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Dampfmaschine

Dampfmaschinen sind wohl die älteste Form von Wärmekraftmaschinen. Sie nutzen heißen Wasserdampf in der Regel so, dass damit einer oder mehrere Hubkolben angetrieben werden. Deren Hin- und Herbewegung wird ähnlich wie z. B. einem Ottomotor durch Pleuelstangen in die Rotationsbewegung einer Kurbelwelle umgewandelt; es handelt sich also um eine Art von Hubkolbenmotor.

Dampfturbinen sind eigentlich ebenfalls Dampfmaschinen im weiteren Sinne, jedoch versteht man unter Dampfmaschinen in der Regel die oben beschriebenen Hubkolbenmaschinen (= Kolbendampfmaschinen).

Entwicklung der Dampfmaschinen

Frühe Formen der Dampfmaschine erreichten nur geringe Leistungen und vor allem sehr geringe Wirkungsgrade von deutlich unter einem Prozent. Trotzdem waren sie bereits nützlich z. B. für das Abpumpen von Wasser aus Kohlebergwerken. Manche von ihnen (die atmosphärischen Maschinen) nutzten nur den Druckabfall bei Kondensation des Dampfs durch Einspritzen kalten Wassers aus, andere auch den Antrieb eines Kolbens durch Dampf unter geringem Überdruck (Niederdruckdampfmaschinen). Der Betrieb mit geringem Druck wurde schon dadurch erzwungen, dass Hochdruck-Maschinen eine höhere Qualität mechanischer Teile erfordern, als damals verfügbar war.

In späteren Zeiten erfolgte eine immer weitere Optimierung vor allem des Wirkungsgrads, um den Brennstoffverbrauch zu reduzieren. Wichtige Beiträge hat hierzu der heute noch sehr bekannte Engländer James Watt gebracht, obwohl die Entwicklung lange vor ihm begann und auch nach ihm weiter lief. (Nach ihm wurde die Maßeinheit Watt für die Leistung benannt; er selbst hatte die Pferdestärke (PS) eingeführt.) Die Verbesserungen wurde einerseits durch technische Fortschritte vor allem beim Metallbau ermöglicht, andererseits aber auch durch die Entwicklung der Thermodynamik. Diese führte zu einem sehr guten Verständnis der physikalischen Zusammenhänge und insbesondere der grundsätzlichen Aspekte, die den Wirkungsgrad begrenzen.

Besonders entscheidende Fortschritte der Entwicklung seien im Folgenden kurz genannt:

• Es wurde Dampf mit immer höheren Temperaturen und Drucken eingesetzt, da die enthaltene Hochtemperaturwärme eine höhere Arbeitsfähigkeit (einen höheren Anteil von Exergie) hat. Zwar ist es auch bei Hochdruckdampfmaschinen schwierig, den Carnot-Wirkungsgrad als theoretische Grenze anzunähern, jedoch waren frühe Dampfmaschinen diesbezüglich schon von der Physik her stark begrenzt.
• Es wurde ein geschlossener Kreisprozess realisiert, bei dem der Dampf, nachdem er Arbeit an den Kolben geleistet hat, in einem separaten Kondensator niedergeschlagen wird. Hierbei sinkt der Druck stark ab, was die Leistungsabgabe der Maschine gegenüber dem Auspuffbetrieb (mit Dampfaustritt bei Atmosphärendruck) sehr begünstigt. Das erhaltene Wasser wird dann erneut verdampft und wieder den Kolben zugeführt. Dieses Verfahren ist allerdings bei Fahrzeugen (z. B. Dampflokomotiven) schwerer zu realisieren.
• Ein System mehrerer Kolben, die vom Dampf nacheinander durchströmt werden, erhöht die Energieeffizienz weiter. Der erste Kolben arbeitet mit hohem Dampfdruck, während die anderen eine weitere Entspannung des Dampfes auf noch niedrigere Druckniveaus ermöglichen. Dies ist analog zur Verwendung mehrerer Turbinenstufen in Dampfturbinen.
• Moderne Materialien erlauben die Konstruktion ölfreier Maschinen (Trockenlauftechnik), die also kein Schmieröl benötigen. Dies eliminiert nicht nur den Aufwand für die Ölschmierung (inklusive Ölabtrennung vom Kondensat), sondern erlaubt vor allem auch höhere Arbeitstemperaturen.

Dampfmaschinen hatten in der Frühzeit der Industrialisierung eine große Bedeutung. Vor der Elektrifizierung dienten sie als die Standard-Quelle für mechanische Energie zum Antrieb von Maschinen. Auch die Entwicklung der Eisenbahnen basierte anfangs auf Dampflokomotiven.

Heutige und mögliche zukünftige Bedeutung von Dampfmaschinen

Heute werden kaum mehr Dampfmaschinen eingesetzt, weil sie weitestgehend von anderen Maschinen verdrängt wurden:

• Kleinere Dampfmaschinen wurden durch Verbrennungsmotoren mit innerer Verbrennung ersetzt. Diese erreichen ein wesentlich niedrigeres Leistungsgewicht und höhere Wirkungsgrade. Vor allem für Fahrzeuge erwiesen sich Verbrennungsmotoren als klar überlegen.
• Bei den Bahnen erfolgte eine weitgehende Elektrifizierung, also der Ersatz von Dampfmaschinen durch Elektromotoren.
• Für große Anlagen z. B. in Kraftwerken dienen heute Dampfturbinen. Auch sie sind wesentlich energieeffizienter; es ist mit ihnen möglich, den Carnot-Wirkungsgrad annähernd zu erreichen.

Das Konzept der Dampfmaschine hat gegenüber den Verbrennungsmotoren allerdings doch wesentliche Vorteile als Folge der äußeren Verbrennung:

• Es ist eine breitere Spanne von Brennstoffen einsetzbar, z. B. auch Kohle, Holz oder andere Biomasse. Sogar die Nutzung von Wärme aus anderen Quellen, etwa konzentrierte Strahlung der Sonne (Sonnenenergie) ist möglich.
• Die äußere Verbrennung kann wesentlich leichter so durchgeführt werden, dass sie vollständig und schadstoffarm erfolgt. Dann erübrigen sich auch zusätzliche Maßnahmen der Abgasreinigung, beispielsweise mit Abgaskatalysatoren.

Deswegen wird inzwischen weiter geforscht an modernen Formen der Dampfmaschine, insbesondere für stationäre Anwendungen mit relativ niedrigen Leistungen, wo Dampfturbinen nicht gut verwendbar sind. Insbesondere wird an schnell laufenden Dampfmotoren gearbeitet, die mit sehr hohen Dampftemperaturen und -drucken arbeiten (z. B. 450 °C, 80 bar). Interessant wäre insbesondere der Einsatz moderner Dampfmotoren z. B. in Blockheizkraftwerken für Holz und andere Biomasse. Eine andere Möglichkeit sind Erdgas-Mikro-Blockheizkraftwerke für die Beheizung einzelner Häuser. (Für solche Aufgaben kommen sonst auch Stirlingmotoren und Ericssonmotoren in Frage.) Auch mit einem moderaten elektrischen Wirkungsgrad wäre die Energieeffizienz immerhin deutlich höher als bei Heizkesseln. Für die Nutzung von Wärmequellen mit relativ geringer Temperatur werden auch Dampfmaschinen entwickelt, die nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle arbeiten.

Siehe auch: Wärmekraftmaschine, Dampfturbine, Wasserdampf, Verbrennungsmotor, Dampfmotor, Clausius-Rankine-Kreisprozess, Organic Rankine Cycle, Kalina-Kreisprozess