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
