Stromerzeugung mittels Wärmepumpe

[S1lverSurf3r]

Eine Frage an die Ingenieure unter euch.

Eine Wärmepumpe enzieht einem Umgebungsmedium (Luft, Erde, Wasser) Wärmeenergie und überträgt diese als Nutzwärme auf ein System. In der Regel eine Heizung. Hierbei wird ein Wirkungsgrad von, angenommen, 1:4 erreicht. Indem man dem Umgebungsmedium Energie entzieht wird somit aus 1 KW Strom, 4 KW Wärmeenergie erzeugt.

Soweit so klar.

Wäre es nun nicht möglich aus diesen 4 KW Wärmeenergie, mittels einer Wärmekraftmaschine oder einer Turbine wiederum Strom zu erzeugen?

Bei einem angenommen Wirkungsgrad >25% würde am Ende ein positive Bilanz erreicht werden.

Mit ist bewusst, dass eine Turbine mit hohem Temperaturen arbeitet und das eine Wämepumpe desto schlechter performat, desto höher die zu erzielende Temperatur ist. Dies würde sich jedoch möglichweise lösen lassen, indem ein Medium eingesetzt wird, welches bei einer niedrigeren Temperatur verdampft. Auch seine Wärmekraftmaschine wäre eine Möglichkeit.

Woran scheitertet somit die Realisierung?

Dem Einwand "Perpetuum mobile", möchte ich vorab entgegnen, dass nicht Energie aus dem Nichts erzeugt werden soll. Die Energie wird dem Umgebungsmedium entzogen und sollte in ausreichender Menge zu Verfügung stehen.

 

[Faluröd]

Die Idee scheitert letztlich am 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Der besagt unter anderem: "Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen." (Quelle)

Am anschaulichsten wird es, wenn du deine gedachte Kombination von Turbine und Wärmepumpe dir als eine Maschine denkst. Diese soll Wärme von A nach B zu transportieren, wobei B wärmer als A. Dazu benötigt man also immer externe Energie. Oder anders formuliert: Würde man die Temperaturdifferenz dazu nutzen, um wiederum eine Turbine anzutreiben, dann kann diese nicht genug Strom erzeugen, um damit den Prozess am Laufen zu erhalten.

Leider ist der 2. Hauptsatz in all seinen Auswirkungen nicht ganz anschaulich. Deswegen wird der normalerweise nur in MINT-Studiengängen unterrichtet, und selbst da nicht gleich im 1. Semester.

Als etwas Zahlenmaterial für deine gedachte Turbine: Baut man die ideal, kann die maximal den Carnot-Wirkungsgrad erreichen. Nimmt man den Extremfall einer Wärmepumpe für eine normale Heizung, z.B. -20°C draußen und 25°C drinnen, also 253 Kelvin bzw. 298 Kelvin, dann liegt der Carnot-Wirkungsgrad bei 15%. Also reicht die Leistungszahl von 4 der Wärmepumpe definitiv nicht, um in Kombination "Energie zu gewinnen" (wenn diese Leistungszahl bei solch extremen Bedingungen überhaupt erreicht werden kann).

 

[simpsonsfan]

Und die theoretisch maximal erreichbare Leistungszahl einer Wärmepumpe ist der Kehrwert des Carnot-Wirkungsgrades. Schließlich läuft in der Wärmepumpe ebenfalls ein Kreisprozess.
Die in der Praxis erreichbare Leistungszahl ist noch weitaus geringer. Bei 45K Temperaturdifferenz schaltet eine Wärmepumpe daher (üblicherweise) auch ab und es wird direkt mit Strom geheizt.

Rein theoretisch kann auf diese Weise also bestenfalls ein System erbaut werden, bei dem hinten so viel Strom rauskommt, wie man vorne in die Wärmepumpe einspeist. In der Praxis natürlich immer weniger.
(theoretischer Maximalwirkungsgrad η = max. Turbinenwikrungsgrad η_c * max. Wärmepumpen-Leistungszahl 1/η_c = 1)

 

[_killy_]

Kurz gesagt, die Wärmepumpe braucht ja schon Strom um die Wärme - von wo auch immer - aufzunehmen. Dieser Stromverbrauch ist dann deutlich höher als der Strom den du dann per Wärmeenergieumwandlung erzeugen kannst.

 

[S1lverSurf3r]

Also kann mann festhalten, dass die 45K Temperaturdifferenz, welche die Wärmepume in einem Durchlauf erreicht, nicht ausreichend sind um eine Turbine oder eine anderes Gerät zur Stromerzeugung mit einem ausreichenden Wirkungsgrad zu betreiben um eine positive Bilanz zu erreichen?

 

[Joker (AC)]

Diese Systeme machen nur in bestimmten Konstellation Sinn.
Haben im Keller eine WP, die die Wärme der Kellerluft entnimmt. (Altbau -die Böden mit üblichen Isolierung)
Durch Gefrierschrank, Waschmaschine und Trockner kommt da genug Energie rein, die man für Brauchwasser WP (100L) gut rückgewinnen kann. Zusätzlich bekommt man noch den Keller trocken.
Von der Öko Einstellung (rund 70-75°C, dh 1:3 ca) zur Dampfturbine wird nur mit flüchtigen zB diversen Brenstoffen und Alkoholen möglich (Kondensat müsstest du ja wieder Rückstandsfrei verflüssigen und zuführen)
Sowas wollte ich nicht im Keller stehen haben- unmöglich wäre es vielleicht nicht.
Woher kommst du ?
Ich frag nur für Freund, wenn was explodiert.....

 

[simpsonsfan]

@S1lverSurf3r #5
Nein, das wäre eine falsche Schlussfolgerung und auch so nicht richtig.
Tatsächlich frage ich mich dabei, ob du die beiden vorherigen Antworten gelesen hast. Verstehe das nicht als Affront, so ist es keinesfalls gemeint. Ich selbst (mit Ingenieurshintergrund) bin nur der Meinung, dass die beiden Posts (und wenn man zusätzlich noch den verlinkten Wikipedia-Artikel zum 2. Hauptsatz durchliest) die Ausgangsfragestellung eigentlich gut beantworten und nicht zu einem solchen Schluss führen lassen. Das kann aber für andere Personen ganz anders aussehen.

Bspw. in Klimaanlagen und Kühlschrankkompressoren werden oft diverse Kältemittel verwendet, die verschiedene Dampftemperaturen und -drücke haben, die sich auch deutlich von Wasser unterscheiden können.
Zudem kann man Turbinen auch ohne Phasenwechsel des Mediums betreiben, siehe gewöhnliche Wasserkraftwerke. Der Schluss von dir ist also unpassend.

Vielmehr bleibt festzuhalten, dass es nicht möglich ist, ein System zu errichten, das einem Reservoir Wärme entzieht und diese Wärme komplett in technische Arbeit umwandelt. Was eine Formulierung des 2. Hauptsatze der Thermodynamik ist. Bei Wikipedia als ähnliche Formulierung:
"Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu konstruieren, die weiter nichts bewirkt als Hebung einer Last und Abkühlung eines Wärmereservoirs."

 

[S1lverSurf3r]

@simpsonsfan: Danke für deine sachliche Antwort.

Würde es gerne nochmal probieren.

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine (z.B. Sterlingmotor) kann den Carnot Wirkungsgrad nicht überschreiten. Eine Wärmepumpe ist im Wirkungsgrad durch die Leistungszahl limitiert, welche dem Kehrwert des Carnot Wirkungsgrades entspricht. Somit ist eine positive Energiebilanz durch die Kombination einer WP mit einer WKM nicht möglich.

 

[simpsonsfan]

Ja, so würde ich das unterschreiben. Dazu schön passend sind auch die ersten zwei Absätze im Artikel Wärmekraftmaschine.

Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie (Arbeit) umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine und alle Verbrennungsmotoren.

Dagegen wird eine Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres transportiert, als Kraftwärmemaschine, Wärmepumpe oder Kältemaschine bezeichnet.

KWM + WKM = KWWKM = M = nichts außer Reibungsverluste