Wasserdampf

Energie aus Wasserdampf

Künstlich erzeugter Wasserdampf bildete über einen recht langen Zeitraum hinweg den Energiezwischenträger überhaupt – wobei nicht vergessen werden darf, daß es z.B. auch die Lehrmeinung ‚Biotechnischen Schule’ gibt, der zufolge das Erzeugen von Dampf ‚naturwidrig’ ist, da in der Natur das Wasser ohne hohe Temperaturen verdunstet und nicht verdampft, jedenfalls nicht in der unmittelbaren Lebensumwelt des Menschen. Wasserdampf aus natürlichen Quellen behandlen wir unter Geothermalenergie.

Die Nutzanwendung des künstlich erzeugten Wasserdampfs geht sehr weit zurück, so hat schon der größte und wohl bekannteste Wissenschaftler der Alexandrinischen Ingenieursschule Heron, der etwa im 2 Jh. v. Chr. lebte, eine Dampfturbine beschrieben und gebaut – sein ‚Aelopile’ (oder ‚Heronsball’) erlangte allerdings keine wirtschaftliche Bedeutung. Dies ist um so verwunderlicher, als daß diese erste dampfbetriebene ‚Reaktionsturbine’ Arbeit leisten konnte und auch die sonstigen technischen Voraussetzungen für eine praktische Nutzung bereits bestanden. Man hätte mit dieser einfachen Turbine zum Beispiel die Archimedische Schraube betreiben können, mit der in Ägypten schon damals Wasser gefördert wurde. Vermutlich war der Betrieb von Arbeitsmaschinen mit der Muskelkraft von Sklaven wesentlich billiger. Herons Aelopile bestand aus zwei Teilen: Der untere Behälter wurde mit Wasser gefüllt und erhitzt, wobei der erzeugte Dampf über zwei Rohe in eine Metallkugel eintrat, die sich um ihre Achse drehen konnte. Der notwendige Schub wurde durch senkrecht zur Achse stehende Düsen erzeugt.

Der osmanische Astronom und Ingenieur Taqiyaddin beschreibt in seinem ‚Buch der Produktionswege bewegender Maschinen’ von 1546 drei Vorrichtungen zum Drehen von Bratspießen. Eine davon nutzt die Dampfkraft und eine Schaufelrad-artige Turbine, die als Vorläufer der Pelton-Wasserturbine gelten kann (s.d.), und die in den arabischen Ländern eine weite Verbreitung gefunden hat. Ein Modell davon befindet sich im Institut für Geschichte der Arabisch-Islamischen Wissenschaften an der Goethe-Universität in Frankfurt.

Der  Italiener Giovanni Branca beschrieb bereits 1629 in seinem Buch Le machine ein funktionierendes Dampfrad, doch erst nachdem der französische Physiker Denis Papin (1647 – 1712) den Druckkochtopf erfand, und der englische Maschinenbauer Thomas Newcomen (1663 – 1729) als einer der ersten eine atmosphärische Kolbenmaschine baute, konnte der Schotte James Watt (1736 – 1819) mit seiner Dampfmaschine als deren ‚Erfinder’ hervortreten, denn diese war erstmals in der Lage, Räder zu bewegen!

Es ist an dieser Stelle jedoch angemessen, diese Sachlage etwas näher zu betrachten, da sie charakteristisch dafür ist wie viel zu oft mit neuen Ideen resp. Erfindungen und deren Protagonisten umgegangen wird.Wir zitieren hier den entsprechenden Absatz aus der offenen Enzyklopädie Wikipedia:

Die Dampfmaschine leitete die industrielle Revolution ein. Sie trieb Webstühle, Schiffe oder Eisenbahnen an. Doch anfangs wollte sie niemand haben. „Ich bin nicht wahnsinnig!“, rief Salomon de Caus. „Ich habe eine Erfindung gemacht, die das Land bereichern muss.“ De Caus hat eine Dampffontäne konstruiert. Doch Dampffontänen benötigt im Paris des 17. Jahrhunderts niemand, de Caus’ Ideen auch nicht. Seine Rufe verhallten zwischen den Gitterstäben einer Pariser Irrenanstalt. Der britische Marquis of Worcester, Edward Somerst, besucht den Irren, eher zufällig, und urteilt später: „Ihr haltet das größte Genie unserer Zeit gefangen. In meinem Vaterland England würde dieser Mann, statt im Kerker zum Wahnsinn gebracht zu werden, mit Reichtümern überschüttet werden!“ Der Marquis überschätzt sein Vaterland. Zurück in England wird er als angeblicher Spion enttarnt und im Tower von London eingekerkert. Dort schreibt er ein Buch, in das er Boote ohne Segel und andere Merkwürdigkeiten kritzelt.

Das kleine Buch bekommt der französische Physiker und Arzt Denis Papin in die Hände. Er kennt es bald auswendig und ist begeistert von der Idee, mit Dampfdruck Maschinen anzutreiben. Als erstes bastelt er einen Dampfkochtopf, den er um 1680 öffentlich vorführt. Das gute Stück fliegt Papin mit einem lauten Knall um die Ohren. Der Spott ist groß. Doch mit einer weiteren Erfindung, dem Sicherheitsventil, gelingt das Experiment. 1689 geht Papin nach Deutschland, entwirft ein U-Boot und die erste funktionstüchtige Dampfmaschine. Mit ihr hat er viel vor, doch Papin ist kein Geschäftsmann. Seine Ideen lässt er sich von dem Engländer Thomas Savery stehlen, der sie verbessert und verkauft. Papin sieht keinen Pfennig. Seine letzten Ersparnisse steckt er in einen Werbegag: Mit einem dampfbetriebenen Schaufelradboot will er von Kassel nach London schippern und so die Machbarkeit seiner Ideen beweisen. Er kommt nicht weit. Bei Münden wird ihm die Weiterreise verweigert, das Boot an Land geschleppt und in seine Einzelteile zerlegt. Papin ist am Ende und stirbt um das Jahr 1712 herum einsam und unbekannt in einem Londoner Elendsviertel.

Den Erfolg hat ein anderer: Der britische Ingenieur James Watt (1736 – 1819). Er sichert sich die Patente und bringt die Entwicklung der Dampfmaschine voran. Damit werden auch zwei andere Erfindungen machbar: Das Dampfschiff und die Dampflokomotive. Um beide entbrennt ein heftiger Streit. George Stephenson beantragt 1825 im britischen Unterhaus das erste Eisenbahnnetz zwischen Manchester und Liverpool und prophezeit, dass es in ein paar Jahrzehnten keine Postkutschen mehr geben wird, sondern nur noch stählerne Gleise, die alle Länder der Welt durchziehen. Die Abgeordneten beschimpfen ihn als Schwindler und Scharlatan. Sie äußern ihre Bedenken: Die Maschine werde mit Feuer angetrieben. Wenn es regne, würde das Feuer erlöschen. Wenn Sturm aufkommt, würde das Feuer angefacht werden und der Kessel explodieren. Pferde würden vor der Lokomotive scheuen und so eine öffentliche Gefahr darstellen. Ein Gutachter der Pariser Académie des sciences schreibt: Die schnelle Bewegung der Reisenden könnte eine Gehirnkrankheit, das Delirium furiosum, hervorrufen.

Die Parlamentsabgeordneten kippen das Projekt, aber Stephenson und seine Lok sind längst abgefahren. Ein halbes Jahr später lädt er die hohen Herren zu einer Probefahrt von Darlington nach Stockton ein. Als sich die 8 Tonnen schwere Dampflok mit 38 Wagen in Bewegung setzt, bricht Jubel aus. „Die Verrückten hatten mal wieder gewonnen.“

Dazu noch eine kleine Anmerkung: Friedrich der Große investierte von 1763 bis 1783 rund 40 Mio. Taler zur Entwicklung der preußischen Wirtschaft. Er erkennt auch den großen Nutzen der von Watt konstruierten Dampfmaschine und schickt zwei Ingenieure nach England, die nach wenigen, teuren Wochen mit ausreichend Details zurückkommen, um bei einem Bergwerk in Hettstett am 13.08.1785 die erste in Deutschland gebaute Dampfmaschine in Betrieb nehmen zu können – als Ergebnis einer frühen Industriespionage…

1860 versucht man in der Maschinenfabrik Klett & Co zu Nürnberg kalorische Maschinen, wie die Dampfmaschinen damals genannt wurden, für industrielle Arbeitsprozesse einzuführen. 1885 entstehen zwei Normaltypen für 1 bzw. 3 PS. Ende 1860 sind es bereits 60 Maschinen. Überlebt hat nur eine Maschine des Baujahrs 1863. Sie wurde in der Fabrik selbst bis Ende der 1880er Jahre zum Antrieb von 8 – 10 Farbmühlen eingesetzt, kam danach ins Depot des Nürnberger Verkehrsmuseums und geriet dann in Vergessenheit. Erst 1998 tauchte sie wieder auf und wurde von einer Gruppe historisch interessierter Mitarbeiter der MAN Dieselmotorenfabrik Nürnberg betriebsfähig restauriert.

Dampfmaschinen wurden auch schon früh angewandt, um Fahrräder anzutreiben. Das Dampf-Fahrrad von Michaux-Perreaux gilt gleichzeitig als das erste Motorrad in der Welt. Es wurde in Frankreich zwischen 1868 und 1869 gebaut.

Von 1896 stammt das wunderschön restaurierte Fahrrad der Geneva Bicycle and Steam Carriage Co. aus Geneva, Ohio, das auf einem sehr modern wirkenden Design von Lucius Copeland aufbaut und eine Geschwindigkeit 12 Meilen erreicht.

1906 bauen die Zwillinge Francis und Freelan Stanley in Florida, im heutigen Daytona Beach, ein dampfgetriebenes Gefährt namens Rocket– das mit Fred Marriot am Steuer am 26. (oder 27.) Januar 1906 nach langwierigem Vorheizen das ‚Höllentempo’ von 127.659 mph schafft – einen Weltrekord (= gut 205 km/h, anderen Quellen zufolge hätte die Rocket allerdings nur 193 km/h erreicht). Im November 1909 wird dieser Geschwindigkeitsrekord allerdings durch ein Benzin-betriebenen Mercedes-Benz mit einer 21-Liter-Maschine um 3,5 Meilen pro Stunde überboten.

Mit einem weiteren Dampffahrzeig wird dieser Rekord allerdings erst 1985 durch Bob Barber mit 145.607 mph (etwa 234 km/h) übertroffen, was jedoch nicht anerkannt wird, weil dieser den vorgegebenen Parkours nur in einer Richtung durchfährt – verlangt sind jedoch zwei Runden in unterschiedlicher Richtung.

Anfang des 20. Jahrhunderts jedenfalls war noch keineswegs ausgemacht, welche Motortechnik sich letztlich durchsetzen würde. Die schlichten Dampfmobile der Stanley-Brüder, genannt Stanley Steamer, waren berühmt für ihre Unverwüstlichkeit. Rund 8.000 Stück wurden verkauft. Eine ganze Industrie – allein in den USA über hundert Firmen – baute Autos, Traktoren und sogar Motorräder, die weiße Wölkchen hinter sich ließen. Und auch die legendäre Chemnitzer Automarke DKW, die später in Audi aufging, führt ihr Kürzel auf den ‚Dampfkraftwagen’ zurück.

Nicht vergessen werden darf an dieser Stelle der Versuch vom Georg und William Besler im Juli 1933, auf dem Flughafen von Oakland, Kalifornien, ein dampfbetriebenes Flugzeug in die Luft zu bekommen. Die Maschine absolviert dabei sogar drei erfolgreiche Flüge von jeweils fünf Minuten, doch dann versagen die Bremsen und das Flugzeug kippt kopfüber.

Doch auch der Umweltgedanke treibt die Tüftler weiter an. In der Tat haben Dampfmotoren Vorzüge: Weil der Kraftstoff nicht im Motor verbrennt, sondern außerhalb in einem Kessel, ist man nicht auf kostbares Benzin angewiesen. Im Prinzip schluckt der Kessel alles, was entzündlich ist: Kohle, Gas, Walöl, Altpapier, Holzschnitzel, Kuhfladen. Vor allem kann die Maschine ziemlich sauber arbeiten. Während den Ottomotor eine Serie von Explosionen antreibt, brennt im Dampfkessel ein kontinuierliches Feuer bei niedrigerer Temperatur. Das Treibhausgas Kohlendioxid lässt sich auf diese Weise besser eindämmen; und es entstehen so gut wie keine giftigen Stickoxide.

Geoff Hudspith beginnt 1972 mit dem Bau von Dampffahradern. Das schwarzweiß-Foto stammt aus dem gleichen Jahr und wird damals in der allerersten Ausgabe des Hippie-Magazins THE MOTHER EARTH NEWS veröffentlicht.

30 Jahre später sehen die Hudspith Steam Bicycles schon ganz anders aus, inzwischen wurden auch unzählige Verbesserungen an der Technik durchgeführt sowie ein 12 Volt Dynamo integriert. Leider gibt es solche Fahrräder nicht käuflich zu erwerben.

Im Grunde war aber auch der dampfgetriebene Automotor nie ganz weg. Noch Ende der 1990er Jahre ließ Volkswagen einen Prototyp entwickeln; in einem Hochdrucktank baute sich ein Dampfvorrat auf, der dann über Düsen in die Antriebskammer geblasen wurde.

Die Nutzanwendung von Wasserdampf in modernen Fahrzeugen wird seit der Verteuerung der fossiles Brennstoffe wieder mehr in die Überlegungen einbezogen, wofür es viele verschiedene Vorschläge und Konzeptentwürfe gibt. Die meisten dieser Vorschläge beinhalten allerdings nur Verbesserungen bereits bekannter Systeme, so daß auf ihre Auflistung an dieser Stelle verzichtet werden kann. Als Beispiel sei hier nur der 2,5-Mio.-DM-Auftrag genannt, der im Jahre 1975 seitens der US-Regierung an die amerikanische Firma AMF vergeben wurde, und der die Entwicklung eines 2-Zylinder-Wasserdampf-Taxis zum Inhalt hatte.

Auch das Berliner Start-up-Unternehmen Enginion AG will die klassische Kolben-Dampfmaschine wieder beleben, im Funktionsprinzip ähnlich den Antrieben der alten Dampf-Lokomotiven. An der Gründung des Unternehmens Ende 2000 beteiligen sich auch ehemalige Ingenieure der zum VW-Konzern gehörenden IAV GmbH, einem der weltweit größten Entwicklungsdienstleister in der Automobilbranche, an Enginion. In ihrer ‚SteamCell’ wird heißer Wasserdampf zum Antrieb des Motors genutzt. 2007 sollte die erste Maschine dieser Bauart auf den Markt kommen.

Schon 1996 hatte Enginion die erste 1-Kolben-Maschine (Zero Emission Engine ZEE1) in Betrieb genommen. 2000 war dann die Entwicklung der mittlerweile dritten Generation (ZEE03), abgeschlossen, einem Dreizylindermotor, der sogar in einen VW eingebaut wurde und auf dem Prüfstand einige hundert Stunden lang lief. Ein weiterer Prototyp wird 300 Stunden in einem Versuch mit einem Skoda Fabia getestet. Die Einsatzbereiche der SteamCell reichen vom fest installierten Wärme- und Stromerzeuger bis hin zu hochkompakten und tragbaren Stromerzeugern, außerdem kann sie mit unterschiedlichen Antriebsstoffen betrieben werden. 2002 gilt die Enginion AG mit 53 Mitarbeitern und 2 Neueinstellungen pro Woche als eines der am schnellsten wachsenden Unternehmen Deutschlands – wobei die E.ON Venture Partners GmbH, die sich Ende 2001 an der Enginion AG beteiligt, einen wesentlichen Anteil an dieser rasanten Entwicklung hat.

Im November 2003 stellt Enginion einen Dampfmotor vor, der über mehrere Jahre speziell für die private Nutzung entwickelt wurde, und der entgegen seinen historischen Vorgängern äußerst sauber, kraftvoll und sparsam läuft. Möglich wurde dies durch eine keramische Poren-Brennkammer aus Aluminiumoxid- und Siliziumcarbidfasern, sowie durch Motorteile, die ohne Schmierstoffe betrieben werden. In dieser Brennkammer wird der Treibstoff bei rund 1.200°C so gleichmäßig verbrannt, daß neben Kohlendioxid nur minimale Anteile an giftigen Stickoxiden oder Kohlenmonoxid entstehen. Noch im gleichen Jahr sollen die ersten koffergroßen Geräte in einem deutschlandweiten Feldversuch getestet werden, ein zweiter, diesmal weltweiter Feldtest, soll sich 2004 anschließen.

Enginion will eigentlich 2005 die Markteinführung mit der Leistungsklasse bis 6 kW elektrisch und 25 kW thermisch starten. Doch obwohl das Unternehmen immer wieder neue Kraftmaschinen vorstellt, zuletzt auf der Messe ISH 2005 in Frankfurt, muß es im November 2005 Insolvenz anmelden. Als Gründe werden bisher unlösbare Probleme mit dem Porenbrenner sowie die permanente Unterfinanzierung genannt. Nach dem Konkurs wird das gesamte Enginion-Inventar inklusive aller Prototypen an die Meistbietenden – vermutlich Strohmänner der Konkurrenten u.a. aus den USA – verkauft. Der Name SteamCell wird allerdings für die Amovis-APU (Auxiliary Power Unit) der Berliner Firma Amovis GmbH weiterverwendet, die von der ehemaligen Enginion-Geschäftsführung gegründet wird.

Die 2003 patentierte Green Steam Engine des amerikanischen Erfinders Robert Green wird von zwei oder drei Zylindern betrieben und kann ebenso zur Stromproduktion wie auch als Luft-, Wasser- bzw. Wärmepumpe genutzt werden. Ebenso kann man damit Boote antreiben, eine Klima- oder eine Wasserentsalzungsanlage betreiben. Auf der Homepage des Erfinders von 2004 gibt es viele Fotos und auch Videos der verschiedensten Modelle anzusehen, sowie Baupläne und wichtige Einzelteile zu bestellen. Das System ist klein, leicht und arbeitet sehr ruhig, was auch seinen Einsatz zur Nutzung der Abwärme von Motoren sinnvoll macht.

BMW wiederum präsentiert Ende 2005 den Turbosteamer, ein Dampfmaschinen-Ensemble, das die Abwärme nutzt und so aus Verbrennungsmotoren mehr Leistung bei gleichem Verbrauch herausholen soll. Der Gesamtwirkungsgrad erhöht sich dadurch um bis zu 20 %. Im allgemeinen werden ja rund zwei Drittel der im Benzin enthaltenen Energie beim Autofahren nicht genutzt, wobei dieser ‚Wärmeabfall’ aufwendig über den Kühler entsorgt werden muß. Die Neuentwicklung soll allerdings frühestens in zehn Jahren reif für den Einsatz in der Praxis sein; und wie viel das System kosten könnte, ist ebenfalls noch völlig offen.

Zwischenbemerkung:

Es ist anhand genauer Jahreszahlen belegbar, daß die Nutzung der ‚Feuer-Energie’ trotz des Wissens um den dabei stattfindenden und sich negativ auswirkenden Oxidationsprozeß (d.h. die umweltbelastende Sauerstoffbindung) ohne weitere Skrupel fortgesetzt wurde.

Lavoisier (1743 – 1794) widerlegte bereits im Jahre 1770 die ‚Phlogiston-Theorie’ von Georg Ernst Stahl (1660 – 1734), kaum drei Jahre später entdeckte der Schwede Scheele den Sauerstoff. Watt war damals schon 14 bzw. 17 Jahre alt, aber weder er, noch Sir Charles Parsons (1854 – 1931), welcher 1884 die Überdruckdampfturbine erfunden hat, kümmerten sich groß um die Umweltbeeinflussung durch ihre Produkte.

Die Dampfmaschine stellte einst die Energieform der Industriellen Revolution dar, auch Karl Marx hat sie als den entscheidenden Indikator für die Entwicklung der Produktivkräfte angesehen. Allerdings wurde hiermit ein Weg eingeschlagen, der von der Nutzung der Sonnen- und Windenergie (usw.) wegführte, und von dem wir heute sagen müssen, daß er in eine Sackgasse mündet.

Der erste Otto-Motor war übrigens bereits 1862 gebaut worden – so daß das weltweite verantwortungslose ‚oxidieren’ fröhlich weitergehen konnte.

Auch heute werden noch Dampfturbinen gebaut und genutzt, obwohl ihr Wirkungsgrad lange nicht den von Wasserturbinen erreicht. Der Grund für diese unterschiedlichen Wirkungsgrade ist, daß sich die physikalischen Eigenschaften des Wassers zusammen mit der Änderung seines Aggregatzustandes ebenfalls verändern.

Die weitaus meisten der neu vorgeschlagenen oder sogar experimentell vorgestellten Systeme, die Wasser oder Wasserdampf in ihre Funktion miteinbeziehen, sind allerdings Hybridsysteme, welche zusätzlich noch fossile Energieträger benutzen.

Bastler um den britischen Ingenieur Glynne Bowsher arbeiten 2006 in der Abgeschiedenheit eines Landsitzes nahe Southampton in Großbritannien daran, einen neuen Geschwindigkeitsrekord für dampfberiebene Fahrzeuge aufzustellen.

Hinter dem Pilotensitz des futuristischen Dampfrennwagens mit dem Namen Inspiration lodern vier kleine Boiler, die getrennt steuerbar sind. Mit Propangas erhitzen sie das Wasser auf knapp 400°C. Der Dampf wird dann über hydraulisch geregelte Düsen in die Turbine geblasen. Der Wagen erreicht damit eine Leistung von 300 PS.

Das Design gefällt mir so gut, dass wir die Inspiration als einziges Fahrzeug in dieser Arbeit gleich mehrfach abbilden möchte.

Zunächst will das Team auf einem aufgegebenen Militärflugplatz im britischen Bruntingthorpe starten. Dort sind gut 240 km/h angepeilt. Auf Tempo 320 soll das Dampfmobil dann später in den USA, auf einem der Salzseen von Utah, beschleunigt werden.

Ende 2007 ist Inspiration fast bereit, den anvisierten Geschwindigkeitrekord von 200 mph im Rahmen des British Steam Car Challenge auf dem Bonneville Salzsee in Utah zu erreichen. Es gibt allerdings noch Schwierigkeiten, da die Dampfkessel zu viel Kraft produzieren. Gebremst wird dann mit vier Scheibenbremsen – und einem Bremsfallschirm.

Die Schirmherrschaft über das Projekt hat Lord Montagu of Beaulieu. Nach dem erfolgreichen neuen Rekord plant die Entwicklungsgruppe das Fahrzeug dem British National Motor Museum Trust in Beaulieu zu übergeben, das den Wettbewerb im Juni 1999 offiziell ausgeschrieben hatte. Anfang 2008 besteht noch die Möglichkeit, den eigenen oder auch andere Namen für nur ein englisches Pfund auf dem Union Jack auf der Karosserie zu notieren.