SIEMENS

Ein dunkler Bildschirm. Von rechts schwenkt eine Drahtspule ins Sichtfeld, die zu glühen anfängt. Aus dem unteren Bildrand schießt eine Flamme empor, die seltsam labil wirkt. Wie eine Geistererscheinung wabert das bläuliche Licht hin und her. Dann gibt der unsichtbare Experimentator buchstäblich Gas, und die Flamme steht kerzengerade. Nach wenigen Sekunden ist der Spuk vorbei. Dr. Andrey Bartenev klickt auf ein anderes Fenster. Dort ist eine Momentaufnahme der gleichen Flamme zu sehen, allerdings als buntes Simulationsbild. Dieses ähnelt verblüffend der echten Flamme aus dem Video. Bartenev, Leiter der Abteilung für Energietechnik und Energieressourcen, ist stolz. Wohl kaum jemand auf der Welt simuliert Verbrennungsvorgänge in Gasturbinen so exakt wie sein zehnköpfiges Team am Forschungslabor von Siemens Corporate Technology (CT) in Moskau.
Als das Labor 2005 gegründet wurde, saßen Bartenev, eine Sekretärin und der Leiter von CT in Russland, Martin Gitsels, noch alleine in dem alten Gebäude hinter dem Bahnhof Paveletsky – heute sind es insgesamt über 50 Mitarbeiter mit unterschiedlichen Themengebieten, 23 von ihnen arbeiten in St. Petersburg. Das Personal wuchs mit dem Erfolg. Zunächst kamen die Aufträge, Brennvorgänge in Gasturbinen zu modellieren, nur vereinzelt aus Deutschland, wo weit größere Teams Verbrennungsvorgänge und die optimale Form von Turbinenschaufeln berechnen. Doch das änderte sich schnell, weil sich die Fähigkeiten Bartenevs auch beim Siemens-Sektor Energy in Erlangen herumsprachen.
Der 44-jährige Physiker hatte sich von 1987 bis 2005 an der russischen Akademie der Wissenschaften in Moskau mit der "Chemie schneller Prozesse" – Verbrennungsvorgänge und Explosionen – einen Namen gemacht und war an Forschungsprojekten an der RWTH Aachen und bei der US-Weltraumbehörde NASA beteiligt. Aus dieser Zeit stammen seine guten Kontakte zu den Kollegen an der Moskauer Akademie, die den Arbeiten des Siemens-Teams jetzt zugute kommen. Heute haben Bartenevs Forscher alle Hände voll zu tun, und nur die russische Bescheidenheit verhindert wohl zuzugeben, dass inzwischen viele Simulationen von Gasturbinenbrennern aus Moskau kommen.
Hauptaufgabe des Teams ist es, neue Brennerdesigns der Kollegen in Deutschland zu testen. Dazu wird der Brenner am Computer virtuell gezündet, und das Verhalten der Flamme unter verschiedenen Parametern beobachtet: etwa Gaszusammensetzungen, Durchflussmengen oder Mischverfahren. Die Ergebnisse gehen an die Entwickler in Deutschland, wo sie in die Konstruktion der Brennkammer und Turbinen einfließen. Diese Komponenten werden in Moskau nicht simuliert – "wir konzentrieren uns auf die einzelne Flamme", sagt Bartenev.

Komplexe Flammensimulation. Auf die Frage, ob es den optimalen Brenner und die optimale Gasmischung gebe, schüttelt der Flammenexperte den Kopf. Es gebe Dutzende von Brennerdesigns für Turbinen mit etwa 100 kW bis zu mehreren hundert Megawatt Leistung, für reines Erdgas ebenso wie für Syngas, ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Gerade deshalb ist die Simulation so wertvoll: Sie kürzt drastisch die Entwicklungszeit und spart viel Geld, weil man nicht jeden neuen Entwurf im Labor testen muss.
Allerdings steckt auch in den Modellierungsalgorithmen viel Zeit und Know-how. Sie bestehen aus zwei Teilen: Ein Software-Modul berechnet die Reaktionskinetik, also den Ablauf der chemischen Reaktionen. Ein zweites Modul ist für die Gasdynamik zuständig und kalkuliert die Ausbreitung der Gasteilchen in der Brennkammer in Schritten von einigen Millisekunden – dafür gibt es kommerzielle Software. Auch für die erste Aufgabe gibt es Standard-Software, doch deren Verfahren sind aufwändig und benötigen zu viel Rechenleistung. Vereinfacht man indes diese Rechenmethoden, leidet die Genauigkeit, denn die Berechnung chemischer Reaktionen ist extrem kompliziert.
Bei der Verbrennung mit Syngas, wie es etwa bei der Kohlevergasung entsteht, sind für eine präzise Kalkulation pro Rechenschritt üblicherweise 16 Reaktionspartner und 48 umkehrbare Reaktionswege beteiligt, die wiederum von der lokalen Temperatur- und Druckverteilung abhängen. So reagiert der Sauerstoff aus der Luft mit Wasserstoff zu Wasser, mit Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und -dioxid, mit Stickstoff zu diversen Stickoxiden, viele weitere Kombinationen kommen hinzu. "Für einen Schritt Gasdynamik müssen wir zudem tausend Schritte Chemie berechnen", sagt Bartenev. Für eine komplette Berechnung braucht sogar der schnelle Cluster-Computer im Siemens-Labor in Moskau mit seinen 108 Prozessoren und 672 Gbyte Arbeitsspeicher, der in einer stark gekühlten Kammer untergebracht ist, mehrere Monate.
Zum Glück gibt es in Russland zu jedem Problem der Verbrennungsforschung einen Experten, der Hilfe leistet – ein Vermächtnis aus den Zeiten des kalten Krieges, als unter Hochdruck an Raketenantrieben und Explosionen gearbeitet wurde. Die Hilfe kam in diesem Fall aus Novosibirsk vom Institut für Verbrennung und chemische Kinetik der russischen Akademie der Wissenschaften, mit dem Siemens kooperiert. Oleg Korobeinichev ist dort Professor und weltweit einer der Topwissenschaftler für Reaktionskinetik. Seine Spezialität ist es, komplexe chemische Reaktionen zu vereinfachen, so wie Mathematiker ellenlange Formeln auf wenige Terme eindampfen. Korobeinichev setzte die Reaktionsformeln für die Verbrennung von Syngas auf Diät und schrumpfte das Problem von 16 auf 13 Reaktionspartner und von 48 auf 14 Reaktionswege, ohne nennenswerten Verlust der Genauigkeit.