Wärmepumpe einmal anders

Die Siedler arbeiten mit recht schlichten Sole-Wasser-Wärmepumpen. In der in diesem Blog dokumentierten Siedlerforschung wird deren Innenleben in der Berichterstattung sträflich vernachlässigt und als Black Box betrachtet. Doch wenn die Abende im Herbst länger werden, dann beginnen sie so manche Internet-Recherche, um grundsätzliche Fragen zu beantworten.

Könnte man eine Wärmepumpe nicht komplett anders bauen?

Und tatsächlich findet man eine verwegene Truppe aus dem Land der Siedler, die genau das gemacht hat: Die so genannte Rotationswärmepumpe verwendet keinen ‚klassischen‘ Kompressor und hier wird auch nicht verflüssigt und verdampft.

Der Druckunterschied wird durch die Zentrifugalkraft der gemeinsamen Rotation der beiden Wärmetauscher auf der Quellen (Niederdruck)- und der Heizungs- (Hochdruck) Seite erzeugt! Der Niederdruckwärmetauscher befindet sich näher an der Achse. Quelle und Senke werden durch die Achse angekoppelt. Die Rotationsgeschwindigkeit beträgt bis zu 1800 Umdrehungen pro Minute. In diesem Video von ECOP wird der Prozess im Detail erklärt.

Das Kältemittel – ein Gemisch aus Edelgasen – wird mit einem Ventilator im Kreis gepumpt und entsprechend einem ‚umgekehrten‘ Joule-Prozess genutzt: Gas wird komprimiert, dadurch erhitzt und dann bei konstantem Druck abgekühlt – hier wird Heizenergie frei. Im nächsten Schritt expandiert das Gas und wird dann bei konstantem (niedrigerem) Druck erhitzt – hier wird der Quelle Energie entzogen.

In der Lehrbuchversion dieses Prozesses sitzt eine (durch Expansion angetriebene) Turbine auf der gleichen Welle wie der Kompressor: Die Kompressionsarbeit ist in der gleichen Größenordnung wie die an der Turbine frei werdende Energie und beide Energien sind relativ hoch im Vergleich zur Differenz – der Nettoantriebsenergie.

Im Gegensatz dazu verwendet man in einer Heizungswärmepumpe zur Expansion des Gases keine Miniturbine, sondern ein Expansionsventil: Hier würde sich die Energierückgewinnung nicht auszahlen. Im Joule-Prozess ist sie unbedingt erforderlich.

Das erklärt, warum die Effizienz des Kompressionsprozesses in der Rotationswärmepumpe sehr hoch sein muss im Vergleich zu den Anforderungen an 0815-Scrollkompressoren in Heizungswärmepumpen: Wenn die Differenz zwischen Kompressionsleistung und Expansionsleistung im Idealfall 100kW beträgt und die Effizienz des Kompressionsprozesses von 100% auf 80% sinkt, ändert sich die Leistungszahl drastisch –  siehe das Zahlenbeispiel auf S. 10 in dieser Veröffentlichung: Im Idealfall werden 100kW benötigt, um die Differenz zwischen 1200kW gewonnener Expansionsleistung und 1300kW absoluter Kompressionsleistung abzudecken. Bei einer Effizienz der Kompression von 80% müssen bei gleich bleibender Expansionsleistung für die Kompression ~1600kW aufgebraucht werden. Die Nettoleistung beträgt dann 500kW – das Fünffache im Vergleich zum perfekten Prozess. Der COP sinkt von 10 auf 2,3.

Diese Anforderungen an die Effizienz erklären wahrscheinlich, warum Rotationswärmepumpen ‚groß gebaut‘ werden und einmal für den industriellen Einsatz gedacht sind. Ein weiterer Vorteil des Prozesses ohne Phasenübergang ist, dass man sich sozusagen ein beliebiges Plätzchen im Zustandsdiagramm aussuchen kann: Die Wärmepumpe kann damit flexibel zwischen sehr unterschiedlichen – und auch Siedlerhütten-untypischen – Temperaturen betreiben werden.

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Den wahnsinnig kreativen Titel zu diesem Posting haben wir uns tatsächlich selbst ausgedacht – wobei wir gerne auf dieses unabsichtliche Plagiat hinweisen.

„Seltsame Wärmequellen“

… wurden auf diesem Blog tatsächlich schon gesucht! Irgendwer hatte Google wahrscheinlich mit seinen Reportagen über Seltsame Dinge in die Irre geführt. Nun wollen wir aber unseren Suchern auch bezüglich seltsamer Wärmequellen optimalen Service und punktwissen bieten, auch motiviert durch Anfragen besonders mutiger und innovativer Siedler aus einem fernen Königreich.

Hier einige Anregungen, die teilweise noch darauf warten, auf die Skala einer typischen Siedlerhütte heruntergebrochen zu werden.

Für alle Besitzer eines Berges, von unterirdischer Stollen oder feuchten Geheimgängen:

Wasser aus dem Brennerbasistunnel:

Es ist beabsichtigt, das im österreichischen Abschnitt des Brennerbasistunnels anfallende Bergwasser am Ausgang der Sillschlucht aus dem Tunnel auszuleiten und mittels Wärmepumpen für die Beheizung bzw. Kühlung von Wohn- und Geschäftsgebäuden thermisch zu nutzen. Nach heutigem Wissenstand geht man von einer Bergwassermenge von 200-300 l/s mit einer Temperatur von ca. 22°C aus. Aus diesem Drainagewasser ließe sich theoretisch eine Leistung von ca. 10 Megawatt erzielen.

(APA-Presseaussendung Projekt Sinfonia, 24.09.2014. Einen Cross-Check der Zahlen findet man auf dem elkementaren Blog) BBT 18 4 2011Die Schweizer sind eindeutig Pioniere der innovativen Nutzung von Seen – für die großzügig geplante oder „corporate“ Siedlerhütte:

1) St.-Moritzer-See:

Gerade mal vier Grad warm ist das Wasser am Grund des St.-Moritzer-Sees im Winter – doch es liefert fast ge­nügend Energie, um die Räume des Badrutt’s Palace Hotels, eines Schulhau­ses und zweier Mehrfamilienhäuser zu be­heizen. Die Wär­me­pumpe, die das ermöglicht, wurde vor zwei Jah­ren in Betrieb genommen. Indem sie Seewasser von vier auf ein Grad Celsius abkühlt, erzeugt sie Heizwasser von 70 Grad.

(Beobachter 3/2009, Schweizer Konsumentenzeitschrift, 04.02.2009) Badrutt's Palace2) Zürichsee:

In knapp 20 Meter Tiefe rund 500 Meter vom Ufer entfernt, wo wir heute das Wasser für die Energiegewinnung von Swiss Re Next fassen, herrscht im Zürichsee im Sommer und Winter eine Wassertemperatur von durchschnittlich 10 bis 15 Grad Celsius. Damit eignet sich dieses besonders gut für den Einsatz von Wärmepumpen.

(Swiss Re, Online Dokumentation über die Entstehung des neuen Gebäudes Swiss Re Next am Mythenquai, Zürich. 13.08.2014) Swiss Re corporate headquarters at Mythenquai in Zurich (2009)Steuerungs-Freaks – die zufällig auch einen porösen unterirdischen Wasserspeicher Ihr Eigen nennen – finden hier einige Ideen:

Aquifer am Flughafen von Oslo:

In the summer, ground water is pumped from cold wells and used for cooling before it is returned to the warm wells. In winter, this process is turned around as ground water from the warm wells is used as heat source for a heat pump before it is drained to the cold wells. The design cooling demand is 9 MW. The district cooling water is pre-cooled by the ground water with a cooling capacity of 3 MW, and post cooled by the combined heat pump/refrigeration plant with a cooling capacity of 6 MW.

(Paper aus einem Forschungsprojekt. 2011, Website der Forschungseinrichtung SINTEF)

Folgendes ist keine natürliche Wärmequelle, vielleicht aber die Initialzündung für ein  forderndes Hobbyprojekt – Zielgruppe: ambitionierte Spengler / Metallkünstler mit Hydraulikkenntnissen:

Metall-Dachziegel – optisch den klassischen Gegenstücken nachgebildet. Dieser Edel-Kollektor stellt die einzige Wärmequelle dar.

Die Anlage der Kurklinik [Eden] ist auf 50 kW dimensioniert und benötigt rund 100 m2 aktive Ziegelfläche auf dem Schrägdach, um das Heizsystem des 1000 m2 Nutzfläche umfassenden Gebäudes mit Wärme zu versorgen. Neben der Raumheizung deckt das Atmova-System auch den gesamten täglichen Bedarf an Warmwasser für das Klinikgebäude und das neu erstellte Schwimmbad.

(HK-Gebäudetechnik 10/12, Website des Herstellers ATMOVA)

Abschließend kehren wir wieder zurück zur unterirdischen Höhlenwelt – hier gehen uns langsam die Ideen aus. Für den Millionär mit Privat-U-Bahn?

Wände und Bodenplatten von U-Bahnschächten:

Die Massivabsorbertechnologie nutzt Erdwärme für die Beheizung bzw. Klimatisierung von Bauwerken. Dabei werden in ohnehin erforderliche Betonbauteile wie Schlitzwände, Bohrpfähle, Bodenplatten oder Tunnel Absorberrohre eingebaut, welche mit einem Wärmeträger durchströmt werden und daher große Flächen thermisch aktivieren können. Bei der Verlängerung der U-Bahnlinie U2 in Wien wurde diese Technologie weltweit erstmals beim U-Bahnbau eingesetzt.

(Österr. Ingenieur- und Architekten-Zeitschrift, Website der TU Wien. 2010) U2 Schottenring July 2008

Von der gar schauderhaften Geschichte der Elemente und ihren tollkühnen Bezwingern

Die Siedler sind immer auf der Suche nach Inspiration durch Tüftler vergangener Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte.

Da die Beherrschung der vier bis fünf Elemente Erde, Feuer, Luft, Wasser und Eis eine wesentliche Rolle spielt, lag es nahe, eine autoritative Schrift zu konsultieren:

Physik
Eine gemeinverständliche Darstellung
der
physikalischen Erscheinungen
in Ihren Beziehungen
zum praktischen Leben
von
Dr. Alfred Ritter von Urbanitzky

A. Hartleben’s Verlag
1892

Physik, Urbanitzky, 1892

Wo wird das dramatische Wechselspiel der Elemente Feuer und Luft deutlicher als in den erfinderischen Luftfahrzeugen des 19. Jahrhunderts – wie jene der Gebrüder Tissandier?

Ballon der Gebrüder Tissandier

Der Ballon bestand aus gut gefirnißtem Perkal und faßte 1060 Kubikmeter Gas. … Außer dem Anker und dem Ballaste trug die Gondel auch noch einen Siemens’schen Motor, der mit Rücksicht auf seine Bestimmung möglichst leicht construiert war, und eine Chromsäuerebatterie zum Betrieb desselben.

Bei der ersten Fahrt dieses mit Wasserstoffgas gefüllten Ballons suchten die beiden Tissandier sich stets in geringer Höhe (400 bis 500 Meter) über der Erde zu halten, wo an dem betreffenden Tage eine Windgeschwindigkeit von drei Meter herrschte. Indem Sie durch den Elektromotor die Flügelschraube in Bewegung setzten, gelang es ihnen hierbei, dem Winde Stand zu halten, d.h. ein Forttreiben durch den Wind hintanzuhalten.
(S. 298)

Aber die Pioniere der Lüfte wurden nicht nur durch friedliche Motive angetrieben:

Weitaus die größte Anwendung fand der Luftballon, wie allgemein bekannt, während der Belagerung von Paris im deutsch-französischen Kriege 1870-1871. Mit Hilfe des Ballons und der Taubenpost gelang es den Parisern, den Briefwechsel nach außen aufrecht zu erhalten, was jedenfalls einen großen moralischen Erfolg erzielte und dadurch den Widerstand der Belagerten verstärkte.

Weniger erfolgreich waren die Ballons zu Recognoscirungszwecken:

Die Loire-Armee erhielt einen Ballon welcher in Orléans mit Leuchtgas gefüllt und dann an vier Tauen von 150 Mann etwa 10 Kilometer weit nach Saran bei Cercottes hinter die Front der Armee geführt wurde.
(S.302)

Aufklärungsballon nach Tissandier, Geschichte meiner LuftfahrtenSo wie heute geometrische Abmessungen in populärwissenschaftlichen Postillen verdeutlicht werden durch Badewannen oder Fußballfelder, wurden Höhen damals gemessen in Ballonfahrtrekorden oder in …

… der Höhe in welcher Glaisher das Bewustsein verlor
(5. Sept. 1862) – 8838m

Hoehen im VergleichAber noch fehlt die Demonstration der Wissenschaftspoesie on Dr. Ritter von Urbanitzky in ihrer erhebendsten Form. Dies ist auch gleichzeitig jenes Kapitel, in dem es um das Wechselspiel der Elemente Luft, Feuer und Wasser geht – und eventuell auch Eis, wenn man die soeben dokumentierten Eiswolken dazu nimmt.

Notwendige Physik-Vorkenntnisse, um sich im Folgenden nur auf den literarischen Wert konzentrieren zu können: Wie entsteht eine Fata Morgana?

Man kann diese Erscheinungen nämlich …

… z.B. in Aegypten und Ungarn häufig beobachten.

Also hoffen wir natürlich in Pannonien auf dramatische Effekte!

Auch über dem Meere können zuweilen durch eine eigenthümliche Wärmevertheilung so abnorme Dichteverhältnisse in den unteren Luftschichten entstehen, daß vermöge der Luftspiegelung doppelt oder mehrfache Bilder von Schiffen, in der Luft schwebend wahrgenommen werden, und zwar zu einer Zeit wo jene Fahrzeuge des Wassers so sehr entfernt sind, daß sie selbst wegen der Krümmung der Erde noch lange nicht gesehen werden können.
(S. 473/474)

Spiegelung (Totalreflexion) an dichteren Luftschichten

Die alten Sagen von Gespensterschiffen, vom „fliegenden Holländer“, sowie die prophetische Voranzeige von noch nicht in Sicht befindlichen Schiffen durch den früher so sehr bewunderten Leuchtturmhüter auf Isle de France u. dergl. m. finden hierdurch ihre Erklärung.

(S.474)

Und wie phantasiebegabt mussten die Leser damals gewesen sein, um ohne 3D-Animation und HD in folgendem Bild …

Ballon und Schiff im … diese Phänomene zu erkennen:

Als Tissandier im August 1868 von Calais in seinem Ballon aufstieg, sah er unter sich das Meer; die Scene war durch zahlreiche Wolken und Wölkchen begrenzt, die anscheinend auf ebener Fläche zogen, von der einen Seite des Horizontes aufsteigend und sich auf der anderen zerstreuend. Oberhalb der Ballons schwebten in das Violette spielende Massen, welche theils langsam weiter zogen, theils stille zu stehen schienen. Als nun Tissandier den Strand von Dover suchte, der ja nahe genug sein musste, fand er denselben durch einen Vorhang bleifarbener Dünste verhüllt. Die ganze nordwestliche Seite des Horizontes lag als dämmergraues Chaos dar. Ueber sich aber gewahrte er eine weit gedehnte grünliche Dunstschichte – eine Art See in den Wolken.
(S.475)

Jetzt wissen wir, woher die Macher von Pirates of the Carribbean ihre Ideen hatten:

Bald darauf sah er einen kleinen Punkt sich auf dieser Fläche bewegen, und erkannte in demselben dann ein Schiff, so groß wie eine Nußschale, welches umgekehrt auf diesem umgekehrten Meere dahinzog, die Masten wiesen nach unten, der Kiel war nach oben gerichtet. Kurze Zeit später wurde das Spiegelbild des Postdampfers, welcher von Calais nach England steuerte, wahrgenommen, von welchem mit dem Fernrohre selbst der dem Kamine entströmende Rauch zu erkennen war.

Licht aus! Die Märchenstunde für heute ist vorbei!

The Flying Dutchman by Charles Temple Dix

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.