MHD-Generator

Ein Magnetohydrodynamischer Generator beruht auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Demnach wird in einem elektrisch leitenden Material eine Spannung induziert, wenn sich dieses relativ zu einem Magnetfeld bewegt. Beim MHD-Generator strömt ein elektrisch leitendes Fluid durch das Magnetfeld. Durch das Magnetfeld kommt es zu einer Separation ungleichnamiger Ladungen und damit zur direkten Umwandlung von potentieller Energie des Plasmas in elektrische Energie.

Skizze eines Magnetohydrodynamischen Generators

Elektrotechnische Grundlagen

Wird durch eine Spannung U_A zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld $\vec{E_\mathrm{A}}$ erzeugt, dann ergibt sich eine induzierte Stromdichte:

$\vec i_\mathrm{ind} = \frac{1}{\varrho}\left(\vec v \times \vec B + \vec E_\mathrm{A} \right)$

Durch Wechselwirkung mit dem Magnetfeld erzeugt dieser induzierte Strom eine flächenspezifische Kraft:

$\vec k_\mathrm{ind} = \vec i_\mathrm{ind} \times \vec B$.

Mit dieser Kraft steht der Druckgradient im Strömungskanal im Kräftegleichgewicht.

$\nabla p = -\vec k_\mathrm{ind} = -\vec i_\mathrm{ind} \times \vec B$

Daraus sieht man, dass es in einem MHD-Generator nicht möglich ist, Wärme direkt in elektrische Energie umzuwandeln, sondern man ihn dazu in einen thermodynamischen Kreisprozess, beispielsweise nach Joule-Brayton oder Clausius-Rankine, integrieren muss.

Für den Fall, dass in Strömungsrichtung kein elektrischer Strom fließt, kann der Wirkungsgrad geschrieben werden zu:

$\eta_e = \frac{U_\mathrm{A}}{U_\mathrm{A} + U_\mathrm{i}} = \frac{R_\mathrm{A}}{R_\mathrm{A} + R_\mathrm{i}}$

Wobei hier R_A der äußere und R_i der innere Widerstand des Plasmas ist.

Technische Beschreibung

An der Wand eines von den Verbrennungsgasen durchströmten Kanales sind in einer Ebene Elektroden angebracht. Senkrecht zu diesen Elektroden wird die Anordnung von einem Magnetfeld durchsetzt. Strömt durch eine solche Anordnung eine elektrisch leitende Substanz (die ionisierten Verbrennungsgase), so entsteht an den Elektroden eine elektrische Spannung. Diese ist dem Volumendurchsatz proportional, weshalb diese Anordnung auch als Durchflussmessgerät ohne bewegliche Teile verwendbar ist.

Die Anwendung zur Stromerzeugung in großem Stil, sowohl im Zusammenhang mit konventionellen Wärmekraftwerken als auch mit Kernkraftwerken, erfordert, dass der Kanal von den ca. 3000 °C heißen Verbrennungsgasen durchströmt wird. Eine derartig hohe Temperatur ist nötig, um das Gas ausreichend elektrisch leitfähig zu machen. Dennoch ist ein Zusatz von leicht ionisierbaren Substanzen, wie Salzen von Alkalimetallen nötig, um die elektrische Leitfähigkeit weiter zu erhöhen. Aufgrund der hohen Gastemperatur müssen die Wände des Kanals aus sehr hitzebeständigen Materialien gefertigt sein. Als Werkstoff hierfür kommen u. a. Yttriumoxid oder Zirkoniumdioxid in Frage.

Auch die Elektroden müssen aus sehr hitzebeständigem Material wie Wolfram, Graphit oder Siliciumcarbid gefertigt sein. Nach dem Kanal ist ggf. eine Vorrichtung erforderlich, in der die Alkalisalze aus dem Abgas abgetrennt werden.

Der Wirkungsgrad eines magnetohydrodynamischen Generators beträgt 10 bis 20 Prozent. Da jedoch die Abgase des magnetohydrodynamischen Generators noch eine Temperatur von über 1000 Grad Celsius haben, kann man sie noch als Wärmequelle für ein konventionelles Dampfkraftwerk (Wirkungsgrad bis 50 %) nutzen.

Mit einer solchen kombinierten Anordnung kann man Brennstoffe mit einem Wirkungsgrad von bis zu 65 Prozent in elektrische Energie umsetzen, da der MHD-Prozess die für den thermischen Gesamt-Wirkungsgrad entscheidende Temperaturdifferenz nach oben erweitert (Gas- und Dampfturbinen haben aufgrund der Temperaturbeanspruchung der Turbinenschaufeln eine obere Temperaturgrenze bei ca. 600…1.000 °C).

Im März 1971 wurde in der Sowjetunion der erste MHD-Generator (Bezeichnung „U-25“) fertiggestellt, der etwa 25 Megawatt elektrischer Leistung für das Moskauer Stromnetz erzeugte und auch für wissenschaftliche Forschungen benutzt wurde. ([1]) Auch bei Kernkraftwerken mit hoher Kühlmitteltemperatur ist der Einsatz des magnetohydrodynamischen Generators denkbar. Aufgrund der erforderlichen elektrischen Leitfähigkeit des Kühlmediums müsste der Reaktor mit flüssigem Metall gekühlt werden und mit hohen Brennstabtemperaturen (ca. 2.000 Grad Celsius) betrieben werden. Das heiße flüssige Metall durchströmt den unmittelbar hinter dem Reaktor gelegenen magnetohydrodynamischen Generator, bevor es den Wärmeübertrager erreicht, an dem es seine Abwärme an einem Kühlkreislauf abgibt, in dem sich ein normales Dampfkraftwerk befindet. Auf diese Weise könnte der Wirkungsgrad der nuklearen Stromerzeugung auf ca. 60 % gesteigert werden.

Aufgrund der enormen Schwierigkeiten des Betriebes von Reaktoren mit Flüssigmetallkühlung sind derartige Anordnungen noch nicht verwirklicht worden. Für Flüssigmetallkühlung kommen nur die mit Wasser heftig reagierenden Alkalimetalle (z. B. Natrium) in Frage, daher gibt es hohe Sicherheitsprobleme.

Möglicherweise wird das Verfahren später bei Fusionsreaktoren verwendet.

MHD-Generatoren werden in der Gegenwart genutzt, um z. B. die Erdkruste geophysikalisch mit einem elektromagnetischen Verfahren zu untersuchen. Hierzu werden starke elektrische Impulse erzeugt, 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.

Praktische Anwendung der Umkehrung des MHD-Prinzips

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. Mitte der 1990er Jahre wurden von Mitsubishi einige Prototypen eines MHA-betriebenen Schiffes gebaut, doch erreichten die Fahrzeuge, neben zahlreicher anderer auftretenden Schwierigkeiten, lediglich eine Geschwindigkeit von etwa 15 km/h.

Technische Probleme

Der Einsatz des Magnetohydrodynamischen Generators für die Stromerzeugung scheiterte bisher an folgenden Problemen:

• aufwendige Erzeugung der nötigen hohen Magnetfelder (Feldstärken von über 1 Tesla sind in derart großen Volumina nur mit supraleitenden Spulen zu erzeugen)
• geringe Lebensdauer der thermisch hoch beanspruchten Werkstoffe des Kanales und der Elektroden

Modellversuch

Man leitet z. B. die Abgase eines fixierten Modellraketen-Treibsatzes durch die Polschuhe eines Magneten. Im rechten Winkel zu diesem befinden sich dahinter zwei Elektroden, zwischen denen die erzeugte Spannung abgegriffen werden kann. Die erzeugte Spannung kann an einem in sicherer Entfernung aufgestellten Messgerät abgelesen werden. Bei diesem Versuch muss auf eine sichere Befestigung des Raketenmotors sowie auf die nötigen Sicherheitsabstände geachtet werden!

Literatur

• Karl Strauß: Kraftwerkstechnik. Springer Verlag, 1992, ISBN 3540549501.
• Hugo K. Messerle: Magnetohydrodynamic electrical power generation. Wiley, Chichester 1995, ISBN 0-471-94252-9
• Rolf Bünde, Jürgen Raeder: MHD power generation - selected problems of combustion MHD generators. Springer, Berlin 1975, ISBN 3-540-07296-9

Weblinks

• Zeichnungen und weiterführende Erläuterungen