Dampflokomotiven rattern über Bahngleise. Raddampfer strömen den Murray hinunter. Von Dampfmaschinen angetriebene Dreadnought-Schlachtschiffe.

Viele von uns denken, das Dampfzeitalter sei vorbei. Doch während die Dampfmaschine durch Verbrennungsmotoren und nun auch durch Elektromotoren ersetzt wurde, ist die moderne Welt immer noch auf Dampf angewiesen. Fast alle Wärmekraftwerke, von Kohle- bis Kernkraftwerken, benötigen Dampf, um zu funktionieren. (Gasanlagen tun dies normalerweise nicht).

Aber warum? Es liegt an etwas, das wir vor Jahrtausenden entdeckt haben. Im ersten Jahrhundert n. Chr. erfanden die alten Griechen die Aeolipile – eine Dampfturbine. Hitze verwandelte Wasser in Dampf, und Dampf hat eine sehr nützliche Eigenschaft: Es ist ein leicht herzustellendes Gas, das Druck ausüben kann.

Diese einfache Tatsache bedeutet, dass sogar der Traum von der Fusionskraft existiert schleicht näher, wir werden immer noch im Dampfzeitalter sein. Die erste kommerzielle Fusionsanlage wird darauf angewiesen sein neuste Technologie Es kann Plasma enthalten, das viel heißer ist als der Kern der Sonne – aber es wird immer noch mit einer bescheidenen Dampfturbine verbunden sein, die Wärme in Bewegung und Elektrizität umwandelt.

Warum sind wir immer noch auf Steam angewiesen?

Das Kochen von Wasser verbraucht eine beträchtliche Energiemenge, die bei weitem die höchste aller uns bekannten Flüssigkeiten ist. Die Verdunstung von Wasser erfordert etwa 2.5-mal mehr Energie als Ethanol und 60 Prozent mehr als Ammoniakflüssigkeiten.

Warum verwenden wir Dampf anstelle anderer Gase? Wasser ist billig, ungiftig und lässt sich leicht von einer Flüssigkeit in ein energiereiches Gas umwandeln, bevor es wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert und immer wieder verwendet werden kann.

Dampf existiert so lange, weil wir über reichlich Wasser verfügen, das 71 Prozent der Erdoberfläche bedeckt, und Wasser ein nützliches Mittel ist, um thermische Energie (Wärme) in mechanische Energie (Bewegung) und elektrische Energie (Elektrizität) umzuwandeln. Wir suchen nach Elektrizität, weil sie leicht zu übertragen ist und in vielen Bereichen für uns arbeiten kann.

Wenn Wasser in einem geschlossenen Behälter in Dampf umgewandelt wird, dehnt es sich enorm aus und erhöht den Druck. Hochdruckdampf kann wie jedes Gas große Mengen Wärme speichern. Wenn ein Auslass vorhanden ist, strömt der Dampf mit hohen Durchflussraten durch diesen hindurch. Platzieren Sie eine Turbine in ihrem Austrittsweg, und die Kraft des austretenden Dampfs lässt die Schaufeln der Turbine rotieren. Elektromagnete wandeln diese mechanische Bewegung in Elektrizität um. Der Dampf kondensiert wieder zu Wasser und der Prozess beginnt von neuem.

Dampfmaschinen nutzten Kohle, um Wasser zu erhitzen und so Dampf zum Antrieb der Maschine zu erzeugen. Bei der Kernspaltung werden Atome gespalten, um Wasser zum Kochen zu bringen. Durch die Kernfusion werden schwere Wasserstoffisotope (Deuterium und Tritium) dazu gezwungen, zu Helium-3-Atomen zu verschmelzen und noch mehr Wärme zu erzeugen – um Wasser zu kochen, um Dampf zu erzeugen, der Turbinen zur Stromerzeugung antreibt.

Wenn man sich in den meisten Wärmekraftwerken nur den Endprozess ansieht – Kohle, Diesel, Kernspaltung oder sogar Kernfusion –, würde man sehen, dass die alte Dampftechnologie so weit wie möglich ausgeweitet wird.

Die Dampfturbinen, die die großen elektrischen Generatoren antreiben, die 60 Prozent des weltweiten Stroms produzieren, sind wunderschön. Hunderte Jahre metallurgischer Technologie, Design und aufwendiger Fertigung haben die Dampfturbine nahezu perfektioniert.

Werden wir weiterhin Dampf verwenden? Neue Technologien erzeugen Strom ganz ohne Dampf. Solarplatten verlassen sich darauf, dass einfallende Photonen auf Elektronen im Silizium treffen und eine Ladung erzeugen Windkraftanlagen funktionieren wie Dampfturbinen, außer dass Wind die Turbine antreibt, nicht Dampf. Einige Formen der Energiespeicherung, wie zum Beispiel Pumpspeicherkraftwerke, verwenden Turbinen, allerdings für flüssiges Wasser, nicht für Dampf, während Batterien überhaupt keinen Dampf verbrauchen.

Diese Technologien entwickeln sich schnell zu wichtigen Energie- und Speicherquellen. Aber der Dampf lässt nicht nach. Wenn wir Wärmekraftwerke nutzen, werden wir wahrscheinlich immer noch Dampf verwenden.

Warum können wir Wärme nicht einfach in Strom umwandeln?

Sie fragen sich vielleicht, warum wir so viele Schritte brauchen. Warum können wir Wärme nicht direkt in Strom umwandeln?

Es ist möglich. Thermoelektrische Geräte werden bereits in Satelliten und Raumsonden eingesetzt.

Diese aus speziellen Legierungen wie Blei-Tellur gefertigten Geräte basieren auf einem Temperaturunterschied zwischen heißen und kalten Verbindungen zwischen diesen Materialien. Je größer der Temperaturunterschied, desto mehr Spannung können sie erzeugen.

Der Grund dafür, dass diese Geräte nicht überall zu finden sind, liegt darin, dass sie nur Gleichstrom (DC) bei niedriger Spannung erzeugen und einen Wirkungsgrad von 16 bis 22 Prozent bei der Umwandlung von Wärme in Elektrizität haben. Im Gegensatz dazu haben hochmoderne Wärmekraftwerke einen Wirkungsgrad von bis zu 46 Prozent.

Wenn wir eine Gesellschaft mit diesen Wärmeumwandlungsmotoren betreiben wollten, bräuchten wir große Anordnungen dieser Geräte, um ausreichend hohen Gleichstrom zu erzeugen und ihn dann mithilfe von Wechselrichtern und Transformatoren in den Wechselstrom umzuwandeln, den wir gewohnt sind. Während Sie also möglicherweise Dampf vermeiden, müssen Sie am Ende neue Umwandlungen vornehmen, um den Strom nutzbar zu machen.

Es gibt andere Möglichkeiten, Wärme in Strom umzuwandeln. Hochtemperatur-Festoxid-Brennstoffzellen sind in der Entwicklung seit Jahrzehnten. Diese laufen heiß – zwischen 500 und 1,000 Grad Celsius – und können Wasserstoff oder Methanol (ohne echte Flamme) verbrennen, um Gleichstrom zu erzeugen.

Diese Brennstoffzellen haben einen Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent und möglicherweise sogar noch mehr. Diese Brennstoffzellen sind zwar vielversprechend, aber noch nicht reif für die Hauptsendezeit. Sie haben teure Katalysatoren und aufgrund der starken Hitze eine kurze Lebensdauer. Aber Fortschritt ist Gemacht werden.

Bis Technologien wie diese ausgereift sind, bleiben wir bei der Umwandlung von Wärme in Elektrizität mit Dampf. Das ist nicht so schlimm – Dampf funktioniert.

Wenn Sie eine Dampflokomotive vorbei rattern sehen, denken Sie vielleicht, es handele sich um eine urige Technologie aus der Vergangenheit. Aber unsere Zivilisation ist immer noch sehr stark auf Dampf angewiesen. Wenn Fusionskraft kommt, wird Dampf auch die Zukunft antreiben. Das Dampfzeitalter endete nie wirklich.

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

Bild-Kredit: Siemens Pressebild über Wikimedia Commons

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• Quelle: https://singularityhub.com/2024/03/19/even-as-the-fusion-era-comes-into-view-were-still-in-the-steam-age/