Not macht erfinderisch!

Zugegeben – ein Spruch von bauernkalenderhafter Nicht-Originalität, aber in Zusammenhang mit wesentlichen Milestones in der Geschichte der Wärmepumpe richtig.

Wir empfehlen als Pflichtlektüre:

Geschichte der Wärmepumpe
Schweizer Beiträge und internationale Meilensteine

von Dr. Martin Zogg.

Der Nationalheld der Österreichischen Wärmepumpen-Freaks wurde ja auf diesem Blog schon einmal gewürdigt. Peter Ritter von Rittinger hatte den ersten Prototypen einer sogenannten ‚Thermokompressionsanlage‘ für den Salzsiedeprozess ausgetüftelt.

„… Der enorme Energiebedarf solcher Prozesse lässt sich aus der Tatsache erkennen, dass für die Gewinnung von 1 kg Kochsalz etwa 3 kg Wasser verdampft werden müssen. Dafür wurden früher ganze Wälder abgeholzt …“

(Zogg S.13).  Mangels Eisenbahn konnten allerdings keine Brennstoffe transportiert werden, daher verwendete Rittinger mechanische Energie (Wasserkraft), um Temperatur und Druck des Dampfes zu erhöhen.

Damit gilt diese Anlage als die erste Wärmepumpe. Aus dem Vorwort von Rittinger’s Veröffentlichung von 1855:

„… Dampf kann mechanische Arbeit erzeugen! Von diesem allgemein als richtig anerkannten Erfahrungssatze machte bis nun die Industrie unzählige nützliche Anwendungen, und sie verdankt demselben die größten Fortschritte der Neuzeit. Aber auch an der Richtigkeit des obigen umgekehrt ausgesprochenen Erfahrungssatzes: „Mechanische Arbeit kann Dampf erzeugen“, dürfte wohl kaum ein Physiker zweifeln, da ihn vielfache Analogien darauf führen müssten …“

Wie wahr!

Rittinger hatte übrigens nicht nur Physik studiert, sondern auch Mathematik, Jus und Bergbau und war offenbar auch als höherer Beamter in der Österreich-Ungarischen Monarchie immer noch ein Tüftler und Erfinder wie er im Buche steht (Biografie). Diese Leonardo-da-Vinci-mäßige Vielseitigkeit hat er mit vielen anderen Pionieren gemein, die in Zoggs Arbeit gewürdigt werden.

Es blieb Schweizer Ingenieuren vorbehalten, seine Erfindung zur ‚Marktreife‘ zu führen. Laut Zogg (S.17) wurde 1876 die erste wirklich funktionierende Brüdenkompressionsanlage gebaut und 1877 installiert.

Brüdenkompression

Prinzip der Thermokompression / Brüdenkompression in der Salzgewinnung: Der vom Kompressor verdichtete Dampf kondensiert bei hoher Temperatur und erhitzt so den Sole-Dampf (Wikimedia, Public Domain)

Dieser legendäre Kompressor war bis 1943 in Betrieb!

Verkehrt laufende Dampfmaschine

Dampfpumpe / Kompressor der Saline Bex (Wikimedia, public domain).

 Das Klischée

„Domois haums hoit nu wos G’scheits gmocht!“
(Deutsch: „Früher wurde halt noch Qualität gefertigt!“)

dürfte hier wirklich stimmen! Auch die erste Wärmepumpe im Zürcher Rathaus verrichtete 63 Jahre ihren Dienst, bis sie 2001 in den Ruhestand geschickt wurde (S.27).

Zogg verwendet das untenstehende Bild, um den Grund des frühen Wärmepumpen-Booms in der Schweiz zu erklären:

Second World War Europe 12 1940 de

Scheiz 1941, umzingelt von den ‚Achsenmächten‘ (blau) Wikimedia, Public Domain.

Aufgrund der geopolitischen Lage war die Brennstoffzufuhr in die Schweiz sehr unsicher; Marktpreise waren labil. Dagegen gab es großes Potential für den Ausbau der Wasserkraft und damit für elektrische Energie zum Betrieb von Wärmepumpen.
Die Siedler werden wieder einmal erinnert, warum sie – unter Anderem – ihre Anlage gebaut hatten: Unter dem Eindruck einer Kaskade so genannter ‚Gas-Krisen‘ in den Nullerjahren.

Zwischen 1951 und 1972 fielen die Ölpreise und der Wärmepumpenmarkt stagnierte entsprechend. Mit der Ölkrise in den 70er Jahren meldeten sich die Tüftler zurück. Im Kapitel Enthusiasmus und Enttäuschung schreibt Zogg über Wärmepumpenpioniere im Einfamilienhausbereich (S.48):

„… In diesem Leistungsbereich wurde unmittelbar nach 1973 sehr viel unternommen – aber es gibt nur wenige Dokumente dazu. Die Pioniere in diesem Bereich haben alle Arten von Wärmepumpensystemen realisiert – nicht selten Tag und Nacht …“

Tüftler Heinz Grimm experimentierte bereits damals mit unverglasten Dachkollektoren und Energiezäunen (S.50).

Die zu zahlreichen Anbieter mit ungenügenden Fachkenntnissen verursachten das zweite Tal der Tränen  in den 1980er Jahren (S.44); die Volksabstimmung gegen Kernkraft im Land der Siedler wird als nicht förderlich für die Wärmepumpenheizung beschrieben (S.64).

Nicht-Kernkraftwerk Zwentendorf.

Nicht-Kernkraftwerk Zwentendorf – nie in Betrieb gegangen. 2005 fotografiert im Rahmen der z-Reise.

Aber es gibt so etwas wie ein Happy End (S.69):

„… Nach der Überwindung des “Einmal-gebrannt-Effekts” begann ab 1990 ein definitiver Aufschwung des Heizens durch Wärmepumpen. Dies hatte technische Gründe wie eine grössere Verlässlichkeit, ruhigere, effizientere Kompressoren und die Regelung durch Mikrocomputer …“

Letzteres gefällt uns Regelungs-Fuzzis natürlich ganz besonders …

Einsteins Kühlschrank

Verrückte Professoren in US-Amerikanischen Filmen müssen wie Albert Einstein aussehen. Christopher Lloyd hat als Doc Emmett Brown in Zurück in die Zukunft Maßstäbe gesetzt:

Als Begründer der Relativitätstheorie ist Einstein indirekt auch verantwortlich dafür, dass GPS-Navigationsgeräte korrekt funktionieren. Einstein war allerdings auch ein praktisch veranlagter Erfinder.

Aufwachsen in der Elektrotechnischen Fabrik J. Einstein & Cie, Hersteller von Dynamomaschinen, Bogenlampen, Mess- und ‚Regulirapparaten‘ hat Einstein u.a. den Kreiselkompass verbessert und an Zündmechanismen von Torpedos gearbeitet.

Gemeinsam mit Leó Szilárd veröffentlichte Einstein ca. 20 Patente, u.a. das Konzept eines Kühlschranks, der keine elektrische Energie benötigt.

Wie funktioniert der ‚Einstein-Kühlschrank‘?

Jede Kältemaschine (wie ein Kühlschrank oder eine Wärmepumpe) basiert darauf, dass ein Kältemittel bei bei hoher Temperatur und hohem Druck kondensiert wird und bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur verdampft. Beim Verdampfen wird der Umgebung Wärme entzogen.

Variante 1 – Absorptionskältemaschine

Die Druckdifferenz kann durch einen mechanischen Kompressor erzeugt werden, der durch elektrische Energie angetrieben wird. Hat man aber ‚Wärme übrig‘, kann diese direkt zum ‚Antrieb‘ verwendet werden, leider wird das Schema dadurch etwas komplizierter.

Verwendet man eine Mischung von Arbeitsstoffen, kommt es auf den Partialdruck des Kältemittels an: Verwendet man z.B. in Wasser gelöstes Ammoniak als Kältemittel, erhöht man dessen Partialdruck durch Erhitzen – Ammoniak wird aus der Lösung ausgetrieben.

Variante 2 – Einstein-Maschine mit drei Arbeitsmedien

Im Einstein-Szilárd-Prozess werden drei Substanzen verwendet: Ammoniak, Butan und Wasser:

Hier die eingefärbte Patentzeichnung, zum Patent US1781541 A von Albert Einstein und Leó Szilárd:

Einstein Refrigerator pat1781541 clarified

Das eigentliche Kältemittel ist Butan: der Kühleffekt wird dort erzielt, wo der Partialdruck von Butan verringert wird (Verdampfer – Evaporator). Mit geringerem Dampfdruck sinkt die Verdampfungstemperatur, Butan verdampft und kühlt dabei die Umgebung. Der gesamte Dampfdruck ist beim Verdampfen konstant, da der Dampfdruck von Butan gerade dadurch verringert wird, dass Ammoniak vom Generator zugeführt wird (hellgelbe Leitung D).

Im Verflüssiger (Intermediate Condenser) wird der Dampfdruck von Butan wieder erhöht, indem das Ammoniak aus dem Dampfgemisch entfernt wird. Für diesen Schritt wird Wasser benötigt: Wasser wird in den Ammoniak-Butan-Dampf eingesprüht (Leitung 37). Ammoniak bleibt eher an den Wassertröpfchen kleben als Butan (‚höhere Affinität‘) und wird mit ihnen in das Flüssigkeitsgemisch befördert. Damit steigt der Partialdruck von Butan beinahe auf den gesamten Druck an; die Verdampfungstemperatur steigt und Butan wird verflüssigt.

Im Verflüssiger gibt es zwei Flüssigkeitsgemische, Butan-Ammoniak (rosa) und Ammoniak-Wasser (gelb). Bei den verwendeten Drücken und Temperaturen vermischen sich diese Gemische nicht untereinander, sondern bleiben durch ihre unterschiedlichen Dichten getrennt.

Angetrieben wird der Prozess durch den Generator: Die Ammoniak-Wasser-Mischung, die vom unteren Teil des Verflüssigers abgeführt wurde, wird durch Erhitzen getrennt. Das Wasser steht damit wieder im Verflüssiger zur Verfügung und das Ammoniak im Verdampfer – die Kreisläufe werden geschlossen.

Der Gesamtdruck in allen Komponenten ist nahezu in allen Schritten konstant.

In den Einstein-Szilárd-Patenten wurden verschiedene Kältemittel-Kombinationen und Prinzipien vorgeschlagen – eine davon wurde 2005 nachgebaut.

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Literatur:

Einstein-Biographie von Jürgen Neffe
Detailanalyse der Funktion des ‚Einstein-Kühlschranks‘
Albert Einstein als Erfinder

Die Dampfpumpe des Herrn k. k. Sectionsrath Oberbergrath Rittinger

Not macht erfinderisch.

In diesem Sinn soll hier ein Erfinder gewürdigt werden, der im Heimatbundesland der Siedler aktiv war: Peter von Rittinger, Erbauer der ersten bekannten Wärmepumpe für Heizzwecke, mit einer Leistung von 14 kW. (Wenn ein  Schweizer Experte schreibt, dass ein Österreicher die erste Wärmepumpe gebaut hat – dann muss es stimmen!).

In Ebensee wurde seit Beginn des 17. Jahrhunderts Salz gewonnen aus der salzhaltigen Sole. Doch Mitte des 19. Jahrhunderts ging der Brennstoff Holz zur Neige (Die Europäischen Siedler waren kein Vorbild für die Regenwald-Vernichter heute) und es gab noch keine Eisenbahn, die Kohle hätte transportieren können.

Peter von Rittinger – ein auf Erz- und Salzabbau spezialisierter Ingenieur – hatte die Idee, aus mechanischer Energie Dampf zu erzeugen mittels Dampfpumpe:

Der Dampf über der Sole kann nicht mehr in die Umwelt entwichen. Stattdessen verwendet Rittinger einen Kompressor, um den Dampf zu verdichten. Der Verdichter wird durch einen Fluss (die Traun) angetrieben. Durch die Kompression wird der Dampf heißer als der verdünnte Dampf über der Sole – damit kann der verdünnte Dampf aufgeheizt werden. Der komprimierte Dampf kondensierte während der Wärmeabgabe.

Ähnliche Verfahren sind auch heute noch unter dem Namen Thermokompression zur Salzgewinnung in den Österreichischen Salinen im Einsatz.

Dampfpumpe nach Peter von Rittinger

Schema des Dampfpumpensystems. Das Salz sammelt sich am Boden des Raums mit dem ‚verdünnten‘ Dampf (oberhalb der Trennwand), im unteren Bereich (‚doppelter Boden‘) sammelt sich das kondensierte Wasser.

Um den Prozess einfacher in Gang zu bringen, wird die erste Ladung Dampf durch Aufheizen erzeugt (mit einer Zusatzheizung). Rittinger erklärt, dass man prinzipiell auch mit einer Sole von 10°C starten könnte – ohne Zusatzheizung. Die Dampfpumpe würde im stabilen Zustand dann zwischen geringeren Temperaturen – und Drücken! – arbeiten. Nachteil dieser Variante ist das aufgrund des kleineren Druckes größere Volumen – die Dampfpumpe müsste größer gebaut werden.

Rittingers Veröffentlichung im Original:

Theoretisch-praktische Abhandlung
über ein
für alle Gattungen von Flüssigkeiten
anwendbares
neues Abdampfverfahren
mittelst einer und derselben Wärmemenge,
welche zu diesem Behufe
durch Wasserkraft
in ununterbrochenen Kreislauf versetzt wird.

Mit specieller Rücksicht auf den Salzsiedeproceß dargestellt
von
Peter Rittinger, k. k. Sectionsrath (Oberbergrath) in Wien
1855

Warum wird diese Dampfpumpe als erste Wärmepumpe bezeichnet?

Entscheidend ist, dass ein ‚Arbeitsmedium‘ durch Zufuhr von mechanischer Energie auf einen höheren Druck und eine höhere Temperatur gebracht wird und in diesem Zustand unter Abgabe von Energie verflüssigt wird. In einer Wärmepumpe wird hier ein Kältemittel verwendet, dessen Siedetemperatur nach der Kompression etwas höher ist als die Heizungsvorlauftemperatur. Das Kältemittel gibt bei der Kondensation Wärme an das Heizungswasser ab.

In der Dampfpumpe ist der Dampf gleichzeitig das Arbeitsmedium und das zu heizende Medium.

Rittinger schätzt die Einsparung an Brennstoff auf ca. 80%. Damit erreicht diese ‚Wärmepumpe‘ eine Leistungszahl von 15, wenn moderne Technologie eingesetzt wird. Dieser hohe Wert lässt sich dadurch erklären, dass für den Salzsiedeprozess (im Vergleich zur Raumheizung) nur geringe Temperaturunterschiede benötigt werden, und mit geringer Temperaturdifferenz steigt die Effizienz: Die Temperaturdifferenz zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Dampf muss ’nur‘ den Wärmetransport zwischen den beiden Bereichen der Solepfanne ermöglichen.

Der Dampf durchströmte die Maschine allerdings nicht kontinuierlich, sondern die Solepfanne wurde immer wieder geschlossen. Dieser Prozess funktionierte nicht zufriedenstellend – 1858 gab man entmutigt auf. Die erste funktionierende Anlage ähnlicher Art wurde 1876 in der Schweiz gebaut.

Nachdem Ebensee an das Eisenbahnnetz angebunden war, konnte Kohle zu wirtschaftlich günstigen Bedingungen geliefert werden und Salz wurde wieder durch einfaches Abdampfen gewonnen.

Auch der erste Wärmepumpenboom wurde durch Ressourcenknappheit ausgelöst – durch die Ölkrise in den 1970er Jahren.

WaterkotteWärmepumpe1972

1972: Erste erdgekoppelte Wärmepumpe in Deutschland

Die Solar-Wärmepumpe: (Fast) eine Erfindung aus dem 19. Jahrhundert

Mit gutem Grund bezeichnen die Siedler Ihre Erfindung als ‚Erfindung‘. Ohne dass es Ihnen bewusst war, stehen sie auf den Schultern von Giganten – von findigen Ingenieuren wie Edwin Harrison McHenry.

McHenry war Manager und Chefingenieur bei verschiedenen Eisenbahnunternehmen, u.a. der Canadian Pacific Railway. Offenbar auch ein Quereinsteiger in die Solartechnik – oder Ingenieure waren damals prinzipiell sehr vielseitig [1]: Er reichte 1879 das US-Amerikanische Patent Nr. 0659450 ein mit dem Titel:

Apparatus for Obtaining Power From Solar Heat

Die Erfindung beschreibt, wie Energie aus einer Wärmequelle genutzt wird, die wir heute als Solarkollektor bezeichnen würden.

    Erfindung von Edwin H. McHenry, eingereicht 1879: Apparatur for Obtaining Power from Solar Heat. (Bildquelle: US-Patentdatenbank, siehe auch [2])

Erfinding von Edwin H. McHenry, eingereicht 1879: Apparatur for Obtaining Power from Solar Heat. (Bildquelle: US-Patentdatenbank, siehe auch [2])

Zu Recht kann man die handgezeichneten Grafiken der Patente dieser Zeit als Kunst bezeichnen. So wie der Solarkollektor eine alte Erfindung ist, hatte auch schon jemand die Geschäftsidee, diese Bilder in hoher Qualität nachzudrucken und zu verkaufen [3].

Ist das eine Wärmepumpe?

Der Solarkollektor gewinnt die Energie aus Strahlung oder der Umgebungsluft – hier wurde intuitiv die Bedeutung der winterlichen Wärmeübertragung durch Konvektion erkannt. Ebenso wird betont, dass Wärme nur bei niedriger Temperatur zur Verfügung gestellt werden muss.

Die Zeichnung kann als Darstellung des Funktionsprinzips einer Wärmepumpe interpretiert werden:

Das Kältemittel verdampft bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck (D3 –> D2), wird verdichtet (E) und gibt Wärme beim Kondensieren bei hoher Temperatur und hohem Druck ab (F2 –> F3). Dann wird das flüssige Kältemittel entspannt und gibt Arbeit ab, indem ein Kolben bewegt wird (G).

Der Verdichter wird als Motor (Engine) bezeichnet und ist ist – im Gegensatz zu modernen Scrollverdichtern – als Kolbenverdichter eingezeichnet.

In einer modernen Wärmepumpe würde zur Entspannung ein Expansionsventil verwendet – man verzichtet auf die geringen Energiegewinne durch einen Motor oder eine Turbine.

Als Kältemittel werden Ammoniak und Kohlendioxid vorgeschlagen – letzteres wurde 1999 von einem Österreichischen Erfinder verwendet als Kältemittel in der CO2-Tiefensonde.

Oder ist es durch ein Kraftwerk?

Allerdings erläutert McHenry, es würde im Verdichter-Motor (E) Energie abgegeben und es müsste in der ‚Pumpe‘ (G) Energie aufgewendet werden. Über Drücke und Temperaturen werden keine Angaben gemacht.

Würde tatsächlich Energie an einen Motor E angegeben durch Entspannung von heißem Dampf unter hohem Druck, dann wäre das wieder die Umkehrung der Wärmepumpe als Kraftwerk. In diesem Fall sind Temperatur und Druck im Kondensator (‚Conde…‘) niedriger als im Verdampfer.

Solarkraftwerk goettelborn

Solarthermisches Kraftwerk

McHenry hatte wahrscheinlich eher die Erfindung eines Solar-Dampfkraftwerks im Sinn – vielleicht als alternative Antriebe für seine Züge.
Niedertemperatur-Dampfkraftwerke werden heute mit Thermoölen als Arbeitsmittel realisiert (OCR-Prozess).

War die Zeit reif für die Wärmepumpe?

Wie ein Blick in eine umfassende Geschichte der Entwicklung von Wärmepumpen [4] zeigt, war McHenry nahe dran und die Zeit um die Jahrhundertwende reif für die Entwicklung von Wärmepumpen für die Heizung von Haushalten:

  • Um 1850 entwickelte der Österreischische Pionier Peter von Rittinger seine als die erste Wärmepumpe bezeichnete Dampfpumpe, die aber nicht stabil funktionierte [5].
  • Ca. ein halbes Jahrhundert später… litt die Schweiz während und nach dem ersten Weltkrieg an einer grossen Brennstoffknappheit. Gleichzeitig bestand das Potenzial für einen Ausbau der Wasserkraft. Not macht erfinderisch. So begannen um 1918 ernsthafte Diskussionen über die Aussichten einer Raumheizung mit Wärmepumpen [4, S.24].

Und sonst:

Das Lesen der Patentschrift von McHenry bietet auch interessante Einblicke in die Entwicklung der Englischen Sprache – wir würden diese Texte gerne von John Cleese gelesen als Audio-Buch kaufen. Ist das eine neue Geschäftsidee?

My invention relates to improvements in means for developing power from solar heat or other sources of heat of low degree, and particularly within the range of ordinary atmospheric temperatures, its object being to render available that potential latent energy from such sources of heat which has not heretofore been commercially utilized.

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[1] Diese Sammlung von McHenrys Dokumenten der Arizona State University belegt, dass der Eisenbahningenieur tatsächlich identisch ist mit dem Solar-Forscher – außer es gab um 1900 zwei Chefingenieure bei genannten Eisenbahnlinien, die sich mit ‚Solarmotoren‘ beschäftigt hatten.
[2] Das Bild wurde verwendet, da Bilder in Amerikanischen Patentschriften im Allgemeinen keinem Copyright unterliegen.
[3] Bezugsquelle for hochwertigen Nachdruck dieses Kunstwerks.
[4] Martin Zogg: Geschichte der Wärmepumpe.
[5] Originalpublikation von 1855: Ueber ein neues Abdampfverfahren mittelst einer und derselben Wärmemenge, welche durch Wasserkraft in ununterbrochenen Kreislauf versetzt wird; vom Oberbergrath Rittinger in Wien.