@arc @carolus Natürlich kann man die Thermodynamik und Naturgesetze generell nicht umgehen, aber in diesem speziellen Fall gibt es Methoden, die Wärme/Kälte so zu managen, dass die Verluste beliebig klein werden. Als Gedankenexperiment kann man sich z.B. Kompression mittels einer Taucherglocke vorstellen, die in ein sehr tiefes Gewässer versenkt wird. Die Luft wird dabei etwas wärmer, aber die Wärme wird sofort an das umgebende Wasser abgegeben, so dass man nie gegen einen durch die Temperatur erhöhten Druck ankämpfen muss. Und auf dem Rückweg passiert das Gegenstück: die durch die Kompression erfolgte Abkühlung wird sofort durch Aufnahme von Umgebungswärme ausgeglichen. Je langsamer die Prozesse erfolgen, desto kleiner sind die Verluste. Ich behaupte nicht, dass die Verwendung von Taucherglocken praktikabel wäre (v.a. weil man zur Erreichung hoher Drücke ein extrem tiefes Gewässer bräuchte und weil es andere Verluste durch Strömungswiderstand usw. gibt), aber ich hoffe, die Idee wird dadurch etwas klarer.
da steckt zu viel kitchen logic dahinter.
zum einen musst die in vernünftigen Größen denken.
z.B wieviel Luft musst du auf welchen Druck verdichten um eine lohnenswerte Menge Energie zu speichern. Dabei entsteht nicht nur ein "bischen Wärme" das wären gigantische Mengen und die Thermodynamik sagt die dass die Geschwindigkeit der Verdichtung dabei unerheblich ist. Durch Verdichten erhöht sich die Anzahl der der Kollisionen der Moleküle (Braunsche Molekülbewegung) . Sie hängt der Temperatur und dem Druck ab. Durch das abführen der Wärme nimmt die Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle so weit ab bis wieder ein Gleichgewicht besteht (P x T = const. !)
Diese Energie ist erst mal Verlust.
Wenn du die komprimierte Luft wieder entspannst sinkt die Temperatur noch weiter ab und die Gasmoleküle werden noch langsamer. (So funktionieren Kühlschrank und Klimaanlage)
Die energieaufnahme aus dem umgebenden Medium findet erst nach der Entspannung des Gases statt.
Dabei wir keine nutzbare Energie zurückgewonnen die vorher durch Kompressionswärme verloren gegangen ist.
Mit der Physik kann man leider nicht verhandeln 😜
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Die haben sowas mit Tanks in Israel gebaut.
Wenn man nur abgerregelten Strom verwendet, ist der Wirkungsgrad zweitrangig solange die Anlage Gewinn erwirtschaften kann.
Jeder Kommentar von mir spiegelt nur meine Meinung, meine Erfahrungen oder mein Halbwissen wieder.
Alle Projekte die ich hier vorstelle, zeigen nur wie man es besser nicht machen sollte (Nachbau nur auf eigenes Risiko 🤓)
zu viel kitchen logic
Ich finde es legitim, mit einer Intuition zu starten, aber natürlich muss man dann Arbeit in eine saubere Analyse stecken, denn tatsächlich gilt
Mit der Physik kann man leider nicht verhandeln 😜
@brinki weist auf die israelische Firma aug-wind.com hin, die solche Systeme bereits baut. Ihre web-Präsenz erweckt auf mich den Eindruck, dass die wissen, was sie tun (man kann sich natürlich immer auch täuschen).
Ich sehe nicht, warum (De)Kompression und Wärmeaustausch nicht auch gleichzeitig stattfinden können. Vor allem, wenn bei der Kompression Wasser im Spiel ist, liegt es nahe, die in der zu komprimierenden Luft enthaltene Wärmeenergie teilweise auf das Wasser übergehen zu lassen, dann verteilt sich das und extreme Temperaturen werden vermieden.
aber in diesem speziellen Fall gibt es Methoden, die Wärme/Kälte so zu managen, dass die Verluste beliebig klein werden.
Das Thema ist imho das Hauptproblem.
Man benötigt eine nahezu isothermische Kompression, bei der die Wärme so schnell abgeführt wird, dass sie nicht stört, und ähnlich bei der Dekompression / Rückgewinnung.
Darin liegt das Problem.
Ich erinnere mich an ein Semester Thermodynamik und eines in Kraftfahrzeugwesen.
In Thermodynamik erfuhr ich vom maximal möglichen Wirkungsgrad eines Kompressor und Entspannung s Zyklus ( Verbrennungsmotor Dampfturbinen im Kreislauf) um aus Wärme Arbeit zu erzeugen.
60 %.
Das ist der theoretisch maximale Wirkungsgrad. Oder waren es 64?
Der alte Verbrenner vom Golf 1 hatte 34%, die Turbodiesel 42, der Jumo205 der ME179, WW2, in der Ausführung für Höhenjäger als Diesel mit Abgasturbolader hatte 46%. Nach meine Kenntnisse bis heute Rekord und nicht geknackt. Stationäre Großturbinen 52%, oder waren es 56%? Deswegen die grossen Kühltürme bei Kraftwerken, mehr als ein Drittel geht verloren.
Nun ist dein Konzept keines von Wärme nach Arbeit, sondern eines von Arbeit nach Arbeit, einmal rein, einmal raus.
Dabei hast du einmal Verluste in Arbeit nach Wärme, und einmal zurück. Für diese beiden hast du jeweils die Grenze 60. % Wirkungsgrad.
Jetzt ist spannend: wie hoch ist der Anteil Wärme? Das sind natürlich die 40 % Verluste. Das dann 2 Mal, und die Regel steht ungefähr:
Von den 40 % Verlusten beim ersten Mal bekommst du grob 1/3 zurück.
Würde heißen: Druckspeicher hat maximal (!) 70 % Wirkungsgrad.
Dazu zwei Dinge:
Erstens, alles aus dem Kopf nach fast 50 Jahren. Also besorg dir eine Vorlesung Thermodynamik I und mach dir selbst ein Bild, aber höre auf zu vermuten oder schönzureden.
Zweitens, mit 70 % wäre das noch schlechter als Power to Gas, wo man mit 80 % schon nicht zufrieden ist.
PS: was nicht heißt, das man das Thema nicht diskutieren darf. Aber wenn, dann eben wenigstens grundlegend realistisch.
Ich bin kein Amateur, aber ich lerne trotzdem noch.
Bürokratie schafft man nicht durch neue Regeln oder Gesetze ab.
Ich sehe nicht, warum (De)Kompression und Wärmeaustausch nicht auch gleichzeitig stattfinden können.
Ich habe dazu noch ein ganz unsicheres Gefühl, also unter Vorbehalt:
Die thermodynamische Grundaussage ( mit den 60 oder 64 % Wirkungsgrad) gilt für Ideale Gase ( nach Newton).
Ideale Gase werden beim entspannen garnicht kalt, mit denen kann man keinen Kühlschrank bauen.
Die Wärmemenge, über die du diskutiert , könnte also Zusätzliche Verluste darstellen, die beim entspannen bzw verdichten umgesetzt werden,, normalerweise verloren, in deinem vorgeschlagenen Fall ausgeglichen. Was aber, ich wiederhole nochmals, wenn ich mich nicht irre, an den von mir geben genannten Wirkungsgrad noch garnichts ändern würde.
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@roterfuchs Ja, das ist eine verwandte Idee. Allerdings gibt es Verluste bei der Lagerung, da ständig Wärme zufließt, die zum Verdampfen eines Teils der Ladung führt, womit eine saisonale Speicherung nur mit extrem guter Wärmeisolierung gehen würde. Druckluft braucht dagegen einen extrem beständigen Druckbehälter, der auch recht aufwendig ist, aber wenn man den mal hat, gibt's keine unerwünschte Entladung mehr.
Komm ich gerade nicht mit. Flüssiger Stickstoff kommt doch auch in Druckflaschen, da fließt keine Wärme zu.
Flüssiger Stickstoff kommt doch auch in Druckflaschen,
Bei Raumtemperatur? Nein. Stickstoff kriegst du bei Raumtemperatur auch bei noch so viel Druck nicht flüssig. Kannst du ggoglen.
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Ok, ich verlasse dann mal die Küche und werde etwas konkreter.
Es wird auf dem Niveau von Gedankenexperimenten bleiben, aber ich hoffe, eine detailliertere Beschreibung hilft, das Prinzip meiner Idee klarer zu machen.
Tut mir leid, dass der Text etwas lang geraten ist.
Szenario 1: Pumpspeicherkraftwerk.
Der theoretische Roundtrip-Wirkungsgrad beträgt 100%, da keine Thermodynamik im Spiel ist. In der Praxis werden irgend etwas zwischen 80% und 90+% erreicht. Um die folgenden Szenarien besser zu motivieren, schlage ich eine spezielle Variante des PSKs vor: Die beiden Becken sind durch eine archimedische Schraube verbunden. Die Schraube enthält Wasser in ihrer Rinne, das ein Drehmoment erzeugt. Drehe ich entgegen dieses Drehmoments, muss ich Arbeit leisten und bewege Wasser nach oben. Die so in Lageenergie gewandelte Arbeit kann ich später zurückbekommen, indem ich durch die Schraube einen Generator antreibe, wobei das Wasser wieder nach unten fließt. Von Details wie Reibung, die genaue Anordnung am oberen Ende, Dosierung des Zulaufs usw. möchte ich hier und in den folgenden Szenarien mal absehen, denn es ist ja ein Gedankenexperiment und dreht sich um die prinzipielle Machbarkeit. Ja, und es gibt tatsächlich Kraftwerke, die archimedische Schrauben verwenden (allerdings nur in einer Richtung), siehe z.B. https://landustrie.nl/en/products/hydropower/ Wer mir soweit gefolgt ist, muss nun in Gedanken alles auf den Kopf stellen.
Szenario 2: Kompression von Luft mittels einer (sich schnell drehenden) archimedischen Schraube.
Wir haben am Grund eines großen Gewässers ein Reservoir für komprimierte Luft. Es gibt eine archimedische Schraube, die von der Oberfläche zu diesem Reservoir führt. Diese Schraube transportiert kein Wasser, sondern Luft, d.h. die Rinne darf keine Löcher o.ä. haben, vielleicht kann man die Luft auch in einem Folienschlauch gegen Verluste sichern. Die Anwesenheit und der Auftrieb von Luft erzeugt wieder ein Drehmoment. Drehe ich die Schraube entgegen des Drehmoments, leiste ich Arbeit und transportiere dabei Luft nach unten, wobei sie durch den höheren Wasserdruck auch komprimiert wird (die Schraube darf sich daher auf dem Weg nach unten verjüngen, das spart Material und reduziert Reibungskräfte). Die aufgebrachte Arbeit manifestert sich in drei Formen:
- Lageenergie (wenn ich Luft entgegen des Auftriebs runter schaffe, hebt sich oben der Wasserspiegel, ich hebe also indirekt Wasser an)
- Elastische Energie der komprimierten Luft
- Wärme (wobei ich mir da nicht so sicher bin, ob sich die Temperatur nicht einfach dadurch erhöht, das sich die in der Luft vorhandene kinetische Energie auf ein geringeres Volumen konzentriert. Ist m.E. letztlich nicht wichtig).
Lässt man diesen Prozess schnell (adiabatisch) ablaufen, kommt unten heiße Luft raus. Wegen der nach unten zunehmenden Wärme reduziert sich das Volumen der Luft und somit der Auftrieb nicht so stark und man leistet insgesamt mehr Arbeit, die letztlich verloren geht, wenn die Wärme schließlich aus dem Reservoir entweicht. Analoges passiert, wenn man das System schnell rückwärts laufen lässt. Die inzwischen abgekühlte komprimierte Luft steigt durch die Schnecke auf und kühlt sich weiter ab. Dadurch sinkt das Volumen bzw. nimmt nicht so schnell zu, insgesamt ist das Drehmoment bei der Dekompression kleiner als bei der Kompression und man kommt auf die bekannten Wirkungsgrade in den Dreißigern (~ 60% * 60%).
Szenario 3: Kompression von Luft mittels einer sich langsam drehenden archimedischen Schraube.
Führt man diese Prozesse nun sehr langsam aus, so kann sich die in jeder Windung ansteigende Temperatur durch die großen Oberflächen an die Temperatur des umgebenden Wassers angleichen und wir haben eine nahezu isothermische Kompression. Das System gibt die in der ursprünglichen Luft enthaltene Wärmeenergie sukzessive an das Wasser ab und wird deshalb nicht wesentlich wärmer als dieses. Das Volumen jedes Segments eingeschlossener Luft sinkt der Tiefe entsprechend umgekehrt proportional zum Druck und die für die Kompression zu leistende Arbeit wird im Vergleich zu Szenario 2 reduziert.
Lässt man dieses System langsam rückwärts laufen, kühlt die Luft bei jeder Stufe leicht ab, nimmt dann aber Wärme vom Wasser auf, so dass sich keine starke Abweichung von der Wassertemperatur ergibt. Das Volumen und der Auftrieb jeder Luftkammer ist umgekehrt proportional zum Druck, der sich aus der Wassertiefe ergibt. Im Extremfall verschwindender Geschwindigkeit ist dieser Vorgang reversibel und das Drehmoment zur Kompression entspricht dem Drehmoment bei der Rückgewinnung. Dieser Fall wird in der Praxis nicht erreicht, aber man kann sich beliebig annähern.
Szenario 4: Dynamische Anpassung der Geschwindigkeit
Die Szenarien 2 und 3 verwenden genau dieselben Aggregate und unterscheiden sich nur in der Betriebsgeschwindigkeit und somit der durchgesetzten Leistung. Man kann die Geschwindigkeit nach Bedarf kontinuierlich variieren und hat in jeder Situation die Wahl, eine höhere Leistung zu speichern oder abzurufen und dabei Verluste beim Wirkungsgrad in Kauf zu nehmen. Ist (zu) viel Energie vorhanden, nehme ich gerne in Kauf, am Ende nur 80% davon wiederbekommen zu können. Oder: ist Energie sehr knapp und deshalb teuer, möchte ich ggf. höhere Leistung abrufen, auch wenn sich das Reservoir dann schneller leert (außer wenn das Reservoir zur Neige geht und ich jetzt schon weiß, dass Energie in naher Zukunft noch knapper sein wird).
Schau dir für Gase ein Semester Thermodynamik an.
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Es gab mal Versuche Müllautos (anfahern, abbremsen, anfahren, abbremsen, ...) mit Druckspeichern zu hybridisieren, bei Baggern gibt es das wohl schon zu kaufen. Die machen auch repetitive Bewegungen. Hyraulische Druckspeicher funktionieren mit Stickstoffkammer, also quasi Druckluft. Vorteil hier, wenn der Druckspeicher gross und die Speicherdauer kurz ist findet kaum Wärmeaustausch mit der Behälterwand statt. Der arbeitet dann weitgehend adiabatisch, also auch wieder verlustarm. Also als Kurzzeitspeicher mit richtig fett Leistung gar nicht so schlecht.
Problem Hydraulikpumpen und -motoren haben nur rund 80% Wirkungsgrad. Allein davon sind pro Umlauf nur noch 64% übrig. Zylinder sind da besser die haben nur wenige % Reibung.
@woeufu die druckspeicher funktionieren da gut wo Massen abwechselnd beschleunigt werden.
Dabei wird ein Teil der zur Beschleunigung notwendigen Energie recycled.
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Egal, ob schnell oder langsam. Bei der Kompression steigt die Temperatur.
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Egal, ob schnell oder langsam. Bei der Kompression steigt die Temperatur.
Klar, in einem abgeschlossenen System, das nur die komprimierte Luft enthält, spielt die Geschwindigkeit keine Rolle und diese Formel beschreibt die Temperatur T₂ am Ende des Prozesses. Das von mir beschriebene System enthält aber neben der Luft auch Wasser, das einen Teil der Wärme aufnehmen kann. Es laufen simultan zwei Prozesse ab: a) Kompression, die die Luft erwärmt und b) Austausch von Wärme zwischen Luft und Wasser. Die Endtemperatur T₃ hängt von den relativen Anteilen von Luft und Wasser ab und bei hinreichend viel Wasser liegt sie nur wenig über der Ausgangstemperatur. Auch T₃ ist unabhängig von der Geschwindigkeit. Das gilt jedoch nicht für die maximale Temperatur der Luft während des Gesamtprozesses. Sie hängt vom relativen Tempo ab, in dem die Prozesse a und b ablaufen. Ist a sehr schnell im Vergleich zu b, wie im Szenario 2 meiner Beschreibung, wird die Luft erst sehr warm (erreicht nahezu T₂), um dann asymptotisch auf T₃ abzufallen, während sich das Wasser ebenfalls auf T₃ erwärmt. Ist a dagegen langsam wie in meinem Szenario 3, wird die maximale Temperatur nur wenig über T₃ ansteigen.
Das ist ein sehr komplexes Problem zum Berechnen. Die Kompressionswärme erwärmt das Wasser. Das Wasser verdunstet und entzieht der Umgebung Wärme bis zur Kühlgrenztemperatur. Falls es in den letzten 30 Jahren nicht erhebliche Fortschritte gegeben hat, laßt sich diese Temperatur nur iterativ berechnen. Da habe ich mal in Modula-2 ein Programm mit 4 in sich veschachtelten Iterationen geschrieben. Aber die Wärme ist so oder so erstmal teilweise in einem anderen Medium. Bei konstantem Volumen wird sich der Druck durch die Verringerung der Temperatur senken. Es steht damit weniger potentielle Energie bei der Entspannung zu Verfügung.
Energie mit Druckluft zu speichern, macht nur in wenigen Spezialfällen Sinn, kurzzeitig und zyklisch, also rekuperativ.
Bei einer Langzeitspeicherung sind die Verluste zu hoch und damit der Wirkungsgrad zu gering.
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Der Wirkungsgrad bei einem Kompressor liegt im Idealfall bei ca 50% somit ist Druckluft als Zwischenspeicher einer der uneffektivsten Methoden die man nutzen sollte, wenn noch Druckverluste dazu kommen auf grund von undichten ventielen oder leitungen geht es runter auf 40% es ist lso eher ne Geld vernichtungsanlage als sinnvoll.
Der mit der sympatishen Vollmeise