Das Zeitalter der Feuers geht seinem Ende zu. Folgt das Zeitalter der Kälte?

Wasserstoff oder Helium könnten uns dabei helfen.

Trotz Wasserkraft, Windenergie, Solarthermik und Photovoltaik gilt bisher als selbstverständlich, dass das Feuer in all seinen Formen die Menschheit mit Energie und Wärme versorgt.

Wärmekraftmaschinen sind der moderne Ausdruck dieser Überzeugung. Man versucht mit allen Mitteln und Tricks, die Temperatur des Arbeitsmittels in den Wärmekraftmaschinen zu steigern, um so noch ein bisschen mehr Leistung herauszukitzeln. Denn je höher die Temperatur auf der heißen Seite der Maschine, desto größer der Wirkungsgrad, also desto besser die Verwertung der investierten Brennstoffe. Die Temperatur auf der kalten Seite der Maschine wird mehr oder weniger als gottgegeben bei Umgebungstemperatur angenommen. Dies alles könnte demnächst ein Ende finden.

Die Formel für den theoretisch möglichen Wirkungsgrad des Carnot-Kreisprozesses lässt eindeutig erkennen, dass eine Änderung der Temperatur auf der kalten Seite mehr bewirkt als die selbe Änderung auf der heißen Seite: ηC = 1-TK / TH , mit TK als Temperatur auf der kalten Seite und TH als Temperatur auf der heißen Seite. Je kleiner die Temperatur auf der kalten Seite, desto besser der Wirkungsgrad. Das sieht man eindrücklich im T-S-Diagramm: die blaue Fläche unter der Kennlinie stellt die Verlustwärme dar.

(Grafiken: Von Menner – Eigenes Werk, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=37884724 – Von Menner – Eigenes Werk, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=35673638)

Der Carnot-Wirkungsgrad: ηC = 1-TK/TH, mit TK als (kalter) Endtemperatur und TH als (heißer) Anfangstemperatur des Kreisprozesses. Bei den üblichen Wärmekraftmaschinen wird als kalte Endtemperatur in etwa die Umgebungstemperatur als Untergrenze angesehen. Bei mit Wasserdampf betriebenen Maschinen ist wegen des Gefrierpunktes des Wassers bei 0°C (ca. 273 Kelvin) auf jeden Fall Schluss. Damit ergibt sich z. B. mit TH = 800 K (527°C) ein maximal erreichbarer Carnot-Wirkungsgrad von ca. 0,65. Das bedeutet, dass mindestens 35% der zugeführten Wärme als Abwärme entsorgt werden müssen. Ganz anders sieht es aus, wenn man die Temperatur TK in die Nähe des absoluten Nullpunktes bringt. Und hier kommt der Wasserstoff ins Spiel. Aber nicht als Brennstoff oder Energiespeicher, sondern als Kälte- und Arbeitsmittel.

Wasserstoff hat bei normalem Luftdruck (1013,25 hPa) eine Siedetemperatur von 21,15 K (-252°C),das heißt, flüssiger Wasserstoff ist maximal 21,15 K „warm“. Bevor die Temperatur steigen kann, muss der gesamte flüssige Wasserstoff verdampfen. Als Arbeitsmittel in einer derart gekühlten Maschine bietet sich ebenfalls Wasserstoff unter erhöhtem Druck an. Der Aufwand für die Speisepumpe, mit der der flüssige Wasserstoff auf den Betriebsdruck gebracht wird, liegt laut Wikipedia bei 0,5% der Turbinenleistung (für Dampfkraftwerke gilt: „die Arbeit der Kesselspeisepumpe [beläuft sich auf] nur etwa 0,5Prozent der Turbinenarbeit“ – https://de.wikipedia.org/wiki/Clausius-Rankine-Kreisprozess).

Wie schaut es nun mit dem Carnot-Wirkungsgrad aus? Mit TH = 800 K ergibt sich für ηC = 1- 22/800= 0,97, das heißt, nur noch 3% der zugeführten Energie müssen als Abwärme entsorgt werden.

Interessant wird es, wenn man als TH = 273 K (0°C) annimmt; dann kommt man immer noch auf einen Carnot-Wirkungsgrad von ηC = 1-22/273=0,92. Das bedeutet, dass man (maximal) 92% der bei 0°C aus der Umgebung absorbierten Wärme in (mechanische oder elektrische) Nutzenergie umwandeln kann. Die umgewandelte Wärme stammt nicht von einer besonderen Energiequelle, sondern wird der normalen Umgebung entzogen. Das Arbeitsmedium (Wasserstoff) ist kälter als die Umgebung. Man kann selbstverständlich auch andere verfügbare Wärmequellen (Abwärme aus Industrieprozessen usw.) hinzunehmen. Die im Kreisprozess anfallende Abwärme (ca. 8% der Nutzenergie) kann mittels Wärmepumpe am kältesten Punkt in den Arbeitskreislauf zurückgeführt werden. Sie zirkuliert sozusagen als Ballast innerhalb des Kreisprozesses. In der Wärmepumpe wird der verdampfte Wasserstoff des Kühlkreislaufes verflüssigt und über eine Drossel wieder dem Kühler zugeführt. So wird weder im Kühlkreislauf noch im Arbeitskreislauf Wasserstoff verbraucht. Er verbleibt immer im jeweiligen Kreislauf.

Alternativ kann der im Kühler verdampfte Wasserstoff zur Erhitzung des Arbeitsgases zu Wasser verbrannt werden. Dann muss ständig neuer flüssiger Wasserstoff zugeführt werden. Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine ist höher als der einer Brennstoffzelle. Die Wahl zwischen den beiden Alternativen ist vor allem eine Kostenfrage: Beschaffung flüssigen Wasserstoffs oder aufwändigere Wärmepumpe. Ebenso möglich wäre es, den gasförmigen Wasserstoff zwecks Stromerzeugung einer Brennstoffzelle zuzuführen und die dabei anfallende Wärme ebenfalls in den Arbeitskreislauf einzuspeisen.

(Grafik: eigener Entwurf des Autors, CC0)

Anstelle von Wasserstoff könnte man auch Helium verwenden. Da sieht die Bilanz sogar noch besser aus. Der Siedepunkt von Helium bei Normaldruck liegt bei 4,15 Kelvin. Wenn man als TH 273 Kelvin (0°C) annimmt, kommt man auf einen Carnot-Wirkungsgrad ηC= 1-4,15/273=0,985, während man bei Wasserstoff ηC=1-21,15/273=0,922 erreicht.

Fazit: Durch die starke Absenkung der kalten Temperatur des thermischen Kreisprozesses rücken Wärmekraftmaschinen nahe an den Wirkungsgrad elektrischer Maschinen heran. Gleichzeitig erschließt sich uns ein Energiereservoir, das uns bisher nicht zugänglich war (wenn wir einmal von der Nischennutzung durch Wärmepumpen absehen). Zum Nutzen der Umwelt und zu überschaubaren Kosten.

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Prinzipschaltbild und Funktionsbeschreibung

Der Druck des Arbeitsgases (Wasserstoff) wird durch die Speisepumpe bestimmt. Kühlkreislauf und Arbeitskreislauf sind vollkommen von einander getrennt, aber in beiden Kreisläufen kann Wasserstoff als Arbeits- bzw. Kühlmittel verwendet werden.

Funktion Arbeitskreislauf:

1 – Der Wasserstoff ist durch externe Wärmezufuhr auf ca. 270 Kelvin (0°C) erwärmt. Er strömt durch die Turbine und entspannt sich dabei.
2a – (nur unteres Bild) Der Kühler besitzt einen Vorkühler, in dem das verdampfte, aber noch kalte Kühlmedium das Arbeitsmedium vorkühlt.
2 – Der Wasserstoff des Arbeitskreislaufes gelangt in den Kühler, wo er durch den flüssigen Wasserstoff des Kühlkreislaufes bei Normaldruck auf ca. 22 K (-251°C) abgekühlt wird. Dabei wird er verflüssigt.
3 – Der nunmehr flüssige Wasserstoff wird von der Speisepumpe wieder auf den Arbeitsdruck gebracht.
4 – (nur oberes Bild) Der flüssige Wasserstoff des Arbeitskreises wird durch den Kondensator für das Kühlmittel geleitet, wo er die gesamte Abwärme des Arbeitszyklus aufnimmt.
5 – Der Wasserstoff fließt durch den Wärmetauscher. Dort nimmt er die extern zugeführte Wärme (aus der Umgebung und/oder Abwärme von Produktionsstätten oder Wohnanlagen usw.) auf. – Der Wasserstoff kann als Kühlmittel für sämtliche Maschinen verwendet werden. Es muss keine (Ab-)Wärme an die Außenwelt abgegeben werden.
6 – (nur unteres Bild): Das Arbeitsgas wird durch Verbrennung des verdampften Wasserstoffs weiter erhitzt.

(Grafik: eigener Entwurf des Autors, CC0)
(Grafik: eigener Entwurf des Autors, CC0)

Funktion Kühlkreislauf (oberes Bild):
Im Kühler kühlt der flüssige Wasserstoff des Kühlkreislaufes den Wasserstoff des Arbeitskreislaufes auf ca. 22 K. Dabei verdampft ein Teil des Kühlwasserstoffes. Solange flüssiger Wasserstoff vorhanden ist, bleibt die Temperatur des verdampften Wasserstoffes bei ca. 22 K (Siedetemperatur).
10 – Das verdampfte Kühlmittel wird mittels Verdichter auf höheren Druck gebracht.
11 – Es verflüssigt sich im Kondensator und gibt die Abwärme des Prozesses an das Arbeitsmittel ab.
12 – Das flüssige Kühlmittel wird wieder dem Kühler zugeführt. An der vorgeschalteten Drossel wird der Druck angepasst.

Funktion Kühlkreislauf (unteres Bild):
Hier besteht der Kühler aus zwei Teilen: der eigentliche Kühler ist mit flüssigem Wasserstoff gefüllt, welcher zum Teil verdampft. Der verdampfte Wasserstoff hat dabei die (kalte) Siedetemperatur von 21,15 K. Er wird durch den Vorkühler geleitet, wobei er vom Arbeitskreislauf Wärme aufnimmt, bevor er schließlich zu Wasser verbrannt wird. Die Verbrennungswärme wird vor der Turbine dem Arbeitsmedium zugeführt.

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