Orkrakel und Peak Ice

Wenn der Blubber nicht mit der pannonischen Eisschmelze fertig wird – vielleicht dann das Orkrakel?

Die vom elkement in vielen Jahren liebevoll herangezüchtete Orakelkrake hat endlich ihren großen Einsatz: Wie hat der Verlauf des Eisvolumens mit der Zeit in diesem Winter mutmaßlich ausgesehen?

Die Orakelkrake ist genügsam: Sie ernährt sich primär von Messdaten für Außentemperatur und Strahlung. Füttert man ihr zusätzlich noch so genannte Systemparameter – wie die Heizkurve der Siedlerhütte – dann antwortet sie mit einer Simulation.

Die Sicht des Blubbers:

Die Sicht des Orkrakels:

2016-09 - 2017-03: Temperaturen und Eisvolumen - Simulation

Die Temperaturen im Diagramm sind tägliche Mittelwerte; das Eisvolumen jeweils der Wert am Ende des Tages. Simuliert wird aber in Minutenabständen. Die Temperaturen in allen Tanks und das Eisvolumen wird bestimmt dadurch, wieviel Energie die einzelnen Komponenten verbrauchen oder liefern: Die Wärmepumpe versorgt abwechselnd Puffertank und Hygienespeicher; die Heizkreise entziehen dem Puffer Wärme.

Die aktuelle Heizlast in Abhängigkeit von der Außentemperatur wurde aus den Messungen des monatlichen Energieverbrauchs ermittelt und linear angenähert (bis zur Heizgrenztemperatur). Der COP der Wärmepumpe wird nach den Datenblättern des Herstellers aus Soleeintrittstemperatur und der Vorlauftemperatur berechnet.

Wesentlich ist die Serienschaltung der drei Komponenten im Solekreis: Vedampfer der Wärmepumpe, Kollektor und der Wärmetauscher im Tank. Hier werden die Temperaturen an den Ein- und Austrittspunkten selbstkonsistent ‚im gleichen Moment‘ berechnet – aus Luft- und Tanktemperatur und der aktuellen Entzugsleistung.

Die Logik der Regelung(en) UVR1611 bzw. UVR16x2 und die ‚virtuellen Dreiwegeventile‘ für die Wärmepumpe und den Kollektor werden möglichst realistisch abgebildet: Warmwasserbereitung hat Priorität; der Kollektor wird zugeschaltet, wenn die Lufttemperatur ausreichend über der Soletemperatur liegt.

Der Wärmestrom aus dem / in den Boden wird aus dem Verlauf der Temperatur bis in 10m Tiefe ermittelt, durch Lösung der Wärmeleitungsgleichung. Die Temperatur in der Tiefe ist hier die vorgegebene Randbedingung.

Unter diesen Annahmen liefert das Orkrakel solide Ergebnisse, die der Realität sehr nahe kommen. Peak Ice wird aber um ca. 0,7m3 überschätzt, da die Soleeintrittstemperatur eher überschätzt wird. Das Orkrakel hat nämlich darauf verzichtet, den Wärmetransport im wachsenden Eis zu simulieren oder die Konvektion im Tank (‚4°C-See‘ aufgrund der Dichteanomalie des Wassers). Der Eisspeicher hat in der Simulation immer genau 0°C sobald etwas Eis gebildet wurde. Die Orakelkrake fühlt sich mit diesem gewagten Hüftschuss als Clint Eastwood der Eisspeicher-Simulation. Aber seriösere wissenschaftliche Publikationen zeigen, dass der Wärmetransport zum Eisspeicher-Wärmetauscher nicht wesentlich durch die wachsende Eisschicht beeinträchtigt wird (S.5 dieses Berichts, ‚Ice on Coil‘); somit sollte die Energiebilanz für den Tank halbwegs verlässlich sein.

Der Blubber: An der Klippe …

Irgendwer hätte dem beruhigenden Blubbern noch stundenlang zuhören können. Aber leider war das Messintervall für den Füllstand schon wieder vorüber und der Blubber verstummte unvermittelt. So schloss er den Eisspeicher-Deckel, und zog zufrieden Bilanz über die Feuerprobe des Blubbers (… die ja – genau genommen – eine ‚Eisprobe‘ gewesen war).

Blubber-1-Wasser

(1) Nur Wasser, kein Eis (mehr) im Eisspeicher

Der kälteste Pannonische Jänner seit 30 Jahren hatte für genügend Eis im Eisspeicher und damit für optimale Blubber-Testbedingungen gesorgt. Trotz dieser harschen Umgebungsbedingungen hatte der Blubber verlässlich seinen Dienst getan und den Füllstand kontinuierlich aufgezeichnet.

Blubber-Fuellstand

Obwohl dieser Blubber-Füllstand natürlich unmittelbar mit der Eisbildung zusammen hing, zeigte er trotzdem einen Verlauf, der auf den ersten Blick vielleicht etwas unlogisch erscheinen konnte. Besonders die starken Schwankungen in der Auftauphase (3) und der ’negative‘ Füllstand gegen Ende der Eisperiode (4)…

Eine direkt Umrechnung des Füllstandes in Eisvolumen war nur unter bestimmten Bedingungen möglich. Dazu musste man sich erst einmal vergegenwärtigen, was sich so im Laufe eines Winters im Eisspeicher abspielte:

Blubber-Phasen-der-Eisbildung

Schematische Darstellung der Eisphasen: (1) nur Wasser (2) kontinuierlicher Eiszuwachs um die Wärmetauscherrohre und an der Oberfläche (3) (temporärer) Eisrückgang und Wiederanstieg (4) Endphase der Eisschmelze: der Eisdeckel schmilzt zuletzt.

In der Phase der kontinuierlichen Eisbildung (2) entsteht Eis um die Wärmetauscherrohre und an der Wasseroberfläche. Da das Wasser durch das wachsende und an der Trägerkonstruktion festgefrorene Eis an die Oberfläche verdrängt wird, ist das gesamte Eisvolumen unter Wasser. – Der Füllstand kann direkt in Eisvolumen umgerechnet werden.

Blubber-2-Wasser-Ueber-Eis

(2) In der Phase der kontinuierlichen Eisbildung befindet sich das gesamte Eisvolumen unter Wasser

Sobald die erste Tauwetterphase einsetzt (3), schmilzt Eis zuerst an den Wärmetauscher-Rohren. Der Wasserstand sinkt und das nach wie vor an der Trägerkonstruktion festgefrorene Eisgebilde erhebt sich wie eine Klippe über das Wasser. Da ein Großteil der Oberfläche gefroren ist, sinkt der Wasserspiegel in den eisfreien Zonen überproportional stark.

In dieser Phase wird das direkt aus dem Füllstand ermittelte Eisvolumen unterschätzt. Dafür sind kleinste Änderungen im Eisvolumen durch starke Schwankungen des Füllstandes in relativ kleinen eisfreien Zonen sehr genau messbar.

Gefrier- und Tauphasen wechseln sich quasi wie Flut und Ebbe zwischen den Klippen ab.

Blubber-3-Klippe

(3) In Tauwetterphasen sinkt der Wasserspiegel in den eisfreien Zonen überproportional schnell und Eisklippen erheben sich über das Wasser

Gegen Ende der Eisperiode (4) sinkt der Wasserspiegel sogar kurzfristig unter den ursprünglichen Stand. Während das Eis um die Wärmetauscherrohre bereits vollständig geschmolzen ist, schmilzt der ‚Eisdeckel‘ mangels direkter Wärmezufuhr (fehlender Kontakt zu Wärmetauscherschläuchen und  zum Wasser) zuletzt.

Blubber-4-Eisscholle

(4) Am Ende der Eisperiode hängt der ‚Eisdeckel‘ in der Luft und schmilzt zuletzt.

Fortsetzung: Orkrakel und Peak Ice

Kanadisches Siedler-Feeling?

Eben dieses wurde von Irgendwem kürzlich heraufbeschworen. Aber wie kanadisch ist unser pannonisches Siedler-Feeling wirklich – statistisch gesehen?

In der kanadischen Prärie steigt die Temperatur zwischen Mitte November und Mitte März selten über 0°C. Dagegen war die Ausbeute von 5 Eistagen in Wien zwischen Jänner und März 2014 eher bescheiden.

Two men sit outside of a sod house with log framing. In front of them is a large pile of buffalo skulls and bones

Ein typisches Kanadisches Siederhaus aus Grasnaben-Ziegeln (Sod house). Das Ergebnis eines Nachbaus einer solchen Siedlerhütte 2005: „If it rained two days outside, it rained one day inside“.

Wir blättern in den Annalen unserer Wetterfrösche, auf der Suche nach dem kanadischsten Winter am Standort der Siedler: Zwischen 20. Dezember 1996 und 20. Jänner 1997 hätte der größte Eiswürfel Pannoniens erzeugt werden können. Der Kollektor wäre nur wenig zum Einsatz gekommen.

Eismonat 1997, mittlere und maximale Außentemperaturen

Die Siedler benötigen an kanadischen Tagen ca. 130 kWh Heizenergie (inklusive Warmwasser); bei einer Arbeitszahl von 4 werden dem Tank ca. 100 kWh entzogen. Damit kann der Eisspeicher 20 Tage überbrücken. Die elektrische Zusatzheizung hätte eventuell den einen oder anderen Tag kurz einspringen müssen.

Den Antirekord stellt der eher kanarische Winter 2006/2007 dar:

Warmer Winter 2007, Außentemperaturen

In dieser Saison wäre kein Eis produziert worden und der Kollektor hätte eher ähnlich dem Außengerät einer Luftwärmepumpe gearbeitet.

Der Tank wäre in 20 Jahren insgesamt zwei Mal an sein Limit gestoßen. Rechtfertigt das den Bau eines größeren Eisspeichers – oder gönnen wir unserem pannonischen Energieversorger den zusätzlichen Umsatz durch eine rein elektrische Zusatzheizung?

  • Der Jahresenergieverbrauch der Siedler ist – konservativ geschätzt: 20.000 kWh
  • Um diese Energie zu erzeugen, benötigt die Wärmepumpe bei einer Arbeitszahl von 4 eine elektrische Energie von 5.000 kWh.
  • Einige zusätzliche Heizstab-Tage bei kanadischer Heizleistung würden in etwa zusätzliche 500 kWh brauchen.
  • D.h. einmal in 10 Jahren würde der Bedarf an elektrischer Energie um 10% größer sein; das ergibt im Durchschnitt eine Erhöhung des elektrischen Energieverbrauchs von (max.) 1%.

Und die Rolle des landestypischen Siedlerofens ist noch nicht einmal berücksichtigt.

Die Deutschen Wetterfrösche sind großzügiger mit ihren historischen Daten – damit können wir bestätigen, dass ein kanadischer Eismonat in unseren Breiten in etwa alle 10 Jahre auftritt.

Blättern wir allerdings in den Wetterannalen bis zur Saison 1962/63, finden wir einen wahrhaft kanadischen Winter auch in der pannonischen Tiefebene:

Für Mittel- und Westeuropa bemerkenswert ist seine ungewöhnlich lange Frostdauer, die sich im Bereich eines 250-jährigen Ereignisses bewegt.

Herausragend ist aber, dass gebietsweise auch in tiefen Lagen bis zu 120 Eistage in Folge lagen. Damit ist der Winter die größte Kälteperiode seit 1739/40 gewesen

In Kanada und Grönland herrschte dagegen in diesem 250-jährigen Ausnahmewinter pannonische Milde:

GHCN GISS HR2SST 1200km Anom1203 1963 1963 1949 1978

Die Siedler hätten weitere 60 Tage rein elektrisch (1:1) heizen müssen und 7.800 kWh verbraucht – um 5.850 kWh mehr, jener 3/4-Anteil, der sonst von ‚der Umwelt‘ zur Verfügung gestellt worden wäre.

Jeder Betrachtungszeitraum länger als die Lebensdauer eines Siedlers oder seiner Hütte ist eine etwas zweifelhafte Zahlenspielerei – entweder man hat ihn erlebt, den Ausnahmewinter, oder nicht. Aber sei’s drum: In 250 Jahren würden für die Wärmepumpenheizung 1.250.000 kWh elektrische Energie verbraucht – die zusätzlichen 5.850 kWh fallen mit weniger als 0,5% dann auch nicht mehr ins Gewicht …

Mut zum Phasenübergang!

Auf diesem Blog wird regelmäßig der Phasenübergang von Wasser zu Eis glorifiziert. Während dieses thermodynamisch aufsehenerregenden Vorgangs wird Wärme entzogen, die genutzt werden kann – was in populärwissenschaftlichen Postillen gerne mit dem Satz Klingt paradox, ist aber so! eingeleitet wird.

Aber im Wilden Westen, im Land der unbegrenzten Möglichkeiten, gibt es mutige, weltoffene Siedler, die sich noch größeren Herausforderungen stellen. Ihre Experimente sind subtil. Sublim.

Hier werden aus Dampf Schneeflocken gemacht – resublimiert!

Die verwegenen Siedler setzen sich nicht unerheblichen persönlichen Risiken aus: Nach diesen Berichten verbrühten sich mindestens 50 Hobbyforscher. Neben den prinzipiellen Tücken der Thermodynamik (siehe unten) wurde die aus anderem Kontext bekannte Regel missachtet, Flüssigkeiten in der Natur nicht gegen die Windrichtung zu versprühen:

„I accidentally threw all the BOILING water against the wind and burnt myself.“

Wann entsteht warum aus Dampf Eis? Können wir in einem handelsüblichen Kaffehäferl[*] reinen Dampf erzeugen?

[*] Hinweis für Leser aus DE/CH: Kaffeetasse.

Wie jeder Disco-Besucher weiß, entsteht aus Trockeneis – gefrorenem Kohlendioxid – spektakulärer CO2-Dampf.

Dies gilt allerdings nur für Diskotheken auf unserem Planeten Erde. Das Phasendiagramm von Kohlendioxid –  eine Darstellung der möglichen Zustände bei verschiedenen Kombinationen von Temperatur und Druck – zeigt, dass bei einem Druck von 1bar Kohlendioxid nur fest (s…solid) oder gasförmig (g) auftreten kann.

Phasendiagramm von Kohlendioxid  (Carbon dioxide p-T phase diagram)

Phasendiagramm von Kohlendioxid – eine Darstellung der möglichen Zustände bei verschiedenen Kombinationen von Temperatur und Druck (Wikimedia)

Eine aus einem Kühlbehälter entnommenen Trockeneistablette hat deutlich unter 0°C. Beim Erwärmen bei dem durch die Umgebungsluft aufgeprägten konstanten Druck sublimiert das Trockeneis.

Das Phasendiagramm von Wasser zeigt, dass ein direkter Übergang von Dampf zu Eis bei 1bar (1atm) nicht möglich ist:

Phasendiagramm von Wasser (Wikimedia, User cmglee)

Phasendiagramm von Wasser. 1atm entspricht 1bar. „Eis“ tritt in vielen unterschiedlichen Varianten auf. (Wikimedia, User cmglee)

Wasser siedet im Ort der Siedler – in der Pannonischen Tiefebene – bei ca. 100°C. Während des Siedens im Wasserkocher wird Energie zugeführt: Temperatur und Druck bleiben konstant auf 100°C und 1bar. Wir befinden uns im Phasendiagramm auf einem Punkt der Grenzlinie zwischen den Bereichen Dampf und Flüssigkeit. Dieser Punkt stellt eine Mischung aus Wasser und Dampf dar – mit Zufuhr von Energie wird mehr Wasser verdampft.

Startet man rechts im Siedepunkt bei 100°C wird auf der roten waagrechten Linie konstanten Drucks auch das grüne Gebiet flüssigen Wassers durchquert.

Warum erscheint das In-die-Luft-Werfen trotzdem ähnlich zur Resublimation?

Der Dampfanteil der Mischung wird in der Luft gut verteilt – die Verdampfungswärme wird sehr schnell abgeführt, da sich der Dampf mit der Umgebungsluft mischt. Diese Energiemenge ist sehr viel höher als jene Wärme, die dann noch entzogen werden muss, um das Wasser – das dann zwischenzeitlich in Form kleinster Tröpfchen entsteht – auf 0°C zu bringen und zu gefrieren.

Die Gefahr für die Hobbyforscher stammt vom nicht verdampften, aber doch 100°C heißen Wasser. Hier würde man zwar weniger Energie pro Masseneinheit entziehen müssen, um das Wasser „nur“ von 100°C auf 0°C abzukühlen. Allerdings lässt sich die Wärme um die vergleichsweise riesengroßen Tropfen durch die Luft nicht schnell genug im Flug abführen.