Wenn man Wärme in elektrische Energie umwandeln möchte, verwendet man meistens Wasser als Arbeitsmittel in Dampfkraftwerken. Es geht aber auch anders: Am Institut für Energietechnik und Thermodynamik (IET) der TU Wien wurde nun eine der ersten europäischen Pilotanlagen erfolgreich in Betrieb genommen, die auf überkritischem Kohlendioxid (sCO₂) basieren. Sowohl für die Stromerzeugung als auch für Wärmepumpen ist CO₂ ein sehr vielversprechendes Betriebsmittel. Es kann Kosten sparen, den Wirkungsgrad erhöhen und helfen, das Klima zu schonen.

Nicht flüssig, nicht gasförmig, sondern überkritisch

Im Alltag erscheint uns der Unterschied zwischen festen und gasförmigen Stoffen völlig offensichtlich – etwa wenn man Wasser zum Kochen bringt. Doch bei hohem Druck ist das oft nicht mehr so einfach: Bei passendem Druck und passender Temperatur kann man Substanzen in einen „überkritischen“ Zustand versetzen – es gibt dann keinen Phasenübergang zwischen flüssig und gasförmig mehr. Bei CO₂ erreicht man diesen Zustand jenseits des kritischen Punktes bei einer Temperatur von etwa 30°C und einem Druck von knapp 74 Bar.

„Ein entscheidender Vorteil von CO₂ gegenüber Wasser ist die wesentlich höhere Dichte von CO₂ bei Temperaturen im Bereich zwischen 20 und 200°C“, sagt Prof. Markus Haider. „Aber auch andere thermodynamische Parameter von CO₂ sind vorteilhaft, etwa der kritische Punkt, der schon bei einer vergleichsweise niedrigen Temperatur erreicht wird.“

CO₂ hat somit das Potenzial, die derzeit in Wärmekraftwerken verwendeten Medien (Wasser oder organische Fluide) zu verdrängen. Auch in Wärmepumpen und Klimaanlagen soll CO₂ zum Einsatz kommen. „Dort werden heute leider immer noch Fluor-Kohlenwasserstoffe eingesetzt“, sagt Markus Haider. „CO₂ hat im Vergleich dazu ein über tausendfach geringeres Klima-Schädigungs-Potenzial.“ Außerdem eignet sich CO₂ (im Gegensatz zu organischen Medien und Fluorkohlenwasserstoffen) auch für Hochtemperatur-Wärmepumpen.

Die Anlage am IET hat aktuell eine Kapazität von 200kW (thermisch) bei 0,35kg CO₂ pro Sekunde und soll in einem zweiten Schritt auf einen CO₂-Massenstrom 0,7kg/s aufgerüstet werden. In einer ersten Betriebsphase wird die Turbine durch ein Ventil simuliert, und es werden dynamische Analysen sowie Wärmeübergangsversuche durchgeführt. In bereits geplanten Erweiterungsprojekten soll eine Turbine installiert und die Maximaltemperatur bei einem Maximaldruck von 240bar von 360 auf 650°C angehoben werden. Zusätzlich ist auch geplant, Mischungen von CO₂ mit Zusatzstoffen zu analysieren, mit dem Ziel, den kritischen Punkt von 30°C auf über 60°C anzuheben und damit auch in heißen Regionen Kondensationsbetrieb zu ermöglichen.