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Leise Hoffnung für eine bessere Zukunft – ist der Regenbogen ein gutes Omen?

Weil nicht sein kann, was nicht sein darf. Oder wie drei Jahrhunderte lang erfolgreich das Pferd von hinten aufgezäumt wurde. Mit desaströsen Folgen für Natur, Umwelt und Gesundheit.

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Wärmekraftmaschine ohne Verbrennung? Geht das?

Eine Rehabilitation der Wärmekraftmaschine

Experten clicken hier!

Zuerst ein bisschen Grundwissen:
(Fast) alle chemischen Elemente und Verbindungen, das sind die Grundbaustoffe der Materie, können in verschiedenen Zuständen vorhanden sein: fest, flüssig oder gasförmig. Am vertrautesten ist uns das Wasser, eine Verbindung von zwei Wasserstoffatomen mit einem Sauerstoffatom. Wir wissen, dass Wasser bei normalem Luftdruck (1 bar) bei 0°C gefriert, also zwischen festem und flüssigem Zustand wechselt. Bei 1 bar Druck und 100°C verdampft es, wechselt also zwischen flüssigem und gasförmigem Zustand. Uns interessiert hier vor allem dieser Bereich. Wichtig ist für uns auch zu wissen, dass die Temperatur, bei der die Flüssigkeit verdampft, vom herrschenden Druck abhängt. Auf einem hohen Berg, wo der Luftdruck niedriger ist, kocht und verdampft das Wasser bei niedrigerer Temperatur. Bei höherem Druck kocht das Wasser bei einer höheren Temperatur. Das nutzt man zum Beispiel im Druckkochtopf aus, um das Kochgut schneller zu garen. Bei einem Druck von 2 bar kocht Wasser bei ca. 120°C.

Für den Wechsel vom flüssigen zum gasförmigen Zustand (Verdampfung) muss der Flüssigkeit eine genau definierte Wärmemenge pro Mengeneinheit zugeführt werden. Genau die selbe Wärmemenge wird wieder abgegeben, wenn das Gas in den flüssigen Zustand wechselt (Kondensation).

Wikipedia: „Die Verdampfungswärme ΔQv ist die Wärme, die benötigt wird, um eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit zu verdampfen, also vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Bei der Kondensation, welche die Umkehrung der Verdampfung darstellt, wird derselbe Betrag an Wärme wieder als Kondensationswärme frei.“

Das hier Gesagte gilt auch für uns bekannte Gase wie Stickstoff, Wasserstoff und Helium. Nur sind die Temperaturen und die jeweils notwendige Energie bei jedem Stoff anders.

Eine wichtige Erscheinung bei diesem Vorgang: bei der Verdampfung nimmt bei gleichbleibendem Druck das Volumen des verdampften Stoffes stark zu. Zum Beispiel werden aus 1 Liter flüssigem Wasserstoff 842 Liter Wasserstoffgas. Umgekehrt wird, wenn man den gasförmigen Wasserstoff unter seine Siedetemperatur abkühlt, aus 842 Liter Gas 1 Liter flüssiger Wasserstoff. Das Volumen ändert sich also grob um den Faktor 1000.

Falls der flüssige Stoff sich in einem geschlossenen Gefäß befindet, er sich also beim Erhitzen auf Siedetemperatur nicht ausdehnen kann, steigt der Druck im Gefäß stark an, beim Abkühlen unter den Siedepunkt sinkt er stark ab. Dieses Phänomen nützt man in Dampfmaschinen aus, um mechanische Energie zu erzeugen. Auf einer Seite eines Kolbens oder einer Dampfturbine herrscht hoher Druck, auf der anderen Seite sehr niedriger Druck. Der Dampf versucht, von der Seite mit hohem Druck auf die Seite mit niedrigem Druck zu fließen und den Druckunterschied auszugleichen. Dabei gibt er Energie an den Kolben oder an das Turbinenrad ab und treibt diese an. Dadurch kann mechanische Energie erzeugt werden, die dann in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dampfmaschinen müssen nicht unbedingt mit Wasserdampf betrieben werden. Auch Gase, wie zum Beispiel Wasserstoff oder Helium, können dafür eingesetzt werden.
Noch ein paar Worte zum Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist eine Zahl, die angibt, wie viel von der zugeführten Energie in mechanische Energie umgewandelt werden kann. In unserem Fall handelt es sich bei der zugeführten Energie um Wärme. Der Wirkungsgrad wird unter Technikern als absolute Zahl, also etwa 0,9 angegeben, in der Umgangssprache nutzt man meist eine Angabe in Prozent: 90%.
Temperatur: bei der Berechnung benutzt man die absolute Temperatur, deren Nullpunkt bei -273,15°C = 0 Kelvin liegt. Das ist der absolute Nullpunkt. Mutmaßlich gibt es keinen Punkt im Universum, der kälter ist. Der absolute Nullpunkt kann nicht erreicht werden, aber man kann ihm bis auf wenige Grad nahe kommen: flüssiges Helium siedet bei 4,15 Kelvin, flüssiger Wasserstoff bei 21,15 Kelvin. Grad Kelvin wird mit K abgekürzt. Die Skaleneinteilung der Kelvinskala ist abgesehen von der Verschiebung des Nullpunktes mit der Unterteilung der Celsiusskala identisch (zwischen Gefrierpunkt und Siedepunkt von Wasser liegen in beiden Skalen 100 Grad).
Für Wasserstoff spricht, dass das Gas allgemein verfügbar ist und leicht hergestellt werden kann. Helium würde zwar einen besseren Wirkungsgrad bringen, aber das Vorkommen ist eher gering. Die Gewinnung erfolgt hauptsächlich aus fossilen Rohstoffen (Erdöl und Erdgas) und ist de facto ein Monopol weniger Hersteller.

Und hier geht’s los!
Der theoretisch mögliche Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ηC = 1- TK/TH, mit TK der Temperatur auf der kalten und TH jener auf der heißen Seite der Maschine. TK und TH bezogen auf den Absoluten Nullpunkt (0 Kelvin = −273,15°C).
Bei mit Wasserdampf betriebenen Maschinen ist eine Kalttemperatur von 0°C wegen des gefrierenden Wassers die erreichbare Untergrenze.
Wenn man jedoch andere Arbeitsmittel anstelle von Wasser benutzt, sind (sehr viel) niedrigere untere Temperaturen TK möglich.
Das ist deswegen bedeutsam, weil es – wie man aus der Formel für den Wirkungsgrad ηC ersehen kann – einen bedeutenden Unterschied macht, ob man die heiße Temperatur oder die kalte Temperatur verändert.

Rechenbeispiel: TH=800 K, TK = 273 K, ηC = 0,65875; TH=1000 K, TK = 273 K, ηC = 0,727. Eine Erhöhung der heißen Temperatur um 200 Grad ergibt also eine Steigerung des Wirkungsrades um gerade einmal 0,06825. Wenn man hingegen die kalte Temperatur um 200 Grad absenkt, schaut es so aus: TH=800 K, TK = 73 K, ηC = 0,90875. Also eine Verbesserung des Wirkungsgrades um 0,25, das ist das 3,663-fache. Und es geht noch mehr. Mit flüssigem Wasserstoff kann eine Kalttemperatur TK = 21,15 K erreicht werden, mit flüssigem Helium wäre sogar eine Kalttemperatur von TK = 4,15 K möglich.
Das bedeutet, dass nicht mehr mindestens ein Drittel der eingespeisten Wärme als Abwärme entsorgt werden muss, sondern ein Betrag in der Größenordnung von 10%. Dazu kommt noch eine Überraschung, mit der wohl niemand gerechnet hätte:
Man kann Umgebungswärme „ernten“ und in mechanische Energie umwandeln.

Da dabei der Umgebung Wärme entzogen wird, spricht nichts dagegen, die erzeugte kühlere Umgebungsluft für die Klimatisierung von Gebäuden zu verwenden oder Kühlräume zu kühlen.

Wie soll das funktionieren?

Wärmekraftmaschine

zur Energiegewinnung aus Umgebungswärme

(H2OM06012021-10)

Die gesamte Anlage besteht aus zwei getrennten Teilen:

A) Der Arbeitskreis samt Wärmekraftmaschine (Das Arbeitsmittel fließt entlang der roten Linie und durch die Wärmekraftmaschine)

B) Die Kühlung: Kühler, Speicher, Ableitung für Wasserstoffgas (blau bzw. Türkis). Der Kühler, der Speicher und die Ableitung sind extrem stark wärmeisoliert. Es herrscht dort eine Temperatur von ˗252°C (=21,15 Kelvin)

Beginnen wir mit einer leeren Anlage: Im Kühler befindet sich keine Kühlflüssigkeit, im Arbeitskreis kein Arbeitsmittel.

Vorbereitung

a) Wir füllen nun den Arbeitskreis mit Wasserstoffgas. Der Druck im Arbeitskreis wird bis auf 20 bar erhöht. Der gasförmige Wasserstoff verteilt sich gleichmäßig auf den ganzen Arbeitskreis. Die Temperatur des Wasserstoffs ist gleich der Umgebungstemperatur. An der Speisepumpe liegt keine Flüssigkeit an, weshalb sie „leer“ läuft.

b) Wir befüllen den Kühler und den Wasserstoffspeicher mit flüssigem Wasserstoff bei Umgebungsdruck. Flüssiger Wasserstoff „kocht“ bei Umgebungsdruck bei ˗252 °C (=21,15 Kelvin). Diese Temperatur bleibt konstant, solange der Druck konstant bleibt und flüssiger Wasserstoff im Behälter ist. Flüssiger Wasserstoff verhält sich ähnlich wie Wasser: wenn der Druck steigt, steigt die Siedetemperatur. – Beim Kochen kommt diese Eigenschaft im Schnellkochtopf zum Tragen: wenn man den Topf verschließt, kann der Dampf nicht entweichen und der Druck im Inneren des Topfes steigt. Dadurch kann das Wasser eine höhere Temperatur erreichen, bevor es verdampft. Die Speisen garen bei höherer Temperatur schneller. – Wie beim Wasser muss auch dem flüssigen Wasserstoff Wärme zugeführt werden, damit er verdampft. Umgekehrt verflüssigt sich Wasserstoffgas, wenn man ihm die Verdampfungswärme entzieht (abkühlt).

Skizze des Autors – CC0

Funktion Arbeitskreis

  • Das Wasserstoffgas des Arbeitskreises, das sich in der Kühlrohrschlange 1-2 im Kühler befindet, wird soweit abgekühlt, bis es kondensiert, das heißt, flüssig wird. Die Verflüssigung erfolgt wegen des höheren Druckes des Wasserstoffgases bei einer höheren Temperatur als jener, bei der der flüssige Wasserstoff im Kühler verdampft. Das Gas im Arbeitskreis „schrumpft“ bei der Verflüssigung auf den 842sten Teil seines Volumens, und der Druck auf dieser Seite der Wärmekraftmaschine fällt stark ab. Der Abschnitt 1-2 stellt den Niederdruckteil der Anlage dar.
  • Bei 2 gelangt der flüssige Wasserstoff in die Speisepumpe. Diese erhöht den Druck des flüssigen Wasserstoffes auf den Arbeitsdruck im Hochdruckteil der Anlage. Der Hochdruckteil besteht aus dem Abschnitt 3-6.
  • Bei 3 fließt der noch flüssige und kalte Wasserstoff in den Wärmetauscher, wo er in Kontakt mit der Umgebungswärme kommt. Der Temperaturunterschied zwischen dem flüssigen Wasserstoff und der Umgebung beträgt etwa 250 Grad. Wärme fließt nur von der warmen zur kalten Seite. Deshalb fließt eine große Wärmemenge von der Umgebung über den Wärmetauscher zum kalten Wasserstoff. Der flüssige Wasserstoff verdampft zunächst bei gleichbleibender Temperatur, wobei er sich auf das 842-fache seines Volumens ausdehnt. Danach erwärmt er sich bis auf Umgebungstemperatur und dehnt sich weiter aus (wenn er sich nicht ausdehnen kann, steigt der Druck entsprechend).
  • In den beiden Wärmetauschern zwischen 4 und 6 kann weitere Wärme zugeführt werden, wodurch sich der Wasserstoff des Arbeitskreises weiter ausdehnt bzw. der Druck weiter ansteigt.
  • Bei 6 wird der Wasserstoff der Wärmekraftmaschine (Dampfturbine oder klassische Kolbendampfmaschine) zugeführt, wo er die Maschine antreibt und sich dabei auf den niedrigen Druck entspannt. Bei 1 gelangt er wieder in den Kühler.

Funktion Kühler

  • Bei der Verflüssigung des Wasserstoffes im Arbeitskreis wird die Verdampfungswärme auf den (kälteren) flüssigen Wasserstoff des Kühlers übertragen. Dabei „kocht“ der flüssige Wasserstoff im Kühler, und es verdampft hier annähernd die selbe Menge Wasserstoff, wie im Arbeitskreis flüssig wird. Der verdampfte Wasserstoff hat dabei die extrem niedrige Temperatur von ˗252 °C (=21,15 Kelvin), sofern ihm keine weitere Wärme zugeführt wird. Der verdampfte Wasserstoff entweicht aus dem Kühler. Er ist nicht konsumiert, sondern steht noch zur Verfügung, allerdings nicht mehr als Flüssigkeit, sondern als extrem kaltes Gas.

►Der im Kühler verdampfte Wasserstoff muss durch flüssigen Wasserstoff ersetzt werden.

Kaskaden

Man kann auch mehrere Anlagen kaskadieren. Man braucht dazu in jedem zusätzlichen Arbeitskreis ein Gas mit höherer Siedetemperatur. Am besten beginnt man mit dem Gas mit der niedrigsten Siedetemperatur, also Helium mit Siedetemperatur 4,15 Kelvin. Danach folgt Wasserstoff mit Siedetemperatur 21,15 Kelvin, Neon mit 27,15 Kelvin, usw.

Kaskade – Skizze des Autors – CC0

Je höher die Siedetemperatur, desto geringer die von der Umgebung aufgenommene Leistung, und desto niedriger der Wirkungsgrad, was aber nicht so stark ins Gewicht fällt, da die benutzte Wärme kostenlos aus der Umgebung kommt.

Am Ausgang der jeweiligen Speisepumpe 3 fließt das flüssige Gas in den Wärmetauscher und kühlt dort das Arbeitsgas des nächsten Arbeitskreises (Niederdruckseite). Damit braucht nur das Gas des ersten Arbeitskreises eine externe Wärmesenke. Die darauffolgenden geben die Abwärme und die Verdampfungswärme jeweils als Nutzwärme an den vorhergehenden Arbeitskreis ab. Die einzelnen Wärmekraftmaschinen sind mechanisch gekoppelt und treiben gemeinsam einen Generator oder einen anderen Verbraucher mechanischer Energie an.

Neuester Stand (17.09.2021): https://wordpress.com/post/anergieenergie.wordpress.com/440


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