Im Prinzip ist das ganz einfach! Oder?

Das APT Druckluft-Speicherkraftwerk (engl. ACAES = Adiabatic Compressed Air Energy Storage) stellt keinen weiteren sinnlosen Versuch dar, ein perpetuum mobile zu konstruieren, sondern es beruht im Gegenteil auf dem Verständnis und der konsequenten Anwendung der Hauptsätze der Thermodynamik.

Nach der klassischen Thermodynamik legt der sogenannte Carnot-Wirkungsgrad die obere Grenze für die Effizienz aller Wärmekraftmaschinen fest. Der Carnot-Prozess ist ein theoretischer Ersatzprozess, bestehend aus zwei Adiabaten und zwei Isothermen, für dessen Effizienz gilt:

η = 1 - (Umgebungstemperatur/Prozesshöchsttemperatur).

Zum Zweck der Energiespeicherung müssen jedoch gar nicht all jene 4 Teilprozesse durchlaufen werden.

Denn die beiden kraftraubenden Isothermen können und sollten sogar besser entfallen!

Als Gegenbeispiel sehen wir uns einen Viertaktmotor an. Der benötigt Einlasstakt, Kompressionstakt, Verbrennungstakt und Ausstoßtakt, wovon näherungsweise die Kompression und die Verbrennung Adiabaten sind und der Einlass- und Ausstoßtakt Isothermen. Doch nur der Verbrennungstakt leistet davon Arbeit und muss stets die 3 anderen Prozesse mitziehen, was ein Grund für die niedrige Effizienz des Viertaktmotors ist.

Unser thermodynamischer Ersatzprozess besteht dann ohne die beiden Isothermen lediglich noch aus einer adiabatischen Kompression zur Energiespeicherung und aus einer adiabatischen Expansion zur Arbeitsleistung.

Dadurch kann er den Carnot-Wirkungsgrad in Theorie und Praxis übertreffen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen, wie die folgende 2014 veröffentlichte Abbildung des Fraunhofer Instituts UMSICHT bestätigt.

Die Turbine, welche die adiabatische Expansion - d.h. die Umwandlung von Energie in Arbeit - ausführt, arbeitet auf dem Verhältnis von Eingangsdruck zu Ausgangsdruck. Auf welche Weise dieses Druckverhältnis zustandekommt, spielt effektiv keine Rolle, solange die Turbine stets in ihrem erlaubten Temperaturbereich bleibt, so dass sie vereinfacht dargestellt im Betrieb weder einfriert noch schmilzt.

Deswegen kann, durch Rückführung der Kompressionswärme in die Turbine während der Expansion, ohne Leistungsverlust mechanische Energie in Form von Druckluft eingespart werden, wodurch die Effizienz des Verfahrens steigt, so wie das unsere kleine Slideshow ganz oben auf dieser Seite veranschaulicht.

Zur effizienten Wärmerückgewinnung muss in der Praxis dann doch die Wärme von der Druckluft getrennt und separat gespeichert werden, weil keine preisgünstigen Dämmstoffe erhältlich sind, die der Kombination aus hohem Druck und hoher Temperatur über viele tausende von Arbeitszyklen hinweg standhalten.

Diese Wärmerückgewinnung erreichen wir mit unserem patentierten Stufenwärmespeicher, der dadurch zwei zusätzliche Isobaren in den thermodynamischen Gesamtprozess wieder einführt, und zwar mit nur niedrigen und einkalkulierten Verlusten.

Nach der Carnot-Theorie sollte der Wirkungsgrad des unten simulierten Druckluft-Speicherkraftwerks beschränkt sein auf η = 1 - (283/523) = 0,459, also auf 45,9 Prozent. Stattdessen erreicht unser Energiespeicher mit Wärmerückgewinnung in einer Zweiturbinenanlage bereits einen Stromwirkungsgrad von 61 Prozent. Speziell für Kühlanwendungen wird in diesem Anwendungsbeispiel bei einer Anlage mit nur einer Turbine sogar ein Gesamtwirkungsgrad von 77 Prozent erreicht. quod erat demonstrandum.

In dem folgenden Video können Sie dem APT Druckluft-Speicherkraftwerk im Zeitraffer zusehen! (Wird demnächst eingebunden)

Das Funktionsschema ist der Übersichtlichkeit halber wesentlich vereinfacht, während die Berechnungen im Hintergrund präzise ablaufen und die thermodynamischen Prozesse und deren Messgrößen in allen Komponenten zu jedem Zeitpunkt darstellen können.

Damit sind sowohl Funktion als auch Wirksamkeit unseres Energiespeichers in Theorie und Praxis bewiesen.