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Paul Scherrer Institut (PSI)

Blasen-Simulationen für effizientere thermische Kraftwerke

30. November 2016, 16:44 Uhr | Hagen Lang

Dampfblasen in siedendem Wasser – berechnet von Forschenden des PSI. Verschiedene Temperaturen sind durch verschiedene Farben gekennzeichnet und reichen von 100 Grad Celsius (blau) bis 115 Grad Celsius (rot).

In 85 Prozent der Kraftwerke der Welt wird die Energie von Wasserdampf in kinetische Energie umgewandelt und danach von Generatoren in Elektrizität. Detaillierte Computer-Simulationen der Dampfblasen, die die Effizienz der Kraftwerke stark verbessern könnten, gelangen erstmals am PSI in der Schweiz.

Entscheidend für die effiziente Elektrizitätserzeugung in thermischen Kraftwerken ist die richtige Struktur und Position des sich bildenden Dampfblasennetzes an einer erhitzten Wand. Je enger das Netz, desto effizienter wird Wärme beim Ablösen der Blasen von der Wand, dem sogenannten Blasensieden, ins Wasser übertragen. Eine durchgehende Dampfblasenschicht ist wiederum nicht gewünscht, weil Dampf kein guter Wärmeleiter ist.

So bekannt das Szenario ist, war es bislang doch nicht möglich, es am Computer zu reproduzieren. Das Blasensieden erfolgt nur, wenn die Temperatur der Wand leicht über dem Siedepunkt von Wasser liegt. Ist die Temperatur zu hoch, kommt es zum Filmsieden, es bildet sich eine durchgehende Dampfschicht, die Wärme schlecht leitet. Auch kann die Wand austrocknen oder sogar durchbrechen.

Die genaue Berechnung und Simulation der Blasen-Entwicklungen, -Formen und Bewegungen gelang jetzt erstmals dem Forscher Sato und dem Leiter seiner Forschungsgruppe, Bojan Niceno am schweizerischen PSI. Ihr Computerprogramm PSI-BOIL unterteilt eine Blase und ihre Umgebung in wenige tausendstel Millimeter lange Würfel, für die jeweils, Druck, Temperatur, Aggregatzustand und die Geschwindigkeiten der umgebenden Dampf- und Wasserströme ermittelt wird.

Der PSI-Rechner Merlin mit 128 Prozessoren brauchte für die Berechnung einer fünf Sekunden langen Simulation volle drei Wochen. Die Simulation zeigte genau, was man zuvor real gemessen und mit Videokamera gefilmt hatte. »Schon seit mehreren Jahrzehnten forschen Wissenschaftler weltweit daran, solche genauen Simulationen des Blasensiedens zu erstellen«, sagt Sato. »Indem wir unser Augenmerk auf die entscheidende Wasserschicht unter der Blase sowie auf die restliche Grenzschicht zwischen Blase und Wasser gerichtet haben, konnten wir einen wichtigen Meilenstein erreichen«, fügt Niceno hinzu.

Aber die Forschung, in der bisher acht Mannjahre stecken, ist noch nicht abgeschlossen: »Bisher können wir nur die Vorgänge in ruhendem Wasser erfassen. Bei den meisten technischen Anwendungen aber strömt das Wasser an der Wand entlang«, sagt Niceno. »Das ist eine zusätzliche Komplexität. Wir sind jetzt dabei, das in unser Computerprogramm einzubauen.«