SIEMENS

Rund 800.000 Tonnen Steinkohle verbrennt Block 2 des Heizkraftwerks München Nord pro Jahr – an jedem Arbeitstag liefern drei oder vier Züge mit durchschnittlich 22 Waggons den Brennstoff an, der zu Staub zermahlen und über 24 Brenner in den Kessel geblasen und verfeuert wird.

Das Kraftwerk produziert gleichzeitig Strom und Wärme: Unter anderem mit einer Siemens-Turbine erzeugt Block 2 dank Kraft-Wärme-Kopplung 550 Megawatt thermische und 237 Megawatt elektrische Leistung. Es ist ein Effizienzmeister: Sein Gesamtwirkungsgrad liegt bei sehr guten 85 Prozent.

Wie viel Leistung das Kraftwerk liefern kann, hängt von der Qualität des Brennstoffs ab: Während die Betreiber in der Vergangenheit meist nur eine einzige Sorte Kohle eingesetzt haben, verwenden sie aus Kostengründen heute Ware aus aller Welt – in München kommt der Brennstoff aus Venezuela, Südafrika, Polen und Tschechien. Das spart Geld, führt aber zu Qualitätsschwankungen: Der Brennwert der Kohle ist unterschiedlich, zudem variieren Feuchte- und Schwefelgehalt. „Sehr schlechte Kohle kann dazu führen, dass die Kraftwerksleistung absinkt“, erklärt Prof. Maximilian Fleischer, Sensor-Experte bei Siemens Corporate Technology (CT), in München. „Um immer die geforderte Kraftwerksleistung erbringen zu können, müsste man die Kohlemenge im Brenner an den Brennwert anpassen.“

Optimal wäre hierfür eine ständige Wareneingangskontrolle, so dass der Betreiber immer genau weiß, mit was für einem Brennstoff er sein Kraftwerk gerade füttert, um dann die Kohlezufuhr in den Kessel an der Kohlequalität auszurichten. Daran arbeitet der Physiker Fleischer, und er setzt dabei auf die Infrarot(IR)-Spektroskopie: Das für den Menschen unsichtbare Licht soll Aufschluss über die Bestandteile der Kohle liefern, denn chemische Elemente senden elektromagnetische Wellen mit ganz spezifischen Frequenzen aus, wenn sie zuvor mit Energie angeregt werden – zum Beispiel durch Bestrahlung mit IR-Licht im Bereich von 0,7 bis 2,5 Mikrometern Wellenlänge (nahes Infrarot, NIR) oder von 2,5 bis 50 Mikrometern (mittleres Infrarot, MIR), was Schwingungen von Atomen oder ganzen Atomgruppen anregt. Diese Energie wird anschließend wieder abgestrahlt, und ergibt den „Fingerabdruck“ der Moleküle, der in einem Spektrometer analysiert werden kann.

„Im MIR-Bereich ergeben die Messungen klare Peaks, die eindeutig chemischen Strukturen zugeordnet werden können“, erklärt Fleischer. „Im NIR-Bereich ist dieser Zusammenhang nicht so offensichtlich zu erkennen, weil hier die Peaks breiter sind und sich deswegen überlappen.“ Das liegt daran, dass die Schwingungen der Moleküle aneinander gekoppelt sind – auch hier kann aber die Information über den Molekülaufbau mit Computertechnik, etwa neuronalen Netzen, wieder sichtbar gemacht werden.

Das bedeutet zwar etwas mehr Aufwand als beim MIR, dafür sind die NIR-Spektrometer aber einfacher aufgebaut, robuster und deutlich billiger: Sie kosten zwischen 15.000 und 25.000 Euro, während ihre aufwändigen MIR-Pendants rund 100.000 Euro teuer sind und darum vor allem in großen Labors eingesetzt werden. Das macht NIR und die etwas weniger präzisen Mikro-Spektrometer, deren Preis zwischen 2.000 und 5.000 Euro liegt, zu idealen Kandidaten für die Regelung von industriellen Prozessen wie etwa der Kohleverbrennung.

In der ersten Phase des Projektes haben die Siemens-Experten nachgewiesen, dass sie verschiedene Kohlesorten mit Hilfe der IR-Spektroskopie unterscheiden können. Ihr NIR-Messkopf besteht aus einem Kranz von Infrarot-Leuchtdioden, die den Brennstoff zwischen Kohlemühle und Brenner bestrahlen, während er durch ein Rohr strömt. Ein Sensor nimmt das vom Kohlestaub reflektierte Licht auf und leitet es über eine Glasfaser an das Spektrometer weiter.

„Im nächsten Schritt wollen wir nun auch die Kohlequalität anhand von Heizwert, Schwefel- und Feuchtegehalt bestimmen, um die Verbrennung zu optimieren“, erklärt Paul Herrmann von Siemens Energy in Karlsruhe, der das Projekt in der Strategie-Abteilung von Instrumentation, Controls & Electrical leitet. „Nach Abschluss der laufenden Machbarkeitsstudie ist dieser zweite Schritt für den Frühsommer 2010 geplant – wenn alles gut läuft, können wir 2011 die erste Pilotanlage in Betrieb nehmen, die dann dauerhaft installiert wäre und kontinuierlich arbeiten würde.“

Dann könnten Kraftwerks-Betreiber auch der Verschmutzung ihrer Anlagen besser entgegen wirken: Kennt man die Eigenschaften des Brennstoffs im Voraus, lässt sich über die zugeführte Luftmenge die lästige Verschlackung im Kessel vermeiden. Denn bei bestimmten Temperaturen – je nach Kohlesorte – beginnt die Asche weich zu werden oder zu schmelzen und setzt sich als teigige Masse im Brenner ab. Darum müssen die Betreiber ihre Anlagen alle zwei bis drei Monate stilllegen und die Schlacke aufwändig entfernen. Mit einer etwas höheren Luftzufuhr könnten sie die Hitze immer unter dem kritischen Wert halten – wenn sie nur die genaue Zusammensetzung der Kohle kennen würden. Das Reinigen der Kessel wäre dann viel seltener nötig.

Bakterien bei Laune halten. Was in seinen Kesseln vor sich geht, möchte auch Josef Götz genauer wissen. In seiner Biogasanlage im bayerischen Markt Indersdorf produzieren Bakterien aus Gülle und nachwachsenden Rohstoffen wie Gras- und Maissilage das Gas Methan, mit dem in einem Blockheizkraftwerk Strom und Wärme produziert werden. Dafür muss der Landwirt die sensiblen Lebewesen aber stets bei Laune halten: „Die Bakterien müssen möglichst gleichmäßig mit den Rohstoffen versorgt und auf konstanter Temperatur gehalten werden“, so Götz.

Vor allem der letzte Schritt der Umwandlung, bei der das Bio-Methan entsteht, ist sehr empfindlich. „Füttert man zu viel Biomasse in den Reaktor ein, entsteht zu viel hemmende Essig-und Propionsäure, die den Methan-erzeugenden Bakterien schadet“, erklärt Götz. „Im schlimmsten Fall sterben die Bakterien ab, so dass die komplette Anlage still steht.“ Das Wiederanfahren kann dann ungefähr drei bis sechs Monate dauern, weil sich die komplexen biologischen Prozesse wieder einpendeln müssen und der Betreiber eventuell die gesamte Anlage neu befüllen muss. Das bedeutet einen Umsatzeinbruch von bis zu einer halben Million Euro.

„Das Problem ist, dass man wesentliche Indikatoren derzeit nicht zeitnah messen kann, zum Beispiel die Säurekonzentrationen“, sagt Götz. „Insofern ist der Bioreaktor noch eine Art Black Box: Unter optimalen Bedingungen produziert er genügend Biogas, und wenn es schlecht läuft, kommt es unerwartet zu einem Absturz des Fermenters.“

Abhilfe soll auch hier die IR-Spektroskopie schaffen. In Zukunft will Fleischer mit Hilfe von NIR die Säurekonzentration in den Fermentern ermitteln – etwa durch die automatisierte Entnahme von Proben mit unmittelbar anschließender Messung. Das Projekt startet im Sommer 2010 und wird vom Technologie- und Förderzentrum des Freistaats Bayern gefördert.

IR im Kühlschrank. Und Fleischer hat noch weitere Pläne: Wenn die Geräte noch billiger werden, könnten in Zukunft kleine IR-Spektrometer auch im Kühlschrank aufpassen, dass Lebensmittel nicht verderben oder im Backofen dafür sorgen, dass der Braten eine perfekte Kruste bekommt – das ließe sich mit Hilfe von Proteinen feststellen, die während des Garens mit dem Fett reagieren. Und die Waschmaschine könnte ihre Ladung analysieren und Alarm schlagen, falls jemand die Seidenkrawatte im Baumwoll-Programm waschen will.

„Im medizinischen Bereich könnten wir verdächtige Hautflecken mithilfe der IR-Spektroskopie untersuchen“, meint Fleischer. „Krebszellen enthalten andere Proteine als gesunde Zellen, so dass man aus dem Spektrum ein Melanom erkennen kann.“ Selbst vor dem Nachtleben macht Fleischers Neugier keinen Halt. „Man könnte einen winzigen IR-Scanner ins Handy einbauen, der zum Beispiel den Alkohol- und Zuckergehalt in einem Cocktail misst“, skizziert er eine weitere Idee. Bei Bedarf könnte das Mobiltelefon dann gleich noch ein Taxi für die Heimfahrt bestellen.