Simulations based on the Metropolis algorithm are carried out in the grand canonical ensemble, yielding the number of water molecules adsorbed in thermodynamic equilibrium under given conditions of temperature and pressure. The simulation makes use of configurational bias (CBMC) methods to improve sampling efficiency at high adsorbate densities. The model of the water molecule employed here is one developed in the group of K. Gubbins at Cornell, featuring tetrahedrally arranged square-well interaction sites and a Lennard-Jones core. A slit pore geometry is considered for the microporous solid. In a computationally demanding parametric study, the influence of pore width and the distribution of hydrophilic surface sites on adsorption equilibria of the model system are analyzed. It is shown that the results obtained are consistent with recent theoretical findings on the phase equilibria of water under geometrical confinement. &lt;br&gt; &lt;br&gt;Based on the adsorption properties of the model system, various hypotheses relevant to a targeted design of adsorbents for heat storage applications are developed. 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To this end, molecular Monte Carlo simulations of water adsorption in microporous model systems are employed in the second part of this thesis. Simulations based on the Metropolis algorithm are carried out in the grand canonical ensemble, yielding the number of water molecules adsorbed in thermodynamic equilibrium under given conditions of temperature and pressure. The simulation makes use of configurational bias (CBMC) methods to improve sampling efficiency at high adsorbate densities. The model of the water molecule employed here is one developed in the group of K. Gubbins at Cornell, featuring tetrahedrally arranged square-well interaction sites and a Lennard-Jones core. A slit pore geometry is considered for the microporous solid. In a computationally demanding parametric study, the influence of pore width and the distribution of hydrophilic surface sites on adsorption equilibria of the model system are analyzed. It is shown that the results obtained are consistent with recent theoretical findings on the phase equilibria of water under geometrical confinement. <br> <br>Based on the adsorption properties of the model system, various hypotheses relevant to a targeted design of adsorbents for heat storage applications are developed. The findings of this thesis are considered to be equally relevant to the improvement of adsorbents for heat pumps and cooling machines.","Zu Beginn dieser Arbeit wird ein Überblick über den Stand der Technik in der Niedertemperatur-Wärmespeicherung gegeben. Als Referenzanwendung wird ein System zur saisonalen solaren Wärmespeicherung für die Raumheizung vorgestellt. Im folgenden wird das Prinzip der Wärmespeicherung auf Basis der reversiblen Adsorption von Wasser in einem mikroporösen Feststoff (Adsorbens) erläutert. Die thermodynamischen Grenzen für die mit solchen Systemen erzielbare Energiedichte werden abgeschätzt, indem Parameterstudien an verschiedenen Adsorptionsmodellen aus der statistischen Physik (Langmuir, Gittergas in Bragg-Williams-Näherung) durchgeführt werden. Es wird gezeigt, dass eine Energiedichte von 300 kWh/m3 unter den gewählten Randbedingungen mit einem idealen Adsorbens erzielbar wäre, das die gleiche Porosität P aufweist wie reale mikroporöse Kieselgele (P=40%). Durch den Vergleich mit experimentellen Daten verschiedener realer Adsorbentien (Kieselgele, Zeolithe) wird deutlich, dass ein sehr großes Verbesserungspotenzial für die in Adsorptionswärmespeichern eingesetzten Materialien besteht. <br> <br>Ein verbessertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur von Adsorbentien und ihren Wasser-Adsorptionseigenschaften ist Grundvoraussetzung für ein zielgerichtetes Materialdesign. Als ein Weg, der einen Zugang zu einem solchen vertieften Verständnis gewährt, werden im zweiten Teil der Arbeit Monte-Carlo-Simulationen der Wasseradsorption in Modell-Adsorbentien beschrieben. Diese Simulationen auf molekularer Ebene werden (basierend auf dem Metropolis-Algorithmus) im großkanonischen Ensemble durchgeführt und liefern als Ergebnis die Zahl der Wassermoleküle, die im thermodynamischen Gleichgewicht unter gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen adsorbiert werden. Es werden relativ neue Algorithmen aus der statistischen Physik (configurational biasing, CBMC) genutzt, um die Effizienz des Simulationsprogramms bezüglich der Annäherung an das thermodynamische Gleichgewicht zu verbessern. Das in den Simulationen eingesetzte Modell des Wassermoleküls wurde in der Arbeitsgruppe von K. Gubbins an der Cornell-Universität entwickelt und ist gekennzeichnet durch vier tetraedrisch angeordnete Wechselwirkungszentren und ein Lennard-Jones-Potenzial. Der mikroporöse Feststoff wird durch eine Schlitzporengeometrie beschrieben. In einer Parameterstudie wird der Einfluss der Porenweite sowie der Verteilung hydrophiler Adsorptionsplätze auf der Porenoberfläche auf die Wasseradsorption untersucht. Die numerisch sehr aufwändigen Berechnungen für diese Parameterstudie wurden auf einem Rechner-Cluster mit 256 Prozessoren durchgeführt. Es wird gezeigt, dass die erzielten Ergebnisse konsistent sind mit den bisher vorliegenden theoretischen Erkenntnissen zum Phasenverhalten von Wasser in einschränkenden Geometrien. <br> <br>Auf Basis der Ergebnisse der Modellrechnungen werden Hypothesen bezüglich einer gezielten Optimierung von Adsorbentien für die Wärmespeicherung entwickelt. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse können als ebenso relevant für die Materialoptimierung für Adsorptionswärmepumpen und -kältemaschinen angesehen werden."]},{"key":"dc:format.medium","label":"Dc Format Medium","values":["application/pdf"]},{"key":"dc:title","label":"Title","values":["Optimizing adsorbents for heat storage applications : estimation of thermodynamic limits and Monte Carlo simulations of water adsorption in nanopores","Optimierung von Adsorbentien für Wärmespeicheranwendungen : Abschätzung der thermodynamischen Grenzen und Monte-Carlo Simulation der Wasseradsorption in Nanoporen"]}]}],"canonical_facts":{"dc:contributor":["Luther, Joachim"],"dc:creator":["Schmidt, Ferdinand Paul"],"dc:description.abstract":["This thesis starts out with a review of low temperature heat storage technologies. A reference application of seasonal solar heat storage for space heating is considered. 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Simulations based on the Metropolis algorithm are carried out in the grand canonical ensemble, yielding the number of water molecules adsorbed in thermodynamic equilibrium under given conditions of temperature and pressure. The simulation makes use of configurational bias (CBMC) methods to improve sampling efficiency at high adsorbate densities. The model of the water molecule employed here is one developed in the group of K. Gubbins at Cornell, featuring tetrahedrally arranged square-well interaction sites and a Lennard-Jones core. A slit pore geometry is considered for the microporous solid. In a computationally demanding parametric study, the influence of pore width and the distribution of hydrophilic surface sites on adsorption equilibria of the model system are analyzed. 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Die thermodynamischen Grenzen für die mit solchen Systemen erzielbare Energiedichte werden abgeschätzt, indem Parameterstudien an verschiedenen Adsorptionsmodellen aus der statistischen Physik (Langmuir, Gittergas in Bragg-Williams-Näherung) durchgeführt werden. Es wird gezeigt, dass eine Energiedichte von 300 kWh/m3 unter den gewählten Randbedingungen mit einem idealen Adsorbens erzielbar wäre, das die gleiche Porosität P aufweist wie reale mikroporöse Kieselgele (P=40%). Durch den Vergleich mit experimentellen Daten verschiedener realer Adsorbentien (Kieselgele, Zeolithe) wird deutlich, dass ein sehr großes Verbesserungspotenzial für die in Adsorptionswärmespeichern eingesetzten Materialien besteht. <br> <br>Ein verbessertes Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur von Adsorbentien und ihren Wasser-Adsorptionseigenschaften ist Grundvoraussetzung für ein zielgerichtetes Materialdesign. Als ein Weg, der einen Zugang zu einem solchen vertieften Verständnis gewährt, werden im zweiten Teil der Arbeit Monte-Carlo-Simulationen der Wasseradsorption in Modell-Adsorbentien beschrieben. Diese Simulationen auf molekularer Ebene werden (basierend auf dem Metropolis-Algorithmus) im großkanonischen Ensemble durchgeführt und liefern als Ergebnis die Zahl der Wassermoleküle, die im thermodynamischen Gleichgewicht unter gegebenen Druck- und Temperaturbedingungen adsorbiert werden. Es werden relativ neue Algorithmen aus der statistischen Physik (configurational biasing, CBMC) genutzt, um die Effizienz des Simulationsprogramms bezüglich der Annäherung an das thermodynamische Gleichgewicht zu verbessern. Das in den Simulationen eingesetzte Modell des Wassermoleküls wurde in der Arbeitsgruppe von K. Gubbins an der Cornell-Universität entwickelt und ist gekennzeichnet durch vier tetraedrisch angeordnete Wechselwirkungszentren und ein Lennard-Jones-Potenzial. Der mikroporöse Feststoff wird durch eine Schlitzporengeometrie beschrieben. In einer Parameterstudie wird der Einfluss der Porenweite sowie der Verteilung hydrophiler Adsorptionsplätze auf der Porenoberfläche auf die Wasseradsorption untersucht. Die numerisch sehr aufwändigen Berechnungen für diese Parameterstudie wurden auf einem Rechner-Cluster mit 256 Prozessoren durchgeführt. Es wird gezeigt, dass die erzielten Ergebnisse konsistent sind mit den bisher vorliegenden theoretischen Erkenntnissen zum Phasenverhalten von Wasser in einschränkenden Geometrien. <br> <br>Auf Basis der Ergebnisse der Modellrechnungen werden Hypothesen bezüglich einer gezielten Optimierung von Adsorbentien für die Wärmespeicherung entwickelt. 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