Magnetohydrodynamischer Generator
Ein Magnetohydrodynamischer Generator ist ein Generator zur direkten Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie. Er besteht aus einem langen Rohr aus nichtleitenden Material, durch das man heißes Gas, flüssiges Metall oder eine sonstige elektrisch leitfähige Substanz durchströmen läßt.
An der Wand dieses Rohres sind in einer Ebene elektrische Kontakte angebracht. Senkrecht zu diesen elektrischen Kontakten wird die Anordnung von einem Magnetfeld durchströmt. Fließt durch diese Anordnung eine elektrisch leitende Substanz, so entsteht an den Elektroden eine elektrische Spannung. Diese ist dem Volumendurchsatz proportional, weshalb diese Anwendung häufig als Durchflußmeßgerät benutzt wird. Sie hat gegenüber anderen Verfahren den Vorteil ohne bewegliche Teile anzukommen.
Daneben ist auch eine Anwendung zur Stromerzeugung in großem Stil, sowohl im Zusammenhang mit konventionellen als auch mit Atomkraftwerken, denkbar. Für eine Anwendung in einem konventionellen Wärmekraftwerk müssen durch das Rohr die ca. 3000 Grad heißen Verbrennungsgase durchströmen. Eine derartig hohe Temperatur ist nötig, um das Gas ausreichend elektrisch leitfähig zu machen. Trotzdem ist noch ein Zusatz von leicht ionisierbaren Substanzen, wie Salzen von Alkalimetallen nötig, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Wegen der hohen Gastemperatur müssen die Wände des Kanals aus sehr hitzebeständigen Materialien gefertigt sein. Als Werkstoff hierfür kämen zum Beispiel Yttriumoxid oder Zirkoniumdioxid in Frage. Auch die Elektroden müssen aus sehr hitzebeständigem Material wie Wolfram gefertigt sein. Hinter dem Kanal ist eine Vorrichtung vorzusehen, hinter dem die Alkalisalze aus dem Abgas abgetrennt werden müssen.
Der Wirkungsgrad des magnetohydrodynamischen Generators beträgt nur 10 bis 20 Prozent. Da aber die Abgase des magnetohydrodynamischen Generators noch eine Temperatur von über 1000 Grad Celsius haben, kann man sie noch für ein normales Dampfkraftwerk mit einem Wirkungsgrad von bis zu 50 Prozent nutzen. Mit einer solchen Anordnung kann man somit fossile Brennstoffe mit einem Wirkungsgrad von bis zu 65 Prozent in elektrische Energie umsetzen.
Im März 1971 wurde in der Sowjetunion der erste MHD-Generator fertiggestellt namens "U-25", der etwa 25 Megawatt elektrischer Leistung für das Moskauer Stromnetz erzeugte und auch für wissenschaftliche Forschungen benutzt wurde. ([1], Fotos in [2]) Auch bei Kernkraftwerken mit hoher Kühlmitteltemperatur ist der Einsatz des magnetohydrodynamischen Generators denkbar. Wegen der erforderlichen elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmediums müßte der Reaktor mit flüssigen Metall gekühlt werden und mit hohen Brennstabtemperaturen (ca. 2000 Grad Celsius) betrieben werden. Das heiße flüssige Metall durchströmt den unmittelbar hinter dem Reaktor gelegenen magnetohydrodynamischen Generator bevor es den Wärmetauscher erreicht, an dem es seine Abwärme an einem Kühlkreislauf abgibt, in dem sich ein normales Dampfkraftwerk befindet. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der nuklearen Stromerzeugung bis zu 60% gesteigert werden. Wegen der enormen Schwierigkeiten beim Betrieb mit Reaktoren mit Flüssigmetallkühlung (da für Flüssigmetallkühlung wegen des erforderlichen Energieaufwandes für die Umwälzung des Flüssigmetalls nur die mit Wasser heftig reagierenden Alkalimetalle in Frage kommen, gibt es hohe Sicherheitsprobleme) sind derartige Anordnungen noch nicht verwirklicht worden. Möglicherweise werden sie bei Fusionsreaktoren einmal verwendet.
MHD-Generatoren werden in der Gegenwart genutzt, um z.B. in der Geophysik die Erdkruste elektromagnetisch zu untersuchen, indem starke elektrische Impulse erzeugt werden, die 20 bis 30 Kilometer tief in die Erde eindringen. Man erhält dadurch Informationen über geologische Strukturen und Bodenschätze. Dazu wurde in der UdSSR und Russland der gepulste MHD-Generator PAMIR mit 15 Megawatt Leistung gebaut; er erzeugt 500 bis 600 Volt und eine Stromstärke von 25.000 bis 30.000 Ampere.
Umkehrung des Magnetohydrodynamischen Generators
Der Magnetohydrodynamische Generator kann auch als Motor betrieben werden, in dem man durch die Elektroden einen Strom fließen läßt. Eine Anwendung hierfür ist die Medizintechnik. Er kann auch zur Erhöhung der Ausstoßgeschwindigkeit von Abgasen von Raketentriebwerken verwendet werden, um somit Raketentriebwerke leistungsfähiger zu machen, allerdings ist dies wegen des hohen Gewichts von Magneten nicht praktikabel (Magnetoplasmadynamischer Antrieb). Eine weitere Anwendung des Magnetohydrodynamischen Generators als Motor liegt im Antrieb von Schiffen (Magnethydrodynamischer Antrieb). Da hierzu das Wasser über eine möglichst gute elektrische Leitfähigkeit verfügen muß, ist diese Form des Antriebs für Schiffe, die in Gewässern mit Süßwasser fahren, ungeeignet. In Japan wurden diesbezügliche Studien schon durchgeführt. Ob entsprechende Prototypen gebaut wurden, ist nicht bekannt.
Technische Probleme
Der Einsatz des Magnetohydrodynamischen Generators für die Energieumwandlung scheiterte bisher an folgenden Problemen:
- Erzeugung der nötigen hohen Magnetfelder (wegen der nötigen Felder mit Feldstärken von möglichst über 1 T sind nur Supraleiter wirtschaftlich)
- Der Lebensdauer von Werkstoffen für den Kanal und den Elektroden
Modellversuch
Man leitet die Abgase eines Modellraketentreibsatzes, den man in einer geeigneten Anordnung arretiert durch die Polschuhe eines Magneten. Im rechten Winkel zu diesem befinden sich zwei Elektroden zwischen denen die erzeugte Spannung abgegriffen werden kann. Die erzeugte Spannung wird von einem in sicherer Entfernung aufgestellten Meßgerät abgelesen. Bei diesem Versuch ist auf einen stabilen Aufbau und auf die nötigen Sicherheitsabstände zu achten!