Die Energielösung für einen kochenden Planeten

Jul 23, 2023

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Erfinder, Verfahren und Vorrichtung zum Lastausgleich der eingeschlossenen Sonnenenergie. Umwandlung von thermischer Meeresenergie in Gegenstrom-Wärmeübertragungssystem. Methode zur Eindämmung der globalen Erwärmung. Nuklear unterstützte...

UN-Chef Antonio Guterres gab am Donnerstag bekannt, dass die rekordverdächtigen Temperaturen im Juli zeigen, dass die Erde von einer Erwärmungsphase in eine „Ära des globalen Kochens“ übergegangen sei.

Die Wärmeaufnahme der Ozeane ist das wesentliche Maß für das Erdklima, da 93 % der Wärme der globalen Erwärmung in die Ozeane gelangen. Wo in den Tropen die Ozeane thermisch geschichtet sind, mit leichterem Wasser in der Nähe der Oberfläche und dichterem Wasser in größerer Tiefe.

Diese Konfiguration wirkt als Barriere für die effiziente Vermischung von Wärme, Kohlenstoff, Sauerstoff und den für Wasserlebewesen lebenswichtigen Nährstoffen.

Eine effiziente Mischung dieser Zutaten würde alle Risiken des Klimawandels beseitigen und gleichzeitig doppelt so viel Energie produzieren, wie derzeit aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird.

Ein thermisch geschichteter Ozean eignet sich für die Umwandlung eines Teils der Wärme der globalen Erwärmung in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Thermodynamik und für die Übertragung von Oberflächenwärme über Wärmerohre ins Tiefenwasser, wo sie nicht mehr vorhanden ist Umweltbedrohung.

Die globale Erwärmung ist ein Problem der Thermodynamik, das durch die Gesetze der Thermodynamik bestimmt wird.

Der erste Hauptsatz ist die Anwendung des Energieerhaltungssatzes auf das System und zeigt, wie Energie, einschließlich der globalen Erwärmung, von einer Form in eine andere umgewandelt, aber nicht erzeugt oder zerstört werden kann.

Der zweite Hauptsatz legt die Grenzen des möglichen Wirkungsgrades einer Wärmekraftmaschine fest und bestimmt die Richtung des Energieflusses, der immer von einem Bereich mit hoher Wärme zu einem Bereich mit niedrigerer Wärme verläuft.

Geoengineering ist eine Reihe neuer Technologien, die darauf abzielen, die Umwelt zu manipulieren und einige der Auswirkungen des Klimawandels auszugleichen.

Diese Technologien werden typischerweise in zwei Kategorien unterteilt: Kohlendioxidentfernung und Sonnenstrahlungsmanagement.

Thermodynamisches Geoengineering ist ein dritter Weg. Es handelt sich um die Umwandlung der Wärme der globalen Erwärmung in produktive Energie, wie sie erstmals der griechische Held von Alexandria im ersten Jahrhundert n. Chr. mit seinem Aeolipile demonstrierte.

Während Hero zeigte, dass sein Aeolipile ein Gewicht heben konnte, nutzte der englische Physiker James Prescott Joule 1845 ein fallendes Gewicht, um ein Schaufelrad in einem isolierten Fass zu drehen, um zu demonstrieren, wie diese mechanische Energie die Temperatur des Wassers im Fass erhöhte.

Sein mechanisches Äquivalent zur Wärme war eine 427 Kilogramm schwere Masse, die einen Meter weit gegen ein Gravitationsfeld von 1 G fällt und so die Temperatur von 1 Kilogramm Wasser um 1° Celsius erhöht.

Diese Äquivalenz zwischen Arbeit und Wärmeenergie führte zur Formulierung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Die thermische Schichtung des Ozeans ermöglicht die Umwandlung eines Teils der Erwärmungswärme in Arbeit gemäß dem ersten Hauptsatz.

Der Prozess, bei dem die Umwandlung von Wärme in Arbeit erfolgt, wird als ozeanische thermische Energieumwandlung (OTEC) bezeichnet und ist eine der wenigen umweltfreundlichen erneuerbaren Energietechnologien, die Grundlaststrom liefern kann.

Aber nicht alle OTEC sind gleich.

Beim herkömmlichen OTEC wird Wasser durch massive Rohre an die Oberfläche gebracht, um ein Arbeitsmedium zu kondensieren, nachdem es eine Turbine passiert hat, um Strom zu erzeugen, nachdem das Arbeitsmedium zunächst mithilfe von Oberflächenwärme verdampft wurde. Der thermodynamische Wirkungsgrad dieses Prozesses beträgt nur etwa 3 Prozent und 97 Prozent der durch das kalte Wasser verdünnten Oberflächenwärme werden nach außen in Richtung der Pole verteilt, die sich im Fall der Arktis im Laufe von 1.000 Jahren um 4 Grad erwärmt haben Gleichzeitig werden die Tropen um den gleichen Betrag abgekühlt.

Dieser Auftriebsansatz ist mindestens zweieinhalb Mal weniger effizient als das thermodynamische Geoengineering, bei dem sowohl warmes als auch kaltes Wasser in der Nähe des Verdampfers und Kondensators verwendet wird, kein kaltes Wasser in der Nähe der Meeresoberfläche abgelassen wird und Rohre mit einem Durchmesser von einer Größenordnung verwendet werden kleiner, was die Gesamtkosten des Systems um ein Drittel senkt, 1/200 der Flüssigkeiten pumpt und die parasitären Pumpverluste dieser Flüssigkeiten um ein Drittel reduziert.

In ihrer Arbeit „Quantifizierung der Wärmeaufnahme des Ozeans aufgrund von Änderungen der atmosphärischen Sauerstoff- und Kohlendioxidzusammensetzung“ berechnete ein internationales Wissenschaftlerteam das Ausmaß der Wärmezunahme im Ozean zwischen 1991 und 2016 auf der Grundlage der Menge an atmosphärischem Sauerstoff und Kohlendioxid Sie fanden heraus, dass der Ozean im Durchschnitt 1,29 ± 0,79 mal 10 hoch 22 Joule an Wärme zunahm, was 409 Terawatt pro Jahr entspricht.

In einer Patentanmeldung aus dem Jahr 2007 berechnete der Experimentalphysiker Melvin Prueitt, dass ein OTEC-System wie Thermodynamic Geoengineering mithilfe eines Wärmerohrs zur Übertragung tropischer Wärme in tiefes Wasser etwa 7,6 % der Oberflächenwärme in Arbeit umwandeln könnte.

Vierhundertneun Terawatt Wärme, die mit einem Wirkungsgrad von 7,6 Prozent in den Betrieb umgewandelt werden, erzeugen 31 Terawatt Primärenergie, etwa 2,1-mal so viel Energie, wie derzeit aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird.

Etwa ein Sechstel des weltweiten Stroms wird derzeit durch Wasserkraft erzeugt, was etwa siebzig Prozent unserer aktuellen Produktion erneuerbarer Energien ausmacht.

Wasserkraft nutzt das Energiepotenzial der Schwerkraft, genau wie das Joulesche Experiment, aber in einem offenen System wird die Schwerkraft durch Verdunstung überwunden, die Oberflächenwasser in Dampf umwandelt, der in eine höhere Höhe aufsteigt, wo es ein größeres Schwerkraftpotenzial erhält.

Der Temperaturunterschied zwischen einer tropischen Oberfläche und einer Tiefe von 1000 Metern, wo die Temperatur allgemein etwa 4 Grad Celsius beträgt, hat das gleiche hydraulische Potenzial wie der Kopf eines Staudamms.

Jedes Grad Celsius entspricht einer Wassersäule von 427 Metern.

Während der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Staudamms etwa 90 Prozent beträgt, liegt der Wirkungsgrad des Thermodynamischen Geoengineering bei etwa 7,6 %.

Eine OTEC-Karte zeigt große Bereiche der tropischen Oberfläche mit einer Temperatur von 30 Grad Celsius oder mehr, sodass ein Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und 1000 Metern von 26 Grad bei einem Wirkungsgrad von 7,6 Prozent einer theoretischen Fallhöhe von 844 Metern entspricht.

Diese muss dann halbiert werden, da Thermodynamisches Geoengineering theoretisch ein irreversibler Prozess ist und eine Fallhöhe von 422 Metern verbleibt.

Allerdings beträgt die Diffusionsrate der Meereswärme aus einer Tiefe von 1000 Metern einen Zentimeter pro Tag durch die tiefsten 900 Meter des Ozeans und 1 Meter pro Tag durch die 100 Meter der gemischten Meeresschicht. Die ursprünglich nicht umgewandelte Wärme ist also nach etwa 226 Jahren wieder an der Oberfläche, wo sie recycelt werden kann. Insgesamt 13 Mal, was Thermodynamisches Geoengineering mit 92,4 % sogar effizienter als Wasserkraft macht.

Der mit 305 Metern höchste Staudamm der Welt ist der Jinping-Staudamm am Yalong-Fluss in China.

Und China verfügt auch über das größte Wasserkraftwerk, den Drei-Schluchten-Staudamm am Jangtsekiang, mit einer Förderhöhe von 80,6 Metern und einem Fassungsvermögen von 39,3 Kubikkilometern.

Die Intertropische Konvergenzzone ist der beste Ort für die Umsetzung von Thermodynamischem Geoengineering, da sie sich über den Äquator erstreckt und sich dort aufgrund der Selbstaufhebung des Coriolis-Effekts, der von positiv auf der Nordhalbkugel in negativ auf der Südhalbkugel wechselt, keine Wirbelstürme bilden.

Es hat eine Breite von etwa 7 Grad Breite und bedeckt etwa 70 Prozent der tropischen Oberfläche mit einer Gesamtfläche von etwa 28.000 Quadratkilometern, was etwa dem 712-fachen der Oberfläche des Drei-Schluchten-Staudamms entspricht, mal 5,2 für den Unterschied in den Wassersäulen, was 3700 entspricht Das elektrische Potenzial des Drei-Schluchten-Staudamms, dessen Kosten auf 37 Milliarden US-Dollar geschätzt werden und der über eine installierte Leistung von 22.500 Megawatt verfügt, ist um ein Vielfaches höher.

Rechnet man 22.500 Megawatt und 37 Milliarden US-Dollar auf das elektrische Potenzial von 31 Terawatt des thermodynamischen Geoengineerings mit seinen geschätzten Kosten von 2,9 Billionen US-Dollar, wie von Ron Baiman, außerordentlicher Professor für Wirtschaftswissenschaften an der Benedictine University, und mit der Healthy Planet Action Coalition geschätzt und bestätigt, beträgt das thermodynamische Geoengineering 17 anderthalbmal kostengünstiger als der Drei-Schluchten-Staudamm.

Und obwohl der Drei-Schluchten-Damm dem Hochwasserschutz und der Schifffahrt sowie der Stromerzeugung dient, werden in einem Katalog der Vorteile des Thermodynamischen Geoengineerings über die Stromerzeugung hinaus auch die Oberflächenkühlung und die Umkehrung der Freisetzung von Sauerstoff und Kohlendioxid aus dem Ozean in die Atmosphäre aufgeführt wenn sich der Ozean erwärmt, wird Zyklonbrennstoff von der Oberfläche ins tiefe Wasser transportiert, der Meeresspiegelanstieg verringert sich aufgrund der thermischen Ausdehnung des Ozeans – der Ausdehnungskoeffizient des Meerwassers beträgt in 1000 Metern Tiefe die Hälfte und liegt an der tropischen Oberfläche – und die in tiefes Wasser geleitete Wärme steht nicht zur Verfügung, um Eiskappen zu schmelzen, Dürreperioden oder Waldbrände auszulösen, Überschwemmungen zu reduzieren und die Auswirkungen der Erwärmung auf die menschliche Gesundheit und die Artenvielfalt zu verringern.

Mit jährlichen Kosten von 2,9 Billionen US-Dollar ist Thermodynamisches Geoengineering 3 Billionen US-Dollar günstiger als die 5,9 Billionen US-Dollar, die der Internationale Währungsfonds für die Umwelt durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe schätzt.

31 Terawatt Energie, die wiederum die Meeresoberfläche kühlt, würden die Ausgasung von 4,3 Gigatonnen Kohlendioxid aus dem Ozean in die Atmosphäre umkehren. Und da die rechnerischen Kosten für die Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre 100 US-Dollar pro Tonne betragen, würden durch diese Kühlung und Energieerzeugung Ausgaben in Höhe von 430 Milliarden US-Dollar für die Entfernung von Kohlendioxid eingespart.

In Kombination mit der Eliminierung der Umweltkosten der Verbrennung fossiler Brennstoffe wäre diese Energieerzeugung praktisch zu billig für die Messung.

Im Maßstab würde es Strom zu Kosten von 1,1 Cent pro Kilowattstunde produzieren.

Wind und Sonne werden als die besten erneuerbaren Energiequellen zum Ersatz fossiler Brennstoffe angepriesen, aber das US-amerikanische National Renewable Energy Laboratory hat ermittelt, dass die gesamte nutzbare Fläche für einen Windpark etwa 250.000 Quadratmeter pro Megawatt Leistung beträgt, und für Photovoltaik sind es etwa 250.000 Quadratmeter pro Megawatt Leistung 16.000 Quadratmeter pro Megawatt.

Wenn man bedenkt, dass thermodynamisches Geoengineering 200 Megawatt OTEC aus 10.000 Quadratmetern Meeresoberfläche erzeugen würde, handelt es sich um einen 300-mal größeren Solarkonzentrator als herkömmliche Photovoltaikgeräte.

Laut der US Energy Information Administration sind Energiewärmepumpen, die mit emissionsarmem Strom betrieben werden, die zentrale Technologie beim globalen Übergang zu sicherer und nachhaltiger Heizung.

Sie sind derzeit auf dem Markt erhältlich und drei- bis fünfmal energieeffizienter als Erdgaskessel.

Sie reduzieren die Gefährdung der Haushalte durch steigende Preise für fossile Brennstoffe und können sowohl für Kühlung als auch für Heizung sorgen, was jährlich für 4 Gigatonnen Kohlendioxidemissionen oder etwa 10 % aller Emissionen verantwortlich ist.

Wie eine Wärmepumpe transportiert Thermodynamisches Geoengineering Wärme durch die Phasen eines Arbeitsmediums mit niedrigem Siedepunkt. Aber im letzteren Fall handelt es sich um eine Freifahrt. Je heißer die Meeresoberfläche wird, desto mehr Energie produziert dieser Prozess und desto effizienter wird er.

Ein Verdampfer an der Oberfläche bringt das Thermodynamische Geoengineering-Arbeitsmedium passiv zum Sieden und erzeugt dabei einen Druck, der es dem Dampf ermöglicht, mit einer Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit in das tiefe, kalte Wasser zu strömen, wo der Dampf zu einer Flüssigkeit kondensiert, die zurück in das Wasser gepumpt wird Oberfläche, um den Zyklus abzuschließen.

Dieser Dampfstrom wird durch eine Wärmekraftmaschine unterbrochen, die die Arbeit in elektrische Energie umwandelt, wobei nur etwa 4,8 % der Pumpverluste verloren gehen und das kondensierte Arbeitsmedium wieder an die Oberfläche zurückgeführt wird.

Mit anderen Worten: Das System produziert etwa zwölfmal mehr Energie, als intern von den Pumpen verbraucht wird.

Wärmepumpen verbrauchen im Kühlmodus typischerweise etwa fünfmal weniger Energie als im Heizmodus, da bei kaltem Wetter nicht so viel Wärme von außerhalb des Systems aufgenommen werden kann.

Da sich das Thermodynamische Geoengineering immer im Kühlmodus befindet, ist es eine hocheffiziente Methode zur Kühlung der Oberfläche. Zum Teil, weil es in den Ozeanen immer viel mehr kaltes als heißes Wasser gibt, was im letzteren Fall die Hauptgefahr durch die globale Erwärmung darstellt.

Das letzte Hindernis, das überwunden werden muss, bevor wir zu einer tragfähigen Umstellung auf fossile Brennstoffe gelangen können, ist die Verfügbarkeit von Rohstoffen.

In den Ozeanen sind 47 gelöste Mineralien und Metalle enthalten, von denen einige bereits abgebaut werden.

Thermodynamische Geoengineering-Plattformen, die Oberflächenwärme zur Energieerzeugung nutzen, würden Millionen Tonnen Wasser durch ihre Wärmetauscher leiten, die angepasst werden könnten, um einen Teil der 50 Billiarden Tonnen Spurenelemente zu extrahieren, die in den Ozeanen gelöst sind.

Beispielsweise würden 31.000 thermodynamische Geoengineering-Anlagen mit einem Gigawatt pro Sekunde 124.000.000 Tonnen Wasser durch ihre Wärmetauscher bewegen. Das bedeutet, dass die 1,45 Trillionen Tonnen Wasser – die Gesamtmasse des Ozeanwassers – in etwa 370 Jahren in diese Wärmetauscher verlagert würden.

Die Magnesiumkonzentration, die derzeit auf 12.000 bis 15.000 US-Dollar pro Tonne geschätzt wird, beträgt 1.272 Teile pro Million. Etwa das Dreifache der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre, die theoretisch zu einem Preis von etwa 100 US-Dollar pro Tonne aus der Atmosphäre entfernt werden soll.

Die Methode zur Ausfällung von Magnesium aus Meerwasser ist seit über einem Jahrhundert bekannt. Und Magnesiumlegierungen reduzieren das Gewicht von wärmeabführenden Elementen wie Wärmetauschern, die für das Thermodynamische Geoengineering verwendet werden, um ein Drittel, ohne dass die Wärmeübertragungseigenschaften verloren gehen.

Bei 1272 Teilen pro Million der 1,45 Billionen Kurztonnen Wasser im Ozean würden die aktuellen Kosten des Metalls um mehrere Größenordnungen gesenkt, wenn es als Ergänzung zu thermodynamischen Geoengineering-Energieerzeugungsprozessen hergestellt würde.

Kurz gesagt, Thermodynamisches Geoengineering ist der hybride „Wärmepumpe“, „Wärmerohr“, „Wärmemotor“, ein ganzheitlicher Ansatz für die Probleme der globalen Erwärmung und des Ersatzes fossiler Brennstoffe.

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