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Interview Wie können Schadstoffemissionen bei der Verbrennung reduziert werden?

Autor / Redakteur: Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Welchen Einfluss Wände auf die Schadstoffbildung von Verbrennungssystemen haben, untersuchen die Technische Universität Darmstadt und das Karlsruher Institut für Technologie in einem neuen Sonderforschungsbereich.

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(Bild: Niels Göran Blume)

LABORPRAXIS: Herr Bürkle, trotz aller Anstrengungen im Bereich der Erneuerbaren Energien wird weltweit mehr als 80 Prozent des Primärenergie-Verbrauchs durch die Verbrennung fossiler Energieträger gedeckt. Wie kann man den Ausstoß von Schadstoffen reduzieren und dadurch die Umwelt entlasten?

Sebastian Bürkle: Prinzipiell gibt es zwei Ansätze, um die Schadstoffemission zu reduzieren. Entweder reduziert man die Entstehung von Schadstoffen direkt in der Verbrennung, oder man entfernt nachträglich die entstandenen Schadstoffe durch Abgasnachbehandlung. Wir möchten in einem neuen Sonderforschungsbereich zwischen der TU Darmstadt und dem Karlsruher Institut für Technologie beide Ansätze erforschen und durch ein neues Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse zu einer Reduktion der Schadstoffe beitragen.

Damit das gelingen kann, haben sich Forscher aus den Bereichen Chemie, Thermodynamik, Strömungslehre, Verbrennungsforschung und Motorenentwicklung zusammengeschlossen.

LABORPRAXIS: Wie wollen Sie zur Reduktion der Schadstoffe in den Verbrennungssystemen beitragen?

Bürkle: Für die Entstehung von Schadstoffen gibt es viele Ursachen. Eine wichtige Quelle ist die unvollständige Verbrennung von Kraftstoffen in der Nähe von Wänden. Viele technisch und wissenschaftlich bedeutsame Verbrennungssysteme, wie Motoren, Gasturbinen, Kraftwerke usw., werden von Wänden begrenzt. Diese haben allgemein eine im Vergleich zur ungestörten Flamme deutlich niedrigere Temperatur (~300 °C im Vergleich zu ~2000 °C), wodurch es zu Wärmeverlusten und zu einem Verlöschen, engl. „Quenching“, der Verbrennung in unmittelbarer Wandnähe kommt. Durch dieses Quenching bleibt die Verbrennung unvollständig. In modernen Motoren entstehen etwa 40 % der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und 30 % des emittierten Kohlenstoffmonoxides (CO) in Wandnähe, wodurch diese Region eine nicht unbedeutende Schadstoffquelle darstellt. Außerdem gehen etwa 30 % der Verbrennungsenergie durch Wärmeverluste durch die Wand verloren. Dieser Effekt wird durch einen Trend in der Motorenentwicklung, dem so genannten „Downsizing“ (Verkleinerung des Hubraums bei gleicher Motorleistung) noch verstärkt, da das Oberflächen- zu Volumenverhältnis steigt. Sie sehen also, hier gibt es einen großen Handlungsbedarf.

Die physikalisch-chemischen Abläufe dieser Niedertemperaturreaktionen sind im Detail bisher nicht verstanden. Dies hat verschiedene Ursachen. Der wandnahe Bereich ist experimentell schwer zugänglich, da wir uns hier auf sehr kleinen Zeit- und Raumskalen (µs bzw. µm) bewegen, während zeitgleich durch die Verbrennung hohe Temperaturen herrschen. Dadurch haben wir hier starke Temperatur- und Konzentrationsgradienten, die genaue Messungen erschweren. Auf der numerischen Seite, bei der die Verbrennungsprozesse durch Simulationen nachgebildet werden sollen, erschweren die Vielzahl von (zum Teil unbekannten) Reaktionsmechanismen und die vielen involvierten Zeitskalen das Verständnis und machen die Berechnungen sehr aufwändig. Wir möchten daher neue Möglichkeiten schaffen, die wandnahen chemischen Reaktionen und Strömungen zu messen, zu verstehen, und darüber hinaus neue Wege erforschen, diese Prozesse simulieren und vorhersagen zu können. Dazu stehen uns auf experimenteller Seite eine Vielzahl von Testständen zur Verfügung, wie z.B. Brenner, an denen man die Interaktion zwischen Verbrennung und Wand untersuchen kann, oder ein gläserner Motor und ein Einhubtriebwerk zur Untersuchung der wandnahen Verbrennung in einer Motorumgebung.

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