SFB 686 - Regelung der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung

Die Bereitstellung von Energie spielt für den häuslichen Bedarf, für Prozesswärme und für den Transport von Menschen und Gütern eine wichtige Rolle. Voraussetzung dafür ist auf absehbare Zeit nach wie vor die Verfügbarkeit und vor allem die effektive technische Nutzung von fossilen Brennstoffen. Diese bestehen im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen, die aus Kohle, Erdöl und Erdgas gewonnen werden und entsprechend der technischen Anwendung aufbereitet werden. Auch für alternative Konzepte wie z. B. die Brennstoffzelle, wird man den dort benötigten Wasserstoff zu großen Teilen zunächst aus fossilen Brennstoffen herstellen. Gerade für das Transportwesen erscheint die Verwendung flüssiger Kohlenwasserstoffe wegen ihrer großen Energiedichte unverzichtbar.

Die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bringt jedoch eine Reihe bekannter Nachteile mit sich. Dies sind zum einen die bei den herkömmlichen Brennverfahren entstehenden Emissionen von Schadstoffen wie Stickoxiden (NOx) und Ruß, die erheblich zur städtischen und regionalen Luftverschmutzung beitragen; zum anderen sind es die Emissionen von CO2, das als Treibhausgas für den Anstieg der Temperatur in der Erdatmosphäre und damit für die Veränderung des globalen Klimas verantwortlich gemacht wird.

Die Verringerung des Schadstoffausstoßes ist daher ein wichtiges Forschungsziel in diesen Bereichen.

So konnten bei stationären Gasturbinen durch den vor einigen Jahren erfolgten Übergang von der diffusionskontrollierten Verbrennung zur vorgemischten Verbrennung die Schadstoffemissionen wesentlich reduziert werden, da durch die Homogenisierung Temperaturspitzen vermieden wurden. Es stellten sich jedoch unerwünschte selbsterregte thermo-akustische Instabilitäten ein.

Auch bei Motoren werden auf breiter Front neue Brennverfahren entwickelt, die den Anforderungen nach niedrigeren Emissionen bei gleichzeitig hoher Effizienz genügen.

Somit zeigt sich bei so unterschiedlichen technischen Anwendungen wie Gasturbinen und Motoren nahezu zeitgleich eine Abkehr von der mischungskontrollierten Hochtemperatur-Verbrennung und eine Hinwendung zur homogenisierten Verbrennung bei im Mittel niedrigeren Temperaturen. Dies führt jedoch in beiden Fällen zum Auftreten von Verbrennungsinstabilitäten.

Da nicht erwartet werden kann, dass die genannten Instabilitäten durch verbrennungstechnische Maßnahmen allein behoben werden können, sollen sie durch Eingriffe in die Prozessführung kontrolliert werden. Dies verlangt eine auf den physikalischen und chemischen Grundlagen beruhende Analyse der Prozesse mit dem Ziel, sie zu regeln. Die Applikation einer solchen Regelung soll auf der Basis der für die jeweilige Anwendung gewonnenen Erkenntnisse und der dafür entwickelten physikalischen Modelle erfolgen. Es wird sich also um eine modellbasierte Regelung handeln. Die Entwicklung modellbasierter Regelungen für die jeweiligen Anwendungen stellt das mittelfristig angestrebte Ziel dieses SFBs dar.

Der regelungstechnische Aspekt des Motorenbereichs des SFBs wird von der Gruppe Automotive bearbeitet. Die Gruppe Industry befasst sich mit der Regelung von (kontinuierlichen) Verbrennungprozessen in Gasturbinen.

Im Rahmen des SFBs erforscht das IRT schnelle Methoden der Modellgestützten Prädiktiven Regelung (MPR). Bei dieser Art der Regelung wird ein Modell des zu regelnden Prozesses, hier im Zustandsraum, erstellt. Anhand dieses Modells ist eine Prädiktion des zukünftige Streckenverhalten ausgehend vom momentanen Systemzustand möglich. Diese Prädiktion kann in einer Kostenfunktion genutzt werden,um die prognostizierte Abweichung eines Ist- von einem Sollwert in einem zukünftigen Zeitfenster sowie erfolgende Stellgrößenänderungen bewerten zu können.