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Feuer im Laserlicht

Umweltfreundliche und effiziente neue Verbrennungsverfahren lassen sich in Zukunft nur noch entwickeln, indem man Verbrennungsvorgänge aus ihren mikroskopischen chemischen und physikalischen Prozessen zusammensetzt und daraus die sichtbaren Wirkungen ableitet. So kann man die Bildung von Schadstoffen oder den unvollständigen Ablauf der Verbrennung von den Ursachen her erkennen und aufgrund dieser Kenntnisse mit Hilfe mathematischer Modelle Wege zu optimalen Lösungen finden. Der Weg der mathematischen Modellierung, verbunden mit der laserspektroskopischen Analyse technischer Verbrennungsprozesse, wird seit mehreren Jahren in Heidelberg im Rahmen des Interdisziplinären Zentrums für Wissenschaftliches Rechnen (IWR) und den damit verbundenen Sonderforschungsbereichen 123 und 359 sowie der Arbeitsgemeinschaft TECFLAM gemeinsam mit den Universitäten Karlsruhe, Stuttgart und Darmstadt in Zusammenarbeit mit der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) beschritten. Am Physikalisch-Chemischen Institut "durchleuchten" Jürgen Wolfrum und Volker Sick Feuer dazu mit Laserlicht.

Es gibt wenige Dinge, ohne die man sich die Existenz des Menschen nicht vorstellen könnte. Zu ihnen zählt zweifellos das Feuer. Nachdem Prometheus der Menschheit das Feuer brachte, schickte Zeus nach der griechischen Sage Pandora mit ihrer berühmten Büchse. Das wird heute immer deutlicher. Derzeit werden jährlich fossile Energievorräte verbraucht, die sich in einigen 100000 Jahren gebildet haben.




Ein dünner Laserstrahl wird durch die Flamme eines hundertfach vergößerten Bunsenbrenners geschossen. Im Fluoreszenzbild der Flamme sieht man deutlich den dunklen Bereich des noch unverbrannten Erdgas-Luft-Gemisches und den verbrannten äußeren Rand mit den vom Laser zum Aufleuchten gebrachten Radikalen.
Die hierbei entstehenden Schadstoffe, wie Schwefel- und Stickoxide, führen zu den bekannten unerwünschten Veränderungen in der Atmosphäre ("Sommersmog") und in der Biosphäre der Erde ("Waldsterben"). Das freigesetzte CO2 beeinflußt den Wärmehaushalt der Erde und wird nur relativ langsam wieder aus der Atmosphäre entfernt. Trotz aller Bemühungen um alternative Energiequellen beruhen zur Zeit immer noch etwa 90 Prozent der Weltenergieversorgung auf der Nutzung von Verbrennungsprozessen. Durch möglichst rasches Handeln bei der Optimierung von technischen Verbrennungsprozessen können langfristige Folgen wenigstens abgemildert werden. Die Entwicklung umweltfreundlicher und effizienter neuer Verbrennungsverfahren kann in Zukunft jedoch kaum noch wie bisher auf überwiegend empirische Weise durch "trial and error" rasch genug vorangebracht werden. Es ist vielmehr ein radikal neuer Ansatz notwendig. Dieser besteht darin, Verbrennungsvorgänge nicht mehr summarisch zu beschreiben, sondern aus ihren mikroskopischen chemischen und physikalischen Prozessen zusammenzusetzen und daraus die sichtbaren Wirkungen abzuleiten. Auf diese Weise ist es möglich, die Bildung von Schadstoffen oder den unvollständigen Ablauf der Verbrennung von den Ursachen her zu erkennen und aufgrund dieser Kenntnisse mit Hilfe mathematischer Modelle Wege zu optimalen Lösungen zu finden.

Die Feuerforschung kann besonders in Heidelberg auf eine lange Geschichte zurückblicken, die möglicherweise bis zu den Tagen des "homo heidelbergensis" von Mauer zurückreicht und in der Mitte des vergangenen Jahrhunderts durch die Entdeckung der Spektralanalyse im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen dem Chemiker Robert Wilhelm Bunsen und dem Physiker Gustav Kirchhoff einen entscheidenden Impuls bekommen hat. Noch ganz unter dem Eindruck dieser neuen Entdeckung schrieb Bunsen am 15. November 1859 an seinen englischen Freund Henry Roscoe: "Im Augenblick bin ich und Kirchhoff mit einer gemeinsamen Arbeit beschäftigt, die uns nicht schlafen läßt. Kirchhoff hat nämlich eine wunderschöne, ganz unerwartete Entdeckung gemacht, indem er die Ursache der dunklen Linien im Sonnenspektrum aufgefunden hat. Hierdurch ist der Weg gegeben, die stoffliche Zusammensetzung der Sonne und der Fixsterne mit derselben Sicherheit nachzuweisen, mit welcher wir Schwefelsäure, Chlor u.s.w. durch unsere Reagentien bestimmen."

Eine Voraussetzung für den Erfolg der Forschungsarbeiten war die nichtleuchtende Gasflamme des berühmten Bunsenbrenners. In die heiße Flamme dieses Brenners gab Bunsen verschiedene Wasserproben, die er auf seinen Wanderungen durch den Odenwald gesammelt hatte.


Direkte quantitative Beobachtung der Stickoxidbildung während der Verbrennung in einem Forschungsmotor von Daimler-Benz. Die NO-Verteilungen im Brennraum zeigen, daß bereits kleine Temperaturunterschiede zu lokal stark erhöhten NO-Mengen führen können.

Auf diese Weise gelang es ihm, leuchtende Dämpfe verschiedener im Wasser enthaltener Salze zu erzeugen. Durch Vorsetzen eines Spaltes vor die Flamme und Betrachtung des durch ein Prisma spektral zerlegten Lichtes mit Hilfe eines Fernrohres auf einer Skala wurde von Kirchhoff die Möglichkeit der quantitativen Analyse der Spektren geschaffen. So zeigt das Element Lithium rote, das Element Natrium gelbe, das Element Kalium blau-grüne Spektrallinien in der Flamme. Die sorgfältige Analyse von Spektrallinien ermöglichte Bunsen die Entdeckung und Isolierung einer Reihe bis dahin unbekannter Elemente, wie Cäsium mit seinen kräftigen blauen (lat. "caesius") Linien im Spektrum. Das originale Cäsium-Präparat von Bunsen befindet sich im Hörsaalgebäude der Chemischen Institute der Universität Heidelberg.

Bunsenbrenner und Lasertechnik lassen Chemikalien leuchten

Durch die stürmische Entwicklung der Lasertechnik in der zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts ist es nun möglich geworden, in einer Bunsenbrennerflamme nicht nur das Eigenleuchten zugesetzter chemischer Substanzen zu beobachten, sondern auch die während der Verbrennung nur sehr kurzzeitig auftretenden chemisch instabilen Teilchen ("freie Radikale") mit Laserlicht anzuregen und zum Aufleuchten zu bringen. Auf diese Weise kann man die Chemie in der Flamme unmittelbar sichtbar machen und die mikroskopischen Vorgänge der Umwandlung von Brennstoff mit Luft in Kohlendioxid und Wasser direkt beobachten. Hierzu wird aus einem intensiven Laserstrahl ein dünnes Lichtband geformt und durch die Flamme eines hundertfach vergrößerten Bunsenbrenners mit einer Leistung von 150 Kilowatt hindurchgeschossen. Durch Koinzidenz der Emissionswellenlänge des Lasers mit der Absorption des in der Flammenfront auftretenden Hydroxylradikals kann man diese Radikale zu einer intensiven Fluoreszenz anregen. Die laserinduzierte Fluoreszenz wird mit Hilfe einer bildverstärkten CCD (engl. "Charge Coupling Device" = ladungsgekoppeltes Element)-Kamera aufgenommen. CCD-Kameras besitzen in ihrer Bildebene statt der Filmschicht - wie bei einem Photoapparat - ein Halbleiterplättchen mit sehr kleinen lichtempfindlichen Speicherzellen in einer Rasteranordnung. Die eintreffenden Photonen werden in den Speicherzellen in elektrische Ladungen umgewandelt, nacheinander ausgelesen und dann im Computer als Bilder aufbereitet. Die Dauer des Laserblitzes und die Verschlußzeit der benutzten Chip-Kamera (CCD) betragen nur etwa 10 Milliardstel (10-8) Sekunden und sind damit sehr viel schneller als die im Bereich von Tausendstelsekunden ablaufenden chemischen Reaktionen, so daß eine Momentaufnahme des Zustands der chemischen Reaktionen in der Flamme möglich ist. Im Fluoreszenzbild kann man nun deutlich den dunklen Bereich des noch unverbrannten Erdgas-Luft-Gemisches, in dem noch keine chemische Reaktion stattfindet und damit auch keine Hydroxylradikale auftreten, vom verbrannten äußeren Bereich mit den vom Laser zum Aufleuchten gebrachten Radikalen unterscheiden. Durch zeitliche Verzögerung eines Teils des Laserlichtbandes - das Licht legt in 10-9 Sekunden 30 Zentimeter zurück - und Einsatz einer zweiten Kamera kann mit Hilfe eng benachbarter Laserlichtschnitte auch die momentane dreidimensionale Flammenstruktur erhalten werden. Man erkennt deutlich die stark zerklüftete und verwinkelte Form der Flamme, die durch die Wechselwirkung der explosionsartig ablaufenden chemischen Kettenreaktionen mit der turbulenten Strömung entsteht. Stark turbulente Strömungen werden in den meisten technischen Verbrennungsprozessen, zum Beispiel in Automobilmotoren, Flugzeuggasturbinen und Kraftwerksbrennern benutzt, um eine chemische Umsetzung auf kleinstem Raum in kurzer Zeit zu erzielen.

Laserblitz zeigt chemische Reaktionen in Zeitlupe

Um die Struktur einer turbulenten Flammenfront zu berechnen, müssen zunächst alle chemischen Einzelschritte, die sogenannten Elementarreaktionen, ermittelt werden. Die Grundlagen für diese Betrachtungsweise legte der Heidelberger Chemiker Max Bodenstein vor über 100 Jahren in seiner berühmten Arbeit über die "Zersetzung des Jodwasserstoffgases in der Hitze". In dieser Arbeit bestimmte er erstmals den genauen Ablauf schneller chemischer Elementarreaktionen beim Zerfall des Gases Jodwasserstoff und beschrieb die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion mit Hilfe von mathematischen Gleichungen. Wendet man dieses Konzept auf die Verbrennung des einfachsten Kohlenwasserstoffs Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases an, so laufen nach dem erstmals von Jürgen Warnatz, dessen Forschungsgruppe im IWR in Heidelberg arbeitet, aufgestellten chemischen Mechanismus über 400 einzelne Reaktionen gleichzeitig ab. Die Kopplung der Reaktionen mit den Strömungs- und Transportprozessen der Flamme erfolgt durch Lösung der Erhaltungsgleichungen für Energie, Impuls und Masse der chemischen Teilchen.

Möchte man eine turbulente Bunsenflamme auf diese Weise mathematisch simulieren, so sind etwa 1018 Rechenoperationen notwendig. Eine Vorstellung von der Größe dieser Zahl erhält man, wenn man bedenkt, daß sie etwa dem Alter des Universums in Sekunden entspricht. Auch die schnellsten Parallelrechner erreichen zur Zeit nur etwa 1012 Rechenoperationen in der Sekunde ("Teraflops"). Hieraus ergibt sich, daß in den nächsten Jahren eine praktikable mathematische Beschreibung technischer Verbrennungsprozesse nur dann möglich ist, wenn sowohl die Turbulenz als auch die chemischen Reaktionen durch vereinfachte, jedoch in ihren Gültigkeitsbereichen klar beurteilbare Modelle beschrieben werden können. Bereits im Jahre 1940 machte G. Damköhler den Vorschlag, das komplizierte, durch die turbulente Strömung verwinkelte und aufgefaltete Bild der Flammenfront durch ein Ensemble gekrümmter und gestreckter Flämmchen (engl. "flamelets") darzustellen, bei denen die Verbrennung in einer dünnen eindimensionalen Flammenfront abläuft. Auf diese Weise kann die über laminare Flammen zur Verfügung stehende Information zur Modellierung dreidimensionaler turbulenter technischer Flammen genutzt werden.

Schlacke aus optimierter Verbrennung für den Straßenbau

Eine Überprüfung der Modellvorstellungen durch eine Momentanaufnahme der mikroskopischen Flammenfrontstruktur ist mit Hilfe der Laser-Lichtschnitt-Technik möglich.


Momentaufnahme der mikroskopischen Flammenfront

Im gleichen Volumenelement der Flamme wird hierzu neben der Hydroxylradikalverteilung mit Hilfe eines zweiten Lasers die Intensität des "Rayleigh-Streulichts" bestimmt. Die Intensität dieses Streulichts ist direkt proportional zur Anzahl der lichtstreuenden Teilchen und damit bei konstantem Druck ein Maß für die lokale Temperatur. Die Rayleigh-Streuung ist besonders stark im blauen und ultravioletten Spektralbereich. Das kann man beim roten Sonnenuntergang beobachten, bei dem der blaue Anteil des Sonnenlichts herausgestreut wurde. Die durch leistungsstarke Ultraviolettlaser erzeugten intensiven Rayleigh-Signale bestätigen, daß turbulente Flammen unter bestimmten Turbulenzbedingungen mit Hilfe des Damköhlerschen Flamlet-Modells beschrieben werden können. Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel die lokalen Konzentrationen des Schadstoffs Stickoxid (NO) während der Verbrennung in einem Automotor vorausberechnen.

Eine direkte quantitative Beobachtung der NO-Bildung während der Verbrennung im Automobilmotor ist auch mit der Laser-Lichtschnitt-Technik möglich. Hierzu wird das Temperaturfeld wieder mit Hilfe der Rayleigh-Streuung auf einer CCD-Kamera erfaßt, während eine zweite Kamera die Fluoreszenz der gebildeten NO-Moleküle im Motor aufnimmt. Die momentanen Konzentrationsverteilungen des NO im Brennraum eines Forschungsmotors der Firma Daimler-Benz zeigen deutlich, daß bereits kleine Temperaturunterschiede aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit der NO-Bildungsgeschwindigkeit zu lokal stark erhöhten NO-Mengen führen können. Durch eine detaillierte mathematische Modellierung und sorgfältige Kontrolle der Strömungs- und Verbrennungsbedingungen im Motor sollte eine weitere Homogenisierung der Temperaturverteilungen und damit eine Reduktion der primären NO-Bildung möglich sein.

Stickoxidbildung im Automotor direkt sichtbar machen

Ein weiteres wichtiges Ziel moderner Verbrennungsforschung ist die Entwicklung von Strategien zur nachhaltigen Resourcenschonung und Minderung der CO2-Emissionen. Einen wichtigen Beitrag kann hier die Entwicklung neuer Kraftwerkstechnologien in Form der kombinierten Gas- und Dampfturbinensysteme (GUD) und der Aufbau von Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung leisten. Auf diesem Weg kann auch der regenerative Energieträger Abfall optimal in die Energieversorgung eingebunden werden. Durch das Ende 1996 in Kraft tretende Kreislauf-Wirtschaftsgesetz wird die thermische Entsorgung von Abfall unter Ausnutzung des Energieinhaltes auf die gleiche Stufe gestellt wie die Wiederverwendung, so daß in Zukunft über 30 Millionen Tonnen Müll thermisch entsorgt, das heißt verbrannt werden müssen. Um das Abfallvolumen um bis zu 90 Prozent zu reduzieren und eine Zersetzung organischer Komponenten zu erreichen, muß die Verbrennung möglichst vollständig sein. Ein besonderes Problem ist dabei die starke Inhomogenität der Brennstoffe Müll, Klärschlamm und Biomasse.

Neue Kraftwerkstechnologie made in Heidelberg

Damit die Freisetzung von Schadstoffen minimal ist und die entstehenden Reststoffe genutzt werden können, zum Beispiel die Schlacke im Straßenbau, muß der gesamte Verbrennungsprozeß ständig in einem optimierten Zustand betrieben werden.




Das Müllheizkraftwerk in Coburg arbeitet nach dem Heidelberger Konzept zur Feuerungsregelung, das die Schadstoffentstehung minimiert. Eine zukunftsweisende Entwicklung, denn durch das Ende 1996 in Kraft tretende Kreislauf-Wirtschaftsgesetz werden künftig über 30 Millionen Tonnen Müll thermisch verwertet, das heißt verbrannt werden müssen.
In Zusammenarbeit mit der Firma Martin in München hat das Physikalisch-Chemische Institut der Universität Heidelberg ein neues Konzept zur Feuerungsregelung von Müllverbrennungsanlagen entwickelt. Hierzu wurde zunächst eine Infrarot-Kamera an der Decke des Feuerraums der Müllverbrennungsanlage installiert. Mit Hilfe eines schmalbandigen optischen Filters kann die Kamera durch die Flammen hindurch die Wärmestrahlung des brennenden Mülls erfassen, ungestört von der Strahlung heißer Verbrennungsabgase oder Rußemissionen. Ein Bildverarbeitungsprogramm bestimmt aus den Infrarotaufnahmen momentane Temperaturverteilungen auf dem Brennbett. Die schnelle Ansprechzeit des Kamerasystems erlaubt die Auflösung von Temperaturschwankungen, die mit konventionellen Thermoelementen im Feuerraum nicht nachvollzogen werden können.

Die Bilder der Infrarotkamera werden nun benutzt, um entsprechend den jeweiligen Temperaturwerten die Verbrennungsluft zwischen den einzelnen Rostbereichen so umzuverteilen, daß der Verbrennungsablauf möglichst gleichmäßig wird. Als Steuerung wird dabei eine auf "fuzzy-logic" basierende Regelung eingesetzt. Hiermit können nicht nur zwei oder drei, sondern Hunderte von Parametern gleichzeitig erfaßt werden. Dabei ist es nicht notwendig, die mathematisch-physikalischen Zusammenhänge im Detail zu kennen, sondern es wird eine der menschlichen Sprache und Denkweise nahekommende "unscharfe" Beurteilung (wie wenig/normal/viel) benutzt. Anschaulich läßt sich das Vorgehen am Beispiel des Verhaltens eines Autofahrers in der Kurve erläutern. Er handelt nicht nach dem Motto: Drehe das Lenkrad bei einem Kurvenradius von 187 Metern und einer Geschwindigkeit von 83 Stundenkilometern auf den Winkel 16 Grad 23 Minuten, und er kennt auch nicht die mathematisch formelmäßige Darstellung der momentanen Bewegung seines Automobils. Er handelt vielmehr "fuzzy" nach dem Konzept: Kommt der Straßenrand zu nahe, dann schlage ich das Lenkrad noch ein Stück weiter ein.

Kameragesteuerte Luftzufuhr - saubere Müllverbrennung

Insgesamt erhält man durch Einsatz der Kamera verglichen mit konventioneller Anlagenfahrweise verminderte Emissionen und eine Verbesserung der Schlackequalität, so daß diese ohne aufwendige Nachbehandlungsverfahren - wie energieaufwendige Einschmelzung - für den Einsatz im Straßenbau geeignet ist. Der stabile und gleichmäßige Verbrennungsprozeß minimiert die Schadstoffe im Abgas und vermindert auch deren Konzentrationsschwankungen, so daß die nachgeschalteten Reinigungsanlagen optimal arbeiten können. Das neu entwickelte Regelsystem wird inzwischen bereits in Anlagen in Ingolstadt und Kempten sowie an verschiedenen Standorten in der Schweiz und in Italien praktisch eingesetzt.

Die während der Müllverbrennung gebildeten Stickoxide werden durch die Zugabe von Ammoniak über die Reaktionen OH + NH3 --> H2O + NH2 und NH2 + NO --> N2 + H2O zu 90 Prozent direkt in Stickstoff und Wasser umgewandelt. Die zugegebene Menge an Ammoniak wird mit Hilfe eines am Physikalisch-Chemischen Institut entwickelten Lasersystems (LISA) berührungsfrei mit hoher Zeitauflösung kontrolliert. Durch Einsatz von zwei Emissionslinien eines CO2-Lasers können durch differentielle Absorption NH3-Konzentrationen von einem ppm (10-6) berührungsfrei kontinuierlich in Echtzeit nachgewiesen werden. Benutzt man zum NH3-Nachweis eine chemische Analyse mit Absaugvorrichtung, benötigt man Meßzeiten von über einer Stunde.

Neben den hier dargestellten Beispielen birgt die Laserdiagnostik in Verbindung mit moderner Regelungstechnik und mathematischer Modellierung noch ein großes Potential zur Optimierung technischer Prozesse in anderen Bereichen.

Autoren:
Prof. Dr. Jürgen Wolfrum, Dr. Volker Sick, Physikalisch-Chemisches Institut, Im Neuenheimer Feld 253, 69120 Heidelberg,
Telefon (06221) 54 84 62

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