Bewusstseinsebenen einer Simulation

Kürzlich wurde hier eine Weissagung des Orkrakels präsentiert …

… mit einer eher spröden und trockenen Beschreibung technischer Fakten. Nachdem sich dieses Siedlerblog immer noch in der Sommerphase befindet, soll es jetzt um den philosophisch-spirituellen Überbau dazu gehen.

Das Orkrakel operiert auf unterschiedlichen Bewusstseinsebenen – und deren exponentiell ansteigende Komplexität müssen dem Simulator immer bewusst sein.

Auf der untersten Ebene geht um das, was die Siedler einmal gelernt haben: Physik. Hier werden Temperaturwellen im Boden berechnet und das Orkrakel führt penibel Buch über diverse Energieströme und Energiespeicher. Es geht also darum, wie ‚die Natur‘ in Folge unumstößlicher Gesetzmäßigkeiten reagiert: Temperaturdifferenzen erzeugen Wärmeströme, umverteilte Energien ändern Temperaturen im Tanks, und die Leistungszahl der Wärmepumpe folgt den Grundsätzen der Thermodynamik. Hier hat die Orakelkrake eigentlich alles unter Kontrolle – was uns gleich zur nächsten Ebene bringt …

… hat doch das Orkrakel auch die Aufgabe, dem Wirken der Universalregelung gerecht zu werden. Man könnte meinen, das sollte die Krake im kleinen Tentakel haben – ist ja eh alles Programm-Code. Was die theoretische Intention der Regelung betrifft, stimmt das auch irgendwie. Aber das Orkrakel muss Annahmen über diverse, scheinbar harmlose Regelparameter machen – deren kleinste Änderung sich fatal auswirken können. Um das mit einer lebensnahen Analogie zu verdeutlichen: Wie in den modernen Theorien der Grundlagenphysik hat man so viele Parameter, an denen man schrauben kann, so dass man praktisch alles erklären kann. Man braucht z.B. nur ein klein wenig an den Hystereseeinstellungen für das Aufheizen des Hygienespeichers zu drehen, um die Arbeitszahl auf eine Art zu beeinflussen, die Vieles in den Schatten stellt, was die Ebene ‚Physik‘ an unsicheren Parametern zu bieten hat.

Zusätzlich hat so eine Regelung ja selbst verschiedene Bewusstseinsebenen – oft Benutzer und Experte genannt. Letztere ist eine Art Pseudo-Schutz, der den Inhaber der Regelung mit komplexen Passwörtern wie 0000 zumindest vor sich selbst / vor den Konsequenzen des reflexartigen Irgendwo-Hinklickens schützt. Auf der Benutzerebene gibt es aber kein Halten: Hier darf man sich austoben, was beispielsweise die persönlichen Temperaturbedürfnisse betrifft – die das Orkrakel natürlich nicht vorausahnen kann, ebensowenig wie das vor allem in der Übergangszeit beliebte manuelle Hineinregeln.

[Lebensform in meinem Haus] stellt immer auf ‚Sonne‘. Können Sie was machen, dass sich dann gar nichts ändert?

Und damit sind wir eigentlich schon an der Spitze der Pyramide angelangt – beim heiligen Gral der Simulationskunst:

Es geht um die alte Frage: Wie nutzen (menschliche) Lebensformen ein Heizungssystem?

Duschen Sie beispielsweise auf elementare Art – auch um 03:00 früh? Und muss das elementare Duscherlebnis auch für 10 Gäste in Serie gewährleistet werden – am Morgen nach der kältesten Silvesternacht seit 100 Jahren? Ereignisse wie diese könnte man noch als ein klassisches und seltenes first world problem abtun – und natürlich werden die zukünftig so intelligenten smarten Systeme aufgrund der Facebook-Postings der Partygäste diesen Bedarf vorausahnen und entsprechend reagieren, den Speicher mittels Notheizung auf 90°C aufheizen und vorher per Smartphone-App über die drohende Arbeitszahl-Katastrophe informieren.

Interessanter sind da eigentlich die langfristigen Prognosen über das Siedlerverhalten. Kann die künstliche Intelligenz auch aufgrund genetischer Daten (aus der Cloud des Gesundheitsministeriums) ableiten, wie die Nachkommen die Siedlerhütte nutzen werden?

Angesichts von all dessen fühlt sich so ein kleines Orkrakel schnell überfordert. Es bleibt da doch lieber bei seinem konservativen Ansatz, prinzipiell einen Worst-Case-Winter zu simulieren und im Zweifelsfall dann auf die Intelligenz der Lebensformen zu setzen (im Sinne von Hausverstand) nach dem Motto: Wenn der Jahrhundertwinter kommt, dann warte ich vielleicht die 20 Minuten bis das Wasser wieder warm ist.

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.

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.

Von Temperaturwellen und ihrer nicht bewiesenen Wirkung auf Murmeltiere

Irgendwer wollte uns im letzten Posting davon überzeugen, dass sein Eisspeicher ein besseres Orakel sei als ein Murmeltier.

Das elkement als Wissenschaftsoffizier fühlt sich herausgefordert – vor allem, da die wellenartige Änderung der Bodentemperatur eine Erinnerung weckt: Temperaturwellen – das kennen wir doch von irgendwo!

Temperaturwellen werden in jeder Einführung zu Wärmepumpen und oberflächennaher Geothermie gezeigt: In den ersten 10 Metern unter der Erdoberfläche schwingt die Temperatur im Lauf des Jahres hin und her – diese Schwingung klingt mit der Tiefe ab. Dann ist die Temperatur für einige Meter konstant und schließlich steigt sie in größerer Tiefe um ca. 3°C pro 100m an:

temperaturwelle-tiefe

Theoretische Berechnung des Temperaturverlaufs, nach einem einfachen Wärmeleitungsmodell. Für Details zur Rechnung siehe die zweite Hälfte dieses Postings.

Die Temperaturwelle ergibt sich aus der Annahme, dass:

  1. … die Temperatur an der Erdoberfläche sinuswellenartig im Jahresverlauf zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert schwankt.
  2. … zusätzlich ein – kleiner – ‚geothermischer Strom‘ aus dem Erdinneren an die Oberfläche fließt.
Geothermischer Wärmestrom - Earth heat flow

Geothermischer Wärmestrom in mW/m2, an der Erdoberfläche. (Wikimedia user Bkilli1) Der Mittelwert auf Kontinenten ist ca 65mW/m2 – was einer Änderung der Temperatur von 3°C pro 100 m entspricht.

Dieser Wärmestrom stammt teils von radioaktiven Zerfallsprozessen im Erdinneren und  teils von jener Energie, die bei der Bildung der Erde aus Staubwolken und kleineren Himmelskörpern frei wurde. Die Erde kühlt durch diesen Strom aber aufgrund ihrer enormen Masse um weniger als ein Millionstel Grad pro Jahr aus.

temperaturwelle-oberflaeche

Berechnete Temperatur im Erdboden, zu verschiedenen Zeiten des Jahres -Das Maximum oder Minimum in einer bestimmten Tiefe entsteht durch den langsamen, verzögerten Transport der Energie, die an Erdoberfläche absorbiert wurde.

In den ersten 10 Metern Tiefe schwankt die Temperatur um den Wert von 10°C – was auch dem Mittelwert an der Erdoberfläche entspricht bzw. entsprechen muss! Die so genannte oberflächennahe Geothermie nutzt saisonal zwischengespeicherte Sonnenenergie. Der geothermische Strom von 0,065W/m2  ist klein gegen die mittlere Leistung der Sonneneinstrahlung pro Fläche: ca. 144W/m2 bei 1000kWh Globalstrahlungssumme pro Jahr.

Irgendwer berief sich in seinem Orakel-Posting aber nicht auf die Schwingung mit der Tiefe, sondern die langsame zeitliche Änderung der Temperatur in einer bestimmten Tiefe. Nach dem einfachen Modell sieht das in etwa so aus:

temperaturwelle-zeitlich

Temperatur in unterschiedlichen Tiefen in der Erde in Abhängigkeit von der Zeit nach dem gleichen theoretischen Modell wie die vorigen Grafiken. Die jahreszeitlichen Schwankungen werden mit größerer Tiefe schwächer, weil die örtliche Welle abklingt.

Die Siedler-Datenkrake wird regelmäßig mit dem Temperaturwerten im (vom Eisspeicher) ungestörten Boden in 0,3m und in 1m Tiefe gefüttert. Die beiden Wellen sind ca. 10-15 Tage zeitverschoben:

temperaturwelle-boden-messung

Gemessene Temperatur in verschiedenen Tiefen (Logging durch UVR1611 / CMI). Die senkrechten, strichlierten Linien deuten die ungefähre Verzögerung der Temperaturwelle in größerer Tiefe an. Der absolute Wert der Temperaturen in 1m Tiefe ist etwas höher als in der berechneten Kurve für ein ‚typisches‘ Jahr oben.

Vor der Automatisierung wurden Messungen der Erdtemperatur zum Teil unter unmenschlichen Bedingungen manuell durchgeführt. Die Verzögerung zwischen den Punkten in 1m Tiefe und 1,88m liegt in einer ähnlichen Größenordnung:

temperaturwelle-boden-manuell

Manuell gemessene Temperaturen im unbelasteten Boden in unterschiedlichen Tiefen. Der Abstand der strichlierten Linien entspricht ca. 15 Tagen.

Das theoretische Modell benötigt folgende Eingangsparameter:

  • Maximale und minimale Temperatur an der Erdoberfläche: Damit können die zeitlichen Wellen vertikal verschoben und an das lokale Klima angepasst werden.
  • Thermische Eigenschaften des Bodens: Diese – alleine – bestimmen die Zeitverschiebung in unterschiedlichen Tiefen.

Alle Wellen arbeiten sich mit der gleichen Geschwindigkeit im Boden vor: Die Geschwindigkeit ist gleich der Wellenlänge durch die Periodendauer von einem Jahr. Wie man an den ersten Diagrammen sieht, ist die Welle stark gedämpft, d.h. die Wellenlänge ist deutlich länger als die Abklinglänge.

Beide Längen hängen nur von der thermischen Diffusivität ab, die aus drei Eigenschaften berechnet wird. Für die theoretisch berechneten Diagramme wurden folgende Werte verwendet, die sich auch in anderen elkementaren Simulationen zu LEO_2 bewährt haben:

  • Wärmeleitfähigkeit κ = 0,0019 kW/mK
  • Dichte ρ = 2000 kg/m3
  • Spezifische Wärme cp = 1,3 kJ/kgK

Die Diffusivität D ist \frac{\kappa }{\varrho \, c_{p} } und damit 0,0026 m2/h, die Wellenlänge gleich \lambda = \sqrt{4\pi D\tau } = 17m. Die Abklinglänge ist immer um einen Faktor 2π kleiner.

Für 70cm Tiefenunterschied ist die erwartete Verzögerung:

Zeitverschiebung = 8760h * 0,7m / 17m = 360 h = 15 Tage

… was größenordnungsmäßig übereinstimmt mit der in den Messungen sichtbaren Verzögerungen. D.h. die in diesem Artikel präsentierte Methode ist eine Art Orakel zur Bestimmung der thermischen Diffusivität des Erdbodens.

Diverse Legenden zu den Murmeltieren lassen sich möglicherweise auch mit den sich ständig ändernden Temperaturkurven in Zusammenhang bringen. Lernen wir doch, dass die pelzigen Nager diverse Arten von Bauen in unterschiedlichen Tiefen zu unterschiedlichen Zeiten nutzen: ‚Kühle‘ Sommerbaue nahe der Oberfläche, tiefer liegende Nestkammern – und dann noch Höhlen, die ganzjährig zum Absetzen von Exkrementen genutzt werden.

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Wer’s genauer wissen will (die Physik, nicht die Zoologie) und mehr Formeln sehen will:
Siehe einen längeren Artikel dazu auf elkemental Force.

Quelle zur Differenzialgleichung und der Lösung für die Temperaturwellen:
Thermodynamik und Statistik von Wilhelm Macke.

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.

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

Nur umgekehrt?

In diversen Postwurfsendungen lesen die Siedler oft:

„Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt.“

Ist dieser Vergleich richtig oder hilfreich?

In einem Kühlschrank wird dem zu kühlenden Innenbereich Wärme entzogen und an den Raum abgegeben. Da Wärme nicht von selbst vom kälteren zum wärmeren Bereich fließen kann, ist dies ist nur möglich durch die Zufuhr elektrischer Energie.

Kühlschrank, schematisch. Bildquelle: punktwissen.

Eigentlich funktioniert eine Wärmepumpe genauso wie ein Kühlschrank: Wärme wird einer Quelle entzogen und an den zu heizenden Raum abgegeben – nur befindet sich die Quelle außerhalb des Hauses.

Wärmepumpe, schematisch. Bildquelle: punktwissen.

Man könnte also sagen:

„Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur muss die Wärmequelle draußen bleiben.“

Allerdings erklärt dieser Vergleich nicht, wie und warum die Wärmepumpe – oder der Kühlschrank – überhaupt Wärme pumpen kann.

Der Trick besteht darin, ein Kältemittel bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck zu verdampfen – hier wird Wärme aus der Quelle aufgenommen – und dann bei hohem Druck und hohen Temperaturen wieder zu verflüssigen. Hier wird Wärme abgegeben. Zum Betrieb des Kompressors, der den Druck erhöht, wird elektrische Energie benötigt.

D.h. das Kältemittel läuft in einem Kreislauf: Verdampfer –> Kompressor –> Verflüssiger. Dreht man nun diesen Kreislauf des Kältemittels um, dann kann elektrischer Strom erzeugt werden aus zugeführter Wärme (Verbrennung).

Dann – also: ‚umgekehrt‘ – wird aus der Wärmepumpe…

Wärmepumpe (IFA 2010 Internationale Funkausstellung Berlin 102)

… ein Kraftwerk:

Voitsberg Kraftwerk