Diskussion:Stickstoffmotor

Effizienzprobleme dieses Antriebs

Ich hab zur Stunde keine Zahlen an der Hand, aber sowohl die Herstellung als auch die Lagerung flüssigen Stickstoffs ist mit einigem Material- und Energieaufwand und also mit nicht geringen Kosten verbunden. Ich frag heute mal professionelle Anwender, was das Zeug und die üblichen Transportbehälter (sozusagen die "Benzinkanister") so kosten und versuche, Links auf die Anbieter zu finden. Um dann auszurechnen, was der Kilometer kostet, müßte man mehr über die Effizienz des Antriebs selbst wissen - d.h., wieviel Leistung der aus wieviel Stickstoff erzeugt. Dann könnte man mal einen Vergleich zur Effizienz herkömmlicher Otto- und Elektromotoren anstellen, der vermutlich vernichtend ausfiele. Leider finde ich dazu auf die Schnelle nichts ... die Hersteller dieser "Antriebe" werden schon ihre Gründe haben, warum sie sich dazu ausschweigen. - Aber vielleicht reichen ja schon die Preise für flüssigen Stickstoff allein, um ein paar abschreckende Zahlen hinzuschreiben. (Auf was für Ideen die Leute aber auch kommen. - Unfaßbar.) --Tanto 09:37, 7. Mär. 2010 (CET)

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Man entschuldige die Verzögerung, aber bisher konnte ich ermitteln:
(1) 60 l flüssiger Stickstoff kosten den Endabnehmer ca. EUR 50, also etwa 83 Ct/Liter.
(2) Aus einem üblichen 60-Liter-Transportbehälter verschwinden etwa 6 l pro Woche.
(3) Um ein Analysegerät mit ca 120 l "Kühlmittelkapazität" von Umgebungs- auf Betriebstemperatur herunterzukühlen, benötigt man ca 300 Liter flüssigen Stickstoff. Die Differenz geht verloren, weil ein Teil des Stickstoffs beim Kontakt mit dem umgebungswarmen Leitungen sofort verdampft und noch während des Befüllens entweicht.
(4) Beim Nachfüllen des bereits gekühlten Systems gehen pro 60-Liter-Kanne etwa 1...2 Liter verloren.

Daraus folgt: Die Verluste beim "Nachtanken" aktuell genutzter Systeme (die also praktisch ständig in Betrieb sind) liegen bei ca. 3% pro Tankvorgang, wenn man die 60-Liter-Teile jetzt mal als Standard-Jerrycans betrachtet. - Das ist allerdings illusorisch, denn Fahrzeuge stehen idR zwischen der Benutzung herum und nehmen dabei wieder Umgebungstemperatur an; ein Stickstoffmotor wird also idR im "warmen" Zustand betankt. Dabei liegen die Verluste wesentlich höher, nämlich bei ca 150%.

Letztere Punkt bedeutet, daß der Wirkungsgrad der Maschine allein durch die Verluste beim Auftanken eines umgebungswarmen Systems auf 40% gedrückt wird. Das ist zwar geringfügig mehr als der Gesamt-Wirkungsgrad handelsüblicher Ottomotoren von ca 35% - aber man muß bedenken, daß die erwähnten 40% beim N₂-Motor nur das Tanken betreffen.

Da der fragliche Motor dem Vernehmen nach als Dampfturbine arbeitet, können wir deren Wirkungsgrad für den eigentlichen Betrieb annehmen: Der liegt bei durchoptimierten Systemen bei knapp unter 50% (siehe [1]), wodurch sich ein maximaler Gesamtwirkungsgrad von ca 20% ergäbe.

Dabei sind Faktoren wie Transportverluste, Lagerung und vor allem der Wirkungsgrad der Herstellung überhaupt nicht berücksichtigt. Außerdem beziehen sich die knapp 50% der Dampfturbine auf großtechnische Anlagen im Dauerbetrieb, während die Effizienz kleiner Antriebe im sporadischen Betrieb oftmals deutlich darunter liegt. Es würde mich daher wundern, wenn die gesamte Effizienz des Antriebs auch nur 5...10% erreichte.

Ein 60-Liter-Transportbehälter kostet nach Angaben des Anbieters Linde-Gas ca EUR 3000. - Teure Benzinkanister, wenn ihr mich fragt.

"Energiegehalt" flüssigen Stickstoffs
Die spezifische Wärmekapazität des Stickstoffs liegt bei 1040 J kg^-1 K^-1.

Der Temperaturunterschied von einem Kelvin in einem Kilo Stickstoff entspricht also 1040 Joule. Um das Zeug flüssig zu kriegen, muß es von - sagen wir mal - Raumtemperatur (20°C) auf -197°C heruntergekühlt werden, also um 217 K.

Dichte flüssigen Stickstoffs: 0,807 g/ml Daraus folgt: Eine Liter flüssiger Stickstoff wiegt 0,807 kg.

Wir rechnen also: 217 K mal 1040 J kg^-1 K^-1 mal 0,807 kg ergibt 182.123,76 Joule, die - theoretisch! - in einem Liter flüssigem Stickstoff stecken. Zum Vergleich: Ein Liter herkömmlichen Motorenbenzins hat einen Brennwert von ca 32.250.000 Joule. Das ist etwa der 180-fache Wert.

Bereits daraus wird deutlich, daß flüssiger Stickstoff als Energieträger für Motoren völlig ungeeignet ist.

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Meine Fragen hierzu:

(1) Kann irgendjemand, der irgendwas wissenschaftliches zuende studiert hat, in diesen Überlegungen grobe Fehler entdecken?

(2) Hat jemand Ideen, was dem hinzuzufügen wäre?

Wenn es so ok ist, würde ich diese Überlegungen irgendwie ordentlich zusammenschreiben und den Artikel entsprechend ergänzen.
--Tanto 14:22, 11. Mär. 2010 (CET)

Das mit dem flüssigen Stickstoff ist nicht gut. Erstens mal ist die Wärmekapazität nicht konstant, die Kondensationswärme von 2.79 kJ / mol ist überhaupt nicht berücksichtigt. Ferner gibt es zwei spezifische Wärmekapazitäten, eine bei konstantem Druck Cp und eine bei konstantem Volumen Cv. Wenn ich das richtig verstanden habe, dann lassen die den Stickstoff einfach durch die Umgebungswärme kochen, bis sich ein Druck von 12 bar aufbaut, dh es wäre Cp zu betrachten. Dies alles nur so auf die Schnelle. Die Überlegungen zum Wirkungsgrad dagegen sind nach meiner Ansicht völlig in Ordnung und für sich alleine tödlich.

Ich hab mal im Forum nachgefragt und werd dazu versuchen, mich in die genannten Punkte einzulesen. --Tanto 19:54, 11. Mär. 2010 (CET)