„Energie = Exergie + Anergie – Was ist Exergie? Die Exergie ist jener Teil der Gesamtenergie, der Arbeit verrichten kann. – Was ist Anergie? Die Anergie ist diejenige Energie, die komplett entwertet wurde und nicht mehr in andere Energie umgewandelt werden kann.“
Ungefähr so wird es gelehrt. Dabei ist die Definition eher schwammig. Wovon hängt es ab, ob eine Energieform nicht mehr in andere Energieformen umgewandelt werden kann? Das hängt zum Einen von der Verfügbarkeit geeigneter technischer Mittel ab, zum Anderen vom Wissensstand der Personen, der Gruppen, der Gesellschaft. Was heute noch als nicht (mehr) verwertbar gilt und als Anergie abgetan wird, könnte schon morgen wertvolle Energiequelle sein.
Beispiel: In der vorgeschlagenen Wärmekraftmaschine wird flüssiger Wasserstoff eingesetzt. Die gesamte Wärme unterhalb 21,15 Kelvin ist dann Anergie. Wenn man aber Helium mit einer Siedetemperatur von 4,15 Kelvin verwendet, beginnt die Anergie erst unterhalb 4,15 Kelvin.
Für Wasserstoff spricht, dass das Gas allgemein verfügbar ist und leicht hergestellt werden kann. Helium würde zwar einen besseren Wirkungsgrad bringen, aber die Verfügbarkeit ist nicht so groß, die Gewinnung erfolgt hauptsächlich aus fossilen Rohstoffen (Erdöl und Erdgas) und ist de facto ein Monopol weniger Hersteller.
Die hier vorgestellte Kältekraftmaschine bezieht ihre Energie aus der Umgebungswärme und stellt zusätzlich zur mechanischen Energie gekühlte Luft zur Verfügung. Es handelt sich um eine gewöhnliche Wärmekraftmaschine (kein Perpetuum mobile!). Sie bezieht ihre Energie durch Ausnützen von Wärmegefällen aus der Umgebung (offenes System!) und wandelt die gewonnene Wärmeenergie in mechanische Energie um. Es handelt sich um kein geschlossenes System, und die Gesetze der Thermodynamik werden nicht gebrochen. Wärmeenergie fließt spontan ausschließlich von Warm nach Kalt. In den Peltier-Elementen (oder – ersatzweise – in der Wärmepumpe) dreht sich die Flussrichtung der Wärmeenergie jedoch – unter Energiezufuhr – um. (Man könnte das System in etwa mit einem Wasserkraftwerk vergleichen: Das Wasser wird von der Umgebungswärme in Form von Dampf auf die Berge gebracht, wo es abregnet. Beim Herunterfließen des Wassers wird unter Ausnutzung der Schwerkraft mechanische Energie erzeugt. Durch Zuführen mechanischer Energie kann das Wasser auch den Berg hoch gepumpt werden – Speicherkraftwerke!) Als Arbeitsmittel kann jedes Medium verwendet werden, dessen Siedepunkt beträchtlich unter dem Gefrierpunkt (273 Kelvin) liegt. Je niedriger der Siedepunkt, desto größer die Energieausbeute, und um so höher der Carnot’sche Wirkungsgrad. Die niedrigsten Siedepunkte haben (bei Umgebungsdruck) Helium mit 4,15 Kelvin und Wasserstoff mit 21,15 Kelvin.
Skizze des Autors – CC0
Funktionsweise: Das erwärmte Arbeitsmedium gelangt bei (8) in die Wärmekraftmaschine und durchströmt sie. Dabei treibt das Arbeitsmedium die Wärmekraftmaschine an und entspannt sich. Bei (1) gelangt das Arbeitsmedium in den Vorkühler, wo es einen Teil der Wärmeenergie an das Medium des Wärmetauscher-Kreislaufes abgibt. (2) In der Kühlschlange des Kühlers wird ihm die Restwärme entzogen, das Arbeitsmedium verflüssigt sich. Das Volumen des Arbeitsmediums vermindert sich sich durch die Verflüssigung auf etwa (Größenordnung) ein Tausendstel des Volumens im gasförmigen Zustand, und der Druck sinkt dem entsprechend. Bei (3) gelangt das flüssige Arbeitsmittel in die Speisepumpe. Es wird wieder auf den gewünschten Arbeitsdruck gebracht. Die Abwärme wird mit den Peltierelementen (oder mit einer Wärmepumpe) weg transportiert. Das flüssige Arbeitsmittel gelangt – diesmal auf der anderen Seite – bei (4) als Kühlmittel in den Kühler, wo es die Wärme aus der Kühlschlange aufnimmt. Dabei verdampft es. Zwischen (6) und (7) wird dem Arbeitsmedium die von den Peltierelementen (oder der Wärmepumpe) entzogene Wärme wieder zugeführt. Bei (7) gelangt das Arbeitsmedium in den Gegenstrom-Wärmetauscher, wo es auf annähernd Umgebungstemperatur erwärmt wird. Falls (Ab-)Wärmequellen verfügbar sind, kann das Arbeitsmedium danach weiter erhitzt werden. Bei (8) geht’s wieder in die Wärmekraftmaschine, und der Kreislauf beginnt von vorne. Im Wärmetauscher-Kreislauf kann trockene Luft, Stickstoff oder ein anderes nicht gefrierendes gasförmiges Medium verwendet werden. Im Gegenstrom-Wärmetauscher wird das Arbeitsmedium erwärmt, während das Medium des Wärmetauscher-Kreislaufes stark abgekühlt wird. Falls es sich (idealerweise) dabei verflüssigt, kann der Umlauf anstatt mit einem Lüfter mittels einer energiesparenden Pumpe (?) erreicht werden. Im Vorkühler, einem zweiten Gegenstrom-Wärmetauscher, wird dem Arbeitsmedium nach dem Austritt aus der Wärmekraftmaschine ein Teil der Wärmeenergie zu entzogen. Danach wird das Wärmetauscher-Medium im Luft-Wärmetauscher wieder annähernd auf Umgebungstemperatur gebracht. Möglicherweise ist die Kühlung durch den Vorkühler ausreichend, um die gesamte Verlustwärme abzuführen. Falls dies zutrifft, kann die zusätzliche Kühlung durch die Peltier-Elemente bzw. eine Wärmepumpe entfallen.
Anm. 1: Peltier-Elemente sind elektrische Bauteile, mit denen Wärme von einer Seite zur anderen transportiert werden kann. Dazu muss Gleichspannung angelegt werden. Die Richtung des Wärmetransports ist von der Stromrichtung abhängig. Durch einfaches Umpolen wechselt die kalte zur warmen Seite und umgekehrt. Sie können die Funktion einer Wärmepumpe übernehmen. Der Einbau der Peltier-Elemente – oder alternativ einer Wärmepumpe – ist erforderlich, um die Abwärme abzuführen. Die Abwärme ist um so geringer, je niedriger die Temperatur auf der kalten Seite der Wärmekraftmaschine ist und je besser der Carnot’sche Wirkungsgrad ist. 𝞰C =1-Tk/Tw . Je kleiner Tk, desto kleiner der Bruch Tk/Tw, und desto mehr nähert sich 𝞰C dem Wert 1. (Tk und Tw in Kelvin). Bei Verwendung von Wasserstoff als Arbeitsmedium beträgt der 𝞰C etwa 0,92, bei Verwendung von Helium sogar etwa 0,98. Entsprechend gering ist die Menge der abzuführenden Abwärme. Anm. 2: Möglicherweise ist die Kühlung durch den Vorkühler ausreichend, um die gesamte Verlustwärme abzuführen. Falls dies zutrifft, kann die zusätzliche Kühlung durch die Peltier-Elemente bzw. eine Wärmepumpe entfallen.
Es handelt sich hier um KEIN Perpetuum Mobile. Wenn man das Gerät in einen geschlossenen Raum stellt, der nicht ausreichend Wärmetausch mit der Umgebung hat, kommt es zum Stillstand.
Der Kreislauf des Arbeitsmittels entspricht dem einer geschlossenen Wärmekraftmaschine. Alle Gesetze der Thermodynamik bleiben unangetastet.
Es handelt sich um ein OFFENES SYSTEM.
Es fließt Wärmeenergie aus der Umwelt in die Maschine, und aus der Anlage kommt die gleiche Menge mechanischer (elektrischer) Energie. Keine Energie wird geschaffen, keine Energie wird vernichtet.
Man kann den Kreislauf des Arbeitsmittels mit dem Wasserkreislauf einer Dampfmaschine vergleichen: Es gibt einen Hochdruck-/Hochtemperaturteil (in der Skizze rot) und einen Niederdruck-/Niedrigtemperaturteil (in der Skizze blau). Der Hochdruckkreislauf beginnt bei der Speisepumpe und endet in der Wärmekraftmaschine (in der Skizze in Form einer Kolbenmaschine dargestellt). Der Niederdruckteil beginnt am Ausgang der Wärmekraftmaschine und endet an der Speisepumpe.
Zusätzlich gibt es einen Wärmetauscherkreislauf (in der Skizze grün). Dieser dient dem Wärmeaustausch zwischen Luft und Arbeitsmittel. Aufgrund der extrem tiefen Temperatur des Arbeitsmittels wäre ein direkter Wärmetausch mit der Luft nur schwer r ealisierbar (Vereisungsgefahr!). Außerdem kann das kalte Wärmetauschmittel zur Vorkühlung des Arbeitsmittels nach dessen Austritt aus der Wärmekraftmaschine verwendet werden.
Funktion:
Skizze des Autors – CC0
Das Wärmetauschmittel wird im Wärmetauscher A auf annähernd Umgebungstemperatur erwärmt. Es fließt dann in den Gegenstromwärmetauscher B. Dort gibt es Wärme an das noch kalte Arbeitsmittel ab und erwärmt es auf Betriebstemperatur (etwas niedriger als die Umgebungstemperatur). In B kühlt sich das Wärmetauschmittel stark ab, eventuell kondensiert es. Je nach dem, ob es noch gasförmig oder flüssig ist, kommt für seinen Umlauf eine Pumpe oder ein Lüfter zum Einsatz.
Das Arbeitsmittel ist im Wärmetauscher B von knapp über Siedetemperatur (unter 100 Kelvin) auf annähernd Umgebungstemperatur (mehr als 250 Kelvin) erwärmt worden und hat sich dabei stark ausgedehnt. Es wird nun in den hermetisch abgedichteten Maschinenraum eingeleitet. Beim Durchströmen des Maschinenraumes kann das Arbeitsmittel für die Kühlung sämtlicher Maschinen verwendet werden, sodass die Verlustwärme als Nutzwärme übernommen wird.
In der Wärmekraftmaschine (in der Skizze die Kolbenmaschine) leistet das Arbeitsmittel Arbeit, und die Maschine produziert mechanische Energie, die – eventuell als elektrische Energie – nach außen geleitet wird.
Das entspannte Arbeitsmittel mit niedrigem Druck und niedrigerer Temperatur verlässt den Maschinenraum und wird im Gegenstromwärmetauscher C durch das kalte Wärmetauschmittel vorgekühlt. Im Gegenstromwärmetauscher D wird es weiter gekühlt, und es kondensiert. Die Restwärme (Verlustwärme) wird mittels Wärmepumpe oder Peltierelementen abgeführt. Aber wohin? An das Arbeitsmittel auf der Hochdruckseite dort, wo dessen Temperatur am niedrigsten ist (siehe 3 Absätze weiter unten). Das gesamte Arbeitsmittel auf der Niederdruckseite wird somit verflüssigt.
Das flüssige Arbeitsmittel wird mit der Speisepumpe wieder auf den gewünschten Arbeitsdruck gebracht. Dabei erhöht sich seine Temperatur nur geringfügig (ideale Flüssigkeiten können nicht komprimiert werden, und da keine Volumenänderung erfolgt, bleibt auch die Temperatur konstant). Was sich hingegen wohl ändert, ist der Siedepunkt. Dieser erhöht sich in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck.
Das so gekühlte Arbeitsmittel durchströmt erneut den Gegenstromwärmetauscher D, diesmal in umgekehrter Richtung, wird vom Niederdruckarbeitsmittel erwärmt und verdampft schließlich. Die Verdampfungswärme auf der Hochdruckseite ist gleich groß wie die Kondensationswärme, die bei der Verflüssigung des Arbeitsmittels auf der Niederdruckseite frei wird.
Bei Dampfkraftwerken wird der Wasserdampf gekühlt, indem von außen ein (kaltes) Kühlmittel zugeführt wird oder die Kondensation in Kühltürmen erfolgt.
In unserem Fall ist keine Wärmesenke (kälterer Punkt als das kalte Arbeitsmittel) vorhanden. Deshalb muss die Abwärme mittels Wärmepumpe oder Peltierelementen auf das nächst höhere verfügbare Wärmeniveau angehoben werden. Dabei wird Energie verbraucht. Zum Glück ist aufgrund der sehr niedrigen unteren Temperatur (20 oder gar nur 4 Kelvin, je nach Arbeitsmittel und Druck auf der Niederdruckseite) der Carnot-Wirkungsgrad sehr hoch, und weniger als 10% der umgesetzten Energie fällt als Abwärme an.
Das nächste Wärmeniveau, das sich anbietet, ist die Siedetemperatur des Arbeitsmittels auf der Hochdruckseite nach dessen Austritt aus dem Wärmetauscher D.
Im Unterschied zu einer Dampfturbinenanlage kann in der beschriebenen Anlage die gesamte anfallende Verlustwärme in den Arbeitskreislauf aufgenommen werden. Entsprechend weniger Wärme muss/kann von außen zugeführt werden. Es ist auf jeden Fall von Vorteil, die Verluste so gering als möglich zu halten, da die Verlustenergie in der Maschine produziert werden muss. Die so verbrauchte Leistung kann also nicht nach außen abgegeben werden bzw. die Maschine muss auf eine höhere Leistung ausgelegt werden.
Eine besondere Herausforderung dürfte die thermische Isolierung des Tieftemperaturraumes sowie die Materialfestigkeit bei Temperaturen in der Nähe des Absoluten Nullpunktes werden.
Als Arbeitsmittel bieten sich wegen des niedrigen Siedepunktes insbesondere Helium (Siedepunkt 4,15 Kelvin) und Wasserstoff (Siedepunkt 21,15 Kelvin) an. Bei Verwendung von Helium ergibt sich ein theoretischer Carnot-Wirkungsgrad von 0,98. Das bedeutet, dass nur 2% der erzeugten Energie als Abwärme abgeführt werden muss.
Extra Bonus: Da der Umgebung Wärme entzogen wird, steht entsprechende Kühlleistung in Form von kalter Luft zur Verfügung (Ausgang Wärmetauscher A). Wenn man die verfügbare Kälte positiv in die Energiebilanz einrechnet, ergibt sich ein Wirkungsgrad größer als 1 (die zugeführte Wärme ist geringer als die nach außen abgegebene mechanische/elektrische Enerige + Kälteleistung), obwohl es sich hier wohlgemerkt um kein Perpetuum mobile handelt!
Anergie? Energie! 