Computersimulation: Effizient erwärmt

Energie ist knapp und teuer, und man will weg von fossilen Brennstoffen wie Erdgas. Deswegen wird jetzt interessant, was in riesigen industriellen Öfen wo los ist und wie man sie möglichst effizient und eventuell mit Wasserstoff oder elektrisch beheizen kann. Denn viele Produkte des täglichen Lebens werden in solchen Öfen thermisch behandelt: Tabletten, Kaffeebohnen, Kalkstein, Abfall und viele mehr. Die Mitglieder des Sonderforschungsbereichs Bulk Reaction in Bochum und Magdeburg simulieren die Vorgänge im Ofen. So können sie optimiert werden. Darüber berichtet Rubin, das Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität Bochum.

Steine geben Strahlungswärme weiter

Prof. Dr. Martin Schiemann und Matthias Tyslik vom Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik arbeiten daran. Ihre Hauptfrage ist die nach der Verteilung der Wärme, ihr Beispiel ein Kalkofen, mehrere zig Meter hoch. Mehr als 100 Tonnen Kalkstein passen hinein, die grob zerkleinert von oben hineingeschüttet und unten wieder entnommen werden. Mehr als einen Tag verbringt dabei jeder Stein im Ofen. Eine seitliche Gasflamme erhitzt den Ofen und breitet sich nach oben aus. Direkt an der Flamme werden Temperaturen von rund 1.400 Grad Celsius erreicht. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ofens müssen es mindestens 850 Grad sein. Denn die thermische Behandlung soll dazu führen, dass im Kalkstein eine chemische Reaktion stattfindet: Kalziumcarbonat soll in Kalziumoxid umgewandelt werden, wobei das im Stein enthaltene CO2 entfernt wird. Ziel ist es, dass sämtliche Steine, die nach ihrer Passage des Ofens unten wieder entnommen werden, komplett durchreagiert sind.

„Wir wollen deswegen genau wissen, wie sich die Wärme im Ofen ausbreitet“, erklärt Matthias Tyslik. Sie wird unter anderem als Strahlungswärme von der Oberfläche des einen Steins zum nächsten weitergegeben. Dabei kommt es unter anderem auf die örtlichen Verhältnisse an: Die Weitergabe geht nur bei Sichtkontakt, nicht über Hindernisse hinweg. Außerdem spielt der Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Steinen eine Rolle.

Berechnungen in akzeptabler Zeit

Um die Details dieser Wärmeübertragung zu analysieren, haben die Forscher in ihrem Labor verschiedene Experimente aufgebaut. „Wenn man alle Einflussgrößen kennt, kann man solche Dinge theoretisch durchaus schon berechnen – auch für die Millionen Steine in einem Kalkofen“, sagt Martin Schiemann. „Aber man bräuchte dafür so viel Zeit und Rechenkapazität, dass das praktisch unmöglich ist.“ Deswegen ist es auch ein Ziel, die Simulation schließlich so weit zu vereinfachen, dass sie in akzeptabler Zeit durchführbar ist, ohne dabei an Genauigkeit zu verlieren.

Ausführlicher Artikel im Wissenschaftsmagazin Rubin

Dann könnte man zum Beispiel berechnen, wie die thermische Behandlung der Kalksteine abgeändert werden muss, falls man als Brennstoff statt Erdgas – wie heute üblich – Wasserstoff einsetzen würde. Welche Herausforderungen andere Prozesse mit sich bringen, lesen Sie im ausführlichen Beitrag zum Thema im Wissenschaftsmagazin Rubin mit dem Schwerpunkt „An der Oberfläche“.

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Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Martin Schiemann
Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 27362
E-Mail: schiemann@leat.ruhr-uni-bochum.de

http://www.ruhr-uni-bochum.de/