Sichere und klimaneutrale Versorgung der Schweiz mit Energie

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  • oytenkratos


    Zu den Verlusten bei einer Wärmekraftmaschine (WKM) werde ich hier zuerst mal keine ellenlangen Überlegungen schreiben. Bei den Verlusten gibt es Analogien zwischen WP und WKM.

    Bei den WKM sollte man noch unterscheiden, ob es sich dabei um Stirlingmaschinen, oder um Verbrennungsmaschinen handelt. Dieser Unterschied ist wesentlich bei den Verlusten.

    Bei den Stirlingmaschinen setzen sich die Verluste wesentlich aus der Reibung und den Wärmeverlusten über Zylinder und Kolben zusammen. Dazu kommen noch die Reibungsverluste die bei der Auskopplung der mechanischen Energie entstehen.

    Bei den Verbrennern kommt hier noch der Wärmeverlust dazu, welcher durch den "Durchlauf" des Mediums (Brennstoff) entsteht. Dieser macht bei den Verbrennern den Hauptanteil aus.

    Bei den praktischen Umsetzungen der beiden Maschinentypen gibt es Gemeinsamkeiten.

    Um eine hohe Leistung (Durchsatz) abschöpfen zu können, laufen die Maschinen mit hoher Drehzahl. Damit die Maschinen mit hoher Drehzahl laufen können, werden die Kolbenhübe kurz gehalten.

    Darin liegt der Hauptgrund warum ein doch wesentlicher Teil der thermisch bedingten Volumenänderung nicht genutzt wird.

    Hier wird ein Teil der Volumenänderung vom eigentlich möglichen Umwandlungsprozess faktisch abgeschnitten / ausgeschlossen. Dieser Volumenteil wird beim Verbrenner einfach ungenutzt ausgestossen und ist damit eine verlorene Wärmeenergie. Bei den Stirlingmaschinen wird sie aber in den Warmspeicher zurückgeführt. Allerdings auf einem niedrigeren Temperaturniveau als der Warmspeicher eigentlich hätte. Und kühlt diesen somit ab. Dadurch entsteht hier ebenfalls noch ein möglicher Verlust!

    Wie gross dieser mögliche Verlust in der Praxis ist, hängt ganz konkret davon ab wie die Anlage konstruiert ist. Und wie die Stirlingmaschine beheizt wird.

    Vergleicht man die praktisch üblichen Maschinenwirkungsgrade von mechanischen WP und WKM miteinander, sieht man dass diese ungefähr in der gleichen Bandweite liegen.

    Die hier genannten Analogien und Unterschiede haben in der Teilgruppe Transmitter / Prakticus &.Co. zu einer weiteren Überlegung geführt.

  • oytenkratos


    In den Beiträgen zuvor habe ich die Wirkungsgrade von Wärmepumpen und Wärmekraftmaschinen angesprochen.

    Dabei festgestellt, dass die Wirkungsgrade etwa in der gleichen Bandbreite liegen. Im Teilkreis Transmitter hatte diese Erkenntnis dazu geführt, sich etwas Gedanken zu "Druckluftspeichern" zu machen.


    Sie erinnern sich, dass es da schon etwas eine Diskussion zwischen ihnen und Transmitter gab.

    Prakticus & Co. machten sich Gedanken dazu, wie man Druckgas-Speicher effizienter betreiben könnte.

    Der Nachteil von Druckgasbehältern für hohe Drücke sind die Kosten für Beschaffung und Wartung. Auch Kompressoren und Motoren die mit hohen Drücken arbeiten sind diesbezüglich nicht gerade die billigsten.


    Aber lässt man dieses mal etwas aussen vor und überlegt sich zuerst einmal nur wie man die Effizienz der Maschinen steigern kann...

    Wenn es gelingt die Maschinenwirkungsgrade hier deutlich zu erhöhen, dürften die Kosten für entsprechende Hochdruckspeicher auch deutlich weniger ins Gewicht fallen.

    (In der Gruppe Prakticus & Co. gibt es Taucher. Und die kennen sich da mit der Technik etwas aus).


    Wenn sie sich an eure Diskussion erinnern, dann wissen sie wohl, dass es ein Forschungsprojekt der ETH mit Unterstützung des Bundes gibt?

  • oytenkratos


    Wenn ich mich richtig erinnere, hatte Transmitter den heutigen Wirkungsgrad von Druckgas-Speichern mit etwa 60% angegeben.

    Prakticus & Co sind der Meinung dass dies noch auf 80% oder gar noch etwas mehr gesteigert werden könnte.


    Offenbar lässt sich eine Steigerung der Effizienz auch damit erreichen, dass man anstelle von Luft mit CO2 als Medium arbeitet.

    Derartige Speicher sind auch in der Erprobung und sollen die obgenannten Wirkungsgrade schon erreichen.

  • oytenkratos


    Die weiteren Überlegungen der Gruppe Prakticus & Co. gingen von einer Problemstellung aus, die für diese Gruppe sehr relevant ist. Dabei fokussierten die sich primär darauf, wie man es technisch möglichst optimal lösen könnte. Wirtschaftlichkeit wurde da zuerst mal ziemlich ausgeklammert.


    Etwas nach dem Motto: Die technische Fähigkeit zu überleben ist wichtiger, als die Frage wie viel das kostet...

    Bei ihren Überlegungen war das zentrale Thema, wie man in der Wüste überlebt. Viel zu heiss und kein Wasser. Und das andere Extrem in der Wüste ... Zu kalt und immer noch kein warmes Wasser.


    Damit ist das Hauptproblem eigentlich darauf festgelegt, möglichst optimal eine Klimatisierung zu erreichen und nicht darauf möglichst optimal Energieträger zu produzieren. Letzteres aber nicht gerade unwichtig.


    Bei den Überlegungen zur Optimierung der Klimatisierung gingen sie also einmal davon aus, dass sie grosse Mengen an überschüssiger Wärme haben, welche sie anders verteilen müssen. Und Verteilung heisst hier auch optimale Zwischenutzung.

    Dabei liegt die überschüssige Wärme aber nicht unbedingt auf einem sehr hohen Temperaturniveau vor. Dies dann aber in sehr grossen Mengen. Und auf einem doch noch deutlich höheren Niveau als es Mensch, Tier und den meisten Pflanzen wirklich bekömmlich ist.

    Dies soweit mal zu den Voraussetzungen für die weiteren Überlegungen in der Gruppe.

  • oytenkratos


    Mit den zuvor beschriebenen Umweltbedingungen und den Voraussetzungen war es halt immer wieder mal so, dass das Bier immer viel schneller warm wurde, als man es herunterkühlen konnte. (Zu wenig Fläche der PV. Ergo zu wenig Energie).

    Und da kam mal beim allgemeinen Blödeln am Lagerfeuer der Spruch:

    Leute es wird Zeit, dass wir unser Kühlbox mit der Umgebungswärme einheizen, damit sie das Bier schneller kalt macht!

    Da denkt wohl zuerst mal jeder, dass dies Blödsinn ist und lacht darüber höchstens noch.

    Doch Prakticus sagte: Dann machen wir das doch mal so!

    (Ich war da nicht dabei und weiss nicht welcher Transmitter darauf einstieg. Aber die Diskussion war dann mal angerissen).


    Die grosse Frage war:

    Wie schaffe ich es, aus dem einen Temperaturraum Wärmeenergie in den anderen Temperaturraum zu Transportieren, wenn der andere Temperaturraum (Empfänger) die Gleiche oder höhere Temperatur aufweist und ich als Energie für den Transport nur die Wärme- Energie aus den Temperaturräumen zur Verfügung habe. Sprich keine höhere Energieform wie Strom aus einer anderen Quelle zur Verfügung steht?

    Leute mit etwas Kenntnis der Physik erkennen in dieser Fragestellung den Maxwellschen Dämon. Und Leute mit Kenntnissen in Thermodynamik werden auch schnell mal sagen, das dies nicht geht.

    Und dann ist in der Regel Schluss mit der Diskussion.


    Ist dieser Schluss nicht etwas vorschnell?

    Geht das einfach ganz und gar nicht, oder nur zum Teil nicht?

  • rodizia

    Zur Luftdruckspeicherung :

    Die entstehende Wärme bei der Luftverdichtung müsste nur ständig in Kaskaden abgegeführt werden.

    Bei der Entspannung m,sste diese Engie wieder zugeführt werden.
    Also wieder viel Wärmetauscher und dieses Grundprinzip wir auch beim Stirlingmotor genutzt.

    Druckluftspeicher haben den Wirkungsgrad, der effizient ist. (angenommene Stromkosten und Anlagekosten zum Zeitpunkt der Planung und Ladezyklen.)

    Es müssen dazu geeignete grosse Räume im Gestein vorhanden sein. Z.B. ausgebeutete grosse Steinsalzkavernen.

    Selbst wenn die 80% wirtschaftlich sind noch Netz- und Transformatorenverluste einzubeziehen.


    Na-Ionen-Batterien aus Massenproduktion sind da viel effizienter mit 95% Wirkungsgrad und verursachen geschickt verteilt im Netz niedrigere Netzverluste. Bei Investitionskosten von 60 KWh sind die dann effizienter und verlieren nur marginal Speicherkapazität,
    nicht 1/3 in 10-15 Jahren oder bei vielen Lade/Entladezyklen.


    Pumpspeicherkraftwerke haben Vollkosten von 3 bis 5 €cent pro KWh, wenn die täglich 1,18 KWh aus dem Netz aufgenommen werden und 1 KWh ins Netz eingespeist wird.
    Die besten und neuesten Pumpspeicherkraftwerke haben einen Wirkungsgrad von 85%, heisst Pumpe und Turbine haben jeweils etwa 92%.

    Die Netz- und Transformatoren-Verluste betragen jeweils etwa 4%.
    Es müssen also 1/.96/.85/.96 = 1.28 KWh erzeugt werden damit über ein Pumpspeicherkraftwerk 1 KWh bei Endverbraucher ankommt.

    Heisst der Breakeven liegt bei 28% für die Preisdifferenz zwischen Einkauf und Verkauf.

    Die beiden grössten PSW der Schweiz "Limmath" und "Nant de Drance" haben eine Speicherkapazität von 33+20 = 53 GWh oder 53 Mio KWh und haben 2,1 Mrd. Fr. gekostet. 2.1 Mrd. / 53 Mio KWh = 40 Fr /pro KWh.


    Für Saisonale Schwankungen wird es wohl nicht ohne synthetisch hergestelltes Methan effizient und klimaneutral gehen.

    Wie geschrieben sind bei Stromkosten von 1-2 US-Cent/KWh aus PV ist Methan als Grundstoff sehr tief im Preis.
    Wenn SynGas einen Gasturbine antreibt und diese direkt eine Wärmepumpe ergibt sich
    Gasturbinen Wirkungsgrad in diesem Fall 35% * COP Faktor 4.0 plus die Abwärme mit 65% = 180 %.

    Ist möglicherweise eine Alternative für den Winter in der Schweiz, kommt aufd die Stromkosten und den Preis für Syn.Methan an,

    das in zu 1-2 US-Cent produziert wird. Methanspeicher haben sehr tiefe preise. Oder eben eine Mischung.

  • oytenkratos


    Betrachten wir die Ausgangsituation mal etwas genauer:

    Da haben wir mal zwei Temperaturräume. Nämlich die Umgebung und die Kühlbox. Und die Räume sind auf der gleichen Temperatur.

    Diese Temperatur entspricht nun der kinetischen Energie der Moleküle in der Luft. Und entspricht dem niedrigsten, gemäss den anderen Umgebungsvariabeln möglichen thermischen Potenzial.

    Um Wärme aus der Kühlbox in die Umgebung zu transportieren muss hier eine Transportleistung erbracht werden.

    Man hat hier aber zuerst einmal nur die Wärmeenergie auf dem niedrigst möglichen Potenzial zur Verfügung um eine Transportleistung zu erbringen. Und damit geht es nicht. (Maxwellscher Dämon).

    Man kann jetzt auf die Idee kommen die diffuse kinetische Wärmeenergie in eine höhere Energieform zu wandeln. Also die diffuse, ungerichtete Wärmebewegung der Moleküle irgendwie gleich zu richten. Und damit eine WKM anzutreiben, die man dann für die Transportleistung einsetzen könnte...


    Hier winkt der Thermodynamiker ab.

    Um die diffuse Wärmebewegung gleichzurichten, musst du eben entweder eine höhere, aber nicht vorhandene Energieform einsetzen, oder du musst eine nicht vorhandene Temperaturdifferenz haben!


    Hmm? Ja. So steht das ja im Lehrbuch und mit vielen mathematischen Formeln ganz genau erklärt.

    Nun schüttelt aber Prakticus den Kopf und sagt. Diesen "Theoretischen Idealfall" gibt es in der Natur schlicht nicht!

    Es gibt in der Natur kein solches energetisches Gleichgewicht. Es gibt nur angenäherte Gleichgewichtszustände. Und hier muss man ansetzen!


    Die meisten werden da immer noch denken: Der spinnt doch...


    Doch ein paar andere Personen und ich sehen das etwas anders.

    Wissen sie, oytenkratos, warum wir das nicht denken?

    Der Forist noldi hatte einen Text zu den Ungleichgewichten der Natur publiziert. Der liefert einen guten Hinweis darauf.

  • rodizia

    Albert Einstein hatte sich von seinen Kollegen ein im Schweizer Patentamt ein Patent geben lassen, die kinetiasche Energie der Gasmoleküle zu nutzen.
    Die Gasmoleküle habe ja keineswegs die gleiche Geschwindigkeit. Mann könnte also einen Filter oder eine Trennschicht bauen, die von einer Seite nur die sehr schnellen sehr energiereichen Moleküle durchlässt. Diese Schicht darf aber von der anderen Seite möglichst wenig Gasmoleküle durchlassen.

    Da Gasmoleküle vie grösser als Atome sind, besteht da eher die Chance so einen Dünnst-Schicht-Mechanismus zu realisieren mit konischen Lochstrukturen.

    Auch nach Ansicht von Einstein würde das nicht den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik widersprechen.

  • oytenkratos


    Soweit mir dieses Patent bekannt ist, geht es auf die Diskussion des Maxwellschen Dämons zurück.


    Einsteins Idee ist hier die Hypothese, dass es möglich wäre einen Filter / Membran zu schaffen, die nur Partikel ( Atome / Moleküle) einseitig durchlassen würde, aufgrund ihrer spezifischen Energie.

    Kann es so etwas wirklich geben?

    Die Membran müsste fähig sein, nach einem einseitigen Durchlass den rückwärtigen Durchlass zu verhindern. Welche Fähigkeit müsste diese Menmbran dann genau haben?


    Damit ein rückwärtig gerichteter Durchlass verhindert werden könnte, müsste die Membran doch den Partikeln mit diesem Bestreben Energie wegnehmen, oder zumindest umrichten können?

    Sonst können sie die Membran doch wieder durchdringen?

  • rodizia

    Stellen sie sich einen gummiartigen Trichter ohne Rohr vor in Nanotechnologie.
    Wenn ein energiereiches Molekül von der breiteren Seite kommt kann es durch ein eigentlich zu knappes Loch durchdringen.
    Der Lochdurchmesser ist ein klein wenig kleiner als der Moleküldurchmesser.
    Der gummiartige trichterförmige Lochrand würde die Funktion der Klappe des Maxwellschen Dämons erfüllen.

    Von der anderen Seite ist aber keine dehnbare Form vorhanden.


    Habe keinen Chemiker in Nanotechnologie gefunden, der sich für so eine "verrückte" Idee Zeit nehmen will.
    Diese Chemiker, wie die meisten Physiker haben in der Schule gelernt, dass der 2. Hauptsatz der Thermodynamik absolut gilt.


    Das Dilemma des Maxwellschen Dämons haben die theoretischen Physiker immer noch nicht gelöst.

    Bei meiner Idee mit dem konischen Ring verliert das schnelle Molekül etwas von seiner kinetischen Energie.

    Es muss aber von aussen keine Energie aufgebracht werden.

  • Diese Chemiker, wie die meisten Physiker haben in der Schule gelernt, dass der 2. Hauptsatz der Thermodynamik absolut gilt.

    Kann ich mir gut vorstellen.


    Habe ja weiter oben schon geschrieben, dass die Meisten, die zu lange die Nase in die Schulbücher gesteckt haben, bei der Problemstellung abwinken und sagen das gehe nicht.

    Und denken dann nicht mehr weiter darüber nach.


    Prakticus und Co. haben auch nicht versucht den 2.Hauptsatz der Thermodynamik zu widerlegen.

    Aber hörten nicht auf zu denken.

    Stattdessen überlegten sie unter welchen Umständen sich das Problem lösen liesse. Mit den bekannten Gesetzen und Mitteln.

  • oytenkratos


    Bei der Ideenfindung zur Lösung des Problems machte Prakticus einen Kunstgriff:

    Wir erweitern das Modell mit zwei Temperaturräumen um einen weiteren (fiktiven) Raum!

    Auf die Frage woher er diesen nehmen will, sagt er: Der ist schon da, aber wir sehen ihn nicht. Er ist zu klein.


    Nun. Er begründet das, wie weiter oben schon angedeutet, damit, dass es im theoretischen Idealmodell vordergründig tatsächlich nur zwei eigentliche Temperaturräume gibt, der Dritte dort aber ausgeklammert wurde. Und dass dieser Dritte Raum in der Natur immer existent ist. Wenn auch manchmal verschwindend klein.


    Betrachtet man das Theoretische Modell des Carnotprozesses, dann hat man da zwei Temperaturräume. Diese sind mit zwei Schnittstellen untereinander verbunden.

    Die eine Schnittstelle ist ein Wärmekraftmaschine, die andere eine Wärmepumpe. Und beide haben einen maximalen Wirkungsgrad von 100%. Die WKM liefert die exakt gleiche Menge an (höherer) Energie, welche die Wärmepumpe braucht. Die Gesamtenergie in diesem Kreislaufprozess bleibt also konstant.

    Sind beide Temperaturräume auf dem gleichen Temperaturniveau, welches entsprechend übrigen Voraussetzungen auf dem niedrigst möglichen thermisch energetischen Niveau liegt, dann ist dieses System in Ruhe. Es kann gar nichts laufen.

    Denn das System befindet sich im unnatürlichen Zustand eines völligen Gleichgewichts.


    Um dieses Gleichgewicht zu stören, muss entweder höhere Energieform, oder thermische Energie einseitig zu- oder abgeführt werden.


    Jetzt der Kunstgriff mit dem dritten Raum:

    In der Natur gibt es immer eine minimale Temperaturdifferenz zwischen zwei willkürlich eingegrenzten Räumen. Und diese Differenz bildet den Dritten Raum.

    Nun ist dieser Differenzraum in der Natur nicht konstant. Er variert entsprechend den gegebenen, aber ebenfalls nicht konstanten, Umgebungsvariablen.


    Für seine möglichen Lösungsansätze fokussiert sich Prakticus auf diesen "Dritten Raum". Und seine speziellen Eigenschaften.

  • rodizia

    Der dritte Raum ist moglicherweise der Quantenraum.

    Photonen (vulgo Licht) sind auch Quanten. Dier 2. Hauptsatz in der Wärmelehre ist ausserhalb von Photo-Synthese und Photo-Voltaik.

    Der 1. Hauptsatz (Energieerhaltung) trifft zu, wenn nicht aus Energie Materie wird.

    CERN : Ein Teilchen wird auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleungt. Die kinetiosche Energie, die in ein so keines Objekt gesteckt wird,
    hat dann eine hohe Konzentration.
    Wenn so ein Teilchen auf ein anderes trifft, wird die Energie frei gesetzt und erzeugt Materie; sie wandelt sich in Materie um
    .

  • Wenn so ein Teilchen auf ein anderes trifft, wird die Energie frei gesetzt und erzeugt Materie; sie wandelt sich in Materie um.

    oytenkratos


    Wenn so ein "energetisch geladenes" Teilchen auf ein anderes energetisch geladenes Teilchen trifft, dann wird durch diesen "Aufprall" Energie in Materie umgewandelt.

    Also ein kinetisches Potential von Energie wird umgewandelt und liegt dann in einer materiellen Form vor.


    Bedeutet das nicht, dass dadurch dass die kinetische Energie des Teilchens, dadurch einfach in ein "räumlich statisches" Potential umgesetzt / ersetzt wird?

    Wird dadurch der Energie-Erhaltungssatz tatsächlich verletzt?

    Falls ja, müsste bei dieser Umwandlung Energie endgültig verschwinden!

    Ist das so?

    Oder wohin entschwindet denn diese Energie?


    Das wage ich schon sehr zu bezweifeln.

    Denn dann würde eine dreidimensionale, sprich materiell manifestierte "Welt" langfristig gar nicht existieren können?

    Da würde doch der Materie langfristig einfach die Energie ausgehen?

  • rodizia


    Die Quantenteilchen Bosonen geben den anderen Quanteneilchen verschiedene Erscheinungsformen,

    z.B. Materie mit Gravitationswirkung (Raumkrümmung) oder den Photonen elektromagnetische Wirkungen.

    Boson – Wikipedia
    de.wikipedia.org

    Die Gesamtmenge an "Materie", "Energie", "Raum" sind konstant.

    Diese Worte sind menschliche Vorstellungen, Bilder oder Modelle.
    Die Quantenphysik entspricht generell nicht den gewohnten menschlichen Vorstellungen in der Makrowelt.


    Es gibt keine "Zeit" ist meine neueste Erkenntnis.

    Dieses Wort in der deutschen Sprache beschreibt lediglich, mehr oder weniger schnelle Veränderungen.