Archiv für den Monat: Januar 2016

Der Holzgas-Generator

Geschichte, Technik, , , , , ,

Die Holzvergasertechnologie, die bereits im Jahr 1839 durch den Dürrenberger Naturwissenschaftler Carl Bischof (1812-1884) erfunden wurde, zählt zu den ältesten Energiegewinnungstechnologien der Industriegeschichte. Einst hat sie die Metallurgie- und Hüttentechnologie zu neuen Höhen geführt, dann war sie Betriebsgaslieferant für Kraftfahrzeuge.

Bischof studierte an der Berliner TU Chemie, Physik und Geologie und arbeitete dann auf den Hüttenwerken des Grafen von Einsiedel zu Lauchhammer. Bereits während seines Studium baute Bischof einen Dampfwagen, der auf Straßen und Wegen fahren konnte und als erster seiner Art in Deutschland angesehen wird. 1839 erfand er die Gasentwicklungsöfen, die in der Metallurgie- und Hüttenindustrie zu einer grundlegenden Umgestaltung der Feuerungsanlagen führten. Durch diese und weitere Erfindungen war Bischof zu Bekanntheit gelangt, was Herzogs Alexander Carl von Anhalt-Bernburg 1844 veranlasste, ihn als Hüttenmeister an die Eisenhütte Mägdesprung bei Harzgerode berufen und ihn später zum Bergrat zu ernennen. Bischof gehörte zudem zu den Pionieren des Gussstahls, denn erst die Einführung der Gasofentechnik führte zur Entwicklung der Gussstahltechnologie und diese kann zu einer der Schlüsseltechnologien der Industriellen Revolution gerechnet werden. 1856 war Bischof Gründungsmitglied des Vereines Deutscher Ingenieure, was wohl dafür ausschlaggebend war, dass die Gründungsveranstaltung in Alexisbad stattfand.

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Nach dem 1. Weltkrieg breiteten sich die Anwendungsgebiete der Holzgastechnologie rasant aus. Die europäischen Länder hatten ihre Abhängigkeit vom Erdöl erkannt. Man höre und staune, diese Erkenntnis ist fast einhundert Jahre alt! Das Problem erkannte der Lothringer Chemiker Georges Imbert und entwickelte einen Holzgasgenerator, der in Kraftfahrzeuge eingebaut werden konnte. Ein für die damalige Zeit hochkomplexes Unterfangen, denn bei der Vergasung von Holz finden zahlreiche chemische Reaktionen gleichzeitig statt, die alle gesteuert werden müssen. Zudem ist Holz nicht gleich Holz: Unterschiedliche Holzarten, deren Feuchtegehalt und viele andere Aspekte spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Georges Imbert hatte ein nahezu perfektes Gerät konstruiert und gebaut, das alle ablaufenden chemischen Prozesse beherrschte. Seine besondere Leistung ist wohl darin zu sehen, dass sein Holzgasgenerator kein Spezialgerät war, – beispielsweise für abgelagertes Buchenholz – sondern ein für diesen Energieträger universell einsetzbares Gerät. Unproblematisch war seine Erfindung aber dennoch nicht. Bereits damals war die gesamte Motorentechnik auf Flüssigtreibstoff eingestellt. Auch hatte Holzgas einen erheblich geringeren Brennwert als andere gängige Brenngase, so dass zudem eine Erhöhung der Motorverdichtung erforderlich wurde. Die Motoren- und Automobilhersteller mussten sich jedoch der veränderten Situation anpassen, denn Imberts Holzgasgenerator verkaufte sich recht gut. Schnell schwappte die Holzgaseuphorie auch nach Deutschland über. Was kein Wunder war, denn die Treibstoffkosten gingen nach der Umrüstung gegen Null. Dennoch Beliebtheit sieht anders aus: Man baute gerade schnittige, elegante Autos. Wie sollte sich das vereinbaren mit einer „Mülltonne im Kofferraum und einem Festmeter Holz auf dem Wagendach? Hinzu kam die Mühseligkeit der Inbetriebnahme des Generators und des Anlassens des Motors. Zudem bekam Imbert in Frankreich zunehmend Probleme mit den gesetzlichen Regelungen für den Betrieb seiner Erfindung – die Öllobbyisten kamen langsam aus ihren Löchern.

Dann jedoch sollte alles ganz anders kommen! Schon mit Kriegsbeginn erkannten die deutschen Nationalsozialisten, dass für sie allein mit Erdölderivaten kein Krieg zu führen war. Der Kraftstoff wurde schon bald rar und als „kriegswichtig“ eingestuft. So begann sich der Holzgasgenerator schnell durch zu setzen, zuerst im privaten, dann im wirtschaftlichen Bereich, letztlich auch im Militärischen. Da der Imbert-Generator allen anderen Holzgasgeneratoren technisch weit überlegen war, wurde er massenhaft produziert und verbaut. Dabei blieb so gut wie kein Fahrzeug, dass von eine m Motor angetrieben wurde, vor seinem Einsatz verschont: PKW, LKW, Motorräder, Panzer, Schiffe, ja sogar Lokomotiven und Flugzeuge gab es mit Gasgeneratoren. Im Jahr 1941 sollen in Deutschland über zehntausend Arbeitskräfte mit der Herstellung und dem Verbau von Holzgasgeneratoren beschäftigt gewesen sein.

Jedoch auch der Holzgasgenerator konnte den deutschen Sieg nicht retten. Nach dem Krieg war der Holzgasgenerator in beiden Teilen Deutschlands noch lange im Einsatz: In der Bundesrepublik bis in den fünfziger Jahren, in der DDR sogar bis in den Sechzigern. Es waren immer noch Generatoren nach dem Imbert-Prinzip, die da ihren Dienst taten. Diese Generatoren waren mit einem sogenannten Rütteldorn in der Feuerung ausgestattet. Wenn nicht mehr genug Gas erzeugt wurde, musste kurz angehalten und einmal durchgerüttelt werden, damit wieder genug Sauerstoff für die chemischen Prozesse zur Verfügung stand. Dieser Rütteldorn war der Aufhänger für einen weithin bekannten Fluch: „Oh Imbert mit dem Rütteldorn, dich schuf der Herr in seinem Zorn.“

Dann aber war die Zeit der Holzgasgeneratoren abgelaufen, sie wurden zur Technikgeschichte. Ob endgültig, das ist eine Frage der Sichtweise und besonders des politischen Willens. Das Prinzip aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz, der fast überall verfügbar ist, Energie zu erzeugen, hat seine Bedeutung nicht verloren – Pelletheizungen und auch Holzgasheizungen sind nicht nur ein Trend, sie sind im Kommen. Wenn der Wille da ist, so kann diese Technologie auch für Fahrzeuge wieder interessant werden. Moderne Fertigungstechnologien, der Einsatz computergesteuerter Mess- und Regelungstechnik könnten zu einem modernen Generator führen, der per Knopfdruck zu betätigen wäre. Anstatt Brennholz könnten Pellets genutzt werden, die einen Tank füllen und automatisch dem Vergasungsprozess zugeführt werden. Zudem wäre es wohl auch kein unlösbares Problem, die erforderlichen Umweltnormen einzuhalten. Entsprechende Testmobile laufen in den USA und auch in einigen europäischen Ländern. Bleibt nur noch die Frage nach der Öl-Lobby und dem politischen Willen, die zu erwartenden Steuerausfälle anderweitig zu kompensieren.




Die Honigmann-Lokomotive

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Sie gehört zu den besonders kreativen Erfindungen, die Natron-Lokomotive, die nach ihrem Erfinder Moritz Honigmann (1844-1918) auch Honigmann-Lokomotive genannt wird. Leider blieb ihr jedoch der wirtschaftliche Erfolg verwehrt.

Zu einer Zeit, als die gesamte technische Entwicklung von der Dampfmaschine bestimmt wurde, hatte der Dürener Chemiker Honigmann einen grandiosen Einfall. Zu Beginn der 1880er Jahre hatte die Dampfmaschine die Industrielle Revolution entscheidend vorangetrieben. Jedoch hatte diese Technologie aus Feuer, Wasser und Dampf auch seine negativen Seiten – vom Umweltschutz wollen wir dabei nicht reden, der war zu jener Zeit noch nicht im Gespräch. Die Dampfmaschinen waren laut, dreckig und vor allem auch in der Bedienung nicht ungefährlich.

Moritz Honigmann hatte in Würselen die erste deutsche Ammoniak-Soda-Fabrik gegründet. Aus Soda (Natriumcarbonat) ließ sich nach altbekanntem Verfahren Natronlauge herstellen. Honigmann wusste als Chemiker, dass Natronlauge eine hohe Affinität zu Sauerstoff hat, das Bestreben also mit Wasser zu reagieren. Bei diesem Prozess wird Wärme frei, viel Wärme. Üblich war es damals mit Feuer und Wasser Dampf zu erzeugen, der dann die Kolben der Maschinen antrieb. Der abgekühlte Dampf, der seine Arbeit verrichtet hatte, wurde an die Atmosphäre abgegeben und somit auch viel Energie, sehr viel. Honigmann kam auf die Idee diesen abgekühlten Wasserdampf in einen Kupferkessel mit Natronlauge zu leiten. Dabei ging sie ab, die Post! Besser gesagt die chemische Reaktion der Laugenverdünnung und der physikalische Prozess der Kondensationswärme-Erzeugung. Auf diesem Prinzip baute Honigmann seine Lokomotive auf. Die entstandene Wärmemenge wurde direkt an einen Wärmespeicher abgegeben, der erneut heißen Wasserdampf erzeugte. Es mag nun der Eindruck entstehen, dass Moritz Honigmann ein Perpetuum mobile erfunden hat. Dem ist jedoch nicht so, denn während des Betriebes der Natronlok wurde die Natronlauge durch den zugeführten Wasserdampf ständig weiter verdünnt, wodurch die entstehende Wärmemenge kontinuierlich abnahm. Die Natronlauge musste demzufolge nach einer bestimmten Betriebsdauer der Lok ausgetauscht werden; man geht heute davon aus, dass dies nach 4 bis 5 Betriebsstunden erforderlich wurde. Es war allerdings möglich, der stark verdünnten Natronlauge das Wasser wieder zu entziehen und sie so erneut  und immer wieder einzusetzen. Die Honigman Lokomotive - Wikipedia

Diese Natronlok war gegenüber den üblichen Pferdebahnen oder Dampflokomotiven mehr als nur eine Alternative. Das Verfahren wurde von Honigmann am 8. Mai 1883 unter der Patentnummer 24993 geschützt. Der Titel des Patents lautete: Über das Verfahren zur Entwicklung gespannten Dampfes durch Absorption des abgehenden Maschinendampfes in Ätznatron oder Ätzkali von Moritz Honigmann in Grevenberg bei Aachen.

Honigmann fand Interessenten für seine Lokomotive und ließ mehrere Exemplare bauen. Die Aachener und Burtscheider Pferdebahngesellschaft betrieb eine davon von Juni 1884 bis März 1885 in Aachen auf einer ein Kilometer langen Strecke. Auch im Kohlebergbau in der Nähe von Aachen wurden zwei derartige Lokomotiven getestet, weiterhin eine Straßenbahn in Berlin-Charlottenburg. Die Leipziger Pferdeeisenbahn-Gesellschaft führte ab Ende Februar 1886 Probefahrten zwischen der Innenstadt und dem Depot in Plagwitz mit einer von der Halleschen Maschinenfabrik gelieferten Natronlokomotive „System Honigmann“ durch.

Der Probebetrieb in Aachen und in Leipzig wurde damals recht positiv bewertet. Sogar die Betriebskosten lagen unter der einer Pferdebahn. So heißt es in der Beurteilung: „Die Bewegung der Maschine war eine so ruhige und gleichmäßige, dass die Passagiere gerne mit der derselben fuhren.“ Dann jedoch wurden die Tests plötzlich und ohne nachvollziehbaren Grund vorzeitig eingestellt. Es hieß unter anderem, dass die Gleisanlagen dem Gewicht der Lokomotive nicht auf Dauer standhalten könnten. Trotz seiner erheblichen Vorteile gegenüber den Dampfmaschinen und den Pferdebahnen konnte sich die Honigmann-Lok nicht durchsetzen. Die Gründe dafür bleiben im Verborgenen, lassen aber dennoch Lobbyarbeit „konventioneller Transportsysteme“ vermuten.

Die Natron-Lokomotive fand danach nur noch in der Technikgeschichte Erwähnung und zum Teil nicht einmal mehr dort. In den letzten Jahren wendet sich die Forschung und Entwicklung nun erneut den thermochemischen Wärmespeichern zu, zu denen auch das Prinzip der Honigmann-Lok gehört.




Zukunftswegweiser Bionik

Technik, Wissenschaft, , , , ,

Als Bionik bezeichnet man eine multidisziplinäre Wissenschaft, die sich mit der Erforschung und Entschlüsselung von Konstruktionen und Prozessen der belebten Natur beschäftigt und versucht, aus den gewonnenen Erkenntnissen innovative Techniken zu entwickeln. Bionik ist ein Kunstwort, gebildet aus Biologie und Technik. Es ist eine recht junge Wissenschaft, der erst durch den Einsatz leistungsfähiger Rechnersysteme der Durchbruch gelang.

Wir werden von der Bionik in Zukunft noch einiges zu erwarten haben, sie wird diese mitgestalten, wenn nicht sogar prägen. Energiegewinnung mit Hilfe dieser Wissenschaft, ist jedoch vorerst nicht in nennenswerten Größenordnungen zu erwarten – aber auch dies wird kommen, da bin ich mir ganz sicher. Obwohl – israelische Forscher haben im schwarz-gelben Panzer der orientalischen Hornisse Pigmente gefunden, die aus Sonnenlicht Strom erzeugen können. Das sind praktisch tierische Solarzellen, die eine echte Spannung produzieren. Allerdings ist den Forschern wohl bisher noch nicht klar, wofür die Hornissen diesen Strom benötigen.

Von der Natur abgeschaute Techniken und Technologien können allerdings eine Menge zur Energieeinsparung beitragen. Beispielsweise können Fahrzeuge aller Art durch verbesserte aerodynamische Eigenschaften sowie durch Reduzierung des Reibungswiderstandes Kraftstoff sparen. Durch die Natur inspirierte Dämmungssysteme können Wärme- und Kälteverluste mindern helfen. Termitenbauten werden erforscht, um Lüftungssysteme zu optimieren. Durch Erforschung und Analyse von Konstruktionen der Natur kann der Leichtbau vorangetrieben werden.

Dabei ist die Bionik nicht neues, als ihr großer Vordenker gilt Leonardo da Vinci. Auch haben sich die Menschen in vor- und frühgeschichtlicher Zeit schon an der Natur orientiert und sich Inspirationen von ihr geben lassen. Besonders bei der Entwicklung von Fluggeräten haben sich später dann die Pioniere der Luftfahrt am Vogelflug orientiert.

Heute, als anerkannte Wissenschaft, ist die Bionik an vielen Entwicklungsprozessen beteiligt: Bei der Entwicklung neuartiger Profile für Autoreifen, bei spinnfüßigen Robotern, bei der Selbstreinigung von Oberflächen durch den Lotuseffekt, bei der Konstruktion und Strukturoptimierung von Bauteilen aller Art durch Anlehnung an Knochen- und Pflanzenstrukturen. Diese Aufzählung ließe sich noch lange fortführen.

Ebenso ist der allseits bekannte und beliebte Klettverschluss den Klettfrüchten abgeschaut. Saugnäpfe haben Kraken, Käfer und Geckos zum Vorbild, Nebelfänger sind inspiriert von Nebeltrinker-Käfern, Sonar und Echolot sind Navigationstechniken von Fledermäusen, Delfinen und Fischen und vom Propeller sagt man, er sei eine Anleihe an die Flügelfrucht des Ahorns.

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Auch gibt es eine Vielzahl phänomenaler Leistungen aus dem Tier- und Pflanzenreich, die wir bisher kaum zu erklären wissen: Den Gleichgewichtssinn von Katzen; die Segelechse, die über das wasser laufen kann; eine Glasschwammart, die bis zu 10 000 Jahre alt werden kann; der Seidenspinner, dem nachgesagt wird Gerüche bis zu 10 km wahrnehmen zu können; der Barrakuda, der in 3 Sekunden auf 80 km/h beschleunigen kann; der Riesenmammutbaum, der einen Stammdurchmesser bis zu 13 Meter erreicht und eine Höhe bis zu 120 Meter, über 2 400 Tonnen wiegen und über 3000 Jahre alt werden kann; ein Pilz aus der Gattung Hallimasch, der als größtes Lebewesen gilt und eine Fläche von 900 ha einnehmen kann. Es gibt eine ganze Anzahl von Tieren, die zwar stark giftig sind, ihr Gift jedoch nicht selbst produzieren, sondern es mit der Nahrung aufnehmen: so der Zweifarbenpitohui, ein Vögel aus Neuguinea. Auch die Pfeilgiftfrösche aus Südamerika kommen so zu ihrem gefürchteten Gift. Der Pottwal taucht 3 000 m tief und kann bis zu 1 Stunde unter Wasser bleiben. Kein Tier, das Luft zum Atmen braucht, taucht tiefer als der Pottwal. Das mit Abstand lauteste Tier ist der Pistolenkrebs mit 250 Dezibel: zum Vergleich, ein Jagdflugzeug erreicht etwa 120-130 Dezibel.

Diese Aufzählung ließe sich noch lange fortsetzen. Abschließend zu den Rekordhaltern der Natur, von denen wir noch sehr viel lernen können möchte ich die Wasserhyazinthe anführen. Innerhalb kürzester Zeit kann sie sich explosionsartig vermehren und ausgedehnte Wasserflächen komplett mit einem undurchdringlichen, derart dicht verwobenen grünen Teppich abdecken, dass man darauf sogar über das Wasser laufen kann. Unter der Matte jedoch stirbt alles Leben im Gewässer und in ihr finden Malariamücken ideale Brutplätze. Der Fischfang wird unmöglich, Reisfelder werden erstickt, Bewässerungsanlagen verstopft, Kraftwerke werden lahmgelegt, die Schifffahrt blockiert. Die aggressiven Pflanzen verursachen weltweit in tropischen Ländern immense Probleme. Der Einsatz von Giften half ebenso wenig wie das Abfischen, selbst Spezialerntemaschinen oder der Großeinsatz von Militär konnten die Wasserhyazinthenbestände höchstens kurzzeitig etwas lichten.

In diesem Zusammenhang fällt mir der Ausspruch eines alten Freundes aus Wien ein – Ingenieur und Erfinder – der folgenden Satz formulierte: „Wir schwimmen in einer Suppe aus Energie – wir müssen nur den Zugang zum Klemmbrett finden.“ Dem kann ich nur zustimmen. Viele Probleme mit denen wir uns beschäftigen und die Gegenstand von Forschung und Entwicklung sind, löst die Natur ganz unkompliziert, wir müssen ihr nur genau auf die Finger schauen und bereit sein von ihr zu lernen. Das fällt uns jedoch oftmals schwer, denn nicht jede dieser Lösungen würde auch monetären Erfolg mit sich bringen.