Kraftwärmemaschinen und Wärmekraftmaschinen: Was ist der Unterschied?
Sowohl Wärmekraft- als auch Kraftwärmemaschinen transformieren Wärme, also wandeln thermische Energie um. Sie tun dies jedoch trotz der recht ähnlichen Begriffe auf gänzlich unterschiedliche Weise.
- Eine Wärmekraftmaschine nutzt Wärmeenergie, um damit mechanische Arbeit zu verrichten. Zugeführte Wärme wird dabei in Nutzenergie und niedriger temperierte Abwärme Prominente Beispiele für die Systeme sind etwa Verbrennungsmotoren sowie Dampf- und Gasturbinen.
- Eine Kraftwärmemaschine funktioniert in umgekehrter Richtung. Hier wird eine niedrig temperierte Wärmequelle „angezapft“ und die aus dieser gewonnene thermische Energie durch den Einsatz von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau Im Anschluss wird die Wärme an ein im Vergleich zur Energiequelle höher temperiertes System abgegeben. Auf diese Weise werden Kältemaschinen und Wärmepumpen betrieben.
Wie funktioniert eine Kraftwärmemaschine?
Kraftwärmemaschinen funktionieren in der Regel über einen Kreislauf, der zwei physikalische Systeme verbindet und in dem ein Arbeitsmedium zirkuliert. Dieses ist sehr niedrig temperiert und kann so dennoch Wärmeenergie vom kälteren physikalischen System aufnehmen. Dabei verdampft es und wird im Anschluss zu einem Kompressor geleitet, der es verdichtet. Durch die Erhöhung des Drucks steigt das Temperaturniveau des Arbeitsmediums noch weiter an. Sobald die Temperatur jene des zweiten Systems übersteigt, wird der Dampf zu einem Wärmetauscher geleitet und kann dort thermische Energie an das eigentlich höher temperierte Reservoir abgeben – somit wurde insgesamt Wärme von einem kälteren in ein wärmeres System transportiert. Das Arbeitsmedium kondensiert durch die Wärmeabgabe und sein Druck wird im letzten Schritt über ein Entspannungsventil (oder eine vergleichbare technische Komponente) wieder normalisiert. Schließlich kann der Prozess von vorn beginnen.
Wofür kommen Kraftwärmemaschinen zum Einsatz?
Kraftwärmemaschinen finden aufgrund der Möglichkeit, über sie natürliche Temperaturgefälle zu umgehen, vielfältige Verwendung. Eines der wohl alltäglichsten Einsatzgebiete findet sich in jedem Kühlschrank. Die thermische Energie wird dabei dem Innenraum entzogen, aufbereitet und nach Erreichen eines ausreichenden Temperaturniveaus an die Außenwelt abgegeben. Auf dieselbe Art und Weise funktionieren auch die meisten Klimaanlagen, wobei der „Innenraum“ hier das jeweilige Zimmer bzw. Gebäude ist.
Für die Energiewirtschaft jedoch wichtigstes Einsatzgebiet von Kraftwärmemaschinen ist ihre Nutzung als Wärmepumpe. Dabei ist es möglich, zur Beheizung oder der Bereitstellung von Prozesswärme auch Energiequellen mit vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau zu nutzen. Wärmetauscher entziehen etwa der Umgebungsluft, dem Erdreich oder aber dem Grundwasser einen Teil der thermischen Energie, steigern diese durch Kompression und können sie im Anschluss einer Heizanlage oder einem anderen technischen System zuführen. Je höher dabei die Temperatur der Wärmequelle ist, umso weniger Antriebsenergie benötigt die Wärmepumpe zur Aufbereitung der Wärme bis zur „Nutztemperatur“. Zudem sind keinerlei Brennstoffe zur Wärmeerzeugung erforderlich, lediglich elektrischer Strom. Stammt dieser aus regenerativen Energiequellen, arbeiten die Anlagen gänzlich ohne Schadstoffemissionen. Logischerweise sind Umweltwärmequellen außerdem aus menschlicher Sicht unerschöpflich, da sie immer wieder durch die Sonneneinstrahlung sowie radioaktive Zerfallsprozesse im Erdkern erneuert werden.
Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Wärmepumpen ist es, dass sie nahezu jedes System als Wärmequelle nutzen können, sofern sich die Verwendung als wirtschaftlich erweist. Neben der Umgebungsluft, dem Boden und dem Grundwasser trifft dies zum Beispiel auch auf von Menschen gemachte „Energiequellen“ wie Abwärme und Abwasser zu. Diese waren bislang einer Weiternutzung verschlossen, d. h. die dort gespeicherte Energie wurde ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Mit Kraftwärmemaschinen ist nun ein Energierecycling möglich. Über Wärmetauscher und Wärmepumpen, die an die entsprechenden Leitungssysteme angeschlossen sind, lässt sich so noch ein Teil der vorab eingesetzten Wärmeenergie in den Kreislauf zurückführen und damit recyceln, anstatt dass sie einfach verloren geht. Darüber ist es möglich, die Neuerzeugung von Wärme zu reduzieren, was Energiekosten sowie Emissionen einspart. Da Abwasser und Abwärme für gewöhnlich recht hoch temperiert sind, ist der Energieeinsatz für das Wärmepumpensystem meist sehr gering. Zudem sind die Wärmequellen aufgrund der bereits vorhandenen Infrastrukturen (Abluftsystem, Schornstein, Kanalisation) extrem einfach zu erschließen, während bei Sole-Wasser- und Wasser-Wasser-Wärmepumpen erst tiefe Sondenbohrungen ins Erdreich bzw. bis zum Grundwasser erfolgen müssen.
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