Innovations- und Technologiemanagement am Beispiel der ... · Mein besonderer Dank gilt den beiden...

Innovations- und Technologiemanagement

am Beispiel der Porenbrennertechnologie

Der Technischen Fakultät der

Universität Erlangen-Nürnberg

zur Erlangung des Grades

DOKTOR-INGENIEUR

vorgelegt von

Josef Wolfgang Glaß

Erlangen, 2004

II

Als Dissertation genehmigt von

der Technischen Fakultät der

Universität Erlangen-Nürnberg

Tag der Einreichung: 28.05.2004

Tag der Promotion: 13.09.2004

Dekan: Prof. Dr. A. Winnacker

Berichterstatter: Prof. Dr. Dr. h.c. F. Durst

Prof. Dr. K.-I. Voigt

III

Danksagung

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter

am Lehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM-Erlangen) der Friedrich-Alexander-Universität

Erlangen-Nürnberg.

Mein Dank gebührt an erster Stelle Herrn Prof. Dr. Dr. h.c. Franz Durst für die Möglichkeit,

eine von mir angestrebte interdisziplinäre Arbeit an seinem Lehrstuhl durchzuführen. Dies

ermöglichte mir, über den Tellerrand der rein technischen Herausforderungen hinwegzubli-

cken.

Weiterhin habe ich Herrn Prof. Dr. Kai-Ingo Voigt, dem Inhaber des Lehrstuhls für Industrie-

betriebslehre der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg für die Übernahme der

Zweitbegutachtung und die Begleitung des wirtschaftswissenschaftlichen Teils der Arbeit zu

danken.

Mein besonderer Dank gilt den beiden Leitern der Arbeitsgruppe „Strömungen mit chemi-

schen Reaktionen“, Herrn Dr.-Ing. Dimosthenis Trimis und Herrn Dr.-Ing. Franz v. Issendorff

für die stets engagierte und mehr als kompetente Anleitung und Unterstützung bei Problem-

stellungen aller Art.

Ebenso möchte ich Herrn Dr. Ulrich Dörrie, dem Akademischen Direktor des Lehrstuhls für

Industriebetriebslehre der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, für seine her-

vorragende und pragmatische Betreuung danken.

Für das angenehme und fortdauernd fröhliche und kreative Arbeitsklima zeichnen insboson-

dere meine Kollegen verantwortlich. Herr Dr.-Ing. Klemens Wawrzinek ermöglichte mir durch

eine perfekte Einarbeitung einen optimalen Einstieg in die Arbeitsgruppe, Herr Alexander

Mach hielt mir in der Schlussphase durch eine sehr professionelle Übernahme meiner Pro-

jekte den Rücken frei. Nicht unerwähnt sollen die Leistungen von Herrn Denis Kossolapov

bleiben, der mich all die Jahre vor den sonst üblichen EDV-Katastrophen bewahrte.

Ferner möchte ich den Mitarbeitern der Fa. Gogas Goch GmbH & Co., allen voran Herrn

Dieter Gruchot und Reinhold Krieger, sowie dem gesamten CERPOR-Projektteam für die

hervorragende und konstruktive Zusammenarbeit danken. Herrn Dr.-Ing. Jochen Volkert von

der Firma promeos GmbH möchte ich für die Unterstützung in der Konzeptphase der Arbeit

danken.

IV

Eine wertvolle Unterstützung waren mir stets die studentischen Mitarbeiter. So hat Herr Hen-

rique Cabeleira im Zuge seiner Diplomarbeit einen wertvollen Beitrag zu meiner Arbeit geleis-

tet. Die Unterstützung durch Frau Siew Siew Yip, Herrn Benedikt Schürer und Herrn Ümit

Isler ermöglichte mir, mich neben dem Tagesgeschäft auch mit den Inhalten der vorliegen-

den Arbeit zu beschäftigen.

Ebenso wichtig war für den Erfolg der konstruktiv-experimentellen Abschnitte meiner Arbeit

die gute Zusammenarbeit mit der Elektronik- und Mechanikwerkstatt. In diesem Zusammen-

hang möchte ich insbesondere Herrn Josef Hubert und Herrn Heinz Hedwig danken. Ein

besonderer Dank an dieser Stelle gilt Herrn Karl Nigge vom Lehrstuhl für Werkstoffwissen-

schaften, der mich im Rahmen von Werkstoffuntersuchungen tatkräftig unterstützte.

Nicht zuletzt möchte ich meiner Mutter für die während meiner gesamten Ausbildung andau-

ernde Unterstützung danken.

Meiner Lebensgefährtin Frau Katja Proft kann ich nicht genug Dank dafür zollen, dass sie mir

all die Jahre den Rücken stärkte und ihre Lebensfreude auch in schwierigen Situationen mit

mir teilte.

Erlangen, Oktober 2004 Josef Glaß

V

Für Katja

VII

INHALTSVERZEICHNIS

1 Einleitung und Zielsetzung............................................................ 3

1.1 Allgemeine Einführung................................................................................................... 3

1.2 Die Porenbrennertechnik ............................................................................................... 3

1.3 Inhalt und Struktur der Arbeit ........................................................................................ 3

2 Systematisierung der Forschung an Forschungseinrichtungen 3

2.1 Einleitende Bemerkungen.............................................................................................. 3

2.2 Ziele der Forschung an Forschungseinrichtungen ..................................................... 3

2.3 Ableitung der Anforderungen an die Innovationsmanagement-Methoden in Forschungseinrichtungen.............................................................................................. 3

3 Methoden des Innovationsmanagements für Forschungseinrichtungen............................................................. 3

3.1 Ideengewinnung.............................................................................................................. 3 3.1.1 Ideensammlung .........................................................................................................................3 3.1.2 Ideengenerierung.......................................................................................................................3

3.1.2.1 Brainstorming ....................................................................................................................3 3.1.2.2 Brainwriting .......................................................................................................................3 3.1.2.3 Morphologische Analyse ...................................................................................................3 3.1.2.4 Synektik.............................................................................................................................3 3.1.2.5 Weitere Methoden zur Ideengenerierung ..........................................................................3

3.2 Bewertungs- und Selektionsmethoden......................................................................... 3 3.2.1 Qualitative Verfahren .................................................................................................................3

3.2.1.1 Verbale Einschätzungen und Checklisten .........................................................................3 3.2.1.2 Ganzheitliche Präferenzbildung.........................................................................................3

3.2.2 Semiquantitative Methode – Nutzwertanalyse ...........................................................................3 3.2.2.1 Beschreibung der Standardversion der Nutzwertanalyse ..................................................3 3.2.2.2 Weiterentwicklungen der Nutzwertanalyse ........................................................................3

3.2.3 Quantitative Verfahren ...............................................................................................................3

3.3 Werkzeuge zur Zukunftsbetrachtung............................................................................ 3 3.3.1 Lebenszyklus-Konzept...............................................................................................................3 3.3.2 Das Erfahrungskurven-Konzept .................................................................................................3 3.3.3 Szenarien und Referenzsysteme ...............................................................................................3

3.4 Das Technologieportfolio............................................................................................... 3

3.5 Das Funktionalmarktkonzept......................................................................................... 3

4 Entwicklung einer Innovationsmanagement-Methodik für Forschungseinrichtungen............................................................. 3

4.1 Methodische Unterstützung der Ideengewinnung....................................................... 3

4.2 Ideenbewertung .............................................................................................................. 3 4.2.1 Einbau einer Vorselektion ..........................................................................................................3 4.2.2 Modifikation des Technologieportfolios für Forschungseinrichtungen ........................................3 4.2.3 Informationsbeschaffung bei der Bewertung..............................................................................3

4.2.3.1 Technologieattraktivität......................................................................................................3 4.2.3.2 F&E-Aufwand bzw. Zeit .....................................................................................................3 4.2.3.3 Marktpotenzial ...................................................................................................................3 4.2.3.4 Risiko ................................................................................................................................3

VIII

4.2.4 Auswahl der betrachteten technologischen Alternativen ............................................................3

4.3 Ableitung des Handlungsprogramms............................................................................3 4.3.1 Definition der Normstrategien ....................................................................................................3 4.3.2 Berücksichtigung von Synergiepotenzialen................................................................................3

4.4 Die Vorgehensweise im Überblick .................................................................................3

5 Bewertung der Porenbrennertechnologie und Ableitung eines Handlungsprogramms ...................................................................3

5.1 Funktionsprinzip der Porenbrennertechnologie ..........................................................3

5.2 Vorteile der Porenbrennertechnik..................................................................................3

5.3 Nachteile der Porenbrennertechnik...............................................................................3

5.4 Kurzbeschreibung der Porenbrenner-Anwendungen..................................................3

5.5 Strukturierung der Anwendungen im Technologiebaum ............................................3

5.6 Vorüberlegungen für die Bewertung .............................................................................3 5.6.1 Kostenentwicklung der keramischen Werkstoffe........................................................................3 5.6.2 Szenario Wasserstoffwirtschaft und Brennstoffzelle...................................................................3 5.6.3 Szenario Kraft-Wärme-Kopplung ...............................................................................................3

5.7 Bewertung der Porenbrenneranwendungen.................................................................3 5.7.1 Ausschluss von Ideen mit geringem Potenzial durch Vorselektion.............................................3 5.7.2 Bewertung der Anwendungen....................................................................................................3

5.7.2.1 Industriestrahler.................................................................................................................3 5.7.2.2 Großkessel für Dampf- und Heißwassererzeuger..............................................................3 5.7.2.3 Industrieöfen .....................................................................................................................3 5.7.2.4 Gas-Haushaltsheizung ......................................................................................................3 5.7.2.5 Öl-Haushaltsheizung .........................................................................................................3 5.7.2.6 Warmlufterzeuger..............................................................................................................3 5.7.2.7 Hellstrahler für Gebäudeheizung .......................................................................................3 5.7.2.8 Stand- und Zusatzheizung für Kfz .....................................................................................3 5.7.2.9 Mobile Heizung..................................................................................................................3 5.7.2.10 Gasturbinenpilotbrenner ....................................................................................................3 5.7.2.11 Porenbrenner in der Brennstoffzellenperipherie ................................................................3 5.7.2.12 Stirlingmotor ......................................................................................................................3 5.7.2.13 Kopplung Thermophotovoltaik (TPV) und Porenbrennertechnologie .................................3 5.7.2.14 Brennersystem für Dampfmotor.........................................................................................3 5.7.2.15 FCKW-Spaltung ................................................................................................................3 5.7.2.16 Chlorwasserstoffsynthese .................................................................................................3 5.7.2.17 Rußerzeugung...................................................................................................................3 5.7.2.18 Synthesegaserzeugung.....................................................................................................3

5.8 Handlungsprogramm für die Porenbrennertechnologie..............................................3

5.9 Interpretation der Bewertungsergebnisse ....................................................................3

6 Exemplarische Umsetzung des Handlungsprogramms..............3

6.1 Werkstoffoptimierungen für die Porenbrennertechnologie ........................................3 6.1.1 Reaktionsverhalten der eingesetzten Hochtemperaturkeramiken ..............................................3

6.1.1.1 Gaskorrosion nichtoxidkeramischer Werkstoffe.................................................................3 6.1.1.2 Wasserdampfkorrosion und Einfluss anderer Reaktionspartner ........................................3 6.1.1.3 Sinterprozesse ..................................................................................................................3 6.1.1.4 Schmelzpunkterniedrigung durch Mehrkomponentensysteme ..........................................3

6.1.2 Stand der Werkstoffentwicklung für die Verbrennung in porösen Medien ..................................3 6.1.3 Analyse der Schadensfälle aus den Feldtests............................................................................3 6.1.4 Optimierungskonzept für Werkstoffe..........................................................................................3 6.1.5 Umsetzung der Maßnahmen......................................................................................................3

6.1.5.1 Umsetzung der kurzfristigen Maßnahmen.........................................................................3 6.1.5.2 Erarbeitung eines Testkonzepts für Al2O3-Faserkeramik ...................................................3

IX

6.1.5.3 Erarbeitung eines Testkonzepts für SiSiC-Keramik ...........................................................3 6.1.6 Zusammenfassung der Werkstoffoptimierung............................................................................3

6.2 Flammenüberwachung bei der Verbrennung in porösen Medien.............................. 3 6.2.1 Vorstellung der technischen Alternativen zur Flammenüberwachung ........................................3

6.2.1.1 Überwachung durch Temperaturmessung.........................................................................3 6.2.1.1.1 Thermoelektrische Überwachung..................................................................................3 6.2.1.1.2 Überwachung mit Thermistoren ....................................................................................3

6.2.1.2 Optische Flammenüberwachung .......................................................................................3 6.2.1.2.1 Überwachung im UV-Bereich ........................................................................................3 6.2.1.2.2 Überwachung im sichtbaren Spektralbereich ................................................................3 6.2.1.2.3 Überwachung im IR-Bereich .........................................................................................3

6.2.1.3 Ionisationsstromüberwachung...........................................................................................3 6.2.2 Ionisationsvorgänge in Flammen ...............................................................................................3

6.2.2.1 Einfluss des elektrischen Feldes auf Ionen........................................................................3 6.2.2.2 Messmethoden zur Bestimmung von Ionenkonzentrationen .............................................3 6.2.2.3 Berechnung des Ionisationssignals ...................................................................................3

6.2.3 Experimentelle Untersuchungen zur Ionisationsstrommessung im Porenbrenner......................3 6.2.3.1 Aufbau des Messsystems..................................................................................................3 6.2.3.2 Voruntersuchungen zur Leitfähigkeit der eingesetzten Keramiken ....................................3 6.2.3.3 Einfluss des porösen Mediums..........................................................................................3 6.2.3.4 Ionisationsspannung und Polarität.....................................................................................3 6.2.3.5 Position der Ionisationselektrode.......................................................................................3 6.2.3.6 Geometrie der Elektroden .................................................................................................3 6.2.3.7 Abhängigkeit von der Luftzahl ...........................................................................................3 6.2.3.8 Verhalten in der Startphase...............................................................................................3

6.2.4 Numerische Berechnungen der Ionenkonzentrationen ..............................................................3 6.2.4.1 Modellierung der Verbrennung unter Berücksichtigung von Ionen.....................................3 6.2.4.2 Einfluss der verwendeten Reaktionsmechanismen ...........................................................3 6.2.4.3 Vergleich der numerischen mit experimentellen Ergebnissen ...........................................3

6.2.4.3.1 Vergleich der Luftzahlabhängigkeit des Ionisationsstromes ..........................................3 6.2.4.3.2 Vergleich von freier Flamme mit Verbrennung in porösen Medien ................................3

6.2.5 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Ionisationsstromüberwachung......................................3

7 Zusammenfassung und Ausblick ................................................. 3

8 Literaturverzeichnis....................................................................... 3

9 Anhang ........................................................................................... 3

9.1 Anhang A: Temperaturprofile für Vergleich zwischen freier Flamme und Verbrennung in porösen Medien .......................................................................................................... 3

9.2 Anhang B: FCKW - Einfacher Kostenvergleich der Energien..................................... 3

9.3 Anhang C: HCl-Synthese - Kostenvergleichsrechnung zwischen Methan und Wasserstoff ..................................................................................................................... 3

9.4 Anhang D: Tabellen zur Berechnung der Technologieattraktivität............................ 3

X

VERWENDETE FORMELZEICHEN UND ABKÜRZUNGEN

Einige der verwendeten Formelzeichen sind doppelt belegt. Bei mehrdeutigen Zeichen ist bei

der Erläuterung das entsprechende Kapitel, in dem das Zeichen anders als in der restlichen

Arbeit belegt ist, mit angegeben.

Lateinische Buchstaben:

Größe Erläuterung Einheit

A Fläche m²

a Temperaturleitfähigkeit m²/s

At Ausgaben in der Peride t €

c Konzentration mol/m³

C0 Kapitalwert €

d Abstand m

D Diffusionskoeffizient m²/s

d Durchmesser m

E el. Feld V/m

e Elementarladung As

Et Einnahmen in der Periode t €

I el. Strom A

I0 Anfangsinvestitionen €

kp parabol. Ratenkonstante m²/t

m Faktor für Stofftransport

n Anzahl

n Faktor für Stofftransport

P Leistung W

Q el. Ladung As

R el. Wiederstand V/A

r Kalkulationszinsfuß

r Radius m

SL Laminare Flammengeschwindigkeit m/s

t Zeit s

U el. Spannung V

v Geschwindigkeit m/s

x Radius m

XI

Fortsetzung: Lateinische Buchstaben:


x Schichtdicke m

z zukünftiger Zustand

z0 derzeitiger Zustand

Griechische Buchstaben:


∆ Differenz

ε Porosität

λ Wärmeleitfähigkeitskoeffizient W/(m K)

α Wärmeübergangskoeffizient W/(m² K)

λ Luftzahl

µ Mobilität m²/Vs

ρ Dichte kg/m³

Indizes, tiefgestellt

Größe Erläuterung

eff effektiv

F Flamme

f Fluid, das Fluid betreffend

G Gehäuse

K Keramik

k k-te Komponente

L Leiter

p Pore, die Pore betreffend

XII

Abkürzungen


AC Wechselstrom

APU auxiliary power unit

ATR Autotherme Reformierung

BZ Brennstoffzelle

CFD Computational Fluid Dynamics

CHE Centrum für Hochschulentwicklung

CPM Customer Process Monitoring

CPOX Katalytische partielle Oxidation

DC Gleichstrom

DFG Deutsche Forschungsgemeinschaft

DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

F&E Forschung und Entwicklung

FCKW Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe

FLOX Flameless Oxidation

G Gewichtungsfaktor

GRI Gas Research Institute, Berkeley, USA

GuD Gas- und Dampf(turbine)

IR Infrarot

KMU Kleine und mittlere Unternehmen

KWK Kraft-Wärme-Kopplung

MFC Mass Flow Controller, Massenflussregler

PB Porenbrenner

PEM polymer electrolyte membran

POX Partielle Oxidation

RBSiC Reaktionsgebundenes Siliziumkarbid

RS Ressourcenstärke

SiC Siliziumkarbid

SiSiC Silizium infiltriertes Siliziumkarbid

SOFC solide oxide fuel cell

SSiC drucklos gesintertes Siliziumkarbid

TA Technologieattraktivität

XIII

Fortsetzung: Abkürzungen


TPOX Thermische partielle Oxidation

TPV Thermophotovoltaik

UV Ultraviolett

VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.

Kennzahlen

Symbol und Definition Kennzahl

k

fk D

aLe ≡ Lewis-Zahl der Komponente k

f

effpL

a

dSPe ,≡ modifizierte Péclet-Zahl

XIV

Zusammenfassung

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Fragestellung, wie Methoden des Inno-

vationsmanagements nutzbringend zur Steuerung von Aktivitäten an Forschungseinrichtun-

gen eingesetzt werden können, um den ökonomischen Nutzen der Forschungsergebnisse

durch eine Steigerung der Innovationsleistung zu erhöhen. Die Fragestellung wird dabei an

dem konkreten Beispiel der Porenbrennertechnologie, einer innovativen Verbrennungstech-

nologie mit hoher Anwendungsbreite, diskutiert. Ausgehend von einer Zieldefinition der For-

schung an Forschungseinrichtungen werden die Anforderungen an Innovationsmanagement-

Methoden abgeleitet. Basierend auf den bestehenden Verfahren, die in der Arbeit vorgestellt

und beurteilt werden, erfolgt die Entwicklung einer den Anforderungen der Forschungsein-

richtungen angepassten Vorgehensweise. Den methodischen Kern bildet dabei eine Portfo-

lioanalyse, bei der die Inhalte durch Nutzwertanalyse und qualitative Methoden ermittelt wer-

den. Aufgrund der Unterschiede zwischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen kann

dabei das Technologieportfolio nicht direkt übernommen werden, weshalb eine Methodenva-

riation erarbeitet wird. Als Ergänzung zu der Einzelbetrachtung im Portfolio wird eine Syner-

giematrix eingeführt, die eine Berücksichtigung von Synergieeffekten zwischen verschiede-

nen Anwendungen ermöglicht. Eine ausführliche Bewertung der Porenbrenneranwendungen

sowie die Erarbeitung einer Roadmap für die Porenbrennertechnologie verdeutlichen und

konkretisieren zum einen das große Potenzial der Technologie und bringen des Weiteren

zum Ausdruck, dass Innovationsmanagement-Methoden erfolgreich an Forschungseinrich-

tungen eingesetzt werden können. Die vielen Freiheitsgrade aufgrund der großen Zahl an

Optionen erfordern bei der Methodenanwendung neben dem methodischen Know-how ein

hohes Maß an Fachkompetenz bei Zusammenstellung, Verdichtung und Interpretation der

Informationen. Die Arbeit beinhaltet darüber hinaus in einem technisch-operativen Teil die

Umsetzung einiger im Handlungsprogramm aufgeführten Arbeitspakete. Die Schwerpunkte

liegen auf der Optimierung der im Porenbrenner eingesetzten Porenkörper sowie der Unter-

suchung der Ionisationsstromüberwachung zur Flammenerkennung. Die in der Arbeit erziel-

ten Verbesserungen leisten dabei einen wichtigen Beitrag bei der Markteinführung des ersten

Porenbrenners in der Trocknungstechnik durch einen Kooperationspartner.

XV

Abstract

The present doctoral thesis investigates innovation management methods which can be used

for the control of activities in research facilities in order to increase the innovation output and

so achieve a higher economical benefit. The investigations are performed on the concrete

example of the porous media burner technology which is a newly developed combustion

technology with a wide range of applications. Starting from a definition of the goals of re-

search activities in research facilities, the requirements for innovation management methods

are deduced. Based on existing innovation management techniques that are introduced and

evaluated in the work, a suitable procedure for the chosen research area is developed. The

core of the procedure is built upon a portfolio analysis with information determined by a value

benefit analysis and qualitative methods. Because of differences between companies and

research facilities, the technology portfolio cannot be adopted directly, so a variation of the

method is devised. In addition to the portfolio concept with regard to each application, a syn-

ergy matrix is established allowing the consideration of synergy effects between the applica-

tions. A detailed assessment of the porous media burner applications as well as the formula-

tion of a roadmap for the porous media burner technology clarify and concretise the enor-

mous potential of the technology and show that innovation management methods can be

applied in research facilities successfully. However the large number of options demand, in

addition to the methodical know how, a high level of professional competence for assembling,

aggregation and interpretation of the information. The work also contains the realization of

several work packages from the roadmap in a technical part. The focus is placed on the op-

timization of the porous structures used in the porous media burners and the investigation of

ionization current for flame detection. The improvements achieved in this work make an im-

portant contribution to the market introduction of the first porous media burners for drying

purposes by an industrial partner.

1

1 Einleitung und Zielsetzung

1.1 Allgemeine Einführung

Die Freiheit der Forschung ist in Deutschland im Grundgesetz in Artikel 5 Absatz 3 verankert

und garantiert jedem Einzelnen, der in Wissenschaft, Forschung und Lehre tätig werden will

oder ist, ein Grundrecht auf freie wissenschaftliche Betätigung. Forschung wird somit wesent-

lich durch die sich frei entwickelnde Initiative Einzelner geformt. Auf der anderen Seite bilden

wissenschaftliche Erkenntnisse die Grundlage für Produkte und Dienstleistungen, auf denen

unser derzeit hoher Lebensstandard beruht. Daher leitet sich ein generelles Interesse ab,

Ergebnisse der Wissenschaft zu marktfähigen Produkten zu entwickeln. Die Forschung wird

somit auch durch marktseitige Impulse stimuliert. Der für das Zusammenspiel zwischen For-

schung und Marktbedürfnissen notwendige Transfer von Forschungsergebnissen in Produkte

ist in Deutschland gegenwärtig im internationalen Vergleich ins Stocken geraten. So hat bei-

spielsweise in den 90er Jahren die deutsche Wirtschaft bei der Entwicklung forschungsinten-

siver und marktfähiger Produkte bzw. wissensintensiver Dienstleistungen im internationalen

Vergleich an Boden verloren, insbesondere gegenüber den USA. Deutschland ist es damit im

letzten Jahrzehnt offenbar weniger gut gelungen, die in unserem Land vorliegenden Potentia-

le an Humankapital, Wissenschaft, Forschung und Technologie auszubauen und diese in

marktfähige Produkte und damit in Wachstum und Beschäftigung umzusetzen. Ohne eine

neue Innovations- und Wachstumsdynamik wird sich der Zustand weiter verschlechtern [1].

Da die gegenwärtige finanzielle Situation der öffentlichen Kassen in Deutschland einer signi-

fikanten Ausweitung des Ressourceneinsatzes in der Forschung entgegensteht, ist der aktu-

ell zu beobachtende Versuch seitens der Politik verständlich, koordinierend in die For-

schungslandschaft einzugreifen um die Effektivität der Forschung zu verbessern. Die Steue-

rung erfolgt über die zum großen Teil noch in staatlicher Hand liegende Finanzierung der

Forschungseinrichtungen. Bei der Mittelvergabe werden nicht mehr wie in der Vergangenheit

hauptsächlich rein wissenschaftliche Kriterien zur Anwendung gebracht, sondern zunehmend

auch ökonomische Aspekte berücksichtigt [2], [3]. Es wird immer häufiger der Anspruch an

die Forschungseinrichtungen gestellt, mit den Forschungsergebnissen einen aktiven Beitrag

zur wirtschaftlichen Weiterentwicklung zu leisten [2], [3], [4], [5]. Erkenntnisse aus der For-

schung sollen zielgerichtet in die Unternehmen transferiert werden und dort Wachstum und

neue Arbeitsplätze schaffen [3]. Dieser Wandel der Forschungsförderung befindet sich be-

reits durch verschiedene Maßnahmen in der Umsetzung. Wie aus Abbildung 1 hervorgeht,

stagnieren die Budgets der stärker an der Wissensvermehrung orientierten Programme, wie


2

beispielsweise die der Deutschen Forschungsgemeinschaft [6], seit mehreren Jahren. Der

erhöhte Wettbewerb um die Fördermittel wird durch eine Verdoppelung der Ablehnungsquote

zwischen 1994 und 2002 offensichtlich.

Abbildung 1: Fördermittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft

In vielen Förderprogrammen ist mittlerweile bei der Beantragung der ökonomische Nutzen

der angestrebten Forschungsergebnisse darzulegen und ein Teil der Projektkosten ist durch

Projektpartner aus der Industrie zu bestreiten [7]. Damit findet eine Verschiebung von einer

institutionellen hin zu einer projekt- bzw. programmorientierten Förderung statt. Der Erfolg

einer Forschungseinrichtung hängt bedingt durch die Änderungen in der Forschungsförde-

rung nicht nur von der Qualität der Forschungsergebnisse ab, sondern resultiert in hohem

Maße auch aus der Fähigkeit, das Potenzial der Anwendungsmöglichkeiten gegenüber den

Geldgebern darzustellen.

Abgesehen von durchaus beachtenswerten kommerziellen Erfolgen einzelner Forschungs-

vorhaben ist eine grundsätzliche Trendwende bei forschungsintensiven Produkten noch nicht

zu erkennen. Eine von der DFG unterstützte Studie kommt zum Ergebnis, dass die Suche

nach Wegen zur Schließung der Kluft zwischen dem von Forschungseinrichtungen produ-

zierten und dem von Unternehmen für Produkt- und Prozessinnovationen nachgefragten

Wissen, weiterhin eine Herausforderung für die künftige Innovationsforschung darstellt [8].

Das Ziel, durch verstärkten Technologietransfer Wachstum zu schaffen und eine Spitzenstel-

lung im Hochtechnologiebereich zu verteidigen, konnte durch die bisher eingeleiteten Maß-

nahmen nicht erreicht werden. Diese Aussage wird auch durch den aktuellen CHE-Bericht [9]

untermauert, nach dem die Forschung an deutschen Universitäten internationalen und selbst

erhobenen Ansprüchen hinterher hinkt. Durch die Änderung der Förderstrategie scheint das

übergeordnete Ziel, den Output an forschungsintensiven Produkten zu steigern, noch nicht

erreicht zu sein.


3

Eine an Forschungseinrichtung seltener diskutierte Möglichkeit, Einfluss auf die Effektivität

der Forschung zu nehmen, besteht darin, den Weg von der Idee bis zu einem marktfähigen

Produkt als Prozess zu betrachten und diesen zu optimieren. Diese Prozesssicht ist bereits

in vielen Unternehmen realisiert, wo neben Produktions-, Vertriebs- und Einkaufsprozess

auch Entwicklungs- oder Innovationsprozesse definiert werden. Beim Innovationsprozess

lässt sich zeigen, dass selbst bei völlig unterschiedlichen Produkten einzelne Prozessschritte

hohe Ähnlichkeiten besitzen. Basierend auf dieser Erfahrung wurde bereits in der Betriebs-

wirtschaft eine Vielzahl von Methoden entwickelt, die die im Rahmen des Innovationsprozes-

ses notwendigen Aufgaben vereinfachen. Alle Aktivitäten, die zur systematischen Steuerung

der Abläufe im Innovationsprozess notwendig sind, werden dabei unter dem Begriff ’Innova-

tionsmanagement’ zusammengefasst. Die Innovationsmanagement-Methoden kommen bis-

her hauptsächlich im unternehmerischen Umfeld zum Einsatz, einige haben jedoch, wie das

Brainstorming zur Gewinnung von neuen Ideen, den Weg bereits in die Forschungseinrich-

tungen gefunden. Abgesehen vom direkten Nutzen ist noch ein weiterer Aspekt bei dem Ein-

satz von Innovationsmanagement-Methoden an Forschungseinrichtungen zu berücksichti-

gen. Durch die Rolle als Ausbildungsstätte werden viele spätere Entscheidungsträger durch

ihre Arbeit an einer Forschungseinrichtung geprägt. Bei der Methodenanwendung bauen die

Mitarbeiter über das Fachwissen hinaus Kenntnisse aus nicht-technischen Bereichen auf,

wodurch der Grad der Interdisziplinarität ansteigt. Dieses zusätzliche Wissen ist nach einer

an den 1000 größten US-Unternehmen von Schrader [10] durchgeführten Studie ein ent-

scheidender Erfolgsfaktor im Top-Management. Danach korreliert der Erfolg von Unterneh-

men mit der Ausbildung der Unternehmensspitze. Den eindeutigen Spitzenplatz nehmen

hierbei die Chefs mit interdisziplinärer Ausbildung ein, gefolgt von rein technisch-

naturwissenschaftlichen und wirtschaftswissenschaftlichen Richtungen. Damit birgt Innovati-

onsmanagement an Forschungseinrichtungen das Potenzial, den Forschungsprozess sowohl

in den Forschungseinrichtungen als auch indirekt in den Unternehmen effektiver zu gestal-

ten.

Aus diesen Gründen zielt die vorliegende interdisziplinäre Arbeit auf die Übertragung von

Innovationsmanagement-Methoden auf Forschungseinrichtungen. Dabei werden sowohl die

unterschiedlichen Möglichkeiten, als auch die Grenzen aufgezeigt. Um einen hohen Praxis-

bezug sicherzustellen wird die vorliegende Arbeit an dem konkreten Beispiel einer innovati-

ven Technologie durchgeführt. Hierfür wird die vor einigen Jahren am Lehrstuhl für Strö-

mungsmechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg entwickelte Poren-

brennertechnologie ausgewählt, die durch eine hohe Anwendungsbreite und unterschiedliche


4

Entwicklungsstände der verschiedenen Anwendungen gekennzeichnet ist. Darüber hinaus

sollen die aus der Methodenanwendung gewonnenen Erkenntnisse bereits im Rahmen der

Arbeit für die Weiterentwicklung der Porenbrennertechnologie genutzt werden. Die Zielset-

zung hat damit sowohl einen technischen, auf die Porenbrennertechnologie fixierten, als

auch einen wirtschaftswissenschaftlichen, die methodische Vorgehensweise betrachtenden,

Aspekt. Dabei nimmt die Porenbrennertechnologie in der Arbeit eine wichtige Rolle ein, wes-

halb an dieser Stelle ein kurzer Abriss der Historie der neuen Verbrennungstechnologie er-

folgt.

1.2 Die Porenbrennertechnik

Die Ursprünge der Porenbrennertechnologie gehen auf das 19. Jahrhundert zurück, wo

erstmalig von Fletcher [11] Verbrennungen untersucht wurden, die nicht in einem freien

Raum, sondern in den Poren eines porösen Mediums stattfinden. In den Folgejahren zeich-

nete sich eine rege Aktivität auf diesem Gebiet ab, da diese Art der Verbrennung aufgrund

der kompakten Bauweise und der hohen Modulierbarkeit Vorteile gegenüber konventionellen

Verbrennungen aufwies. Die niedrigen Emissionen spielten damals noch eine untergeordne-

te Rolle. Trotz einiger Anfangserfolge konnte sich die Verbrennung in porösen Medien im 20.

Jahrhundert am Markt nie gegen konkurrierende Verbrennungskonzepte durchsetzen und

führte somit viele Jahrzehnte ein Schattendasein. Ein Grund für diese Entwicklung mag die in

den Anfängen der industriellen Revolution bestehende Dominanz fester Brennstoffe gewesen

sein. Weitere Gründe dafür liegen in den technischen Anforderungen der Verbrennung in

porösen Medien. Die Beschaffenheit des porösen Mediums, welches den hohen Belastungen

standhalten muss und gleichzeitig einen möglichst geringen Druckverlust aufweisen sollte,

stellte in der Vergangenheit häufig ein großes Hemmnis für die Technologie dar. Das größte

Problem war jedoch lange Zeit die Betriebssicherheit der Verbrennung in porösen Medien

wegen der ständigen Gefahr von Flammenrückschlägen.

Alle genannten Probleme sind in der Zwischenzeit durch technische Weiterentwicklungen in

verschiedenen Gebieten weitestgehend gelöst. So sind mittlerweile hitzebeständige Materia-

lien, zumindest in kleinen Stückzahlen, mit geringem Druckverlust erhältlich, und durch eine

bessere Gasaufbereitung sind keine Verschmutzungsprobleme mehr zu erwarten. Gasförmi-

ge Brennstoffe haben deutlich an Bedeutung gewonnen und werden auch zukünftig die

Verbrennungstechnologie in vielen Bereichen dominieren.

Ein weiterer bedeutender Schritt zur Weiterentwicklung der Verbrennung in porösen Medien

ist in der Weiterentwicklung der Flammenstabilisierung durch gezieltes Anwenden des ther-


5

mischen Quenchens zu sehen. Die grundlegenden Zusammenhänge beim Quenchen sind

bereits seit langem bekannt. Babkin [12] fand bei Versuchen zur Beschreibung der Ausbrei-

tungsgeschwindigkeit von Flammen in porösen Medien durch dimensionslose Zahlen heraus,

dass eine definierbare Grenze für die Ausbreitung von Flammen in porösen Medien existiert.

Auf dieser Basis kombinierten Durst und Trimis [13] die Erkenntnisse zu dem Porenbrenner.

Dieser besteht aus mindestens zwei Schichten, wobei eine feinporige Region als Rück-

schlagsperre und eine grobporige Zone als Verbrennungsregion dient. Durch Kugelschüttun-

gen mit Kugeln von verschiedener Größe wurde die Theorie in ersten Basisexperimenten mit

Methan bestätigt, bevor der erste Porenbrenner mit dem neuen Stabilisierungskonzept ge-

baut wurde. Nach der Patentierung [14] des Stabilisierungskonzeptes wurde mit ersten An-

wendungen der neuen Technologie begonnen. In den ersten Entwicklungsjahren standen die

Entwicklungsarbeiten im Haushaltsheizungsbereich in Projekten mit den großen deutschen

Heizungsherstellern im Vordergrund.

Die Aktivitäten dehnten sich in den Folgejahren auf andere Applikationen, wie Automobil-

Standheizungen, Gasturbinen und Dampferzeuger, aus [15]. Die hohen Temperaturen des

porösen Materials in der Verbrennungszone, die zu einem hohen Anteil an Wärmestrahlung

führen, bilden die Grundlage für den vorwiegend in der Trocknungstechnik einsetzbaren Po-

renstrahlungsbrenner [16], der zusammen mit einem für die Haushaltsheizungstechnik entwi-

ckelten Brenner in Abbildung 2 dargestellt ist.

Abbildung 2: Porenbrenner für Haushaltsheizung (links) und für Trocknungs-technik (rechts)

Neben den gasförmigen Brennstoffen ist es bereits gelungen, den Porenbrenner mit flüssi-

gen Stoffen zu betreiben, was durch die Entwicklung einer Porenbrenner-Ölhaushaltsheizung

von Durst, Keppler et al. [17] ausgenutzt wird. 1998 wurde der Porenbrenner erstmalig von

Wawrzinek [18] als Reaktor für chemische Reaktionen eingesetzt, und ein Funktionsmuster


6

zur Chlorwasserstoffsynthese ist bereits in Betrieb genommen worden. Seit 2001 wird daran

gearbeitet, die Porenbrennertechnik als Reformer in der Brennstoffzellenperipherie einzuset-

zen [18], [19]. Ende 2002 erfolgte die Venture-Capital basierte Ausgründung der Fa. promeos

GmbH.

Die technische Machbarkeit von vielen Anwendungsmöglichkeiten der Porenbrennertechno-

logie konnte bereits erfolgreich nachgewiesen werden. Die Platzierung der Porenbrennerap-

plikationen am Markt verläuft dagegen nicht ganz ohne Schwierigkeiten. Am weitesten vo-

rangeschritten ist bisher die Entwicklung eines Strahlungsbrenners. Die Feldtests mit über

100 Brennern mussten jedoch 2002 aufgrund von Werkstoffproblemen der eingesetzten Ke-

ramiken vorzeitig abgebrochen und die geplante Markteinführung verschoben werden. Die in

der Frühphase der Porenbrennerentwicklung durchgeführten Entwicklungsprojekte im Haus-

haltsheizungsbereich mit großen Heizungsherstellern wurden bei den Industriepartnern nicht

konsequent weitergeführt. Die Porenbrenner-Standheizung wurde aus Kostengründen nicht

umgesetzt und bei der mobilen Porenbrenner-Heizung zeigte sich im Laufe des Projektes ein

zu kleines Marktpotenzial. Viele andere Anwendungen sind derzeit in der Entwicklungsphase

und ihre Markterfolge noch offen.

Die Porenbrennertechnologie bietet Voraussetzungen, die in der vorliegenden Arbeit für die

durchzuführenden Innovationsmanagement-Untersuchungen sehr vorteilhaft sind. An erster

Stelle ist hierbei die hohe Anwendungsbreite zu nennen. Für die noch junge Technologie ist

bereits nach kurzer Zeit eine relativ große Anzahl von Anwendungsmöglichkeiten in mehre-

ren Branchen bekannt. Die in dieser Arbeit generierten Aussagen beschränken sich also

nicht auf ein spezielles Anwendungsfeld oder eine Branche. Ein weiterer, für diese Arbeit

wichtiger, Aspekt sind die unterschiedlichen Reifegrade der Porenbrenner-Anwendungen. So

sind einige Anwendungen kurz vor der Kommerzialisierung, während sich andere noch in der

Ideen- oder Konzeptphase befinden. Das Untersuchungsfeld erstreckt sind dadurch über alle

Phasen im Entstehungszyklus. Ein zusätzlicher Vorteil ist in dem bereits fortgeschrittenen

Entwicklungsstadium einiger Anwendungen zu sehen. Es ist zu erwarten, dass sich die in der

vorliegenden Arbeit durchgeführten Aktionen nicht erst in ferner Zukunft auswirken, sondern

erste marktrelevante Ergebnisse kurzfristig sichtbar werden. Die gute Abgrenzbarkeit der

Porenbrennertechnologie gegenüber anderen Technologien sowie die Konzentration des

vorliegenden Technologie-Know-hows auf wenige Institutionen erleichtern diese Arbeit eben-

so wie das in den letzten Jahren aufgebaute Netzwerk um die Porenbrennertechnologie.


7

1.3 Inhalt und Struktur der Arbeit

In den vorangegangenen Abschnitten wurden die Zielsetzung und das für diese Arbeit rele-

vante technische Umfeld beschrieben. An dieser Stelle wird nun ein kurzer Überblick über die

Struktur der Arbeit gegeben. Im zweiten Kapitel folgt die Herausarbeitung und Verallgemei-

nerung der an Forschungseinrichtungen ablaufenden Prozesse, um daraus den Bedarf an

Methoden zur Unterstützung des Innovationsprozesses abzuleiten. Hierfür ist eine klare Ziel-

definition für die Forschung an Forschungseinrichtungen festzulegen, die durch eine Zu-

sammenstellung verschiedener politischer Meinungen erarbeitet wird. Aufbauend auf dieser

Zieldefinition werden im dritten Kapitel die relevanten, bereits im Innovationsmanagement

von Unternehmen eingesetzten Methoden vorgestellt. Im vierten Kapitel wird, basierend auf

den im vorhergehenden Kapitel vorgestellten Methoden, eine speziell an Forschungseinrich-

tung einsetzbare Innovationsmanagement-Methodik entwickelt. Die Methodik beinhaltet die

Ideensammlung, die Bewertung und Selektion der Ideen, sowie die Erarbeitung eines Hand-

lungsprogramms. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Bewertungsschritt.

Im fünften Kapitel wird die entwickelte Methodik für die Porenbrennertechnologie eingesetzt.

Dabei werden alle bekannten Porenbrenner-Anwendungen bewertet und in einem Portfolio

zusammengestellt. Neben der Bestimmung der Anwendungen mit dem größten Potenzial

wird dabei das gesamte Potenzial der Porenbrennertechnologie verdeutlicht. In dem zu erar-

beitenden Handlungsprogramm werden die wichtigsten noch durchzuführenden Entwick-

lungsschritte zusammengefasst.

Im sechsten Kapitel werden einige Hauptpunkte des Handlungsprogramms, die sich noch

nicht in der Umsetzung befunden haben, aufgegriffen und weiterentwickelt. Hierbei ist an

erster Stelle die Werkstoffthematik zu nennen, die für eine Ausbreitung der Porenbrenner-

technologie eine zentrale Rolle einnimmt. Daneben sind die Erkenntnisse über die aus Si-

cherheitsgründen notwendige Flammenüberwachung eines Porenbrenners mit Ionisations-

strom dokumentiert.

Im siebten Kapitel wird die Arbeit zusammengefasst und ein Ausblick auf die zukünftige Ent-

wicklung der Porenbrennertechnologie, sowie die Methodenanwendung im Bereich von For-

schungseinrichtungen gegeben.

Die Struktur der Arbeit soll dazu beitragen, dass die Arbeit einerseits als anschauliches und

ausführliches Beispiel für den Einsatz von Innovationsmanagement-Methoden an For-

schungseinrichtungen dient und durch die strategischen und technischen Ergebnisse Impul-

se für einer erfolgreiche Weiterentwicklung der Porenbrennertechnologie setzt. Darüber hin-


8

aus zeigt sich an vielen Stellen die enge Verzahnung von Methoden- und Fachkenntnis und

damit die hohe Bedeutung der Interdisziplinarität im Innovationsmanagement.

9

2 Systematisierung der Forschung an Forschungseinrichtungen

Ziel dieses Kapitels ist die Auflistung der methodischen Anforderungen für das Innovations-

management an Forschungseinrichtungen. Hierfür ist es notwendig, eine konkrete Zieldefini-

tion für die Forschung an Forschungseinrichtungen festzulegen, woraus die Anforderungen

an die Innovationsmanagement-Methoden in Forschungseinrichtungen abgeleitet werden.

2.1 Einleitende Bemerkungen

Forschung ist die systematische Suche nach neuen Erkenntnissen mit wissenschaftlichen

Methoden und kann in Grundlagenforschung und angewandte Forschung eingeteilt werden.

Grundlagenforschung befasst sich mit der Überprüfung und Erweiterung allgemeiner Er-

kenntnisgrundlagen und Theorien einer Wissenschaft (z.B. Biologie, Chemie, Physik, etc.)

und zielt auf keine direkte Anwendung ab. Im Gegensatz dazu orientiert sich die angewandte

Forschung immer an einer praktischen Anwendung und ist zielorientiert auf der Suche nach

einer Lösung für ein bestimmtes Problem.

Der Begriff ’Entwicklung’ bezeichnet dagegen eher die Verwertung und Anwendung wissen-

schaftlicher Forschungsergebnisse und technischer sowie wirtschaftlicher Erfahrungen, um

zu neuen Verfahren, Methoden, Materialien, Geräten, Systemen, etc. zu gelangen (Neuent-

wicklung) oder um bereits vorhandene zu verbessern (Weiterentwicklung). Die Neuentwick-

lung wird gegebenenfalls noch weiter in Vorentwicklung und Produkt- bzw. Serienentwicklung

unterteilt. Ziel der Zweitgenannten ist üblicherweise ein bereits definiertes Produkt zu entwi-

ckeln und anschließend am Markt einzuführen. Vorentwicklungsprojekte können dagegen als

Vorstufe zu Serienentwicklungsprojekten angesehen werden. Sie zielen meist auf die Über-

prüfung der Machbarkeit an einem Funktionsmuster und münden nach erfolgreichem Projek-

tende in einem oder mehreren Serienentwicklungsprojekten. Da im Normalfall keine Produkte

von den Universitäten vertrieben werden, sind Serien- und Weiterentwicklungen praktisch nur

im Bereich der Unternehmen anzutreffen. Der Begriff „Vorentwicklung“, der in Unternehmen

und dort insbesondere im Automobilbereich verwendet wird, und die angewandte Forschung

sind sich inhaltlich sehr ähnlich. In beiden Fällen steht eine Problemlösung im Vordergrund,

die noch nicht in einem marktfähigen Produkt endet. In der Praxis werden Forschungs- und

Entwicklungsbegriff häufig mit der Abkürzung ’F&E’ oder ’FuE’ (Forschung und Entwicklung)

zusammengefasst. Das Spektrum dieses Begriffs reicht nach der Definition von der rein auf

Erkenntnisgewinnung ausgerichteten Grundlagenforschung bis hin zu Weiterentwicklungsak-

tivitäten an bereits bestehenden Produkten.


10

Der Begriff „Innovation“ stammt von dem lateinischen Wort „innovatio“ ab, was soviel wie

Neuerung, Erneuerung, Neueinführung oder auch Neuheit bedeutet und auf „novus“ (neu)

zurückgeht. Allerdings herrscht nach Staudt [20] in der Fachwelt keine Einigkeit darüber, was

„neu“ bedeutet. So kann eine Neuerung für ein Individuum subjektiv neu sein, obgleich sie

von anderen bereits genutzt wird (Betriebsneuheit). Eine objektive Neuheit liegt dagegen vor,

wenn bisher noch keine Anwendung erfolgt ist. Man spricht dann von einer Markt- bzw. Welt-

neuheit [21]. Streng genommen ist noch zwischen der Invention und der Innovation zu unter-

scheiden, da die Innovation immer eine wirtschaftliche Nutzung impliziert. Auf diese Unter-

scheidung wird jedoch in dieser Arbeit verzichtet. Je nach dem durch die Innovation induzier-

ten Veränderungsgrad kann weiter zwischen graduellen und prinzipiellen Innovationen diffe-

renziert werden. Ob eine Innovation gradueller oder prinzipieller Natur ist, muss aus der Per-

spektive des innovierenden Systems beurteilt werden. Prinzipielle Innovationen führen im

betroffenen System zu einer Zerstörung des dort vorhandenen Know-how im weiteren Sinne.

Häufig müssen vorhandene Strukturen zerstört werden und es werden Anpassungen in den

komplementären Bereichen erforderlich, so dass prinzipielle Innovationen häufig den Charak-

ter von Systeminnovationen annehmen. In der Folge machen die prinzipiellen Innovationen

einen umfangreichen Aufbau von neuem Wissen notwendig. Demgegenüber ist der Verände-

rungsgrad durch graduelle Innovationen signifikant geringer.

2.2 Ziele der Forschung an Forschungseinrichtungen

Um den Innovationsprozess an Forschungseinrichtungen methodisch zu unterstützen, sind

zuerst die Ziele der Forschung an Forschungseinrichtungen zu definieren. Die im Kap. 2.1

verwendete Definition der Forschung als ‚systematische Suche nach neuen Erkenntnissen

mit wissenschaftlichen Methoden’ ist an dieser Stelle zu allgemein und muss konkretisiert

werden.

Eine Möglichkeit zur Zieldefinition ist der Versuch einer Anlehnung an die traditionelle Mikro-

ökonomie. Diese unterstellt den Unternehmen die Gewinnmaximierung als deren Ziel. Die

Ableitung erfolgt zum einen aus dem Eigeninteresse der Eigentümer, zum anderen aus der

Überlegung, dass auf Märkten mit vollkommener Konkurrenz nur die Maximierung des Ge-

winns das Überleben der Unternehmung gewährleistet. Diese Argumentation aus dem Un-

ternehmensbereich kann nicht ohne weiteres für Forschungseinrichtungen angewendet wer-

den, da Forschungseinrichtungen i.d.R. nicht nach einer Maximierung des Gewinns streben.

Da die Forschungsförderung maßgeblich durch die öffentliche Hand getragen wird, werden

die von der Politik formulierten Ziele an dieser Stelle untersucht. Um kein einseitiges, durch

Parteipolitik verfälschtes Bild zu erhalten, werden Aussagen von mehreren Quellen

berücksichtigt. In Tabelle 1 sind mehrere Aussagen zu den Zielen der Forschung sowie zu


11

sichtigt. In Tabelle 1 sind mehrere Aussagen zu den Zielen der Forschung sowie zu dem

derzeitigen bzw. angestrebten Stand zusammengefasst.

Ziele der Forschung

SPD Die Forschungspolitik der Bundesregierung hat zum Ziel, die

Rahmenbedingungen für Innovation und neue Arbeitsplätze

entscheidend zu verbessern [4].

Bündnis 90 /

Die Grünen

Forschung ist kein Selbstzweck, sondern soll zu einer besseren

Zukunft beitragen. Forschung wird daher explizit am Nachhaltig-

keitsziel ausgerichtet [5].

CDU Langfristiger wirtschaftlicher Erfolg, Gesundheit, Mobilität, Ener-

gieversorgung, Lebensqualität [2].

CSU Die CSU will eine Forschungsförderung, die schnell und flexibel

auf wissenschaftliche Herausforderungen reagiert und wirt-

schaftspolitische Perspektiven berücksichtigt [22].

Wissenschafts-

rat

Stärkung der Anwendungsorientierung bedeutet nicht Abbau der

Grundlagenforschung, sondern bessere Nutzung von deren

Potenzial für die Lösung der Aufgaben in Wirtschaft und Gesell-

schaft [3].

Status quo

Deutscher

Bundestag

Deutschland hat im internationalen Vergleich nach wie vor gro-

ße Probleme, neue Forschungsergebnisse in innovative Produk-

te umzusetzen. Offensichtlich sind viele unserer staatlich geför-

derten Forschungseinrichtungen nach wie vor unzureichend

motiviert, Innovationen in der Wirtschaft vorzubereiten und tat-

kräftig zu unterstützen [23].

SPD Statt der bisherigen Förderung nach dem „Gießkannenprinzip“

werden nun gezielt zukunftsfähige Schlüsselbereiche unterstützt

[4].

SPD Wir haben die notwendigen Reformen der deutschen For-

schungslandschaft angepackt und die Projektförderung gegen-

über der institutionellen Förderung gestärkt [24].


12

Zukunft der Forschung / Forschungsförderung

Wissenschafts-

rat

Effizienz ist ein wichtiger Aspekt bei Förderentscheidungen. Es

ist nach Ansicht des Wissenschaftsrates erforderlich, dass Kos-

ten-Leistungsrechnungen für die Einrichtungen in den verschie-

denen Teilen des Wissenschaftssystems entwickelt werden. In

der anwendungsbezogenen Programmförderung sollen themati-

sche Relevanz und programmbezogene Qualität maßgeblich für

Förderentscheidungen sein [3].

Wissenschafts-

rat

Der nahe liegende Weg zur Stärkung der Anwendungsorientie-

rung der Forschung ist ein mit Strukturreformen und nachhalti-

ger Mittelsteigerung verbundener Ausbau der anwendungsbe-

zogenen Programmförderung [3].

FDP Die FDP will wettbewerbliche Strukturen auch in der Forschung.

Von der institutionellen Förderung wird es immer mehr in Rich-

tung einer programmorientierten Förderung gehen.

Tabelle 1: Die Forschung aus politischer Sicht

Es ist festzustellen, dass parteiübergreifend ein nutzbares Ergebnis aus den Forschungstä-

tigkeiten erwartet wird. Bei dem derzeitigen Stand sind erwartungsgemäß gewisse Diskre-

panzen bei der Einschätzung des Verhältnisses der bereits umgesetzten zu den noch not-

wendigen Maßnahmen zu erkennen. Über das zukünftige Erfolgsrezept einer anwendungs-

bezogenen und programmorientierten Projektförderung besteht jedoch eine weitestgehende

Übereinstimmung. Die in Tabelle 1 enthaltenen Aussagen, wie langfristiger wirtschaftlicher

Erfolg, Arbeitsplätze und Innovation bedeuten in letzter Konsequenz, dass der durch den

Technologietransfer erzeugte Umsatz in den Unternehmen als wichtigste Zielgröße von der

Politik betrachtet wird.

Durch den zunehmenden Wettbewerb zwischen den Forschungseinrichtungen um For-

schungsgelder ist neben dem politischen Ziel, die für jede Forschungseinrichtung notwendige

Sicherstellung der Eigenfinanzierung zu berücksichtigen. Bei den weiteren Überlegungen

wird angenommen, dass die Orientierung an wirtschaftlich interessanten Anwendungen die

Eigenfinanzierung vereinfacht.


13

2.3 Ableitung der Anforderungen an die Innovationsmanagement-Methoden in

Forschungseinrichtungen

Die Ausführungen in Kap. 2.2 zeigen, dass die von der Politik angestrebten Ziele noch nicht

verwirklicht sind. Die bisher eingeleiteten Maßnahmen zielen insbesondere auf eine Verän-

derung der Förderung. Durch den veränderten Anspruch an die Forschungseinrichtungen

sind jedoch auch die Abläufe innerhalb der Einrichtungen in Frage zu stellen. Unabhängig

vom Inhalt der Forschung lassen sich die bei einer systematischen Forschung ablaufenden

Arbeitsschritte zu einem Forschungsprozess verallgemeinern. In Abbildung 3 ist ein von

Schnell [25] vorgeschlagener Prozess dargestellt. Festzuhalten ist, dass die Publikation da-

bei als letzter Schritt des Forschungsprozesses betrachtet wird. Dies steht jedoch im Wider-

spruch zu den ökonomischen Zielen, da durch die Veröffentlichung einer Publikation bei wei-

tem noch kein Umsatz mit neuen Produkten erzielt wird.

Abbildung 3: Forschungsprozess nach Schnell [25].

An dieser Stelle ist es zweckmäßig, den Forschungsbegriff in Grundlagen- und angewandte

Forschung zu trennen. Da Grundlagenprojekte per Definition auf keine direkte Anwendung

abzielen, können Grundlagenprojekte durch den Forschungsprozess abgebildet werden.

Projekte der angewandten Forschung zielen dagegen auf ein konkretes Problem, das durch

Einsatz bereits vorhandener technischer Potenziale gelöst werden soll.

Bei der Betrachtung der angewandten Forschung sind insbesondere drei neue Aspekte zu

berücksichtigen. Durch die Zielvorgaben verlagert sich die Bedeutung von der technischen


14

Lösung auf den durch die Lösung erzeugbaren Nutzen. Die technische Machbarkeit ist nicht

das Endziel, sondern vielmehr ein Zwischenschritt auf dem Weg zur Befriedigung von Kun-

denbedürfnissen. Somit ist an erster Stelle, ausgehend von den an Forschungseinrichtungen

vorhandenen technischen Potenzialen zu untersuchen, welche Bedürfnisse damit befriedigt

werden können. Zweitens erfordert die Ausrichtung am Nutzen die Entscheidung, ob der zur

Lösung des Problems notwendige Aufwand gerechtfertigt ist. Der dritte Aspekt betrifft die

Umsetzung. Da eine Vermarktung durch die Forschungseinrichtung nicht erfolgt, kann das

angestrebte Ziel nur durch Kooperationen mit Unternehmen erreicht werden. Dabei kann es

sich um einen globalen Konzern, ein KMU oder ein speziell zur Vermarktung der Technologie

gegründetes Start-Up-Unternehmen handeln.

Analog zu dem für Grundlagenprojekte gültigen bereits vorgestellten Forschungsprozess

können die bei der angewandten Forschung verallgemeinerten Arbeitsschritte in Phasen

gegliedert und zu einem Prozess zusammengefasst werden. In der Literatur werden ver-

schiedene Phasenmodelle diskutiert, deren wesentlicher Unterschied neben den Phasenbe-

zeichnungen in der Anzahl der Phasen und der davon abhängigen Phasenabgrenzungen zu

sehen ist [26]. Die oben diskutierten Aspekte lassen sich durch ein einfaches dreistufiges, in

Abbildung 4 dargestelltes, Modell mit den Prozessschritten Ideengewinnung, Bewertung und

Umsetzung aufzeigen. Eine methodische Unterstützung ist demnach an diesem Modell aus-

zurichten, weshalb sich die Vorgehensweise in den folgenden Kapiteln daran orientiert.

Abbildung 4: Dreistufiges Phasenmodell für den Ablauf von Innovationen

Abschließend ist noch, als eine übergreifende Anforderung an die Verfahren, eine gewisse

Pragmatik bei der Methodenanwendung zu nennen. Eine Akzeptanz betriebswirtschaftlicher

Verfahren an Forschungseinrichtungen zur Steuerung der Innovationsvorhaben ist nur mög-

lich, wenn die Methodenanwendung nicht zu einer eigenen Wissenschaft im Forschungsbe-

reich ausufert. Die Methoden müssen ohne tiefgründiges theoretisches Wissen anwendbar

sein und das Vorgehen sollte möglichst transparent bleiben. Aus diesem Grund werden im

Folgenden die Grundzüge der Methoden erklärt. Auf die unzähligen Variationen und Modifi-

kationen wird nicht eingegangen.

Ideengewinnung Bewertung UmsetzungIdeengewinnung Bewertung Umsetzung

15

3 Methoden des Innovationsmanagements für Forschungseinrichtun-

gen

Im vorhergehenden Kapitel wurde der an Forschungseinrichtungen ablaufende Forschungs-

prozess modelliert und daraus anschließend die Anforderungen an eine für Forschungsein-

richtungen anwendbare Innovationsmanagement-Methodik abgeleitet. Da bereits eine große

Methodenvielfalt für das Innovationsmanagement im Unternehmensbereich existiert, soll

diese Arbeit auf bestehenden und bewährten Methoden aufbauen. Aus diesem Grund wer-

den in diesem Kapitel die grundsätzlich in Frage kommenden Innovationsmethodiken vorge-

stellt und deren Vor- und Nachteile im Allgemeinen diskutiert. Der Schwerpunkt liegt dabei

auf den Methoden zur Bewertung und Selektion von Ideen. Für die bei der Umsetzung ein-

setzbaren Projektmanagementmethoden zur systematischen Projektsteuerung liegen bereits

umfangreiche Arbeiten vor [27], [28], [29], [30], [31], weshalb auf eine Vertiefung dieses

Themas verzichtet wird.

3.1 Ideengewinnung

Die Gewinnung neuer Ideen kann zum einen durch Sammlung bereits vorhandener Informa-

tionen oder durch die Generierung völlig neuer Ideen erfolgen. Einen Überblick über die I-

deengewinnung gibt Abbildung 5.

Abbildung 5: Methodenüberblick für die Ideengewinnung, leicht modifiziert nach Vahs und Burmester [21]

Weitere Methoden

Kreativitäts-technikenexternintern

GenerierungSammlung existie-render Daten

Ideengewinnung

• Mitarbeiter• Unternehmens-

unterlagen

• Veröffentli-chungen

• Schutzrechte• Benchmarks• Lieferanten• Kunden

• Brainstorming• Brainwriting• Morphologie• Synektik

• Megatrends• Experten-

gespräche• CPM• Primäre und

sekundäre Marktforschung

3 Methoden des Innovationsmanagements für Forschungseinrichtungen

16

3.1.1 Ideensammlung

Die Ideensammlung wird häufig nach internen und externen Quellen differenziert. Zu den

internen Quellen gehören die Mitarbeiter und alle im Unternehmen bzw. in der Forschungs-

einrichtung vorliegenden relevanten Unterlagen. Zu externen Quellen zählen Veröffentli-

chungen, Schutzrechte und externe Personen. Eine erfolgreiche Sammlung von Ideen aus

internen und externen Quellen setzt bei potenzialbasierten Innovationen voraus, dass bereits

in der Vergangenheit eine Verknüpfung zwischen dem vorhandenen technischen Potenzial

und einem Anwendungsproblem erstellt wurde und dieses durch geeignete Recherchen aus-

findig gemacht werden kann.

Die in der Regel überschaubare Größe von Forschungsgruppen erlaubt, dass bestehende

Ideen innerhalb einer Forschungsgruppe ohne großen Aufwand zusammen getragen werden

können. Dabei kann nicht davon ausgegangen werden, dass das intern vorhandene Know-

how alle denkbaren Anwendungsfelder abdeckt. Durch die Sammlung aus internen Quellen

wird somit nur eine Teilmenge der möglichen Anwendungsfelder gefunden. Bei neuartigen,

an der Forschungseinrichtung selbst entwickelten Technologien ist weiterhin davon auszu-

gehen, dass außerhalb der Forschungseinrichtung nur in geringem Umfang Informationen

über das betrachtete Potenzial vorhanden sind. Direkte Hinweise über die Anwendung des

Potenzials für einen speziellen Bedarf durch externe Quellen sind aus diesem Grund nicht zu

erwarten. Die Erfolgsaussichten durch eine reine Sammlung in externen Quellen sind da-

durch äußerst gering.

Die Ideensammlung bietet demnach stark eingeschränkte Möglichkeiten, die Gesamtheit der

Anwendungsfelder eines technologischen Potenzials vollständig zu erfassen und ist somit als

ergänzender Baustein bei der Ideengewinnung zur systematischen Speicherung vorhande-

ner Ideen zu betrachten.

3.1.2 Ideengenerierung

Für die Generierung von Ideen steht ein breites Methodenspektrum zur Verfügung. Bereits

1977 wurden 44 verschiedene Kreativitätstechniken von Schlicksupp [32] aufgelistet. Bis zum

heutigen Zeitpunkt wurden weitere Methoden erstellt und die Anzahl scheint nach Vahs und

Burmester [21] mittlerweile bereits im dreistelligen Bereich zu liegen. Dabei kommen jedoch

häufig ähnliche Verfahrensmerkmale zum Einsatz, so dass einige Methodencluster gebildet

werden können. Eine Untersuchung der Anwendungshäufigkeiten der verschiedenen Kreati-

vitätsmethoden zeigt eine eindeutige Dominanz des Brainstormings gegenüber allen anderen

Methoden. Viele Kreativitätstechniken führen ein Schattendasein und kommen nach Schlick-


17

supp [32] kaum zur Anwendung. Die wichtigsten Methoden werden im Folgenden kurz vor-

gestellt.

3.1.2.1 Brainstorming

Das Brainstorming zählt zu den intuitiv-kreativen Methoden und ist die bekannteste Methode

zur Förderung von Kreativität. Sie wurde von A. E. Osborn Ende der 30er Jahre entwickelt

und verfolgt das Ziel, in kurzer Zeit möglichst viele Ideen oder Lösungsvorschläge zu gene-

rieren. Das Brainstorming findet in interdisziplinär zusammengesetzten Gruppen von etwa

fünf bis zwölf Personen statt und folgt unter Einhaltung bestimmter Verhaltensregeln dem

Prinzip der freien Assoziation [21].

Laut Hauschildt [33] ist das Problem beim Brainstorming definiert, aber nicht strukturiert. Ein

unabhängiger Moderator übernimmt die Leitung der Runde. Er hat vor allem die Aufgabe,

einen kontinuierlichen Ideenfluss sicherzustellen. Während des Ablaufes darf keine Kritik

geübt werden. Dadurch wird die schöpferische Atmosphäre nicht gestört und die Generie-

rung von Ideen erleichtert, die über die gängigen Lösungsansätze hinausgehen. Grundsätz-

lich geht beim Brainstorming die Quantität vor der Qualität. Alle Vorschläge werden protokol-

liert, um zu verhindern, dass sie im Laufe der Brainstorming-Sitzung verloren gehen.

Von entscheidender Bedeutung für die Ergebnisse ist es, dass das Brainstorming völlig los-

gelöst von der Ideenbewertung erfolgt, die erst nach dem Abschluss der Sitzung vorgenom-

men wird. Dadurch haben die Kriterien der Machbarkeit oder Durchsetzbarkeit von Lösungs-

ideen in der Phase der intuitiven Assoziation keinen negativen Einfluss auf die Ideengenerie-

rung. Die Teilnehmer können sich auf die Problemstellung und ihre Rahmenbedingungen

konzentrieren.

Der große Vorteil des Brainstormings ist neben dem vergleichsweise geringen zeitlichen

Aufwand vor allem die Vielzahl von Ideen, die in einer Sitzung durch Assoziation und Kombi-

nationen gewonnen werden kann. Als Nachteile können nach Vahs und Burmester [21] die

Subjektivität der Vorschläge und die Tatsache gesehen werden, dass keine Beratung und

Bewertung der Ideen durch die Gruppe stattfindet. Die Ideenauswertung nach einem Brain-

storming ist darüber hinaus sehr aufwendig.

3.1.2.2 Brainwriting

Das Brainwriting ist eine Weiterentwicklung der Methode des Brainstormings. Hierbei steht

nicht die mündliche Mitteilung, sondern die spontane Niederschrift von möglichst vielen Ideen

auf Formulare oder Zettel im Vordergrund.


18

Die bekannteste Form des Brainwritings ist die von Rohrbach [34] entwickelte Methode 635.

Ihren Namen erhält diese Methode durch den ihr eigenen Ablauf: Sechs Personen generie-

ren innerhalb von fünf Minuten jeweils drei Ideen, schreiben diese auf ein vorbereitetes For-

mular und reichen es an die anderen Teilnehmer weiter. In einem fünffachen Durchlauf wer-

den die Vorschläge dann kommentiert, weiterentwickelt oder durch völlig neue Ideen ergänzt.

Nach Abschluss einer klassischen dreißigminütigen 635-Gruppensitzung ergeben sich somit

bis zu 108 verschiedene Ideen, die anschließend noch um Doppelnennungen und Unge-

reimtheiten zu bereinigen sind.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die sofortige schriftliche Fixierung durch die Teilneh-

mer selbst erfolgt. Dadurch werden Einflüsse des Moderators vermieden, die zu einer Ver-

zerrung der Ergebnisse führen könnten. Ungeeignete Vorschläge können darüber hinaus

frühzeitig herausgefiltert und damit einer aufwendigen Bearbeitung entzogen werden. Eine

Gegenüberstellung von Gryskiewicz [35] zeigt jedoch, dass Brainwriting nicht unbedingt dem

Brainstorming überlegen ist. Brainwriting produziert eher inkrementale Verbesserungsvor-

schläge als wirklich innovative Ideen.

3.1.2.3 Morphologische Analyse

Morphologie ist die Lehre von den Gestalten oder Formen eines Sachbereichs und die Mor-

phologische Analyse, die auf Arbeiten Zwickys aus den fünfziger Jahren zurückgeht, zählt

nach Schlicksupp [32] zu den Methoden der systematischen Strukturierung. Die Vorgehens-

weise besteht darin, einen zuvor festgelegten Suchbereich systematisch, vollständig und

überschneidungsfrei nach allen möglichen Kriterien zu gliedern und durch die Neukombinati-

on der verschiedenen Merkmalsausprägungen neuartige Problemlösungen zu generieren.

Die Morphologische Analyse erlaubt Gruppenarbeit, verlangt sie aber nicht [33]. In Abbildung

6 ist ein Beispiel für ein morphologisches Schema dargestellt.

Abbildung 6: Morphologisches Schema für Suchfeld Autodachöffnung

Material

Öffnungs-prinzip

Betätigung

Glas

Faltdach

mechanisch

Stahl

Rollo

elektrisch

Kunststoff

Klappdach

hydraulisch

Textil

Lamellen

pneumatisch

… … … … …


19

Die Morphologische Analyse eignet sich insbesondere für Produkte mit hoher Komplexität

und setzt einen theoretischen Bezugsrahmen für das Problem voraus. Die Methode ent-

spricht wesentlich mehr den traditionellen Denkschulen als Brainstorming bzw. -writing und

wird eher als ’rational’ akzeptiert. Die morphologische Analyse kann nach Hauschildt [33]

durch intuitive Methoden ergänzt, aber keinesfalls ersetzt werden.

3.1.2.4 Synektik

Als Beispiel für eine Methode der schöpferischen Konfrontation macht sich die Synektik den

Umstand zunutze, dass originelle und neue Ideen oft angesichts problemfremder Objekte

und Prozesse gefunden werden, die sich aber analog verhalten. Die Synektik geht auf W.

Gordon zurück, der in den vierziger und fünfziger Jahren Problemlösungsgruppen dabei be-

obachtete, wie sie durch Analogien zwischen einzelnen Problembestandteilen und ähnlichen

Problemen in völlig anderen Zusammenhängen kreative Lösungen fanden [21].

Das Vorgehen erfolgt auch bei der Synektik in mehreren Schritten: Zuerst wird das zu bear-

beitende Problem ausreichend charakterisiert und abstrahiert. Danach werden Analogien für

die abstrakte Darstellung gesucht. Das Problem wird dabei bis zur Unkenntlichkeit verfrem-

det. Dieser Schritt stellt den eigentlichen Kern der Synektik dar. Nacheinander werden Ana-

logien aus der Natur, der Technik, der Geschichte oder der persönlichen Erfahrungswelt der

Sitzungsteilnehmer gebildet. Schließlich werden aus der Verknüpfung der Analogien neue

Lösungsideen abgeleitet und weiterentwickelt. Durch Analyse der neuen Lösungsideen wird

versucht, aus deren Strukturmerkmalen Lösungen für das definierte Problem abzuleiten.

Nach Gryskiewicz [35] liefert die Synektik beim Vergleich der Kreativitätsmethoden wenig,

aber qualitativ hochwertige Ideen. Neben dem hohen Aufwand stellt die bei der Methode

angewandte Verfremdung für viele Teilnehmer aus der Wirtschaftspraxis eine große Hürde

dar [33]. In der Regel findet die Methode erst bei wiederholter Anwendung die erforderliche

Akzeptanz bei den Teilnehmern [21].

3.1.2.5 Weitere Methoden zur Ideengenerierung

Neben den oben beschriebenen Methoden existiert noch eine Reihe weiterer Vorgehenswei-

sen zur Ideengenerierung. Eine stark auf das Umfeld ausgerichtete Möglichkeit auf einem

eher übergreifenden Niveau ist die von Dörrie [36] beschriebene Orientierung an Mega-

trends. Ausgangspunkt dieser Vorgehensweise ist nicht die Technologie selbst, sondern eine

generalisierende und zukunftsorientierte Beschreibung der Entwicklungsrichtungen. Gegen-

wärtige Megatrends sind beispielsweise die Miniaturisierung, sowie die Substitution klassi-

scher Technologien mit Inselcharakter oder uneinheitlichen Schnittstellen durch elektronische


20

bzw. chemisch-biologische Technologien. Durch eine Orientierung an Megatrends können

aus allgemeiner Sicht interessante Anwendungsfelder ausfindig gemacht werden. Die Me-

thode zielt damit auf die übergeordnete Auswahl von Erfolg versprechenden Suchfeldern. Sie

konkurriert damit nicht mit anderen Methoden zur Ideengewinnung, sondern ist als Ergän-

zung, beispielsweise im Vorfeld eines Kreativitätsworkshops, zu betrachten.

Eine sehr einfache und wirkungsvolle Ideenquelle sind Expertengespräche und Experten-

workshops. Als Experten werden dabei Personen bezeichnet, die über umfassende Kennt-

nisse in dem betreffenden Innovationsbereich verfügen. Bei potenzialbasierten Innovationen

sind insbesondere Personen interessant, die über einen guten Überblick über die Bedarfseite

verfügen und in der Lage sind, die betrachtete Technologie zu verstehen. Durch Kombination

des vorhandenen Wissens mit dem durch die neue Technologie entstehenden Lösungspo-

tenzial ist der Experte in der Lage, neue Ideen zu generieren. Dieser Prozess kann durch

Kreativitätsmethoden unterstützt werden. Da die Bedarfseite vor dem Expertengespräch

noch unbekannt ist, stellt die Identifikation und Ansprache der richtigen Personen häufig die

größte Schwierigkeit dar.

Die Bedürfnisse der Kunden stehen bei der von Uebelacker und Glaß [37] vorgestellten Me-

thode „Customer Process Monitoring“ (CPM) im Vordergrund. Dabei zielt die Methode insbe-

sondere auf latente, nicht explizit geäußerte Kundenbedürfnisse und auf eine konsequente

Trennung zwischen der Problemerkennung und der Lösungsfindung. Ausgangspunkt bei der

Methode ist eine Prozessanalyse beim (potenziellen) Kunden. Aus dieser Prozessanalyse

werden Informationen gewonnen, welche Prozessschritte sich auf den Gesamtprozess nega-

tiv auswirken. Auf diese Weise werden die Probleme erkannt, die dem Kunden noch gar nicht

bewusst sind. Typische Beispiele für diese negativen Auswirkungen sind beispielsweise lan-

ge Zeiten für einen Teilschritt oder eine hohe Fehleranfälligkeit. Durch die Analyse lassen

sich gezielt die größten Potenziale im Prozess extrahieren. Die auftretenden Schwierigkeiten

werden über Videoaufzeichnungen festgehalten und anschließend einem Team von Entwick-

lern gezeigt, das in einem darauf folgenden Workshop Ideen für die Problemstellungen gene-

riert. Beim Customer Process Monitoring soll somit die Verknüpfung zwischen einem Anwen-

dungsproblem und einem technischen Potenzial geschaffen werden. Ausgangspunkt ist al-

lerdings das Anwendungsproblem und nicht ein technisches Potenzial, so dass CPM eher für

bedarfsbasierte Innovationen geeignet ist. Ähnliches gilt für die Marktforschung, die häufig in

Primär- und Sekundärforschung gegliedert wird [38]. Über die primäre Marktforschung kön-

nen durch stichprobenartige Befragungen Aussagen über die Grundgesamtheit einer Ziel-

gruppe getroffen werden, während bei der Sekundärforschung auf bereits vorhandene Infor-


21

mationsquellen zurückgegriffen wird. Marktforschung und CPM sind dadurch weniger für die

Ideengenerierung an Forschungseinrichtungen geeignet, können jedoch im Rahmen der

Bewertung zur Informationserhebung wertvolle Beiträge leisten.

3.2 Bewertungs- und Selektionsmethoden

Die für eine Bewertung von Ideen zur Verfügung stehenden Methoden werden in quantitative

und qualitative Methoden unterteilt. Dazwischen existieren Methoden, die eine Mischung

zwischen den beiden Alternativen darstellen. Der wichtigste Vertreter dieser semi-

quantitativen Methoden ist die Nutzwertanalyse [21]. In Abbildung 7 sind die verschiedenen

Kategorien in Abhängigkeit von Reife der Ideen und Aufwand zur Umsetzung zusammenge-

stellt.

Abbildung 7: Anwendung von Bewertungsverfahren für Ideen bei unterschiedli-chen Reifegraden, nach Vahs und Burmester [21]

3.2.1 Qualitative Verfahren

Qualitative Bewertungsmethoden eignen sich für Ideen mit einem geringen Reifegrad und

können darüber hinaus bei einer größeren Anzahl von Ideen zur Vorselektion eingesetzt

werden.

3.2.1.1 Verbale Einschätzungen und Checklisten

Das einfachste Verfahren zur qualitativen Bewertung ist eine verbale Einschätzung. Die zu

bewertenden Merkmalsausprägungen werden dabei von Einzelpersonen oder auch von re-

präsentativen Gruppen in Worten beschrieben. Zur Systematisierung der Vorgehensweise

können Checklisten eingesetzt werden. Darunter versteht man die Zusammenstellung ver-

schiedener Bewertungskriterien, die für die Beurteilung eines Sachverhaltes von grundlegen-

der Bedeutung sind. Dies kann in Form von Fragen oder als eine tabellarische Auflistung der

Nutzwert-analyse

Quantitative Verfahren

Qualitative Verfahren

Reifegrad der Idee

Aufwand


22

relevanten Beurteilungskriterien erfolgen. Die Kriterien einer Checkliste können in Musskrite-

rien, die eine Idee zwingend erfüllen muss, um überhaupt näher analysiert zu werden und

Kann-Kriterien für die Ideenpriorisierung, eingeteilt werden. Neben den für jede Bewertung

spezifischen Kriterien existieren einige Grundanforderungen an Innovationen, die unabhän-

gig von Organisation und Innovationsobjekt gültig sind und als Muss-Kriterium eingesetzt

werden können. Typische Muss-Kriterien sind Realisierbarkeit der Idee, Komplementarität

mit den Unternehmensgrundsätzen, Übereinstimmung mit den gesetzlichen Rahmenbedin-

gungen und Sicherung von Schutzrechten [21].

Verbale Einschätzungen und Checklisten sind die einfachsten Methoden zur Bewertung von

Ideen. Dem Vorteil des geringen Aufwands steht der Nachteil eines groben Bewertungser-

gebnisses entgegen.

3.2.1.2 Ganzheitliche Präferenzbildung

Während bei der Verwendung von Checklisten die Bewertung einer Idee über die Kriterien

unabhängig von den anderen vorhandenen Ideen abläuft, erfolgt die Bewertung bei der

ganzheitlichen Präferenzbildung unter gegenseitiger Beeinflussung. Eine Variante der ganz-

heitlichen Präferenzbildung ist der paarweise Vergleich, bei der die zu bewertenden Ideen

systematisch jeweils paarweise miteinander vergleichen werden [39]. Die Durchführung er-

folgt in der Regel in einer Entscheidungsmatrix, bei der die Ideen sowohl spalten-, als auch

zeilenweise angeordnet sind. Ist die in der Kopfzeile angegebene Produktidee überlegen

gegenüber der in der Kopfspalte genannten, so erfolgt eine Bewertung mit Eins, andernfalls

mit Null. Durch spaltenweise Addition der Bewertungsziffern und der Bildung einer Rangord-

nung durch Vergleich der Spaltensummen wird das Bewertungsergebnis erhalten. In Tabelle

2 ist die Vorgehensweise bei dem paarweisen Vergleich in einer Entscheidungsmatrix ver-

deutlicht.

Idee 1 Idee 2 Idee 3 Idee 4 Rang Idee-Nr. Idee 1 - 0 1 0 1 3 Idee 2 1 - 1 1 2 1 Idee 3 0 0 - 0 3 4 Idee 4 1 0 1 - 4 2

SUMME 2 0 3 1

Tabelle 2: Entscheidungsmatrix bei dem paarweisen Vergleich

Da bei diesem Verfahren eine zweifache Gegenüberstellung der Ideen erfolgt, können Wi-

dersprüche in der Entscheidungsmatrix auftreten, die gegebenenfalls einer weitergehenden

Analyse unterzogen werden müssen. Bei einer höheren Anzahl an Ideen wird die Entschei-

dungsmatrix sehr unübersichtlich.


23

Eine weitere Variante der ganzheitlichen Präferenzbildung ist das Konstantsummenverfah-

ren. Dabei wird eine vorgegebene Anzahl an Nutzeneinheiten auf die zu bewertenden Alter-

nativen aufgeteilt. Dadurch lässt sich ebenfalls eine Rangordnung erstellen. Das Konstant-

summenverfahren ist mit sehr geringem Aufwand durchführbar, aufgrund der Subjektivität

und der starken Vereinfachung besteht jedoch die Gefahr von Fehleinschätzungen [21].

3.2.2 Semiquantitative Methode – Nutzwertanalyse

Bereits Pfeiffer [40] hat in “Systemwirtschaftlichkeit“ beschrieben, dass konventionelle Wirt-

schaftlichkeitsrechnungen häufig nur die “leicht rechenbaren“ Kriterien in die Entscheidungs-

findung einbinden und nicht monetarisierbare Größen sowie Einflüsse der vor- und nachge-

lagerten Bereiche vernachlässigt werden. Die aus dieser Vereinfachung resultierenden Fehl-

entscheidungen können verhindert werden, indem die ganzheitliche Berücksichtigung der

relevanten technischen und nicht-technischen Einflussgrößen sichergestellt wird. Eine hierfür

geeignete Methode ist die Nutzwertanalyse, die auch als “Scoring- oder Punktbewertungs-

Modell“ bezeichnet wird. Eine Nutzwertanalyse verfolgt den Zweck, mehrere Entscheidungs-

alternativen anhand von Kriterien zu bewerten und entsprechend den Präferenzen des Ent-

scheidungsträgers zu ordnen. Die Präferenzordnung erfolgt mit Hilfe der für jede Alternative

ermittelten “Nutzwerte“.

3.2.2.1 Beschreibung der Standardversion der Nutzwertanalyse

Über die Nutzwertanalyse existiert in der Literatur eine Vielzahl von Aufsätzen. Eine Über-

sicht findet man bei Brose [41]. Viele davon beziehen sich auf Zangenmeister [42], der 1971

mit „Nutzwertanalyse in der Systemtechnik“ den Grundstein für die Nutzwertanalyse erarbei-

tete. Die Nutzwertanalyse ist nach ihm „die Analyse einer Menge komplexer Handlungsalter-

nativen mit dem Zweck, die Elemente dieser Menge entsprechend den Präferenzen des Ent-

scheidungsträgers bezüglich eines multidimensionalen Zielsystems zu ordnen. Die Abbildung

dieser Ordnung erfolgt durch die Angabe der Nutzwerte der Alternativen.“

Für den Detailablauf einer Nutzwertanalyse existieren mehrere Varianten [41]. An dieser

Stelle wird eine in fünf Schritte gegliederte Vorgehensweise vorgestellt. Das Vorhandensein

von mehreren Entscheidungsalternativen in Form von technischen Lösungsmöglichkeiten

wird dabei vorausgesetzt. Im ersten Schritt erfolgt die Bestimmung relevanter Bewertungskri-

terien. Alle für das jeweilige Entscheidungsproblem notwendigen Bewertungskriterien werden

dabei aufgelistet. Die Kriterien können sowohl monetär, als auch nicht-monetär sein. Im

nächsten Schritt wird eine Gewichtung der Bewertungskriterien durchgeführt. Dabei wird die

unterschiedlich hohe Bedeutung der einzelnen Bewertungskriterien berücksichtigt. Häufig


24

werden die Gewichtungsfaktoren so gewählt, dass sie in Summe 100% oder 1 ergeben. Im

dritten Schritt wird die sog. Zielertragsmatrix erstellt. Diese beinhaltet eine Bewertung der

Kriterien aller Entscheidungsalternativen. Die Bewertung kann durch nominale, ordinale oder

kardinale Skalen erfolgen. Bei Nominalskalen wird der Untersuchungseinheit für das ent-

sprechende Merkmal eine Kategorie, z.B. ja oder nein, zugeordnet. Es besteht keine Rang-

ordnung zwischen den Kategorien. Bei Ordinalskalen, wie beispielsweise hoch-mittel-niedrig,

lassen sich die einzelnen Kategorien in eine Reihenfolge bringen. Die Abstände zwischen

den einzelnen Kategorien sind jedoch nicht sinnvoll interpretierbar. Bei Kardinalskalen sind

die Abstände zwischen den Kategorien, wie beispielsweise bei einer Gewichtsangabe,

messbar. Um die verschiedenen Bewertungen der Kriterien zu einem Nutzwert für jede zur

Auswahl stehende Alternative berechnen zu können, müssen alle Bewertungen in eine ein-

heitliche Dimension transformiert werden. Dies geschieht im vierten Schritt, in dem für jedes

Bewertungskriterium eine Bewertungsfunktion definiert wird. Durch diese Funktionen werden

die meist dimensionsbehafteten Werte der Zielertragsmatrix in die dimensionslose Zielerfül-

lungsmatrix transformiert. Im letzten Schritt werden die Werte der Zielerfüllungsmatrix durch

Multiplikation mit dem zugehörigen Gewichtungsfaktor zu Teilnutzwerten umgeformt. Aus

diesen ergibt sich durch Addition der Nutzwert für die jeweilige Entscheidungsalternative. Die

Vorgehensweise ist in Tabelle 3 dokumentiert.


25

Tabelle 3: Vorgehen bei der Nutzwertanalyse

Der wesentliche Vorteil der Nutzwertanalyse ist, dass mit dieser Methode ein mehrdimensio-

nales Zielsystem berücksichtigt werden kann, das aus qualitativen und quantitativen Zielkrite-

rien mit unterschiedlicher Gewichtung besteht. Durch die Transformation der verschiedenen

Merkmalsausprägungen in einen einheitlichen, dimensionslosen Maßstab (Nutzwerte,

Punktwerte, Scores) werden die einzelnen Zielkriterien miteinander vergleichbar gemacht.

Außerdem eignet sich die übersichtliche Darstellung der Nutzwertanalyse als Basis für Dis-

kussionen. Die Ergebnisse können dabei kompakt in einer übersichtlichen Tabelle zusam-

mengestellt werden, die Begründungen werden separat aufgeführt.

In der Literatur werden mehrere Kritikpunkte der Nutzwertanalyse diskutiert. So wird von

Bechmann [43] die inhaltliche Absicherung der verwendeten Maß- und Bewertungsvorschrif-

ten thematisiert. Dabei verweist er insbesondere auf die Transformation von dem Zielertrag

zum Zielerfüllungsgrad. Bei diesem Schritt besteht die Gefahr, dass eine korrekte Formal-

KriteriumSchritt 1: Krit. 1

Krit. 2Krit. 3

Kriterium GewichtSchritt 2: Krit. 1 0,2

Krit. 2 0,5Krit. 3 0,3

1,0

Kriterium Gewicht Zielertrag ZielertragSchritt 3: Krit. 1 0,2 4 m/s 2 m/s

Krit. 2 0,5 5 € 2 €Krit. 3 0,3 hoch niedrig

1,0

Schritt 4:

Kriterium Gewicht Zielertrag Zielerfüllung Zielertrag ZielerfüllungKrit. 1 0,2 4 m/s 4 2 m/s 2Krit. 2 0,5 5 € 2 2 € 5Krit. 3 0,3 hoch 4 niedrig 2

1,0

Kriterium Gewicht Zielertrag Zielerfüllung Teilnutzwert Zielertrag Zielerfüllung TeilnutzwertSchritt 5: Krit. 1 0,2 4 m/s 4 0,8 2 m/s 2 0,4

Krit. 2 0,5 5 € 2 1 2 € 5 2,5Krit. 3 0,3 hoch 4 1,2 niedrig 2 0,6

1,0 3 3,5

Bestimmung relevanter Bewertungskriterien

Gewichtung der Bewertungskriterien

Erstellung der Zielertragsmatrix

Erstellung der Zielerfüllungsmatrix

Alternative 1 Alternative 2



Alternative 1 Alternative 2Berechnung der Nutzwerte


Nutzwert A2

Zielerfüllung = Zielertrag [m/s] / 1 [m/s]Zielerfüllung = (7 [€] – Zielertrag [€]) / 1 [€]sehr niedrig = 1; niedrig = 2; mittel = 3; hoch = 4; sehr hoch = 5

Krit. 1Krit. 2Krit. 3

Nutzwert A1


26

struktur über inhaltliche Mängel hinwegtäuscht. Weiterhin wird die bei einer Nutzwertanalyse

getroffene Annahme in Frage gestellt, dass es im Bewertungsvorgang möglich ist, einzelne

Merkmalskriterien ohne das Ganze zu bewerten und Nutzenabhängigkeiten zu vernachlässi-

gen. Eberle [44] stellt die additiven Entscheidungsregeln einer Nutzwertanalyse in Frage, da

diese nicht in der Natur des Menschen liegen und die Limitationen der menschlichen Infor-

mationsverarbeitungskapazität nicht berücksichtigen. Durch die Vielzahl der Kriterien sei der

Bewerter überfordert. Einen weiteren Kritikpunkt stellt die Prämisse der Kardinalität der Ziel-

erfüllungsgrade dar, da die hierfür notwendigen Abstandsvergleiche nicht in allen Entschei-

dungssituationen durchführbar sind [43], [44].

3.2.2.2 Weiterentwicklungen der Nutzwertanalyse

Aufgrund der oben genannten Kritikpunkte an der Standardversion der Nutzwertanalyse exis-

tieren mehrere Weiterentwicklungen. Im Mittelpunkt einer von Bechmann [43] durchgeführten

verfahrenstechnischen Weiterentwicklung stehen die Abkehr von einer kardinalen Skala bei

der Nutzenbewertung und eine Berücksichtigung der möglichen Wertebeziehungen zwischen

einzelnen Bewertungskriterien. Ähnlich wie bei der Standardversion werden zuerst die Be-

wertungskriterien ermittelt und danach jede Alternative mit allen Kriterien auf einer Punkte-

skala bewertet. Im Gegensatz zu der Standardversion erfolgt die Informationsverdichtung

jedoch nicht durch Gewichtungsfaktoren sondern durch den Einsatz von Entscheidungsre-

geln. Die Verdichtung von der Ebene der einzelnen Bewertungskriterien bis zum Bewer-

tungsergebnis kann über mehrere Aggregationsstufen erfolgen. Die Entscheidungsregeln

sind dabei individuell für jedes Entscheidungsproblem zu erstellen. Die Vorgehensweise bei

der verfahrenstechnischen Weiterentwicklung der Nutzwertanalyse ist in Abbildung 8 veran-

schaulicht.

Abbildung 8: Verfahrenstechnische Weiterentwicklung der Nutzwertanalyse

Kriterium 1

Kriterium 2

Kriterium 4

Kriterium 7

Kriterium 3

Kriterium 5

Kriterium 6

Aggregation 1

Aggregation 2

Aggregation 3

Ergebnis Idee 4

Ent

sche

i-du

ngs-

rege

ln

Ent

sche

i-du

ngs-

rege

ln

Ent

sche

i-du

ngs-

rege

ln

Ent

sche

idun

gsre

geln

Idee 4Idee 3

Idee 2Idee 1

Ergebnis Idee 3

Ergebnis Idee 2

Ergebnis Idee 1


27

Eine ähnliche Weiterentwicklung wird von Eberle [44] vorgeschlagen. Basierend auf der An-

nahme, die additiven Entscheidungsregeln liegen nicht in der Natur des Menschen, integriert

er Ergebnisse aus der psychiologischen Entscheidungsforschung in das Verfahren der Nutz-

wertanalyse. In der Zielertragsmatrix werden dabei wie bereits bei der verfahrenstechnischen

Weiterentwicklung keine Gewichtungsfaktoren eingesetzt. Im Gegensatz zu der verfahrens-

technischen Weiterentwicklung verwendet er keine Bewertungsfaktoren, es wird lediglich

eine Rangfolge der verschiedenen Alternativen gebildet. Über mehrere Aggregationsstufen

mit jeweils zu definierenden Entscheidungsregeln wird die günstigste Alternative definiert.

Die methodischen Weiterentwicklungen führen in beiden Fällen zu einem deutlichen Mehr-

aufwand des Verfahrens. Darüber hinaus wird das Nachvollziehen des Entscheidungspfades

aufgrund der geringeren Transparenz wesentlich erschwert. Aus diesen Gründen konnten

sich die Weiterentwicklungen nicht gegen die Standardform durchsetzen. In neueren Veröf-

fentlichungen spielen die Weiterentwicklungen keine Rolle [45].

3.2.3 Quantitative Verfahren

Quantitative Verfahren bewerten die Ideen anhand einer Kosten- und Erlösbetrachtung. Das

Grundprinzip der quantitativen Verfahren besteht darin, dass die voraussichtlichen Einzah-

lungs- und Auszahlungsvorgänge der verschiedenen Investitionsalternativen miteinander

verglichen werden [21]. Grundsätzlich wird zwischen statischen und dynamischen Methoden

unterschieden. Die dynamischen Verfahren berücksichtigen die tatsächlichen Zahlungszeit-

punkte über die gesamte Nutzungsdauer einer Investition während die statischen Verfahren

von Durchschnittswerten ausgehen [21]. Darüber hinaus existieren Ansätze, die Unsicherhei-

ten berücksichtigen [41]. Diese werden jedoch nicht weiter betrachtet. In Tabelle 4 sind die

wichtigsten quantitativen Bewertungsverfahren dargestellt. Kostenvergleichs- und Rentabili-

tätsrechnung, sowie die Kapitalwertmethode werden daraufhin kurz erläutert.

Quantitative Bewertungsverfahren

Statische Verfahren [21] Dynamische Verfahren [45]

Kostenvergleichsrechnung Kapitalwertmethode

Gewinnvergleichsrechnung Interne Zinsfußmethode

Rentabilitätsrechnung Annuitätenmethode

Tabelle 4: Quantitative Bewertungsverfahren


28

Bei der Kostenvergleichsrechnung werden die Gesamtkosten pro Jahr oder die durchschnitt-

lichen Stückkosten zweier oder mehrerer Produktinnovationen einander gegenübergestellt.

Die kostengünstigste Alternative stellt die optimale Problemlösung dar [21]. Der Kostenver-

gleich lässt die Ertragsseite völlig außer Acht und ist lediglich dann hilfreich, wenn keine Er-

tragsveränderungen aus technologischen Innovationen resultieren bzw. die Ertragsverände-

rungen bei jeder der zu vergleichenden Innovationen als gleich hoch erachtet werden [41].

Somit ist die Methode anwendbar, wenn durch die Innovation eine Kostensenkung bei glei-

cher Funktionalität erzielt wird. Durch diese Einschränkung ist eine Anwendung der Kosten-

vergleichsrechnung zur Bewertung von Innovationen an Forschungseinrichtungen nur in

seltenen Fällen einsetzbar. Bei mehrdimensionalen Bewertungen, wie beispielsweise bei der

weiter oben in Kap. 3.2.2 beschriebenen Nutzwertanalyse, ist ein Kostenvergleich als ein

Bewertungskriterium im Rahmen der Gesamtbewertung sinnvoll einsetzbar.

Die Rentabilitätsrechnung bewertet die Entscheidungsalternative mit der höchsten Rentabili-

tät als optimal. Bei diesem Berechnungsverfahren wird der erwartete durchschnittliche Jah-

resgewinn für jede Investition in Bezug zu dem von ihr durchschnittlich gebundenen Kapital

gesetzt:

100% satzKapitalein

Gewinn ät Rentabilit ⋅= (3.1)

Auf diese Weise wird die Durchschnittverzinsung des eingesetzten Kapitals ermittelt. Diese

Berechnungsmethode findet man häufig auch unter der Bezeichnung ROI-Methode (Return

of Investment).

Die Kapitalwertmethode ist ein Verfahren zur Wirtschaftlichkeitsberechnung von Investitio-

nen. Sie wird verwendet, wenn sich die Ein- und Auszahlungen einer Investition im Zeitablauf

ändern. Um verschiedene Alternativen vergleichen zu können, werden alle zukünftigen Er-

träge auf einen Zeitpunkt abgezinst, d.h. der so genannte Barwert dieser späteren Erträge

errechnet. Je später Überschüsse erzielt werden, desto geringer fällt der Barwert aus und

kann die Anfangsinvestition weniger kompensieren. Die allgemeine Formel zur Berechnung

des Kapitalwertes einer Investition lautet [21]:

)1(

A-E I- C

n

1t

tt00 ∑

= ++= tr

(3.2)

Dabei sind C0 der Kapitalwert einer Investition und –I0 die Anfangsinvestitionen. Et und At

stellen die Einnahmen bzw. Ausgaben der Perioden t dar. Der Kalkulationszinsfuß r ist ein

subjektiv vom Entscheidungsträger festzulegender Wert, der sich insbesondere an den


29

Fremdkapitalkosten und an den Investitionsrisiken orientiert. Die Kapitalwertmethode setzt

damit voraus, dass Kosten und Erträge nicht nur bekannt sind, sondern auch der jeweiligen

Periode zugeordnet werden können. Damit sind die Anforderungen an die Informationen über

die Eingangsgrößen im Vergleich zu den statischen Methoden noch höher.

Ein häufig genannter Kritikpunkt an der Kapitalwertmethode ist die so genannte Zurech-

nungsproblematik, da sich einzelnen Investitionen insbesondere die Einnahmen nicht mit

ausreichender Sicherheit zurechnen lassen [46]. An Forschungseinrichtungen stellt jedoch

auch die Ausgabenseite einen großen Unsicherheitsfaktor dar, wenn die Kosten über einen

noch nicht vorhandenen Projektpartner ermittelt werden müssen. Daneben ist der Aufwand,

der bei der Datenbeschaffung anfällt, deutlich höher als bei den qualitativen Methoden oder

der Nutzwertanalyse. Zum Vergleich einer größeren Anzahl von Ideen, die sich in verschie-

denen Stadien des Entstehungszyklus befinden, sind quantitative Methoden somit weniger

geeignet.

3.3 Werkzeuge zur Zukunftsbetrachtung

Die Bewertung von Innovationen setzt grundsätzlich eine zukunftsorientierte Betrachtung

voraus. Dabei sind sowohl die Eigenschaften des betrachteten Potenzials und der konkurrie-

renden Technologien, als auch die Bedarfe auf einen zukünftigen Zeitpunkt zu extrapolieren.

Für die Potenzialseite werden Lebenszyklus-Konzept und die Erfahrungskurve, zur Dynami-

sierung der Bedarfseite Szenarien und Referenzsysteme vorgestellt.

3.3.1 Lebenszyklus-Konzept

Ein Werkzeug für den immer mit Unwägbarkeiten verbundenen Extrapolationsprozess ist das

von Pfeiffer, Metze et al. [47] detailliert beschriebene integrierte Lebenszyklus-Konzept. Es

unterstellt den Produkten eine endliche Lebenszeit und unterteilt die Lebensdauer in Beo-

bachtungs-, Entstehungs- und Marktzyklus. Im Beobachtungszyklus werden seitens der Un-

ternehmen in der Regel keine aktiven Entwicklungsschritte unternommen. Die an For-

schungseinrichtungen ablaufenden Arbeiten und der dadurch sinkende Grad der Ungewiss-

heit einer neuen Technologie werden beobachtet. Indem die Unternehmen eigene Entwick-

lungsaktivitäten aufnehmen, beginnt der Entstehungszyklus, der in mehrere Unterphasen

unterteilt ist und bis zu der Produktions- und Absatzvorbereitung reicht. Im Entstehungszyk-

lus fallen nur Kosten an, da erst in dem darauf folgenden Marktzyklus Erträge erwirtschaftet

werden. Bei Modellierung des Marktzyklus wird angenommen, dass bei der Markteinführung

ein langsamer Umsatzanstieg bei durch Anfangsinvestitionen verursachten negativen De-

ckungsbeiträgen entsteht. In der Marktdurchdringungsphase werden die Deckungsbeiträge


30

positiv und es erfolgt ein starker Umsatzanstieg. In der Marktsättigung verringern sich die

Deckungsbeiträge bei stagnierendem Umsatz bevor in der Degenerationsphase beide Grö-

ßen gegen den Nullwert konvergieren. In Abbildung 9 ist der integrierte Produktlebenszyklus

dargestellt.

Abbildung 9: Integriertes Produktlebenszykluskonzept leicht modifiziert nach Pfeiffer [47]

Daneben existieren noch leistungsbezogene Ansätze zur Technologieprognose. Dabei wird

angenommen, dass sich jede Technologie im Lauf der Zeit an eine Leistungsgrenze annä-

hert. Bei neuen Technologien tritt aufgrund von Anlaufproblemen zuerst ein geringer Leis-

tungszuwachs ein, der nach Vorliegen einer “kritischen Wissensmasse“ rasch zunimmt und

bei Annäherung an die Leistungsgrenze wieder abnimmt. Bei Annäherung einer Technologie

an ihre Leistungsgrenze steigt die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer neuen, leistungs-

fähigeren Technologie [48]. Das von Arthur D. Little vorgeschlagene Lebenszyklus-Modell

bildet den S-förmigen Verlauf der Leistungsfähigkeit einer Technologie über der Zeit ab. Eine

von McKinsey durchgeführte Ergänzung ersetzt auf der Abszisse die Zeit durch den kumu-

lierten F&E-Aufwand. In Abbildung 10 ist ein einfacher Fall mit zwei konkurrierenden Techno-

logien schematisch dargestellt.

Kosten Umsatz bzw. Gewinn

ZeitWissenschaftlich-

technologisches Vorfeld

Grad derUngewissheit

Beobachtungszyklus Entstehungszyklus Marktzyklus

Idee

ngen

erie

rung

Alte

rnat

iven

bew

er-

tung

und

–aus

wah

l

Labo

rmus

ter

Fun

ktio

nsm

uste

r

Pro

toty

p

Vor

bere

itung

Mar

ktei

nfüh

rung

Mar

ktei

nfüh

rung

Mar

ktdu

rch-

drin

gung

Mar

ktsä

ttigu

ng

Mar

ktde

gene

ratio

n

Integriertes Produktlebenszykluskonzept


31

Abbildung 10: Verlauf der Leistungsfähigkeit einer Technologie

Das Lebenszykluskonzept ist ein stark vereinfachtes Modell zur Vorhersage zukünftiger Ent-

wicklungen von Technologien. Bei der Anwendung ist zu beachten, dass der S-förmige Kur-

venverlauf der Leistungsfähigkeit einer Technologie häufig vorzufinden ist, aber keine Allge-

meingültigkeit besitzt. Im Einzelfall können erhebliche Abweichungen auftreten. In der Reali-

tät durchlaufen außerdem nicht alle Technologien den Zyklus bis zum Ende und erreichen

dabei einen positiven Deckungsbeitrag [47]. Zudem sind die Erfassung des F&E-Aufwands,

eine eindeutige Zuordnung zu einer speziellen Technologie und die eindeutige Festlegung

der Leistungsfähigkeit in der Praxis mit Schwierigkeiten verbunden. Das Lebenszykluskon-

zept bietet trotzdem eine gute Basis für die Abschätzung des Verlaufs einer neuen Techno-

logie.

3.3.2 Das Erfahrungskurven-Konzept

In der Zukunftsbetrachtung spielt die Kostenentwicklung einer Innovation und deren techno-

logischen Alternativen eine wichtige Rolle. Werden die am Beginn eines Innovationszyklus

oftmals sehr hohen Stückkosten nicht dynamisiert, ergibt sich in der Regel eine für die Inno-

vation sehr ungünstige Bewertung. Das Erfahrungskurven-Konzept ist ein einfaches Werk-

zeug, mit dessen Hilfe die zukünftigen Stückkosten, bzw. die Wertschöpfungskosten, abge-

schätzt werden können. In den 40er Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts wurde festge-

stellt, dass mit zunehmender Produktionsstückzahl die Fertigungskosten pro Stück potenziell

sinken [47]. Ausgehend von dieser Lernkurve wurde in den 60er Jahren das Erfahrungskur-

venkonzept entwickelt, das alle Kostenelemente einer Geschäftseinheit, angefangen von

kumulierter F&E-Aufwand / Zeit

Lei

stu

ng

sfäh

igke

it d

er T

ech

no

log

ie

Bestehende Technologie

Neue Technologie


32

Forschung und Entwicklung bis hin zu Vertrieb, Produktion und Verwaltung, umfasst. Die

Kernaussage des Erfahrungskurvenkonzeptes ist, dass mit jeder Verdoppelung der kumulier-

ten Menge eines Produktes die Wertschöpfungskosten eines Stückes potenziell um 20-30%

zurückgehen [47]. Die Beziehung zwischen Kosten und Erfahrung ist von potenzieller Natur

und tritt nur ein, wenn das jeweilige Management in der Lage ist, die Optimierungen über alle

Funktionsbereiche zu realisieren. Es ist jedoch nach Hendersen [49] charakteristisch für die

Marktwirtschaft und den freien Wettbewerb, dass sie immer wieder Unternehmen hervorbrin-

gen, die dieses Potenzial zu realisieren verstehen. Der Rückgang der Kosten durch die Er-

fahrung ist in Abbildung 11 verdeutlicht.

0,1

1

10

100

100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Kumulierte Menge

Stü

ckko

sten

(Wer

tsch

öpfu

ngsa

ntei

l)

20% Rückgang30% Rückgang

Abbildung 11: Zusammenhang zwischen Kosten und Erfahrung nach dem Erfah-rungskurven-Konzept

Bei der praktischen Anwendung können sich nach Hendersen [49] verschiedene Schwierig-

keiten ergeben. Bei komplexeren Produkten wird eine exakte Abgrenzung erschwert, da sich

durch eine Vielzahl von Komponenten verschiedene Erfahrungskurven überlagern. Die exak-

te Zuordnung von Kosten zu dem jeweiligen Produkt ist in vielen Fällen aufgrund buchhalteri-

scher Optimierungen nicht mehr möglich. Zudem müssen Inflation und Produktverbesserun-

gen berücksichtigt werden. Wie das Lebenszykluskonzept ist die Erfahrungskurve nicht all-

gemein gültig. Die Prämisse eines freien Wettbewerbes ist bei den Komponenten für Innova-

tionen in der Markteinführungsphase nur gegeben, wenn die Entwicklungspartner, mit deren


33

Hilfe spezielle Komponenten entwickelt wurden, keine Monopolstellung einnehmen. Das

Erfahrungskurven-Konzept ist somit vor allem nützlich für das Verständnis langfristiger

Trends und weniger für kurzfristige Analysen geeignet.

3.3.3 Szenarien und Referenzsysteme

Neben der Betrachtung der technologischen Weiterentwicklung sind bei der Zukunftsbetrach-

tung auch Veränderungen der Bedarfsumwelt zu berücksichtigen. Aufgrund der vielfältigen

Verlaufsmöglichkeiten der zukünftigen Bedarfe entsteht ein großer Optionenraum mit hoher

Komplexität. Durch eine bloße Extrapolation in die Zukunft, die sich an bestehenden Bedar-

fen orientiert, werden die für Innovationen wichtigen Trendbrüche nicht erkannt und bei der

Bewertung vernachlässigt. Eine Möglichkeit, die Komplexität systematisch zu reduzieren,

stellen Szenarien dar. Ein Szenario ist die Beschreibung einer komplexen, zukünftigen Situa-

tion, deren Eintreten nicht mit Sicherheit vorhergesagt werden kann, aufgrund der vorliegen-

den Informationen und Entwicklungsmöglichkeiten jedoch als möglich angesehen werden

kann [50]. Bei der Entwicklung von Szenarien sind zwei unterschiedliche Vorgehensweisen

anwendbar. Bei explorativen Szenarien werden, ausgehend von der gegenwärtigen Situati-

on, durch Variation der Einflussgrößen verschiedene Zukunftsbilder entworfen. Je weiter der

Blick in die Zukunft reicht, desto weiter verzweigen sich die Alternativen bei ständig steigen-

der Komplexität. Antizipative Szenarien beginnen dagegen an einem konkreten Zukunftsbild,

das dabei einen starken Visions-Charakter einnimmt [50]. Ausgehend von diesem in der Zu-

kunft gesetzten Fixpunkt ergeben sich in Richtung der Gegenwart mehrere Entwicklungsver-

läufe. Antizipative Szenarien, die im Rahmen des Bewertungsprozesses technologischer

Alternativen zum Einsatz kommen, werden nach Pfeiffer et al. [50] auch als Referenzsysteme

bezeichnet.

Das Referenzsystem besitzt dadurch einen starken Prämissencharakter. Die Unsicherheiten,

die zwangsläufig bei der Erstellung eines Referenzsystems eingegangen werden müssen,

stellen den Hauptkritikpunkt bei der Szenarienerstellung dar. Auf der anderen Seite ergibt

sich durch ein antizipatives Szenario eine operationale Leitschnur für die Festlegung und

Strukturierung zukünftiger Arbeitspakete, die zur Erreichung des Referenzsystems notwendig

sind. Dadurch versetzt man sich in die Lage, aktiv an der prognostizierten Zukunftsentwick-

lung mitzuwirken.

3.4 Das Technologieportfolio

Die Portfolio-Analyse ist ein Instrument, das sehr komplexe Zusammenhänge auf eine zwei-

dimensionale Matrix reduziert und findet seit Beginn der 80er Jahre nach Gerpott [48] häufig


34

Verwendung in Wissenschaft und Praxis. Die Achsen der Matrix stellen meist den Zusam-

menhang zwischen einer vom speziellen Unternehmen nicht beeinflussbaren Größe und

einer von ihm beeinflussbaren Größe dar. Mittels so genannten Normstrategien wird ange-

geben, wie die im Portfolio befindlichen Inhalte zu managen sind. Eine der wichtigsten Portfo-

lio-Werkzeuge ist das Marktanteils-Marktwachstums-Portfolio der Boston Consulting Group.

Dessen Einsatz beschränkt sich jedoch auf bestehende Geschäftsfelder. Produkte, die sich

noch im Entstehungszyklus befinden und deren Markteintritt in der Zukunft liegt, werden im

Markt-Portfolio nicht berücksichtigt.

Um die Portfolio-Methodik auch für strategische Zukunftsgeschäftsfelder nutzbar zu machen,

wurde das Technologieportfolio von Pfeiffer et al. [47] mit den beiden Hauptdimensionen

Technologieattraktivität und Ressourcenstärke, die im Folgenden näher erläutert werden,

entwickelt. Die Technologieattraktivität ist eine exogene Größe und drückt allgemein die Vor-

zugswürdigkeit von Technologien in einer Rangreihe unabhängig von der unternehmensspe-

zifischen Situation aus [51]. Für quantitative Betrachtungen ist eine Verfeinerung der Definiti-

on notwendig. Hier sind in der Literatur unterschiedliche Betrachtungsweisen vorzufinden.

Die Technologieattraktivität spiegelt nach Gerpott [48] die technologischen und wirtschaftli-

chen Vorteile wider, die bei Ausschöpfung der technologieimmanenten Weiterentwicklungs-

potenziale erzielt werden. Die von Pfeiffer at al. [51] vorausgesetzte grundsätzlich positive

Einstellung zum technischen Wandel führt zu einer hohen Technologieattraktivität bei dyna-

mischen und niedrigen Attraktivitäten bei reifen Technologien. Das bedeutet, dass die Tech-

nologieattraktivität einer Technologie im Lauf des Lebenszyklus stetig abfällt. Zur Metrisie-

rung wird eine Skala mit den Dimensionen gering, mittel und hoch vorgeschlagen. In jünge-

ren Quellen von Pfeiffer et al. [50] wird die starke Kopplung der Technologieattraktivität an

den Lebenszyklus gelockert. Die quantitative Betrachtung erfolgt über einen Vergleich mit

konkurrierenden Technologien anhand von mehreren Kriterien, beispielsweise im Rahmen

einer Nutzwertanalyse, wodurch kardinale Skalen eingesetzt werden können. Verbesserun-

gen der Technologieeigenschaften durch Weiterentwicklungen sowie höhere Bedarfsanforde-

rungen ermöglichen bei dieser Betrachtungsweise Änderungen der Technologieattraktivität in

beiden Richtungen.

Die Ressourcenstärke als endogene Größe ist ein vom Unternehmen beeinflussbarer Para-

meter und drückt den technologischen und wirtschaftlichen Beherrschungsgrad eines Tech-

nologiefeldes durch das Unternehmen relativ zu den wichtigsten Konkurrenten aus. Für die

Quantifizierung des Kriteriums werden in der Literatur ebenfalls mehrere Ansätze vorgestellt.

Dabei treten jedoch keine wesentlichen Unterschiede auf und die Ressourcenstärke wird


35

meist in die beiden Subkriterien Finanz- und Know-How-Stärke unterteilt. In Abbildung 12 ist

ein Technologie-Portfolio mit den beiden Dimensionen Technologieattraktivität und Ressour-

censtärke zusammen mit den drei dazugehörigen Normstrategien dargestellt.

Abbildung 12: Das Technologie-Portfolio nach Pfeiffer et al. [47]

Bei hoher Technologieattraktivität und hoher Ressourcenstärke ergibt sich aus dem Portfolio

eine Investitionsempfehlung, während bei den gegenteiligen Wertungen die Desinvestition

vorgeschlagen wird. Technologien in der Region der Diagonale des Portfolios werden neutral

behandelt und müssen fallweise entschieden werden. Die grundsätzlichen Vorteile und Prob-

leme der Technologie-Portfolios sind von Gerpott [48] zusammengefasst. So steht mit der

Technologie-Portfolio-Methodik eine transparente, konsistente, systematische und z.T. theo-

retisch begründete Methodik zur Bewertung unterschiedlicher Technologiefelder bereit. Im

Portfolio wird ein ganzheitlicher, anschaulicher Eindruck der Struktur des Technologiefeldes

vermittelt und der Anstoß zur Erhebung und Zusammenfassung wichtiger Informationen für

jedes Technologiefeld gegeben. Darüber hinaus wird eine strukturierte Kommunikation auf

Basis der Portfolios ermöglicht. Der Anwendung des Technologieportfolios stehen jedoch

auch kritische Stimmen entgegen. So wird die Darstellung im Portfolio als eine übersimplifi-

zierende Informationsverdichtung auf zwei Dimensionen gesehen, die nicht in der Lage ist,

die komplexen Prozesse angemessen abzubilden. Die Allgemeingültigkeit der dem Techno-

logie-Portfolio zugrunde liegenden theoretischen Konzepte wird angezweifelt und die Frei-

heitsgrade durch die nicht eindeutig definierbaren Haupt- und Subkriterien kritisiert. Da im

Technologieportfolio die Attraktivität der Märkte nicht direkt berücksichtigt wird, sind mittler-

weile auch Mischformen zwischen Markt- und Technologieportfolio entwickelt worden [48].

Ressourcenstärke

niedrig hoch

Tec

hn

olo

gie

attr

aktiv

ität

nied

righo

ch

Investieren

Desinvestieren

Selektieren


36

Für die Anwendung des Technologieportfolios an Forschungseinrichtungen ist zudem die

endogene Dimension Ressourcenstärke näher zu betrachten. Die Ressourcenstärke ist ein

aggregiertes Bewertungsergebnis, das ausdrückt, in welchem Ausmaß die bewertende Un-

ternehmung bzw. die Forschungseinrichtung relativ zu den potenziellen Konkurrenten über

die Voraussetzungen verfügt, die betrachtete technologische Alternative zur Anwendung zu

bringen. Damit stellt sich grundsätzlich die Frage, ob das Kriterium auf die Ressourcen der

Forschungseinrichtung oder auf das bzw. die Unternehmen, die die Innovation zur Marktreife

bringen sollen, bezogen wird. Diese Frage kann anhand der beiden Subkriterien Know-how-

und Finanzstärke untersucht werden. Für Unternehmen ist die Know-how-Stärke ein wichti-

ges Kriterium, da sie bestrebt sind, Wissensmonopole aufzubauen und den Wissensvor-

sprung im Wettbewerb vorteilhaft einzusetzen. Bei Forschungseinrichtungen wird jedoch

gerade das Gegenteil angestrebt. Forschungseinrichtungen haben bei den von ihnen entwi-

ckelten Technologien zwangsläufig eine hohe Know-how-Stärke. Durch den Technologie-

transfer wird versucht, das Wissensgefälle zwischen Forschungseinrichtung und Umwelt

abzubauen und das vorhandene Wissen nutzbringend den Unternehmen, aber auch anderen

Forschungseinrichtungen, zugänglich zu machen. Die Know-how-Stärke ist damit als Bewer-

tungskriterium ungeeignet. Auch das zweite Unterkriterium der Ressourcenstärke, die Fi-

nanzstärke, lässt sich nicht problemlos auf Forschungseinrichtungen übertragen. Durch den

in Kap. 2.2 beschriebenen Wandel von einer institutionellen zu einer projektorientierten For-

schungsförderung hängt die Finanzkraft einer Einrichtung nicht nur von dem aktuellen Status

der Forschungseinrichtung, sondern zunehmend von der Qualität der Projektvorschläge ab.

Die Bewertung einer Idee sollte deshalb nicht maßgeblich von der aktuellen Finanzkraft der

Forschungseinrichtung abhängen. Schließlich soll noch der Fall betrachtet werden, dass die

Realisierung einer aussichtsreichen Idee eine aufwendige Infrastruktur benötigt, die an der

Forschungseinrichtung nicht vorhanden und auch kurzfristig nicht aufgebaut werden kann.

Hier bieten sich in den meisten Fällen Kooperationsmöglichkeiten an. Damit sprechen meh-

rere Gründe gegen die Verwendung der Ressourcenstärke der Forschungseinrichtung.

Die zweite Alternative besteht in dem Bezug der Ressourcenstärke auf die Unternehmen, die

in Kooperation mit der Forschungseinrichtung die Innovation am Markt platzieren wollen. Für

die Innovationsbewertung an Forschungseinrichtungen ist jedoch zu bedenken, dass insbe-

sondere in der Frühphase das Bestehen einer derartigen Kooperation nicht voraussetzbar ist.

In diesem Fall müsste die Ressourcenstärke für noch gar nicht bekannte Unternehmen ab-

geschätzt werden, was zweifelsohne die Belastbarkeit der Ergebnisse beträchtlich vermin-

dern würde. Die Ressourcenstärke der Kooperationspartner ist somit ebenfalls keine geeig-


37

nete Portfoliodimension, so dass das Kriterium Ressourcenstärke für die Bewertung von

Ideen an Forschungseinrichtung ungeeignet ist. Für den Einsatz in Forschungseinrichtungen

ist somit eine Methodenvariation des Technologieportfolios notwendig.

3.5 Das Funktionalmarktkonzept

Die bisher vorgestellten Methoden bezogen sich jeweils auf Einzelschritte des in Abbildung 4

vorgestellten Innovationsprozesses. Das Funktionalmarktkonzept von Pfeiffer et al. [50] da-

gegen umfasst den Prozess von der Ideengewinnung bis zu der Erstellung eines Handlungs-

programms und soll gewährleisten, dass Unternehmen in einer dynamischen Umwelt das

Chancen- und Bedrohungspotential prinzipieller Innovationen erfolgreich managen. Es soll

außerdem sicherstellen, dass die von prinzipiellen Innovationen ausgehenden Bedrohungen

für vorhandene Technologien bzw. Märkte frühzeitig erkannt werden und dass Chancen mit

neuen, aber auch schon bestehenden Technologien auf vorhandenen oder völlig neuen

Märkten ausgeschöpft werden.

Der Kern des Funktionalmarktkonzeptes besteht in einer veränderten Innovationsbetrachtung

von der Produkt- zu einer Funktionssicht. Die hierfür notwendige Abstrahierung von Bedarf

und Potenzial setzt dabei ein neues Marktverständnis voraus, was durch die Einführung des

Begriffs Funktionalmarkt verdeutlicht wird. Ein Funktionalmarkt umfasst alle technologischen

Potentiale, die dazu geeignet sind, einen bestimmten, durch funktional-abstrakte Beschrei-

bungskriterien abgegrenzten Bedarf zu decken. Diesen Anforderungen entsprechend, wer-

den potentielle Märkte nicht nur anhand der äußeren Erscheinungsformen der aktuellen Pro-

dukte beschrieben, d.h. es wird nicht strukturorientiert-phänomenologisch vorgegangen, son-

dern durch die Wahl funktional-abstrakter Beschreibungskriterien sowohl für das Angebot als

auch die Nachfrage eine allgemeinere Sicht eingenommen. Bei der Suche nach den Ver-

knüpfungen zwischen Bedarf und Potenzial kann entweder von der Potentialseite ausgehend

nach möglichen passenden Bedarfen oder von der Bedarfsseite nach adäquaten Potentialen

bzw. Technologien gesucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein technologisches Po-

tenzial vorausgesetzt, so dass sich die nachfolgende Vorstellung auf den potenzialseitigen

Fall konzentriert. Der in Abbildung 13 skizzierte Ablauf einer Funktionalmarkt-Analyse ver-

läuft in drei Schritten, die mit Exploration, Bewertung und Strategieformulierung bezeichnet

werden.

In der Explorationsphase einer potentialbasierten Funktionalmarkt-Analyse soll ausgehend

vom betrachteten technologischen Potential dessen potentieller Gesamtmarkt ermittelt wer-

den, d.h. es sind alle Funktionalmärkte zu ermitteln, in denen das betrachtete Potential als


38

Problemlösungsmittel in Betracht kommt. Der Ablauf der Exploration ist durch zwei grundle-

gende Schritte gekennzeichnet: Zunächst ist das technologische Potential als solches funkti-

onal-abstrakt zu beschreiben. Anschließend sind die Bedarfsfelder zu suchen und zu be-

schreiben, in denen aktuell und vor allem zukünftig ein entsprechender Funktionsbedarf exis-

tiert.


39

Abbildung 13: Ablauf einer potenzialbasieren Funktionalmarkt-Analyse nach Pfeif-fer et al. [50]

Ansatzpunkt:Problemlösungs-

potential derTechnologie

Identifizierter funktional-abstrakter "Fit" zwischen

Potential und Bedarfen

Bewertung für Funktionalmarkt 1

Stra

tegi

efor

mul

ieru

ngB

ewer

tung

Exp

lora

tion

Potentieller Gesamtmarkt(Summe aller Funktional-

märkte bzw. Anwendungen)

? ? ?

P

Bewertung für Funktionalmarkt n

Anwendungen?

Beschre ibung dera k t u e l le n Technolgie unddes a k t u e l le n Produkt e s

A

Beschre ibung a k t u e l l e ru n d z u k ü n f t ig e r Bedar fe

BP

TA

RS

X

X

X

X

PotentialbasierteFunktionalmarkt-Analyse

Verdichtung und Interpretation über die

Funktionalmärkte 1 bis n

TA

RS

X

Y

Z

Ermittlung des Voraus-setzungs- und Konsequenzen-

zusammenhangs mittelsPrinzipkonstruktionen

Verdichtung und Interpretation fürFunktionalmarkt 1

Bewertungskriterien RS fktl.-äquiv. AlternativenX Y Z ...

personelle R.materielle R.OrganisationRechteFinanzen

t0t1

ÖkonomischeEignung

Integrations-eignung

Technisch-funktionale Eig.

Bewertungskriterien TA fktl.-äquiv. AlternativenX Y Z ...

t0

t1

Bestimmung der Merkmals-ausprägungen für aktuelleund zukünftige Zeitpunkte

anhand von Referenzsystemen

Operationalisierungrelevanter Bewer-tungsmerkmale

t0 t1

KomplementäreTechnologien

Nach-gelagerteSysteme

Tech-nologie

Vor-gelagerteSysteme

- Se lekt ion des potent ie llen Eigenmark t e s bzw . at t r ak- t iver Funkt ionalmärkt e- Planung der Markt - eint r it t sr e ihenf o lge- Organisat ion der not - w endigen kom p le - men t ären Ressourcen- ...

Fnktmarkt 1

Funk-tional-märkte

Zeithorizont

kurz-fristig

mittel-fristig

lang-fristig

!

Fnktmarkt ...

Fnktmarkt n

Handlungsprogramm


40

Im Anschluss an die Exploration erfolgt die Bewertung der verschiedenen Potenziale auf der

Basis von Prinzipkonstruktionen. Dies sind Konzepte von Zukunftsprodukten unter Einbezie-

hung der betrachteten Technologie und unter Berücksichtigung der vor- und nachgelagerten

Systeme. Dabei wird die in Kap. 3.2.2 beschriebene Nutzwertanalyse verwendet. Die Bewer-

tung erfolgt dabei zweidimensional mit den Kriterien Technologieattraktivität und Ressour-

censtärke. Die beiden Hauptkriterien sind weiter untergliedert in technische, integrale und

ökonomische Eignung für die Technologieattraktivität und personelle Ressourcen, materielle

Ressourcen, Organisation, Rechte und Finanzen für die Ressourcenstärke. Das Bewer-

tungsergebnis der beiden Hauptkriterien wird in einem bereits in Kap. 3.4 vorgestellten Tech-

nologieportfolio dargestellt. Bei dem gesamten Bewertungsvorgang ist dabei ein starker Zu-

kunftsbezug von großer Bedeutung. In der letzten Phase einer Funktionalmarktanalyse erfol-

gen die Strategieformulierung und die Erstellung eines Handlungsprogramms. Die Aggrega-

tion der funktionalmarktspezifischen Bewertungen eines Potentials bietet einen guten Über-

blick hinsichtlich des Gesamtmarkts einer Technologie, d.h. der Gesamtheit der erschließba-

ren Funktionalmärkte. Auf dieser informatorischen Grundlage ist es nun möglich, diejenigen

Funktionalmärkte zu selektieren, auf denen das Unternehmen mit seinem technologischen

Potential aktiv werden will und für die relevanten Funktionalmärkte eine zeitliche Zielsetzung

festzulegen.

Das Funktionalmarkt-Konzept kombiniert zum einen mehrere bereits vorgestellte Innovati-

onsmanagement-Elemente wie Nutzwertanalyse und Technologieportfolio, so dass die dort

beschriebenen Vor- und Nachteile auf das Funktionalmarkt-Konzept übertragen werden kön-

nen. Der inhaltliche Kern ist jedoch in der Abkehr von einer strukturorientiert-

phänomenologischen hin zu einer funktional-abstrakten Technologiebetrachtung zu sehen.

41

4 Entwicklung einer Innovationsmanagement-Methodik für For-

schungseinrichtungen

Basierend auf den in Kap. 3 vorgestellten Methoden wird in diesem Kapitel eine für For-

schungseinrichtung anwendbare Innovationsmanagement-Methodik entwickelt, mit der die

Ableitung einer Forschungsstrategie unterstützt wird.

4.1 Methodische Unterstützung der Ideengewinnung

Sowohl die in Kap. 3.1.2 beschriebenen Kreativitätstechniken als auch das in Kap. 3.5 vor-

gestellte Funktionalmarktkonzept unterstützen die Bildung von Verknüpfungen zwischen dem

betrachteten technischen Potenzial und einem konkreten Anwendungsproblem. Dies setzt

voraus, dass Kenntnisse über das Anwendungsumfeld vorhanden sind, die eine Problemer-

kennung überhaupt erst ermöglichen. Damit verlangen die Methoden, dass die entsprechen-

den Anwendungsprobleme, die mit dem Potenzial gelöst werden können, zumindest unter-

bewusst bei einem Teilnehmer der Kreativitätssitzung bekannt sind. Diese Voraussetzung ist

jedoch nur erfüllt, wenn mindestens ein Teilnehmer mit dem Problem bereits in Berührung

kam. Davon kann bei Anwendungen aus dem täglichen Umfeld ausgegangen werden, bei

spezifischeren Problemstellungen sind diese Informationen dagegen nur bei Experten der

Anwendung vorhanden. In letzterem Fall sind Expertengespräche bei der Ideengenerierung

unverzichtbar.

Zur Ideengenerierung benötigen die Experten eine Vorstellung über das Problemlösungspo-

tenzial der Technologie. Somit ist zwischen den beiden im Funktionalmarktkonzept in Kap.

3.5 beschriebenen Schritten in der Explorationsphase zur Technologiebeschreibung und

Bedarfssuche ein zusätzlicher Kommunikationsschritt notwendig. Da die Experten für die

gesuchten Anwendungsfelder nicht a priori bekannt sind hat die Kommunikation durch Publi-

kationen, Fachtagungen oder auf Messen zu erfolgen. Die Kommunikationsaktivitäten stellen

dadurch einen wichtigen Erfolgsfaktor dar. Die im Funktionalmarktkonzept geforderte funktio-

nal-abstrakte Technologiebeschreibung ist im Hinblick auf die Kommunikation weniger ge-

eignet. So würden beispielsweise viele Heizungstechniker kein großes Interesse bekunden,

wenn sie auf einer Messe von einem neuen Stabilisierungsmechanismus für exotherme,

chemische Reaktionen erfahren würden. Dabei handelt es sich um eine funktional-abstrakte

Beschreibung der Porenbrennertechnologie. Die Technologiebeschreibung erfordert deshalb

neben der Abstraktion auch konkretisierende Elemente. Diese ambivalente Anforderung

kann über eine baumartige Struktur der Technologiedarstellung erfüllt werden. An der Spitze

des Baums steht dabei die abstrakt beschriebene Technologie, in der zweiten Ebene erfolgt

4 Entwicklung einer Innovationsmanagement-Methodik für Forschungseinrichtungen

42

eine funktionale Aufteilung, wonach sich die einzelnen Äste des Baums zu den einzelnen

Anwendungen trennen. Der in Abbildung 14 schematisch dargestellte Technologiebaum

dient damit als Kommunikationswerkzeug und kann zusätzlich zur strukturierten Sammlung

vorhandener Ideen bzw. zum Anstoß bei der Generierung neuer Ideen eingesetzt werden.

Abbildung 14: Der Technologiebaum in allgemeiner Darstellung

4.2 Ideenbewertung

In Kap. 3.4 wurde das Technologieportfolio vorgestellt, das als nützliches Werkzeug bei der

Bewertung von Technologien in Unternehmen eingesetzt wird. Wie bereits aufgezeigt, kann

die Methodik nicht direkt auf Forschungseinrichtungen übertragen werden, da das Kriterium

Ressourcenstärke nicht sinnvoll anwendbar ist. Somit ist an dieser Stelle eine Methodenvari-

ation für Forschungseinrichtungen durchzuführen. Darüber hinaus soll auch die in Kap. 2.3

genannte Anforderung einer pragmatischen Vorgehensweise berücksichtigt werden. Dazu

werden Vereinfachungen im Bewertungsprozess selbst diskutiert und die Möglichkeit vorge-

stellt, den Bewertungsumfang durch den Einbau einer Vorselektion zu reduzieren.

4.2.1 Einbau einer Vorselektion

Das Funktionalmarkt-Konzept sieht bei der Bewertung vor, alle denkbaren Funktionalmärkte

im Rahmen einer Nutzwertanalyse zu untersuchen. Um den damit verbundenen Aufwand zu

reduzieren, bietet sich eine Vorselektion mit qualitativen Methoden an, um Ideen mit offen-

sichtlich niedrigem Potenzial auszufiltern. In Kap. 3.2.1.1 wurde bereits die Differenzierung

zwischen Kann- und Muss-Kriterien eingeführt. Die dort genannten Muss-Kriterien werden im

Folgenden auf ihre Anwendbarkeit im Rahmen einer Vorselektion an Forschungseinrichtun-

gen überprüft.

Das erste, in Kap. 3.2.1.1 genannte Kriterium, ist die Realisierbarkeit einer Idee. In vielen

Fällen ist die Überprüfung der Realisierbarkeit das Ziel der Arbeiten an Forschungseinrich-

Anwendungs-feld 1

Funktion 1

Funktion 2

Technologie

Anwen-dung A

Anwendungs-feld 2

Anwen-dung B

Anwen-dung C

Anwen-dung D


43

tungen. Nach dem Produktlebenszykluskonzept ist die Minimierung der Unsicherheit eine

wesentliche Aufgabe der Arbeiten im technisch-wissenschaftlichen Vorfeld. Ein hoher Grad

an Unsicherheit sollte deshalb an Forschungseinrichtungen nicht als Ausschlusskriterium für

Ideen verwendet werden. Das Kriterium ’Realisierbarkeit’ ist dadurch nur in Fällen einzuset-

zen, bei denen konkrete Problemstellungen ohne Lösungsansätze vorhanden sind und einer

Umsetzung der Idee entgegenstehen. Die Konformität mit den Unternehmensgrundsätzen

stellt das zweite Kriterium dar, wobei anstelle der Unternehmensgrundsätze die Grundsätze

der Forschungseinrichtung betrachtet werden müssen. Dieses Kriterium greift nur, wenn die

Forschungseinrichtung bestimmte Anwendungsfelder durch vorhandene Leitlinien explizit

ausschließt. Dieser Fall trifft im Rahmen der Arbeit nicht zu und wird deshalb nicht weiter

betrachtet. Das dritte Kriterium, das die Verletzung der gesetzlichen Rahmenbedingungen

durch Innovationen beinhaltet, tritt ebenfalls nur in speziellen Fällen, wie beispielsweise bei

der Gentechnik, ein. In der Porenbrennertechnologie ist keine Anwendung bekannt, die ge-

nerell gegen die gesetzlichen Rahmenbedingungen verstößt. Das vierte Kriterium, die

Schutzrechtsproblematik, kann aufgrund der unterschiedlichen Interessenlage zwischen For-

schungseinrichtung und Unternehmen die Umsetzung einer Idee verzögern oder verhindern.

Als Ausschlusskriterium ist das Kriterium jedoch nur heranzuziehen, wenn die Kommerziali-

sierung einer Anwendung durch bestehende Schutzrechte ausgeschlossen wird.

Aus diesen Überlegungen geht hervor, dass durch die Anwendung der vorgestellten Muss-

Kriterien an Forschungseinrichtungen nicht mit einer deutlichen Reduktion der Ideenanzahl

zu rechnen ist. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Arbeit noch zwei weitere Muss-

Kriterien verwendet. Zum einen werden Ideen, bei denen offensichtlich zukünftig kein oder

nur ein ganz geringer Markt vorhanden ist, ausgeschlossen. Bei prinzipiellen Innovationen ist

dieses Kriterium mit Vorsicht anzuwenden, da Vorhersagen über völlig neu zu schaffende

Märkte schwer durchzuführen sind. Damit eignet sich das Kriterium besser für existierende

Märkte mit bestehenden Verwendersystemen. Weiterhin ist der Konkretisierungsgrad einer

Idee als Muss-Kriterium verwendbar. Zur Bewertung einer Idee im Rahmen der Nutzwertana-

lyse ist eine aussagekräftige Prinzipskizze notwendig. Ohne ein derartiges Konzept können

viele Bewertungskriterien nicht angegeben werden. Ideen, die nur als Schlagwort ohne kon-

zeptionellen Hintergrund bestehen, müssen deshalb entweder weiterentwickelt werden oder,

falls dies nicht kurzfristig im Rahmen des Bewertungsvorganges möglich ist, aus dem laufen-

den Bewertungsprozess ausgeschlossen werden. In letzterem Fall ist die Konzeptentwick-

lung für die ausgeschlossenen Ideen in das Handlungsprogramm aufzunehmen, so dass die

Ideen im Rahmen einer zukünftigen Bewertungsrunde berücksichtigt werden können. Es ist


44

hierbei sicherzustellen, dass keine Ideen aufgrund fehlender Konkretisierung aus dem Inno-

vationsprozess ausgeschlossen werden.

4.2.2 Modifikation des Technologieportfolios für Forschungseinrichtungen

Wie bereits in Kap. 3.4 dargelegt, ist das Technologieportfolio aufgrund der Dimension Res-

sourcenstärke an Forschungseinrichtungen nicht sinnvoll einsetzbar. Deshalb wird der in

Abbildung 10 bereits vorgestellte S-förmigen Leistungsverlauf der Technologien mit der Port-

folio-Methodik kombiniert. Bereits auf Basis der S-Kurve können Aussagen über die Vorteil-

haftigkeit einer Technologie getroffen werden. Übertrifft die betrachtete Technologie im be-

trachteten Anwendungsfeld die konkurrierenden Technologien hinsichtlich der Technologie-

attraktivität und ist der dafür notwendige F&E-Aufwand bzw. die notwendige Zeit gering, ist

das Anwendungsfeld attraktiver als im umgekehrten Fall. Die Verwendung der gesamten

Leistungsverläufe als Entscheidungsgrundlage beinhaltet jedoch zwei wesentliche Nachteile.

Die Erstellung des zeitlichen Verlaufs erfordert einerseits einen hohen Aufwand, da eine ex-

akte Vorhersage der Zukunft nicht möglich ist und deshalb jeweils verschiedene Verlaufs-

möglichkeiten betrachtet werden müssen. Andererseits geht durch die Vielzahl an Kurven bei

einer größeren Zahl an Anwendungsfeldern die Gesamtübersicht verloren und ein Vergleich

verschiedener Funktionalmärkte wird erschwert.

Beide Nachteile können jedoch durch eine konzeptionelle Ergänzung kompensiert werden.

Durch einen Normierungsschritt ist die Komplexität ohne Informationsverlust bei der Ent-

scheidungsfindung reduzierbar. Da nicht die absolute Position, sondern die Stellung relativ

zu den konkurrierenden Technologien von Bedeutung ist, kann an dieser Stelle der Quotient

der Technologieattraktivitäten (TAneu/TAbestehend) als Parameter verwendet werden. In

Abbildung 15 ist die normierte Darstellung der Technologieattraktivität für ein Szenario auf-

gezeigt, die den Wert 1 bzw. 100% überschreitet, sobald die betrachtete Technologie mit den

Konkurrierenden gleichgezogen ist.


45

Abbildung 15: Normierung der Technologieattraktivität

Sind mehrere alternative Technologien im Wettbewerb, wird für die Quotientenbildung die mit

der jeweils höchsten Technologieattraktivität gewählt. Durch den Normierungsschritt wird

damit ein Vergleich völlig verschiedener Anwendungsfelder ermöglicht.

Die Erstellung kompletter zeitlicher Verläufe für verschiedene Szenarien erfordert jedoch

noch immer einen hohen Aufwand. In einem zweiten Vereinfachungsschritt werden deshalb

die in Kap. 3.3.3 vorgestellten Referenzsysteme eingesetzt. Dabei sind antizipative Szena-

rien mit konkreten Zukunftsentwürfen zu entwickeln. Über diese in der Zukunft liegende Fix-

punkte wird die zukünftige Bedarfsumwelt ermittelt, die sich in Form von Bewertungskriterien

und dazugehörigen Gewichtungsfaktoren konkretisieren lässt. Analog dem Bedarfsumfeld ist

auch für die Potenzialseite eine Dynamisierung vom derzeitigen Zustand auf das Zukunftsbild

durchzuführen. Dabei können S-Kurve und Erfahrungskurve unterstützend eingesetzt wer-

den. In diesem Zukunftsbild ist der Vergleich der betrachteten mit den konkurrierenden

Technologien durchzuführen. Durch die Dynamisierung von Bedarf- und Potenzialseite kann

die Technologieattraktivität der betrachteten Technologie für das Referenzsystem bestimmt

werden.

Die Festlegung des Referenzsystems im Rahmen des Bewertungsvorgangs ist insbesondere

in einem dynamischen Umfeld ein kritischer Schritt. Hier kann durch die Betrachtung mehre-

rer Szenarien und einer häufigeren Aktualisierung entgegengewirkt werden. In Abbildung 16

ist das Referenzsystem in die Leistungskurve eingefügt.

kumulierter F&E-Aufwand bzw. Zeit

Tech

nolo

giea

ttra

ktiv

ität

0

100

norm

iert

e Te

chno

logi

eatt

rakt

ivit

ät

TA (neu)

TA (bestehend)

TA (neu) / TA (bestehend)


46

Abbildung 16: Vereinfachung mit Referenzsystem

Entscheidungsrelevant für den Bewertungsvorgang sind die Technologieattraktivität des Re-

ferenzsystems und der Abstand des Referenzsystems zum Ist-Stand hinsichtlich Zeit bzw.

F&E-Aufwand. Der Ist-Stand der Technologieattraktivität geht damit nur indirekt über Zeit

bzw. F&E-Aufwand in die Bewertung ein. Für jedes Anwendungsfeld kann die Informations-

vielfalt dadurch auf zwei Dimensionen reduziert werden. So können die auf das Referenzsys-

tem bezogene Technologieattraktivität zusammen mit dem für eine Umsetzung benötigten

F&E-Aufwand bzw. der notwendigen Zeit in einem Portfolio dargestellt werden. Abbildung 17

zeigt beispielhaft ein modifiziertes Portfolio mit 3 Anwendungen. In Anlehnung an das Tech-

nologieportfolio, das rechts oben die attraktivsten und links unten die am wenigsten attrakti-

ven Technologien enthält, wird auf der Abszisse eine absteigende Skalierung gewählt.

0

100

kumulierter F&E-Aufwand / Zeit

no

rmie

rte

Tec

hn

olo

gie

attr

aktiv

ität

TA

zz0

Ist-Zustand

Referenz-system

benötigter F&E-Aufwand bzw. Zeit


47

Abbildung 17: Portfoliodarstellung

In Kap. 3.4 bei der Kritik des Technologieportfolios wurde bereits erwähnt, dass die Attraktivi-

tät des mit einer Technologie erreichbaren Marktes nicht direkt in das Technologieportfolio

eingeht. So ist aus dem Technologieportfolio nicht zu entnehmen, ob eine Anwendung auf

einen Massenmarkt oder eine Marktnische abzielt. Eine einfache Visualisierung des Marktpo-

tenzials im Portfolio kann über die Größe der Portfolioinhalte realisiert werden.

Darüber hinaus wurden bei den bisherigen Betrachtungen keine Risiken berücksichtigt. Die-

se sind jedoch auf der Potenzial- und der Bedarfseite existent. Auf der Potenzialseite besteht

die Gefahr, dass die angestrebten Funktionen mit der Technologie nicht oder nur mit zusätz-

lichen Ressourcen erreicht werden können. Damit ist das Risiko der Potenzialseite als Wahr-

scheinlichkeit zu interpretieren, dass die bei der Ermittlung der Technologieattraktivität

zugrunde gelegte Leistungsfähigkeit der Technologie nicht erreicht wird. Dieses Risiko wird

im weiteren Verlauf als technologisches Risiko bezeichnet und beinhaltet technisch-

funktionale, ökonomische und Integrationsaspekte. Auf der Bedarfseite ist zum einen ein

unternehmensübergreifendes Risiko vorhanden, dass ein bestehendes Verwendersystem

substituiert wird oder dass sich ein neues Verwendersystem nicht wie erwartet am Markt

durchsetzen kann. Dieses Risiko wird als Marktrisiko bezeichnet. Daneben bestehen vielfälti-

ge Risiken bei der Umsetzung in einem Unternehmen. Da, analog zu der Argumentation in

Kap. 3.4, keine unternehmensinternen Parameter in die Bewertung einfließen, beschränkt

sich die Risikobetrachtung der Bedarfseite auf das Verwendersystem.

Tec

hnol

ogie

attr

aktiv

ität

Benötigter Zeit- bzw. F&E-Bedarfsehr hoch hoch mittel niedrig sehr niedrig

sehr

nie

drig

nied

rigm

ittel

hoch

sehr

hoc

h

Anwendung 1

Anwendung 3

Anwendung 2


48

Wie bereits am integrierten Lebenszyklus aufgezeigt, verhalten sich die Unternehmen in der

Beobachtungsphase passiv. Erst wenn die Ergebnisse aus dem wissenschaftlichen Umfeld

einen gewissen Grad der Unsicherheit unterschreiten, werden Aktivitäten gestartet. Eine

starke Risikoorientierung der Forschungseinrichtungen hätte somit zur Folge, dass riskante

Ideen nicht weiterverfolgt werden. Bei der Innovationsbewertung an Forschungseinrichtun-

gen ist deshalb sicherzustellen, dass Ideen mit Visionscharakter, die grundsätzlich ein hohes

Risiko aufweisen, nicht automatisch aussortiert werden. Das Risiko sollte bei der Bewertung

deshalb nur zur Differenzierung von Alternativen mit ansonsten ähnlichen Bewertungen he-

rangezogen werden und kann im Portfolio durch verschiedene Farben gekennzeichnet wer-

den. In Abbildung 18 ist das Portfolio dargestellt.

Abbildung 18: Portfoliodarstellung mit Marktpotenzial und Risiko

4.2.3 Informationsbeschaffung bei der Bewertung

Für das Portfolio sind neben Technologieattraktivität und benötigtem F&E-Aufwand Informa-

tionen über Marktpotenzial und Risiko zusammenzustellen. Die Vorgehensweise bei der In-

formationsbeschaffung steht im Folgenden im Mittelpunkt.

4.2.3.1 Technologieattraktivität

Die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Ermittlung der Technologieattraktivität kann von

dem in Kap. 3.5 vorgestellten Funktionalmarktkonzept übernommen werden. An dieser Stelle

werden die für jeden Teilschritt der Nutzwertanalyse benötigten Informationen betrachtet. Vor

Tec

hnol

ogie

attr

aktiv

ität

Benötigter Zeit- bzw. F&E-Bedarf

sehr hoch hoch mittel niedrig sehr niedrig

sehr

nie

drig

nied

rigm

ittel

hoch

sehr

hoc

h

Anwendung 1

Anwendung 3

Anwendung 2

Risiko

niedrig

mittel

hoch

Marktpotenzial

niedrig

mittel

hoch


49

dem Beginn der Nutzwertanalyse sind die Bewertungsalternativen festzulegen. Neben inter-

nem Know-how können hierfür Informationen durch Expertengespräche und aus der Literatur

gewonnen werden. Gleiches gilt für die Ermittlung der Bewertungskriterien. Durch die Ge-

wichtung werden die Kundenanforderungen quantifiziert, was durch direkten Input eines Ex-

perten der Bedarfsseite durchgeführt werden sollte, da diese Informationen in der Regel nicht

in der Literatur zu finden sind. Zur Objektivierung ist das Hinzuziehen von mehreren Experten

sinnvoll, was jedoch bei hochspezifischen Anwendungen nicht immer möglich ist. Die zur

Bewertung der verschiedenen Alternativen erforderlichen Informationen können aus der Lite-

ratur, durch Experten und aus eigenen Arbeiten entnommen werden. Nicht existierende In-

formationen müssen abgeschätzt oder bei größeren Unsicherheiten über mehrere Szenarien

abgedeckt werden. Die in vielen Fällen zeitverzögerte Veröffentlichung von Informationen

oder gezielte Geheimhaltungen führen zu unvermeidbaren Informationslücken. Die Trans-

formierung der dimensionsbehafteten in dimensionslose Werte beinhaltet wiederum die Kun-

denanforderungen, so dass dieser Schritt im Rahmen von Expertengesprächen durchzufüh-

ren ist. In Abbildung 19 sind die im Rahmen einer Nutzwertanalyse möglichen Informations-

quellen zusammengestellt.

Abbildung 19: Informationsquellen bei dem Bewertungsprozess

Der Schritt zur Überführung in die Dimensionslosigkeit wird an dieser Stelle noch näher be-

trachtet. Nach dem in Kap. 3.2.2.1 vorgestellten Ablauf der Nutzwertanalyse ist eine Bewer-

tungsfunktion für jede Anwendung und für jedes Bewertungskriterium zu erstellen. Nur in

Ausnahmefällen lässt sich die Bewertungsfunktion an tatsächlichen Gegebenheiten, wie bei-

spielsweise an gesetzlich vorgeschriebenen Emissionswerten, festmachen. Die bei der Er-

stellung der Bewertungsfunktion einfließende Subjektivität wurde bereits in Kap. 3.2.2.1 als

Kritikpunkt vermerkt. Der in Abbildung 20 skizzierte Prozess von der dimensionsbehafteten

zu einer dimensionslosen Bewertung mit einer Bewertungsfunktion kann in vier Unterschritte

geteilt werden. Am Beginn sind Informationen durch Recherchen und Experten zu sammeln.

Ermittlung der Alternativen

Ermittlung Kriterien

Gewichtung Kriterien Bewertung

Transformierung zur Dimensions-

losigkeit

Experten

Literatur

Experten

Literatur

Experten

Internes Know-how

Experten

Literatur

Experten

Internes Know-how

Internes Know-how


50

Auf Basis dieser Informationen findet eine Beurteilung statt, die in eine Funktion überführt

wird. Durch einsetzen der Zielertragswerte in die Funktion werden die Zielerfüllungsgrade

erhalten. Die Bewertungsfunktion bringt die bereits vorhandenen Informationen in eine forma-

lisierte Struktur.

Abbildung 20: Prozessschritte bei der Transformation dimensionsbehafteter in dimensionslose Werte mit Bewertungsfunktion

Bei einer großen Anzahl an Bewertungsalternativen können die Zielerträge durch die Funkti-

on automatisiert in die Zielerfüllungsgrade transformiert werden. Sind jedoch nur wenige

Bewertungsalternativen vorhanden, erbringt die Funktionserstellung keinen erkennbaren

Nutzen. Dadurch ist es in diesen Fällen sinnvoll, die Zielerfüllungsgrade, wie in Abbildung 21

skizziert, gemeinsam mit Experten zu ermitteln und auf die Funktion zu verzichten.

Abbildung 21: Prozessschritte bei der Transformation dimensionsbehafteter in dimensionslose Werte mit Expertengespräch

4.2.3.2 F&E-Aufwand bzw. Zeit

Bei dem in Kap. 4.2.2 entwickelten Portfolio können auf der Abszisse Zeit oder der benötigte

F&E-Aufwand verwendet werden. Die Entscheidung, welche Größe zum Einsatz kommt,

kann anhand der Reife des Verwendersystems getroffen werden. Zielt die betrachtete Tech-

nologie stärker auf die Substitution von Funktionen in bestehenden Systemen, stellt der be-

nötigte F&E-Aufwand die aussagekräftigere Größe dar, da die Zeit stark durch Erhöhung

oder Erniedrigung der F&E-Ressourcen beeinflusst werden kann. Soll die betrachtete Tech-

nologie verstärkt in Systemen zum Einsatz kommen, die erst in Zukunft die Marktfähigkeit

erlangen werden, ist die Zeitachse vorteilhaft. Da die Mehrzahl der Porenbrenneranwendun-

gen auf bestehende Verwendersysteme zielt, wird der benötigte F&E-Aufwand in dieser Ar-

beit ausgewählt.

Der benötigte F&E-Aufwand enthält grundsätzlich die Aufwendungen, die notwendig sind, um

die Technologieattraktivität vom derzeitigen auf den zukunftsorientierten Stand des Refe-

Dimensions-behaftete

BewertungExpertengespräch

Dimensions-lose

Bewertung

Dimensions-behaftete

Bewertung

Informations-suche

Beur-teilung

Aufbau Funktion

Anwendung Funktion

Dimensions-lose

Bewertung

Experten


51

renzsystems zu bringen und bezieht sich auf die direkt mit der Technologie zusammenhän-

genden Funktionen. Für eine Quantifizierung sind die einzelnen Arbeitspakete zu formulieren

und der Bedarf an Ressourcen für jedes Arbeitspaket festzulegen. Diese Vorgehensweise ist

zum einen immer mit Unsicherheiten verbunden und zum anderen relativ aufwendig. Zur

Vereinfachung ist es zweckmäßig, bei der Skalierung keine Kardinalskala zu verwenden. Da

alle Anwendungen auf der gleichen Technologie basieren, ist zwischen den benötigten F&E-

Aufwendungen der verschiedenen Anwendungen mit Ähnlichkeiten zu rechnen. Dadurch

ergibt sich eine gute Vergleichbarkeit, so dass sich die verschiedenen benötigten F&E-

Aufwendungen mit relativ geringem Aufwand in eine Reihenfolge bringen lassen. Somit kann

eine Ordinalskala mit der Unterteilung in sehr hoch – hoch – mittel – niedrig und sehr niedrig

verwendet werden. Ein paarweiser Vergleich kann bei Bedarf zur Validierung herangezogen

werden. Der benötigte F&E-Aufwand bezieht sich stark auf die von der Forschungseinrich-

tung entwickelte Technologie und setzt damit vor allem das technologische Verständnis vor-

aus. Expertengespräche und Informationen aus der Literatur spielen deshalb bei der Ermitt-

lung der Kenngröße eine untergeordnete Rolle.

4.2.3.3 Marktpotenzial

Um die Marktseite der verschiedenen Anwendungen vergleichen zu können wird das Markt-

potenzial herangezogen. Im Gegensatz zu dem Marktvolumen, das die von allen Anbietern

abgesetzte oder absetzbare Menge bezeichnet, beinhaltet das Marktpotenzial die größtmög-

liche Aufnahmefähigkeit des Marktes für ein Produkt. Bei der Abgrenzung des Marktes be-

stehen teilweise Freiheitsgrade, wie der Entscheidungsbaum in Abbildung 22 für eine Gas-

Haushaltsheizung auf Porenbrennerbasis aufzeigt. Welche der Ebenen zu einer realistischen

Abschätzung führt, ist dabei für jeden Fall individuell festzulegen. Bei Verwendersystemen,

die sich bereits in der Phase der Marktsättigung befinden, kann darüber hinaus das Marktvo-

lumen zur Orientierung herangezogen werden.


52

Abbildung 22: Entscheidungsbaum

Neben der Produktabgrenzung ist auch die regionale Abgrenzung festzulegen. Aufgrund der

Zugänglichkeit der Daten wird im Rahmen der Arbeit das jeweilige Marktpotenzial für

Deutschland betrachtet. Da über das Marktpotenzial keine quantitativen Rechnungen durch-

geführt werden und nur ein Vergleich der verschiedenen Porenbrenner-Anwendungen statt-

findet, hat diese Einschränkung keine großen Auswirkungen. In der Regel wird das Marktpo-

tenzial in Geldeinheiten angegeben und durch Multiplikation einer Stückzahl mit einem

Stückpreis berechnet. Um Schwierigkeiten bei der Preisfestlegung zu umgehen wird das

Marktpotenzial, wie beispielsweise im Bereich der Gasturbinen bereits praktiziert, über die

installierte Brennerleistung in kW angegeben.

4.2.3.4 Risiko

Die Risiken wurden bereits in Markt- und technologisches Risiko untergliedert. Das Marktrisi-

ko beinhaltet die bei allen Vorhersagen von Marktentwicklungen vorhandenen Prognoseunsi-

cherheiten. Bei bereits auf dem Markt eingeführten Verwendersystemen kann eine Orientie-

rung am Ist-Stand erfolgen und es sind die Einflüsse zu analysieren, die zu Veränderungen

führen können. Bei Verwendersystemen, die als radikale Innovationen einzustufen sind und

noch nicht die Marktreife erlangt haben, ist die Prognose mit größeren Unsicherheiten ver-

bunden, da keine Ist-Werte existieren. Zur Bestimmung der Marktrisiken können die bereits

vorhandenen Informationsquellen, die zur Ermittlung des Marktpotenzials genutzt wurden,

Mikro-gasturb.

TPV Verbr.-motor

BZStirling

KWK Wärme-pumpe

Solar Ver-brennung

Strom

Fernwärme

Öl Kohle Bio-masse

Gas

Gebläse-brenner

Atmosph. brenner

HaushaltsheizungDämmung

Sicherstellung einer ausreichend hohen Umgebungstemperatur

Poren-brenner

Freie Flamme

Oberflächen-strahl.-brenner

Katalyt. Brenner

Vergleich innerhalb des Verwendersystems

Vergleich des Verwendersystems mit alternativen Lösungen


53

herangezogen werden. Beim technologischen Risiko ist die Unsicherheit zu bewerten, dass

das Referenzsystem in der geplanten Art und Weise umgesetzt werden kann. Wie bereits bei

der Ermittlung des benötigten F&E-Aufwands steht bei auch dem technologischen Risiko das

technologische Verständnis im Vordergrund, so dass das in der Forschungseinrichtung vor-

handene Know-how im Vordergrund steht.

Die Skalierung erfolgt sowohl bei dem Markt-, als auch beim technologischen Risiko analog

zu dem F&E-Aufwand mit ordinalen Skalen. Im Portfolio wird der Mittelwert aus Markt- und

technologischem Risiko gebildet und zur Darstellung in eine Farbskala überführt. Rot ent-

spricht dabei sehr hohem, gelb mittlerem und grün sehr geringem Risiko.

4.2.4 Auswahl der betrachteten technologischen Alternativen

Das Funktionalmarktkonzept sieht vor, alle funktional-äquivalenten Potenziale in der Bewer-

tung zu berücksichtigen. Eine steigende Anzahl an technologischen Alternativen führt jedoch

zu einer höheren Bewertungskomplexität und zu höherem Aufwand. Dies soll kurz am Bei-

spiel der zentralen Haushaltsheizung aufgezeigt werden. Diese erfüllt im Normalfall zwei

verschiedene Funktionen. Zum einen sorgt sie für die Beheizung der Wohnräume, was als

Sicherstellung einer ausreichend hohen Umgebungstemperatur interpretiert werden kann,

andererseits sorgt sie für die Bereitstellung von Warmwasser. Hier soll nur der erste Fall

betrachtet werden, dessen Komplexität in Abbildung 22 betrachtet werden kann. Dieses Bei-

spiel verdeutlicht, dass eine durchgängige Bewertung auf funktionaler Ebene nicht immer

praktikabel ist. In diesen Fällen ist ein Kompromiss zwischen einer möglichst vollständigen

Betrachtung aller relevanten Alternativen und dem Aufwand bzw. der Transparenz der Be-

wertung zu finden.

Eine deutliche Vereinfachung kann erzielt wird, wenn die Bewertung des Verwendersystems

von der Bewertung der technologischen Alternativen für das Verwendersystem entkoppelt

wird. Auf der übergeordneten funktionalen Ebene wird qualitativ untersucht, wie sich der ge-

samte Funktionalmarkt zukünftig verhalten wird und welche Veränderungen bei dem Ver-

wendersystem zu erwarten sind. Dabei ist zu verifizieren, ob das betrachtete Potenzial zu

Verschiebungen innerhalb des gesamten Funktionalmarktes führen kann. In dem Beispiel

wird der Bedarf an befeuerten Heizungsanlagen durch Kraft-Wärme-Kopplung, Solarheizun-

gen und besserer Dämmung gemindert. Auf dieser Ebene wird die Substitutionsgefahr für die

Haushaltsheizung erkannt. Derzeit ist jedoch noch kein Ende der Dominanz der Gas-

Gebläsebrenner im Heizungsmarkt zu erkennen. Dadurch besteht aus Marktsicht grundsätz-

lich Potenzial für die Porenbrennertechnologie im Verwendersystem Gas-Gebläsebrenner.


54

Für den detaillierten Vergleich des Potenzials im Rahmen einer Nutzwertanalyse werden nur

die direkten technologischen Alternativen innerhalb des jeweiligen Verwendersystems be-

nutzt. Auch hierbei kann der Bewertungsaufwand durch Konzentration auf die wichtigen Al-

ternativen reduziert werden. Vernachlässigbar sind einerseits veraltete Technologien, die in

der Vergangenheit marktbeherrschend waren und durch neuere Technologien verdrängt

wurden und andererseits Technologien, deren Markteinführung offensichtlich gescheitert ist.

Im Beispiel konkurrieren drei weitere Verbrennungstechnologien mit der Porenbrennertech-

nologie. Doch es genügt eine Betrachtung der Oberflächenstrahlungsbrenner, die Brenner

mit freien Flammen vor einigen Jahren abgelöst haben. Katalytischen Brenner wurden be-

reits in den neunziger Jahren auf den Markt gebracht und konnten sich nicht durchsetzen.

4.3 Ableitung des Handlungsprogramms

Analog zu dem Funktionalmarktkonzept ist aus den bei der Bewertung generierten Informati-

onen eine Strategie zu formulieren und die zur Umsetzung notwendigen Arbeitsschritte sind

in einem Handlungsprogramm zusammenzufassen.

4.3.1 Definition der Normstrategien

Die Ableitung des Handlungsprogramms erfolgt im Technologieportfolio wie in Kap. 3.4 be-

schrieben, über Normstrategien, die für die drei Portfoliobereiche Investieren, Selektieren

und Desinvestieren definiert sind. An Forschungseinrichtungen ist der Begriff ’investieren’

grundsätzlich problematisch, da in der Regel keine Investitionen, wie beispielsweise zum

Aufbau von Produktionskapazitäten, getätigt werden. Um Missverständnisse zu vermeiden

erscheint eine Begriffsänderung an dieser Stelle, beispielsweise in Fokussieren, Selektieren

und Reduzieren, angebracht.

Neben den Begrifflichkeiten existiert bei der Abgrenzung der Bereiche ein kleiner Unter-

schied gegenüber dem Technologieportfolio. Alle Anwendungen, die unterhalb der aus dem

Normierungsschritt resultierenden horizontalen 100%-Linie liegen, haben eine geringere

Technologieattraktivität als konkurrierende Technologien. Eine Weiterentwicklung ist in die-

sen Fällen unabhängig von anderen Dimensionen wenig Erfolg versprechend. In Abbildung

23 ist das modifizierte Portfolio mit den drei Normstrategie-Bereichen dargestellt.


55

Abbildung 23: Normstrategie-Bereiche im modifizierten Portfolio

Unter ’Fokussieren von Anwendungen’ verbergen sich zwei unterschiedliche Tätigkeits-

schwerpunkte. Einerseits kann dies bedeuten, dass die Forschungsaktivitäten für die be-

trachteten Anwendungen erhöht werden indem beispielsweise die Projektakquisition intensi-

viert wird. Insbesondere bei Innovationen im fortgeschrittenen Stadium ist jedoch auch denk-

bar, dass eine weitere Erhöhung der Technologieattraktivität durch die Forschungseinrich-

tung selbst nicht mehr möglich ist. In diesem Fall sollte die Suche nach geeigneten Koopera-

tionspartnern intensiviert werden. Für den mittleren Portfoliobereich ’Selektieren’ stehen mit

dem Marktpotenzial und der Risikobetrachtung bereits zwei weitere Entscheidungskriterien

im Portfolio zur Verfügung. Für Anwendungen im ’Reduzieren’-Bereich sollten keine weiteren

Entwicklungsschritte angestoßen werden.

4.3.2 Berücksichtigung von Synergiepotenzialen

Bei dem Technologieportfolio und auch bei den bisher durchgeführten Überlegungen werden

die einzelnen Anwendungen isoliert betrachtet und bewertet. Synergien zwischen einzelnen

Anwendungen fließen dadurch nicht in das Handlungsprogramm ein. Um Synergieeffekte bei

den noch durchzuführenden Entwicklungsarbeiten zwischen den Anwendungen sichtbar zu

machen, ist der noch vorhandene F&E-Aufwand für jede Anwendung in Arbeitspakete (AP)

zu gliedern. In einer Synergiematrix, die beispielhaft in Tabelle 5 dargestellt ist, können die

für jede Anwendung notwendigen Arbeitspakete zusammengestellt werden. Im einfachsten

Fall wird eine digitale Bewertung durchgeführt. Eine Eins bedeutet dabei, dass das entspre-

Tec

hnol

ogie

attr

aktiv

ität

Benötigter Zeit- bzw. F&E-Bedarfsehr hoch hoch mittel niedrig sehr niedrig

sehr

nie

drig

nied

rigm

ittel

hoch

sehr

hoc

h

Fokussieren

Reduzieren

Selektieren1 bzw. 100%


56

chende Arbeitspaket für die Anwendung Relevanz besitzt, bei einer Null spielt das Arbeitspa-

ket für die Anwendung keine Rolle. Im Beispiel wird das Arbeitspaket 5 für alle Anwendungen

benötigt und ist damit erfolgskritisch für die gesamte Technologie.

Tabelle 5: Synergiematrix

Neben der digitalen Bewertung besteht auch die Möglichkeit, die Lage im Portfolio durch

verschiedene Gewichte in der Synergiematrix zu berücksichtigen. Durch die Berücksichti-

gung der Synergien enthält das Handlungsprogramm Empfehlungen sowohl für konkrete

Anwendungsfelder als auch für anwendungsübergreifende Entwicklungsschwerpunkte.

4.4 Die Vorgehensweise im Überblick

Abschließend werden die in diesem Kapitel durchgeführten Überlegungen zu einer 6-stufigen

Vorgehensweise zusammengefasst. Im ersten Schritt erfolgt die Ideengewinnung mit einer

Zusammenstellung aller Ideen im Technologiebaum, der dabei als Werkzeug zur strukturier-

ten Sammlung vorhandener Ideen dient, die Kommunikation der Technologie erleichtert und

Anstöße zur Generierung von neuen Ideen gibt. Im zweiten Schritt, der Vorselektion, werden

Ideen mit offensichtlich geringem Potenzial oder zu geringem Konkretisierungsgrad aussor-

tiert. Die Konzeptentwicklung für wenig konkrete Ideen wird dabei in das Handlungspro-

gramm aufgenommen. Der dritte Schritt beinhaltet die Bestimmung der Technologieattraktivi-

tät über eine Nutzwertanalyse, sowie die Ermittlung von F&E-Aufwand, Marktpotenzial und

Risiko durch qualitative Bewertungen. Im vierten Schritt erfolgt die Darstellung in einem Port-

folio unter Berücksichtigung von Marktpotenzial und Risiken. Über die Normstrategien wer-

den Handlungsempfehlungen für alle betrachteten Anwendungen generiert. Im fünften Schritt

werden Synergieeffekte, die bei der Weiterentwicklung zwischen den verschiedenen Ideen

auftreten, analysiert. Die sich daraus ergebenden Entwicklungsschwerpunkte werden zu-

sammen mit den wichtigsten Anwendungen im sechsten Schritt in das Handlungsprogramm

integriert und zeitlich eingeordnet. Der gesamte Prozess ist in Abbildung 24 dargestellt.

AP1 AP2 AP3 AP4 AP5 AP6 AP7 AP8Anwendung 1 0 0 1 1 1 1 1 0Anwendung 2 0 1 0 0 1 0 0 0Anwendung 3 0 0 1 1 1 0 0 1Anwendung 4 1 0 0 0 1 1 0 0

1 1 2 2 4 2 1 1


57

Abbildung 24: Zusammenstellung der Methodik

Technologiebaum

Vorselektion

NutzwertanalyseQualitative Bewertung

Portfoliodarstellung

Synergiematrix

Anwendungs-feld 1

Funktion 1

Funktion 2

Technologie

Anwen-dung A

Anwendungs-feld 2

Anwen-dung B

Anwen-dung C

Anwen-dung D

Real. Markt Konz. Begründung Müllverbrennung ! Rußfilterreinigung ! Brenner f. Waffenentsorgung

!

Dampferzeuger im Dampfmotor zum Antrieb

!

Standheizung für Wohnmobil

!

Grill ! Campingbrenner ! Zündbrenner ! Designerleuchte ! Schrumpfschlauchbrenner !

Kriterium Gewicht Zielertrag Zielerfüllung TeilnutzwertSchritt 5: Krit. 1 0,2 4 m/s 4 0,8

Krit. 2 0,5 5 € 2 1Krit. 3 0,3 hoch 4 1,2

1,0 3

Alternative 1

Nutzwert A1

Tec

hnol

ogie

attra

ktiv

ität

Benötigter Zeit- bzw. F&E-Bedarfhoch niedrig

hoch

nied

rig

Anwendung 1

Anwendung 3

Anwendung 2

AP1 AP2 AP3Anwendung 1 0 0 1Anwendung 2 0 1 0Anwendung 3 0 0 1Anwendung 4 1 0 0

1 1 2

Ideen zur weiteren Konkretisierung

Entwicklungsschwerpunkte

Anwendungen mit hohem Potenzial

Zeit

Handlungsprogramm

Arbeitspaket 1

Arbeitspaket 2

Arbeitspaket 3

Arbeitspaket 4


58

59

5 Bewertung der Porenbrennertechnologie und Ableitung eines Hand-

lungsprogramms

Nach einer Kurzdarstellung des Funktionsprinzips der Porenbrennertechnologie mit den

technologisch bedingten Vor- und Nachteilen werden in diesem Kapitel die bekannten Po-

renbrenneranwendungen vorgestellt, strukturiert und bewertet. Über eine Portfolioanalyse

wird aus den Bewertungsergebnissen ein Handlungsprogramm abgeleitet bevor am Ende

des Kapitels eine Interpretation des Bewertungsvorgangs erfolgt.

5.1 Funktionsprinzip der Porenbrennertechnologie

Bei der Verbrennung in porösen Medien findet die Umsetzung des Brennstoffes in den Hohl-

räumen eines inerten porösen Mediums statt. Die Grundlage für die Flammenausbreitung in

porösen Strukturen basiert auf der Erkenntnis, dass ein gewisses Mindestverhältnis von

Wärmeproduktion durch die Verbrennung zu der Wärmeabfuhr durch das umgebende Medi-

um gewährleistet sein muss. Dieses Verhältnis lässt sich durch eine modifizierte Péclet-Zahl

Pe angeben, die nicht mit der Strömungsgeschwindigkeit, sondern mit der laminaren Flam-

mengeschwindigkeit des Brennstoff-Luft-Gemisches sL gebildet wird:

f

f

λ

ρfp,effL cds Pe = (5.1)

Des Weiteren gehen in Gleichung (5.1) eine effektive Porengröße deff, sowie spezifische

Wärmekapazität cp, Dichte ρ und Wärmeleitfähigkeit λf des Gasgemisches ein. Babkin et al.

[12] geben für die Flammenausbreitung in porösen Medien die kritische modifizierte Péclet-

Zahl von ca. 65 an. Oberhalb dieser Grenze ist eine Flammenausbreitung im porösen Mate-

rial möglich, unterhalb tritt Flammenlöschung auf. Dieses Kriterium wurde ursprünglich für ein

ruhendes Gasgemisch aufgestellt, lässt sich aber auch, wie die Arbeiten von Trimis [52] zei-

gen, für stationär durchströmte Porenbrenner anwenden.

Durch die Kombination zweier poröser Schichten, von denen die eine unterhalb, die andere

oberhalb der kritischen Péclet-Zahl liegt, lässt sich eine einfache Verbrennungsstabilisierung

erzielen. In der als Region A bezeichneten zuerst durchströmten Zone mit kleinen Poren

kann keine Flammenausbreitung stattfinden. Unmittelbar daran schließt sich eine als Region

C bezeichnete Zone an, die Porengrößen aufweist, die als überkritisch gemäß obigem Krite-

rium einzustufen sind. Demzufolge erfolgt hier eine Flammenausbreitung im porösen Medi-

um.

5 Bewertung der Porenbrennertechnologie und Ableitung eines Handlungsprogramms

60

Die Region A fungiert somit in dem beschriebenen Aufbau als Flammensperre, innerhalb

derer das anströmende Gasgemisch zwar deutlich vorgewärmt, jedoch nicht entzündet wird.

Dies gilt natürlich nur solange, wie die Region A unterhalb der Zündtemperatur des Brenn-

stoff-Luft-Gemisches gehalten werden kann. Werden in der Region A die Temperaturen zu

hoch, laufen unabhängig von der Porengröße unkontrollierte Reaktionen ab, die zum Rück-

schlag der Flamme in den Mischraum führen können. Es ist deshalb bei der Gestaltung von

Porenbrennern von großer Wichtigkeit, für eine ausreichende Kühlung der Vorwärmregion A

zu sorgen. Dies kann, von Ausnahmefällen abgesehen, allein durch das anströmende kalte

Gasgemisch geschehen. Abbildung 25 zeigt schematisch den Aufbau des Porenbrenners.

Verbrennungsgebiet

Wärmeabfuhr aus der Reaktionszonedurch Stra hlung und Leitung desFestkörpers sowie durch konvektivenWärmeübergang und Dispersion

Wärmetransport zur Stabilisierung der Reaktionszone

Grobporiges Medium(Region C); Pe > 65

Abströmende Abgase

Anströmendes Gasgemisch

Zündtemperatur

VorwärmzoneFeinporiges Medium(Region A); Pe < 65

Wärmetransport in axialer Richtung durch Strahlung, Leitung, Dispersion und Konvektion

Region A

Region C

Abbildung 25: Schematischer Aufbau eines Porenbrenners nach dem Prinzip der Péclet-Zahl Stabilisierung nach Durst et al. [13]

Von Wawrzinek [18] wurde der Wert 65 für die kritische Péclet-Zahl für Methan-Luft-

Gemische bestätigt. Für andere Gase wurden jedoch teilweise deutliche Abweichungen ge-

messen. Eine Auftragung der kritischen Péclet-Zahlen über den jeweiligen Lewis-Zahlen

ergab, dass der Wert 65 nur bei Lewis-Zahlen größer 1 Gültigkeit hat. Die Lewis-Zahl Lek für

die Komponente k, die das Verhältnis zwischen Wärmetransport und Stofftransport be-

schreibt, ist dabei definiert als:

k

f

fp,k D

a

c D Le ==

fk

f

ρ

λ (5.2)

Dk ist dabei der Diffusionskoeffizient und af die Temperaturleitfähigkeit des Gemisches. Im

Folgenden werden die Vor- und Nachteile der Porenbrennertechnologie kurz erläutert.


61

5.2 Vorteile der Porenbrennertechnik

Im Zuge des in vielen Bereichen zu beobachtenden Miniaturisierungstrends stellt die auf-

grund der hohen Leistungsdichte mögliche kompakte Bauweise des Porenbrenners einen

wichtigen Vorteil dar. Insbesondere im mobilen Bereich haben Platzeinsparungen einen sehr

hohen Stellenwert. Bei vorgegebenem Platzangebot besteht darüber hinaus in einigen An-

wendungsfällen der Bedarf nach einer hohen Leistungsdichte, um Aufheiz- oder Trocknungs-

zeiten zu verkürzen. In Porenbrennern können Leistungsdichten bis zu 3 MW/m² bzw.

30 MW/m³ erreicht werden. Demzufolge können Porenbrenner deutlich kompakter gebaut

werden als andere Brenner vergleichbarer Leistung.

Neben der Baugröße ist die Leistungsmodulation ein weiterer wichtiger Vorteil. In vielen An-

wendungen ist die benötigte Brennerleistung zeitlich nicht konstant und es ist erwünscht, die

Brennerleistung an den jeweiligen Wärmebedarf anzupassen. Bei konventionellen Brennern

ist eine derartige Anpassung nur bedingt möglich. Bei gegebener Maximalleistung kann der

Brenner nicht mit beliebig kleiner Leistung betrieben werden. Beispielsweise führt die be-

grenzte Leistungsmodulation einer Haushaltsheizung bei geringem Wärmebedarf zu einem

Intervallbetrieb mit vielen Starts und Stopps. Die Ursache für diese Einschränkung liegt in

Limitierungen des Verbrennungsprozesses. Bei einer fixen Geometrie existieren Grenzen

sowohl für die Minimal- als auch für die Maximalleistung. Das Verhältnis der oberen zur unte-

ren Grenze wird als Modulationsbereich bezeichnet und stellt somit ein Maß für die Flexibili-

tät eines Brenners im Hinblick auf die Leistung dar. Bei einfachen flachen Porenbrennern

kann eine Leistungsdynamik von 1:20 gewährleistet werden. Mit anderen Geometrien sind

nach Mößbauer [53] Modulationsbereiche bis zu 1:50 erreichbar.

Außer einer Flexibilität in der Leistung wird von Brennern auch eine möglichst große Aus-

dehnung des Luftzahlbetriebsfensters gefordert, da in vielen verbrennungstechnischen An-

wendungen zeitliche Unterschiede durch Schwankungen der Brennstoffmenge oder -qualität

bzw. der Luftmenge auftreten. Da die Vergleichmäßigung der Randbedingungen häufig einen

hohen Aufwand verursachen würde, ist es wünschenswert, dass die Verbrennung eine ge-

wisse Toleranz gegenüber diesen Einflüssen aufweist. Die Grenze bei magerer Verbrennung

im Porenbrenner ist im Gegensatz zu anderen Brennerkonzepten zu größeren Luftzahlen hin

verschoben. Bei guter Vormischung eines Methan-Luft-Gemisches werden nach Mößbauer

et al. [15] bei einem offenen Betrieb ohne Brennkammer und ohne Vorwärmung Luftzahlen

bis zu λ=1,9 von einem Porenbrenner toleriert. Bei einigen Anwendungen ist der brennstoff-

reiche Bereich von großer Bedeutung. Bei Erdgas konnte bereits gezeigt werden, dass eine

Flammenstabilisierung bei λ=0,25 noch möglich ist. Aufgrund der hohen thermischen Träg-


62

heit des Feststoffs kann der Porenbrenner sogar kurzzeitig eine völlige Abwesenheit von

Brennstoff tolerieren, so dass bei einer erneuten Brennstoffzufuhr der normale Brennerbe-

trieb wieder hergestellt wird. Das Temperaturfeld bleibt dabei, hervorgerufen durch die große

Wärmekapazität des porösen Materials, auch bei Zuständen außerhalb des normalen Be-

triebsbereiches noch mehrere Sekunden auf ausreichend hohem Niveau, um die Verbren-

nungsreaktion aufrecht zu halten oder wieder zu starten.

Auch bei der Brennraumgestaltung bietet der Porenbrenner viele Freiheitsgrade. Da das

Stabilisierungskonzept im Wesentlichen eindimensional ist, kann als Reaktionszone der ge-

samte Raum genutzt werden, der durch das poröse Medium zur Verfügung gestellt wird. Aus

diesem Grund lassen sich mit der Porenbrennertechnologie nahezu beliebig geformte Brenn-

räume realisieren, die den geometrischen Anforderungen des Prozesses exakt angepasst

werden können. Voraussetzung hierfür ist lediglich, dass die gewünschte Geometrie aus

geeigneten porösen Materialien hergestellt werden kann. Darüber hinaus muss durch geeig-

nete strömungsmechanische Maßnahmen sichergestellt sein, dass der Porenkörper gleich-

mäßig von vorgemischtem Brennstoff-Luft Gemisch angeströmt wird. Bisher wurden zylindri-

sche, kubische, ringspaltförmige und flache Porenbrenner realisiert.

Neben den fossilen Energieträgern nimmt die Bedeutung anderer Energieträger ständig zu.

Neben dem Wasserstoff, der häufig als zukünftiger Energieträger im Rahmen einer nachhal-

tigen Wasserstoffwirtschaft diskutiert wird, sind an dieser Stelle insbesondere noch die Ener-

gieträger aus nachwachsenden Rohstoffen zu erwähnen. Diese Vielfalt der Energieträger

führt zu einem steigenden Bedarf an Brennern, die mit mehreren Brennstoffen betrieben

werden können. Das in Kap. 5.1 vorgestellte Konzept der Flammenstabilisierung in porösen

Medien bietet die Möglichkeit, durch geeignete Auswahl der Porengrößen Brenner zu reali-

sieren, in denen eine Vielzahl von verschiedensten gasförmigen Brennstoffen umgesetzt

werden kann. Dabei sind auch Hybrid-Porenbrenner möglich, die sowohl mit flüssigen als

auch mit gasförmigen Brennstoffen betrieben werden können. Am Porenbrenner selbst sind

keine Änderung an der Verbrennungs- bzw. Stabilisierungsregion vorzunehmen. Der flüssige

Brennstoff ist jedoch in einem vorgelagerten Prozessschritt in die Gasphase zu überführen.

Im Bereich der Porenbrenneranwendungen haben bei der Emissionsbetrachtung Stickoxide

und Kohlenmonoxid den höchsten Stellenwert. Daneben müssen noch der Anteil an unver-

branntem Brennstoff und die Russbildung berücksichtigt werden. Mit 25-40 mg/kWh NOx und

20-30 mg/kWh CO sind die Emissionswerte eines mit Methan/Luft betriebenen Porenbren-

ners niedriger als bei Brennern mit freien Flammen und in etwa auf dem gleichen Niveau von

Oberflächenstrahlungsbrennern [53], [54], [55].


63

Als letzter Vorteil ist die Strahlungsleistung zu nennen, die beispielsweise bei Trocknungs-

prozessen eine wichtige Rolle spielt. Die von einem schwarzen Körper emittierte Strahlung

ist nach dem Stefan Boltzmann-Gesetz proportional zur vierten Potenz der Temperatur. Da

im porösen Medium ca. 1400°C, im Oberflächenstrahlungsbrenner maximal 1000°C erreicht

werden, besitzt der Porenbrenner etwa die dreifache Strahlungsleistung.

5.3 Nachteile der Porenbrennertechnik

Neben den Vorteilen bestehen bei der Verbrennung in porösen Medien auch einige Nachtei-

le, die im Folgenden kurz erläutert werden. Bei Gebläsebrennern sind geringe Druckverluste

erwünscht, um möglichst kleine und kostengünstige Gebläse mit niedriger elektrischer Leis-

tungsaufnahme einsetzen zu können. Durch den vorwiegend in der feinporigen Zone A

enstehenden Druckverlust ergeben sich bei diesem Kriterium Nachteile gegenüber Strah-

lungsbrennern bzw. Brennern mit freien Flammen.

Die thermische Trägheit des Porenbrenners wurde bereits aufgrund der stabilisierenden Wir-

kung bei Schwankungen der Betriebsparameter weiter oben als Vorteil erwähnt. Die hohe

Wärmekapazität kann aber auch zu Nachteilen beim Betrieb des Porenbrenners führen. Je

nach Größe des Brenners erwächst aus der heißen, porösen Matrix ein zusätzliches Gefah-

renpotenzial. Daneben wird durch die Aufheizung des porösen Mediums beim Start des Po-

renbrenners im Vergleich zu anderen Brennern eine deutlich längere Zeitspanne benötigt, bis

die Verbrennungsreaktion in einen stationären Zustand mit geringen Emissionen und voller

Leistungsabgabe übergeht. Bei einer Abschaltung des Brenners sind in einigen Fällen bei

größeren Brennern zusätzliche Maßnahmen notwendig, um Überhitzungen durch Wärmelei-

tung in die im regulären Betrieb gekühlte Vorwärmzone zu verhindern.


64

5.4 Kurzbeschreibung der Porenbrenner-Anwendungen

In Tabelle 6 werden im Folgenden alle derzeit bekannten Porenbrenner-Anwendungen zu-

sammengestellt.

1 Industriestrahler: Industriestrahler nutzen die direkt vom Brenner ausgehen-de Infrarotstrahlung und werden vorwiegend in der indus-triellen Trocknungstechnik eingesetzt.

2 Großkessel für Dampf- und Heißwas-sererzeugung:

Großkessel werden zur Bereitstellung von Warmwasser, Prozessdampf und bei der Stromerzeugung in Dampftur-binen benötigt. Der Porenbrenner kommt dabei als Wär-meerzeuger zum Einsatz.

3 Industrieöfen: Industrieöfen werden in vielen industriellen Prozessen, beispielsweise zum Schmelzen oder Sintern von Werkstof-fen, benötigt. Der Porenbrenner kann zur Beheizung der Öfen eingesetzt werden.

4 Heißlufterzeuger: Mit dem Porenbrenner kann heiße Prozessluft erzeugt werden.

5 Grill: Gasbefeuerte Grillgeräte werden im privaten und gewerb-lichen Bereich für die Zubereitung von Fleisch und Fisch eingesetzt.

6 Campingbrenner: Porenbrenner dient als Wärmequelle in einem Camping-kocher.

7 Zündbrenner: Porenbrenner dient als Zündquelle für eine größere Haupt-flamme.

8 Gasheizung: Gasbefeuerte Haushaltsheizung zur Bereitstellung von Warmwasser und Heizleistung.

9 Ölheizung: Ölbefeuerte Haushaltsheizung zur Bereitstellung von Warmwasser und Heizleistung.

10 Warmlufterzeuger: Die Beheizung von Räumen kann durch Einblasen von heißer Luft erfolgen. Meistens wird dabei heiße über einen Gas-Gas-Wärmetauscher erhitzte Luft verwendet.

11 Hellstrahler für Ge-bäudeheizung:

Hellstrahler werden zur Beheizung eingesetzt und nutzen als Wärmeübertragungsmechanismus hauptsächlich die Strahlung. Die heiße Brenneroberfläche nimmt dabei die Funktion des Festkörperstrahlers ein.

12 Standheizung für Wohnmobile:

Standheizungen für Wohnmobile stellen Warmwasser und Heizleistung bereit.

13 Stand- oder Zusatz-heizung für Kfz:

Standheizungen dienen hauptsächlich zur Vorwärmung des Innenraums an kalten Tagen. Durch steigende Effi-zienz bei dem Antrieb ist die Abwärme zur Beheizung nicht immer ausreichend, so dass die Standheizung als Zusatz-heizung dient.

14 Mobile Heizung: Durch die Kombination eines kompakten Heizsystems mit wasserdurchströmten Radiatoren kann ein mobiles Heiz-


65

system generiert werden.

15 Dampferzeuger im Dampfmotor für Fahr-zeugantriebe:

Aufgrund der Vorteile von stationären gegenüber instatio-nären Verbrennungsvorgängen existieren Konzepte, einen Dampfmotor (ähnlich einer Dampfmaschine), zum Antrieb von Fahrzeugen einzusetzen. Der Porenbrenner dient dabei als Wärmequelle für die Dampferzeugung.

16 Gasturbinenpilot-brenner:

Zur Stabilisierung der Hauptflamme in Gasturbinen wird ein sog. Pilotbrenner benötigt, der als Porenbrenner aus-geführt werden kann.

17 Einsatz in der Brenn-stoffzellenperipherie

In der Peripherie von PEM- und SOFC-Brennstoffzellen sind verschiedene thermische Prozesse, wie Vorwärmung, Prozesswärmebereitstellung und Abreaktion des Brenn-stoffzellenabgases notwendig. Durch den Porenbrenner können mehrere Funktionen in einem Brenner abgedeckt werden.

18 Brenner für Stirling-motoren:

Stirlingmaschinen sind Wärmekraftmaschinen, die durch einen Kreisprozess Wärmeenergie in mechanische Ener-gie umwandeln. Der Wärmeeintrag kann über einen Po-renbrenner erfolgen.

19 Kombination mit Thermo-Photovoltaik:

Bei der Thermo-Photovoltaik werden Fotozellen aus einem mit einer Wärmequelle aufgeheizten Strahler gespeist. Die Fotozellen wandeln die Strahlung in elektrische Energie um. Der Porenbrenner dient dabei als Strahlungsquelle.

20 Brenner für APU/MPU mit Dampfmotor:

Der Dampfmotor kann zur Kraft-Wärme-Kopplung in Fahr-zeugen (Auxiliary Power Unit) oder als mobiles Aggregat (Mobile Power Unit) eingesetzt werden. Eine APU wird benötigt, um ohne laufenden Motor Wärme (Standheizung) und Strom (Klimaanlage, Bordcomputer) zu erzeugen. Der Porenbrenner dient als Wärmequelle für den Dampferzeu-ger.

21 FCKW-Entsorgung: Chlorierte und fluorierte Kohlenwasserstoffe fallen in vielen chemischen Prozessen an und dürfen wegen ihrer ozon-zerstörenden Eigenschaften nicht in die Umwelt entlassen werden. Daher müssen Wege gefunden werden, diese Stoffe möglichst effektiv zu zerlegen. Eine Möglichkeit der Spaltung von FCKW ist die Verbrennung in CH4/Luft-Flammen in einem Porenbrenner.

22 Müllverbrennung: Bei der Müllbehandlung entstehende Gase können mit dem Porenbrenner verbrannt werden. Feste Müllbestand-teile sind dagegen nicht umsetzbar.

23 Brenner für Spreng-stoffentsorgung:

Die Entsorgung explosiver Stoffe erfolgt in gepanzerten Öfen. Dabei kommen Gasbrenner zum Einsatz, die die zu entsorgenden Stoffe durch Temperaturerhöhung gezielt zur Detonation bringen. Brenner mit freien Flammen nei-gen durch die Druckstöße zum Erlöschen, was bei einem Porenbrenner aufgrund dessen hoher Wärmekapazität nicht zu erwarten ist.


66

24 Russfilter-regeneration:

Durch strengere Abgasvorschriften werden die Kfz-Hersteller gezwungen, Maßnahmen gegen die Rußpartikel zu ergreifen. Ein Konzept sieht vor, im Abgasweg einen Filter zu platzieren, der die Partikel zurückhält. Um eine Verstopfung des Filters zu verhindern, muss dieser regel-mäßig gereinigt werden. Der Porenbrenner kann bei dem thermischen Reinigungsprozess eingesetzt werden.

25 HCl-Erzeugung: Für Analysezwecke und die Halbleiterindustrie wird hoch-reine Salzsäure benötigt, die direkt aus den Elementen H2 und Cl2 erzeugt wird. Die Reaktion kann dabei in einem Porenreaktor durchgeführt werden.

26 Rußerzeugung: Bei der Rußherstellung wird in einer Brennkammer ein Heißgas erzeugt, in das ein Rußrohstoff, meist aromaten-reiche kohle- und erdölstämmige Ruß-Öle, eingedüst wird. Durch unvollkommene Verbrennung und thermische Spal-tung des Rußrohstoffs wird dabei der Ruß gebildet. Der Porenbrenner kann zur Erzeugung des Heißgases ver-wendet werden.

27 Synthesegaserzeu-gung:

Synthesegas ist ein Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff und kann durch verschiedene Prozesse aus Kohlenwasserstoffen erzeugt werden. Dadurch kann Was-serstoff, der beispielsweise in Brennstoffzellen zum Ein-satz kommt, aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Eine Möglichkeit der Wasserstofferzeugung ist dabei die thermische partielle Oxidation, bei der Kohlenwasserstoffe durch unterstöchiometrische Fahrweise partiell oxidiert werden. Diese Reaktion kann in einem Porenreaktor durchgeführt werden.

28 Designerleuchte: Der Porenbrenner kann als optisch ansprechende Licht-quelle eingesetzt werden.

Tabelle 6: Kurzbeschreibung aller Porenbrenneranwendungen

5.5 Strukturierung der Anwendungen im Technologiebaum

Der Erfolg der Ideengewinnung hängt in starkem Maß vom Informationsaustausch mit orga-

nisationsfremden Personen ab. Aus diesem Grund ist neben der aus dem Funktionalmarkt-

konzept stammenden Forderung nach einer funktional-abstrakten Technologiebeschreibung

auch Wert auf eine leicht verständliche Formulierung zu legen. Basierend auf diesen Erfor-

dernissen entstand im Rahmen dieser Arbeit der Technologiebaum. Der in Kap. 4.1 vorge-

stellte Technologiebaum ist ein Werkzeug, in dem die Technologie in einer Baumstruktur von

einer funktional-abstrakten Sichtweise bis hin zu den konkreten Anwendungen dargestellt ist.

In


67

Abbildung 26 ist die Porenbrennertechnologie auf diese Weise strukturiert dargestellt.

Der Technologiebaum erfüllt somit mehrere Funktionen. So wird der untere Bereich des

Technologiebaumes als zentraler Ideenspeicher genutzt, in dem alle aussichtsreichen wie

auch weniger aussichtsreichen Ideen festgehalten werden. Dadurch kann sichergestellt wer-

den, dass keine Ideen verloren gehen. Der funktional-abstrakte Aufbau des Technologie-

baumes im oberen Bereich dient darüber hinaus als einfache Technologiebeschreibung im

Sinne des Funktionalmarktkonzeptes. So sind beispielsweise einige Porenbrenner-

Anwendungen bekannt, bei denen nicht die aus der Verbrennung entstehende Wärme, son-

dern die Produkte der Reaktion im Vordergrund stehen. Das Interesse an derartigen Anwen-

dungen liegt mehr im Bereich der chemischen Reaktionstechnik als in der Verbrennungs-

technik. Potenzielle Anwender derartiger Verfahren, die sich durch den Begriff „Porenbren-

ner“ nicht angesprochen fühlen, werden durch die abstraktere Beschreibung im Technologie-

baum „Stoffumwandlung durch chemische Reaktionen“ auf ein für sie evtl. interessantes

Potenzial aufmerksam. Neben diesen Funktionen bietet es sich an, den Technologiebaum für

das Technologiemarketing einzusetzen. Durch den in Kap. 2 beschriebenen Wandel von der

institutionellen zu einer programmorientierten Förderung hängt die Vergabe von Fördergel-

dern weniger an der detaillierten Beschreibung technischer Einzelheiten, sondern verstärkt

an der wirtschaftlichen Bedeutung. Der Technologiebaum ist hierfür ein ideales Werkzeug,

die Anwendungsbreite und die damit verbundene ökonomische Bedeutung prägnant und

auch für nicht-Spezialisten verständlich zu kommunizieren.

68

Abbildung 26: Der Technologiebaum für die Porenbrennertechnologie

Therm. Abluft-

reinigung

Synthese-gas-

erzeuger

Hellstrah-ler für

Heizung

Standhei-zung für

Kfz

Designer-leuchte

Warmluft-erzeuger

Öl-heizung

Mobile Heizung

Standhei-zung für Wohnm.

Thermo-Photo-voltaikBrenner für BZ-

Peripherie

HCl-Erzeu-gung

Beseitigung von Stoffen

Prozess-wärme Heizung Antriebe Synthese-

reaktor

stationär mobil

HalleHaushalt Trans-portabel

in Fahr-zeugen

Ruß-erzeugung

Stoffumwand-lung (chemische

Reaktionen)

Bereitstellung mechanischer

Energie

Bereitstellung elektrischer

Energie

Bereitstellung Wärmeenergie Sonstiges

Porenbrennertechnologie

FCKW-Entsor-gung

Rußfilter-reinigung

Brenner f. Waffen-entsorg.

Müllver-brennung

Industrie-strahler Grill

Heißluft-erzeuger

Industrie-öfen

Dampf-erzeuger

Zünd-brenner

Brenner f. Dampf-motorGas-

turbinen-brenner

Brenner f. Stirling-motor

Camping-brenner

Gas-heizung

69

5.6 Vorüberlegungen für die Bewertung

Vor der eigentlichen Bewertung werden in diesem Unterkapitel einige anwendungsübergrei-

fende Aspekte betrachtet. Zum einen wird die Kostenentwicklung der keramischen Bauteile

abgeschätzt, daneben werden Szenarien für eine Wasserstoffwirtschaft bzw. die Kraft-

Wärme-Kopplung untersucht.

5.6.1 Kostenentwicklung der keramischen Werkstoffe

In Kap. 3.5 wurde bereits die Notwendigkeit des Zukunftsbezuges bei der Bewertung von

Innovationen beschrieben. Für die Zukunftsbetrachtung der Porenbrennertechnologie spielt

die Kostenbetrachtung der keramischen Materialien eine zentrale Rolle. Für eine grobe Ab-

schätzung der zu erwartenden Kostenstruktur kann das in Kap. 3.3.2 erläuterte Erfahrungs-

kurvenkonzept herangezogen werden. In der in Abbildung 27 dargestellten Kurve, die einen

20%-igen Rückgang der Wertschöpfungskosten bei Verdoppelung der kumulierten Menge

annimmt, werden Kosten von € 200,-- für die komplette Brennerkeramik eines mit 20 kW

betriebenen Brenners bei einem bisherigen Produktionsvolumen von 500 Stück angenom-

men. Die Kosten werden dabei grob vereinfacht den Wertschöpfungskosten gleichgesetzt.

Diese Annahme setzt voraus, dass die Energiekosten ebenfalls durch Prozessoptimierungen

reduziert werden können. Die eingesetzten Grundmaterialien sind bereits zum gegenwärti-

gen Zeitpunkt relativ preiswert.

Abbildung 27: Anwendung des Erfahrungskurvenkonzeptes auf die Keramiken für die Porenbrennertechnologie

Nach der Erfahrungskurve besteht ein Kostensenkungspotenzial auf unter 2 €/kW bereits bei

100.000 Einheiten. Eine Betrachtung der Optimierungspotenziale zeigt die Plausibilität dieses

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

100 1.000 10.000 100.000 1.000.000

Stück (kumuliert)

Kos

ten

[€/k

W]


70

Ergebnisses. Der bei der Abschätzung betrachtete 20 kW-Brenner wurde im Labor bereits

mit deutlich höheren Leistungen betrieben. Durch eine Verdoppelung der Leistung gehen die

leistungsbezogenen Keramikkosten bereits auf 5 €/kW zurück. Daneben zeigt ein Kostenver-

gleich mit ähnlichen Materialien weiteren Kostensenkungsspielraum auf. Die bereits in gro-

ßen Stückzahlen zur Filtration hergestellten SiC-Keramikschäume, deren Qualität für die

Zone C im Porenbrenner jedoch zu niedrig ist, werden nach Pickenäcker et al. [56] umge-

rechnet für unter 1 €/kW angeboten. Die in Oberflächenstrahlungsbrennern enthaltenen Cor-

dierit-Platten, die qualitativ unterhalb der Zone A des Porenbrenners anzusiedeln sind, verur-

sachen umgerechnet ebenfalls Kosten unterhalb von 1 €/kW. Damit sind die aus der Erfah-

rungskurve entnommenen Kosten von 30-40 Euro bei Stückzahlen über 100.000 für einen 20

kW-Brenner durchaus realistisch.

5.6.2 Szenario Wasserstoffwirtschaft und Brennstoffzelle

Unsere derzeitige Energieversorgung basiert sehr stark auf fossilen Energieträgern wie Koh-

le, Erdgas und Erdöl. Durch die Endlichkeit dieser Vorräte sind Veränderungen in der Zukunft

unabwendbar. Darüber hinaus hat die sich aus der Nutzung ergebende Umweltproblematik

die Diskussion über eine Neugestaltung der Energieversorgung noch intensiviert. Schwer-

punkte der großen Zahl an aktuellen Entwicklungsarbeiten in diesem Bereich stellen die

Brennstoffzellentechnologie sowie eine auf Wasserstoff basierende Energiewirtschaft dar.

Nach verschiedenen Szenarien erfolgt in den nächsten Jahrzehnten eine Umstellung auf den

Energieträger Wasserstoff und eine Kommerzialisierung der Brennstoffzelle. Die Wasser-

stoffproduktion erfolgt zu Beginn über fossile Energieträger und verschiebt sich in Richtung

regenerativer Energiequellen. Abbildung 28 zeigt ein von der Europäischen Kommission

erstelltes Wasserstoff-Szenario.


71

Abbildung 28: Wasserstoff-Szenario nach einer Studie der Europäischen Kommission [57]

Nach dieser Wasserstoffvision stehen weitreichende Veränderungen in der gesamten Ener-

giebranche bevor. Nach einem vom VDMA erstellten Szenario [58] werden zahlreiche Pro-

dukte durch Brennstoffzellenanwendungen substituiert. Hierzu zählen beispielsweise Moto-

ren, Gasturbinen, Öfen und Wärmeerzeugungsanlagen. Viele Bereiche der Verbrennungs-

technik werden sich nach diesem Szenario grundlegend ändern. Neben den Bedrohungen

für existierende Produkte eröffnet die Brennstoffzellentechnik auch Chancen für neue Pro-

dukte für die Wasserstofferzeugung, Logistik und Anwendung. Auf eine Vorstellung der

Brennstoffzellentechnik wird verzichtet, da bereits eine Vielzahl von Veröffentlichungen zu

diesem Thema, beispielsweise in der oben genannten VDMA-Studie, existiert.

Die bei der Umwandlung vorhandener Energieträger in Wasserstoff zusätzlichen technischen

und ökonomischen Hürden sowie die noch nicht vorhandene Wasserstoffbereitstellungskette

erschweren die Markteinführung der Brennstoffzellen. Die noch 1999 gestellte Prognose,

dass erste Brennstoffzellensysteme für den Haushaltsbereich bereits 2001 erhältlich sein

werden, hat sich nach Hocker [59] nicht erfüllt. Nach den in der VDMA-Studie [58] erstellten

Szenarien steht die Kommerzialisierung jedoch außer Frage. Offen bleibt dabei das Marktvo-

lumen und ob die Brennstoffzellentechnologie für Antriebskonzepte eingesetzt werden kann

oder auf Strom- und Wärmeerzeugung beschränkt bleiben wird.


72

5.6.3 Szenario Kraft-Wärme-Kopplung

Die derzeitige Strom- und Wärmeversorgung ist geprägt durch eine zentrale Erzeugung der

elektrischen Energie in Großkraftwerken und einer dezentralen Wärmeerzeugung für Warm-

wasseraufbereitung, Gebäudeheizung oder Prozesswärme. Die bei der Stromproduktion

entstehende Abwärme kann aufgrund der Limitierungen bei der Wärmeverteilung nur zu ei-

nem geringen Anteil als Fern- oder Prozesswärme eingesetzt werden. Die Grundidee bei der

Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) besteht in der Kopplung von Strom- und Wärmeerzeugung, so

dass die bei der Stromproduktion entstehende Wärme genutzt werden kann. Aus diesem

Grund unterscheidet man bei der Kraft-Wärme-Kopplung den elektrischen Wirkungsgrad ηel,

den thermischen Wirkungsgrad ηth und den Gesamtwirkungsgrad ηges.

Für die Kraft-Wärme-Kopplung stehen verschiedene technologische Möglichkeiten zur Ver-

fügung, wobei die Porenbrennertechnologie bei mehreren Alternativen als Wärmeerzeuger

eingesetzt werden kann. Die Bewertung dieser Anwendungen hat dadurch auf drei Ebenen

stattzufinden: die Kraft-Wärme-Kopplung ist einer zentralen Stromproduktion gegenüberzu-

stellen, die Alternativen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind zu vergleichen und die Vorteilhaftig-

keit eines Porenbrennereinsatzes im Kraft-Wärme-Kopplungs-Bereich ist zu untersuchen. Da

mehrere Porenbrenneranwendungen betroffen sind, wird in diesem Kapitel ein kurzer Über-

blick über die ersten beiden Ebenen gegeben, der später als Basis für die Einzelbewertungen

bereit steht.

Zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit der Kraft-Wärme-Kopplung existiert eine unüber-

schaubare Vielzahl von Studien, deren Ergebnisse eine hohe Streubreite besitzen. Durch die

bei einer Monetarisierung notwendigen Energiepreise, Fördermittel und Steuervergünstigun-

gen enthält das Ergebnis politisch abhängige Komponenten. Es ist mitunter auch zu beo-

bachten, dass moderne KWK-Anlagen mit seit Jahrzehnten in Betrieb befindlichen Kohle-

kraftwerken verglichen werden. Die durch die zeitliche Verzerrung resultierende günstige

Ökobilanz für die Kraft-Wärme-Kopplung ist ebenfalls wenig aussagekräftig. Aus diesem

Grund soll an dieser Stelle eine sehr einfache objektive Betrachtung aus rein energetischer

Sicht für den Energieträger Erdgas durchgeführt werden, bei dem die Kraft-Wärme-Kopplung

einer modernen zentralen Stromproduktion mit einer dezentralen Wärmeproduktion gegen-

übergestellt wird.

Dabei werden folgende Annahmen getroffen:


73

elektrischer Wirkungsgrad GuD-Kraftwerk (inkl. Leitungsverluste): 55%

elektrischer Wirkungsgrad KWK-Hausenergiesystem: 20-50%

Gesamtwirkungsgrad KWK-Hausenergiesystem: 95%

Wirkungsgrad Brennwertgerät 95%

Tabelle 7: Annahmen für Modellrechnung

Weiterhin wird angenommen, dass die Abwärme des GuD-Kraftwerkes nicht genutzt wird. In

der Rechnung wird zum einen der elektrische Wirkungsgrad variiert, andererseits wird der bei

der KWK erzeugte Wärmeanteil, der tatsächlich genutzt werden kann, verändert. So wird

beispielsweise in den Sommermonaten in vielen Haushalten viel Strom für Klimaanlagen,

aber nur wenig Wärme benötigt. Bei Einsatz von Solarmodulen ist teilweise für einen länge-

ren Zeitraum keine Zusatzwärme mehr notwendig. Wird die erzeugte Wärme bei der KWK

nicht genutzt, ergibt sich ein Nachteil gegenüber einer zentralen Stromproduktion, da diese

durch den höheren Wirkungsgrad des GuD-Kraftwerks effizienter ist. In Abbildung 29 sind die

Verhältnisse zwischen dem Energieeinsatz der beiden dargestellten Alternativen über dem

Anteil bei der KWK genutzten Wärme für verschiede elektrische Wirkungsgrade der KWK

aufgetragen.

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 20 40 60 80 100

Verbrauch der bei der KWK anfallenden Wärme [% ]

Ver

hält

nis

Ene

rgie

eins

atz

KW

K/(

GuD

+The

rme)

[k

Wh/

kWh]

el. Wirkungsgrad: 20%




Abbildung 29: Energetischer Vergleich zwischen zentraler und dezentraler Strom-produktion


74

Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass abhängig vom elektrischen Wirkungsgrad, ein

entsprechender Anteil der bei der KWK entstehenden Wärme genutzt werden muss, um e-

nergetische Vorteile gegenüber der zentralen Energieerzeugung zu erzielen. Trotz günstiger

Annahmen für die Kraft-Wärme-Kopplung (Gesamtwirkungsgrad 95%, keine Nutzung der

Abwärme bei zentraler Stromproduktion) ist aus energetischer Sicht ein KWK-

Hausenergiesystem mit den derzeit realistischen Wirkungsgraden von 20-30% nur bei nahe-

zu vollständiger Nutzung der anfallenden Wärme sinnvoll.

Eine Möglichkeit, den Gesamtwirkungsgrad zu steigern ist die Ausnutzung von Synergieef-

fekten, die sich bei einem virtuellen Verbund mehrerer KWK-Anlagen ergeben. Dadurch kann

die Stromerzeugung gezielt auf die Systeme übertragen werden, die einen Wärmebedarf

aufweisen. Die für eine Steuerung notwendige Infrastruktur ist mit dem Internet bereits vor-

handen. Durch Energie-Contracting wird die Tendenz zur Bündelung von KWK-Anlagen ge-

fördert. Dabei tätigt ein spezialisiertes Unternehmen ("Contractor") Energie-Investitionen in

einem Unternehmen, einer Gemeinde oder einem privaten Haushalt ("Contractingnehmer").

Für kleine Leistungsbereiche, deren untere Grenze Ein- und Mehrfamilienhäuser darstellen,

sind derzeit zwei technische Alternativen kommerziell verfügbar. Dominierend sind motorge-

triebene Aggregate, von denen bereits mehrere Tausend Einheiten in Deutschland im Betrieb

sind. Seit einigen Jahren sind konstruktiv aufwendigere Stirling-Aggregate am Markt erhält-

lich, die sich gegenüber Verbrennungsmotoren durch eine höhere Brennstoffflexibilität, ge-

ringere Emissionen und längere Wartungsintervalle auszeichnen. Nach Angaben des Markt-

führers SOLO sind derzeit ca. 40 Stirling-Anlagen im Betrieb [60], [61]. Im größeren Leis-

tungsbereich über 1 MW sind Gasturbinen und GuD-Anlagen, bei denen Gas- und Dampftur-

bine kombiniert werden, im Einsatz. In jüngster Vergangenheit wurde nach Wolkerstorfer [62]

die Gasturbinentechnologie auch für kleinere Leistungen bis ca. 30 kWel weiterentwickelt. Die

Systeme werden als Mikro-Gasturbinen bezeichnet. Neben den bereits kommerzialisierten

Technologien befinden sich weitere KWK-Technologien in der Entwicklung. An erster Stelle

ist hier die Brennstoffzelle zu nennen, die als Hausenergiesystem und als BHKW eingesetzt

werden soll. Daneben befindet sich ein Dampfmotor im Leistungsbereich von ca. 5 kWel in

Entwicklung [63]. Schließlich ist noch die Thermophotovoltaik (TPV) zu nennen, die über

Photozellen die bei der Verbrennung frei werdende Strahlung in elektrische Energie umwan-

delt. Ein über eine Notstromversorgung von Heizgeräten hinausgehender Einsatz der TPV ist

jedoch in absehbarer Zeit nicht zu erwarten. Die TPV wird deshalb nicht weiter berücksich-

tigt.


75

Brennstoffzellen haben bei Betrieb mit Wasserstoff ein hohes elektrisches Wirkungsgradpo-

tenzial bei Voll- und insbesondere bei Teillast, können modular aufgebaut werden, benötigen

keine bewegten Teile und arbeiten nahezu ohne Lärm- und Schadstoffemissionen. Aufgrund

dieser Vorteile bieten Brennstoffzellen langfristig ein hohes Potenzial bei der Kraft-Wärme-

Kopplung. Bei Eintreten des in Kap. 5.6.2 vorgestellten Wasserstoffszenarios werden nach

der VDMA-Studie [58] im stationären Bereich die Brennstoffzellen viele andere Energiewand-

lungs-Technologien zurückdrängen. Stehen nur fossile Energieträger zur Verfügung, bedingt

der zusätzlich notwendige Reformierungsschritt einen niedrigeren Wirkungsgrad. Die von

den Herstellern angestrebten elektrischen Wirkungsgrade zwischen 30 und 40% [64], [65]

unter Beibehaltung der oben genannten Vorteile führen noch immer zu einer gegenüber den

motorischen Systemen hohen Attraktivität.

Auf der anderen Seite ist der Fall zu betrachten, wenn die technischen und wirtschaftlichen

Ziele der Brennstoffzellen nicht in absehbarer Zeit realisiert werden können. In diesem Sze-

nario werden Gasturbinen ihre marktbeherrschende Stellung weiter ausbauen. Da nach

Heinzel [66] für Hausenenergiesysteme elektrische Leistungen zwischen 1 und 5 kW ange-

strebt werden, was deutlich unter den Minimalleistungen der Mikrogasturbinen liegt, konkur-

rieren in diesem Segment Verbrennungs-, Stirling- und Dampfmotor. Die 3 Alternativen sind

in Tabelle 8 gegenübergestellt.

Gasmotor Stirlingmotor Dampfmotor el. max. Wir-kungsgrad

ca. 30% [67] ca. 24-31% [68], [69] >20% [63]

Emissionen - o + Reifegrad Marktphase Markteinführung Entwicklung Baugröße + o + Wartung o + + Invest ca. 2000 €/kW [67] >2000 €/kW [70] n.b.

Tabelle 8: Gegenüberstellung mehrerer Alternativen zur Kraft-Wärme-Kopplung für Hausenergiesysteme

Eine vom EnBW durchgeführte Studie zeigt, dass der Stirlingmotor derzeit aus ökonomischer

Hinsicht geringe Nachteile gegenüber dem Gasmotor aufweist [71]. Nach dem Erfahrungs-

kurvenkonzept und der Leistungskurve von Technologien beinhaltet der gerade auf dem

Markt eingeführte Stirlingmotor jedoch noch hohes Optimierungspotenzial. Weiterhin ist zu

erwarten, dass die geringen Schadstoffemissionen durch verschärfte Abgasgrenzwerte zu-

künftig eine höhere Bedeutung erlangen. Unter diesen Voraussetzungen und bei Eintreffen

des Negativ-Szenarios für Brennstoffzellen ist eine Renaissance des Stirling-Motors, der

bereits im 19. Jahrhundert weit verbreitet war, in größeren Stückzahlen vorstellbar. Der noch


76

in der Entwicklung befindliche Dampfmotor erreicht einen dem Stirling-Motor vergleichbaren

elektrischen Wirkungsgrad bei noch geringeren Schadstoffemissionen und reduziertem

Platzbedarf. Bei Realisierung dieser Entwicklungsziele zu einem dem Stirling-Motor ver-

gleichbaren Preis erscheint der Dampfmotor dem Stirling-Motor überlegen. In Abbildung 30

sind die Auswirkungen in Abhängigkeit der Entwicklung der Brennstoffzellentechnik und des

Dampfmotors zusammengestellt. Abhängig vom eintretenden Szenario besitzen Gasturbine,

Stirling- und Dampfmotor das Potenzial, ihre Bedeutung zukünftig deutlich zu steigern.

Abbildung 30: Szenarien zur Entwicklung der KWK-Technologien

Basierend auf diesen Szenarien wird eine Abschätzung der jeweiligen Marktpotenziale

durchgeführt. Die technisch ausgereiften Gasturbinen profitieren von einem Trend zur Kraft-

Wärme-Kopplung und können durch die Mikrogasturbinen in kleineren Blockheizkraftwerken

eingesetzt werden. Durch die Brennstoffzellen ist eine teilweise Verdrängung zu erwarten.

Überlegungen von Steinborn [67] zur Kopplung von Gasturbine und Brennstoffzelle deuten

jedoch darauf hin, dass die beiden Alternativen am Markt koexistieren können. Da der Gas-

turbinenmarkt bereits eine beachtliche Größe erreicht hat, wird das Marktpotenzial für die

Porenbrenneranwendung auf das derzeitige Marktvolumen bezogen und das Marktrisiko mit

mittel eingestuft.

Bei allgemeinen Abschätzungen des Marktpotenzials für Kraft-Wärme-Kopplung, die nicht

das jährliche, sondern das gesamte Marktpotenzial in Deutschland betrachten, reichen die

Prognosen von insgesamt 50.000 bis 1.700.000 Anlagen [72]. Bei angenommenen 10 Jahren

Laufzeit ergibt sich ein jährlicher Bedarf zwischen etwa 5000 und 170.000 Einheiten. Speziell

für die Brennstoffzellen-Haushaltsenergiesysteme existieren weitere Abschätzungen, die

nach Krabbe [73] zwischen jährlich 80.000 und 280.000 Einheiten liegen. Durch diese Zahlen

Gasturbine

à

Gasturbine à

Verbrennungsmotor

à

Verbrennungsmotor

à

Stirlingmotor

à

Stirlingmotor à

Dampfmotor - Dampfmotor à

Gasturbine

à

Gasturbine à

Verbrennungsmotor

à

Verbrennungsmotor à

Stirlingmotor

à

Stirlingmotor àDampfmotor - Dampfmotor -

bald erfolgreich vorerst nich erfolgreich

Entwicklung Brennstoffzellen-BHKW

En

twic

klu

ng

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pfm

oto

r-B

HK

W

erfo

lgre

ich

nic

ht e

rfo

lgr.


77

ergibt sich ein Widerspruch, da Hausenergiesysteme auf Brennstoffzellenbasis als Teilmen-

ge der KWK-Anlagen höhere Stückzahlen aufweisen. Diese Diskrepanzen weisen auf die

enormen Unsicherheiten des KWK-Marktes hin.

Aufgrund der potenziellen Vorteile der Brennstoffzellensysteme wird im weiteren Verlauf der

Arbeit mit jährlich 200.000 Brennstoffzellensystemen gerechnet. Für Dampf- und Stirlingmo-

toren werden jährlich 100.000 Einheiten angenommen. Die Werte sind in Tabelle 9 zusam-

mengestellt.

Technologie Potenzial in Deutschland Marktrisiko

Gasturbine const. Niedrig-Mittel

Brennstoffzelle 200.000 / Jahr hoch

Stirling-Motor 100.000 / Jahr Sehr hoch

Dampfmotor 100.000 / Jahr Sehr hoch

Tabelle 9: Marktpotenzial und Marktrisiko der KWK-Produkte

5.7 Bewertung der Porenbrenneranwendungen

Um den Aufwand bei der Bewertung zu reduzieren, wird, wie bereits in Kap. 4.2.1 beschrie-

ben, dem eigentlichen Bewertungsprozess eine Vorselektion mit qualitativen Methoden vor-

gezogen.

5.7.1 Ausschluss von Ideen mit geringem Potenzial durch Vorselektion

Aufgrund der technischen Realisierbarkeit können vier Anwendungen ausgeschlossen wer-

den. Bei Standheizung für Wohnmobil, Grill und Campingbrenner ist ein Betrieb ohne Strom

erwünscht. Die Brenner sind deshalb atmosphärisch zu betreiben. Dabei erzeugt ein Frei-

strahl des Brennstoffs eine Sogwirkung, wodurch die Verbrennungsluft angesaugt werden

kann. Burmeister, Janssen et al. [74] zeigten, dass dieses Prinzip beim Porenbrenner auf-

grund starker Luftzahlschwankungen zwischen Start- und Normalbetrieb ungeeignet ist. Bei

dem Brenner zur Waffenentsorgung ist mit einer Zerstörung der porösen Materialien durch

die Druckwellen zu rechnen. Aus Marktsicht können zwei Anwendungen ausgeschlossen

werden. Zum einen ist der Wärmeerzeuger im Dampfmotor zu Antriebszwecken zu nennen,

da die Entwicklungsarbeiten hierfür eingestellt wurden und damit kein Verwendersystem für

die Porenbrennertechnologie besteht. Für den Heißlufterzeuger ist kein spezieller Markt er-

kennbar. Die bestehenden, zum Schmieden eingesetzten Geräte (Abbildung 31), können

dem Ofenmarkt zugeordnet werden.


78

Abbildung 31: Heißlufterzeuger zum Schmieden

Der Einsatz der Porenbrennertechnologie für Russfilterreinigung, Müllverbrennung, als

Zündbrenner und Designerleuchte existieren bisher nur als Schlagworte ohne konkreten

Anwendungsfall. Für eine Weiterentwicklung der Ideen ist zusätzlicher kreativer Input not-

wendig. Die Konzepterstellung für diese Ideen stellt damit den ersten Teil des Handlungspro-

gramms dar. In Tabelle 10 sind die in der Vorselektion aussortierten Ideen zusammenge-

stellt.

Realisierbarkeit Markt Fehlendes Konzept Müllverbrennung ! Rußfilterreinigung ! Brenner f. Waffenentsor-gung

!

Wärmeerzeuger im Dampfmotor zum Antrieb

!

Heißlufterzeuger ! Standheizung für Wohn-mobil

!

Grill ! Campingbrenner ! Zündbrenner ! Designerleuchte !

Tabelle 10: Vorselektion der Ideen

5.7.2 Bewertung der Anwendungen

Im Folgenden werden die nach der Vorselektion verbliebenen Anwendungen betrachtet. Da-

bei wird zuerst auf den jeweiligen Markt und das dazugehörige Marktrisiko eingegangen.

Anschließend wird die Technologieattraktivität auf Basis der Ergebnisse der Nutzwertanalyse

diskutiert. Die hierfür relevanten Informationen aus Literatur und Expertengesprächen sind

tabellarisch im Anhang dokumentiert. Anschließend wird der F&E-Aufwand abgeschätzt, der

notwendig ist, um ausgehend vom derzeitigen auf den Stand des Referenzsystems zu ge-

langen und welches Risiko die noch notwendigen Entwicklungsschritte beinhalten. Am Ende

werden die Daten in einer Übersicht zusammengefasst und die Ergebnisse kurz interpretiert.


79

5.7.2.1 Industriestrahler

Industriestrahler werden in vielen Industriezweigen zu Heiz- und Anwärmzwecken bis hin zu

Trocknungsprozessen eingesetzt. Seit über 50 Jahren werden hierfür Gas-Infrarotstrahler

eingesetzt. Hierbei kommen meist keramische Oberflächenstrahlungsbrenner zum Einsatz.

Daneben sind katalytisch beschichtete Brenner und Metallfaserstrahler am Markt erhältlich.

Es ist zu erwarten, dass der aus SiC-Keramik bestehende Schott Ceramat-Brenner zukünftig

ebenfalls in diesem Bereich eingesetzt wird [75]. Die Gasstrahler konkurrieren mit zwei Arten

von elektrisch betriebenen Strahlern. Neben den konventionellen elektrischen IR-Strahlern,

die Strahlung im Bereich von einigen µm emittieren, sind seit einigen Jahren sog. NIR-

Strahler erhältlich, die Strahlung im nahen Infrarotgebiet aussenden. Die seit Jahrzehnten

bestehende Koexistenz von elektrischen und fossil befeuerten Strahlern wird sich voraus-

sichtlich auch in der Zukunft fortsetzen. Aus diesem Grund werden nur die Gas-

Infrarotstrahler betrachtet. In Deutschland werden zurzeit etwa 50.000 Industriestrahler mit

jeweils ca. 6,5 kW zur Trocknung insbesondere in der Papierindustrie eingesetzt. Bei einer

zweijährigen Laufzeit ergibt sich ein Potenzial von 25.000 Strahlern, was einer Leistung von

ca. 160 MW entspricht. Das Marktrisiko in der Papierindustrie ist sehr niedrig, in anderen

Branchen, beispielsweise in der Stahlindustrie besteht noch Wachstumspotenzial durch die

Verdrängung von Umlufttrocknungsanlagen [75].

Die herausragende Eigenschaft des Porenbrenners ist die hohe Strahlungsenergiedichte

durch die höhere Trocknungsgeschwindigkeiten und auch höhere Prozessgeschwindigkeiten

erzielt werden können. Dieser Vorteil bleibt auch gegenüber dem neu entwickelten Ceramat-

Brenner bestehen, der in einem zweiten Szenario in die Bewertung mit einbezogen wird.

Modulierbarkeit und Emissionen spielen bei Industriestrahlern nur eine untergeordnete Rolle.

Neben den technischen Vorteilen ist eine relativ problemlose Integration des Porenbrenners

in bestehende Anlagen möglich. Die Nutzungskosten ergeben sich zum größten Teil aus

dem Gasverbrauch. Hierbei bestehen keine signifikanten Unterschiede zwischen den be-

trachteten Alternativen. Darüber hinaus ist der Porenbrenner bereits bei den derzeitigen Ke-

ramikkosten ökonomisch konkurrenzfähig, da durch die hohe Flächenleistung ein Poren-

brennermodul drei bis vier Oberflächenstrahlermodule ersetzt. In Tabelle 37 bis Tabelle 39

sind die Details zur Technologieattraktivität aufgeführt.

Die Entwicklung des Industriestrahlers auf Porenbrennerbasis ist bereits sehr weit fortge-

schritten. In einem Feldtest kamen bereits über einhundert Porenbrenner zum Einsatz und

erreichten eine Standzeit von ca. 5000 Stunden [76]. Der Entwicklungsbedarf reduziert sich

damit im Wesentlichen auf eine Werkstoffoptimierung und wird mit sehr niedrig eingestuft.


80

Das noch bestehende Entwicklungsrisiko ist dabei sehr niedrig. In Tabelle 11 sind die ge-

samten Bewertungsergebnisse zusammengestellt.

Industriestrahler

Marktpotenzial Lebenszyklusphase

Verwendersystem

Benötigter F&E-

Aufwand

Risiko Technologieattraktivität

>160 MW Marktdurchdringung sehr niedrig M: sehr niedrig

T: sehr niedrig

115

Tabelle 11: Ergebnistabelle Industriestrahler

Der Industriestrahler ist die am weitesten fortgeschrittene Porenbrenneranwendung, die zu-

dem eine hohe Technologieattraktivität und geringes Risiko aufweist. Ein technologischer

Vorsprung bleibt auch bei einer absehbaren Weiterentwicklung der Oberflächenstrahlungs-

brenner erhalten. Eine Kommerzialisierung durch die Fa. Gogas Goch GmbH & Co. erfolgt

sobald die geforderten Standzeiten der Keramiken gewährleistet werden können.

5.7.2.2 Großkessel für Dampf- und Heißwassererzeuger

Fossil befeuerte Kessel existieren in einer sehr großen Leistungsbandbreite und werden für

die Beheizung, zur Erzeugung von Prozessdampf sowie im Kraftwerksbereich eingesetzt.

Direkt befeuerte Dampferzeuger kommen jedoch in Großkraftwerken hauptsächlich bei dem

Energieträger Kohle zur Anwendung. Zu der Stromerzeugung tragen die Energieträger Erd-

gas und Öl in Deutschland mit 10% bzw. 4% Anteil zu der Gesamtproduktion bei [77]. Für die

Stromerzeugung aus Erdgas haben sich nach Bockhorst [78] Gasturbinen, bzw. die Kombi-

nation von Gas- und Dampfturbinen in sog. GuD-Anlagen durchgesetzt. Deshalb werden an

dieser Stelle Kessel, die vorwiegend zur Bereitstellung von Prozessdampf und Heißwasser

dienen, betrachtet. Der Betrieb von Dampfkesseln ist prinzipiell aufwendiger gegenüber

Heißwasserkesseln, da nach erfolgter Verdampfung der Wärmeübergang erniedrigt wird und

die Gefahr einer Überhitzung des Wärmetauschers besteht. Die am Markt angebotenen Kes-

sel reichen von kleinen Geräten mit Leistungen unter 100 kW beispielsweise für Sterilisati-

onsaufgaben bis hin zu Anlagen mit über 10 MW für Industrieprozesse. Zur Beheizung wer-

den fast ausschließlich öl- oder gasbetriebene Diffusionsbrenner verwendet, die von außen

an den Kessel befestigt werden und deren Flammrohr in den Brennraum des Kessels ragt. In

Deutschland werden jährlich zwischen 500 und 1000 sog. Mittel- und Großkessel verkauft

[79]. Die Leistungen liegen meist im Bereich zwischen 2 und 5 MW. Das Marktpotenzial wird

deshalb mit 3 GW bei sehr niedrigem Marktrisiko abgeschätzt.


81

Der Porenbrenner benötigt durch die kompakte Bauweise weniger Brennraum und bietet

zudem die Möglichkeit, neben der Konvektion auch Strahlung und Wärmeleitung für den

Wärmetransport zu der Wärmetauscherfläche zu nutzen. Damit besteht Potenzial zu einer

Verkleinerung des Systems, das mit Kosteneinsparungen verbunden ist. Das Schema eines

kommerziellen Dampferzeugers ist in Abbildung 32 dargestellt. Die Brennkammer benötigt je

nach Ausführung in der Größenordung von 10-20% des Systemvolumens, so dass dadurch

ein Potenzial zur Verkleinerung in dieser Größenordnung besteht.

Abbildung 32: Prozessdampferzeuger Viessmann Vitomax 200 [80]

Bei der stark vereinfachten Annahme eines linearen Zusammenhangs zwischen Kesselgröße

und den Kessel-Investkosten ergeben sich bei einem ca. 15.000 Euro teuren 1 MW-Kessel

bis zu 3.000 Euro Kostenvorteile. Um den Vorteil trotz der zusätzlich notwendigen Keramiken

beizubehalten, können günstige keramische Kugelschüttungen anstelle der bei den kleineren

Brennern verwendeten keramischen Komponenten zum Einsatz kommen. Die Realisierung

der Platz- und Kostenpotenziale setzt außerdem voraus, dass das Gesamtsystem auf den

Porenbrenner durch eine kleine Brennkammer angepasst wird. Eine Nachrüstung von beste-

henden Dampfkesseln mit Porenbrennern ist somit wenig aussichtsreich. Bei der Ermittlung

der Technologieattraktivität wird ein bereits angepasster Kessel vorausgesetzt. Die für den

Kesselbetrieb benötigte Leistungsmodulation und die Einhaltung der aktuellen Grenzwerte

für Schadstoffemissionen werden durch die bestehende Brennertechnik bereits erfüllt [81].

Der Wirkungsgrad moderner Kesselanlagen liegt bereits bei ca. 95% und hängt hauptsäch-

lich von dem Wärmetauscher und den Wärmeverlusten des Systems ab. Die mittlerweile

erhältlichen Anlagen mit Brennwertnutzung ermöglichen eine Wirkungsgradsteigerung bis ca.

105% [82]. Durch eine mit weniger Wärmeverlusten einhergehende, kompaktere Bauweise

ist eine geringfügige Steigerung des Wirkungsgrades realisierbar. Insgesamt bestehen leich-


82

te Vorteile für den Porenbrenner. Die Details sind in Tabelle 40 und Tabelle 41 zusammen-

gestellt.

Für ein porenbrennerbasiertes Kesselsystem besteht noch ein erkennbarer F&E-Bedarf.

Brennerseitig sind die bisher im Bereich von einigen hundert Kilowatt vorhandenen Erfahrun-

gen auf den Megawattbereich zu erweitern. Wie bereits erwähnt, ist eine Anpassung des

Kessels auf die neue Brennertechnologie durchzuführen um einerseits die Größenvorteile zu

realisieren und andererseits bei Dampfkesseln lokale Überhitzungen an den Rohrwandungen

durch den erhöhten Wärmetransport zu vermeiden. Dabei sollte die bei den konventionellen

Brennern gegebene einfache Möglichkeit zur Wartung nicht verloren gehen. Bei den bisher

durchgeführten Kurzzeitversuchen mit keramischen Schüttungen im Porenbrenner konnten

bei Erdgas keine Alterungserscheinungen beobachtet werden. Ob eine dauerhafte Stabilität

gewährleistet werden kann, ist durch Langzeitversuche zu ermitteln. Der hierfür notwendige

Aufwand wird mit mittel, das technische Risiko mit niedrig eingestuft. Die Ergebnisse sind in

Tabelle 12 zusammengestellt.

Dampf- und Heißwasserkessel


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


3 GW Marktsättigung mittel M: sehr niedrig

T: niedrig

105

Tabelle 12: Ergebnistabelle Dampf- und Heißwasserkessel

Da der Platzbedarf bei Kesseln ein untergeordnetes Kriterium darstellt und die Schadstoff-

grenzwerte mit der bestehenden Technik eingehalten werden können, resultiert nur ein ge-

ringer Vorsprung hinsichtlich der Technologieattraktivität für den Porenbrenner bei dieser

Anwendung. Durch verschärfte Emissionsanforderungen ist eine Steigerung in der Zukunft

nicht ausgeschlossen. Bei der Markteinführung wirkt sich die Inkompatibilität eines konventi-

onellen mit einem für den Porenbrenner modifizierten Kessel negativ aus, da neue Kessel-

Baureihen für den Porenbrenner notwendig sind. Bis eine geeignete marktreife Verdampfer-

stufe für Öl erhältlich ist, kann ein modifizierter Porenbrenner-Kessel zudem nur mit Gas

betrieben werden. Aufgrund dieser Aspekte ist das Potenzial in diesem Bereich für die Po-

renbrennertechnologie eher langfristig zu verstehen.


83

5.7.2.3 Industrieöfen

Fast 40% des industriellen Energieverbrauches in Höhe von ca. 80 EJ werden in Industrie-

öfen benötigt [83], [84]. Die Bezeichnung Industrieofen nach Brunklaus [85] umfasst dabei als

Sammelbegriff alle in industriellen oder gewerblichen Betrieben verwendeten Einrichtungen,

deren wesentliches Merkmal es ist, dass in einem von Wandungen umschlossenen Raum

Massen so lange und nachhaltig einer Energiezufuhr in Form von Wärme ausgesetzt wer-

den, bis bestimmte Vorgänge im Arbeitsgut oder an dessen Oberfläche abgelaufen sind. Bei

einer durchschnittlichen Betriebsdauer von 6000 h/Jahr ergibt sich eine Gesamtleistung für

Öfen von ca. 1500 GW. Bei einer 15-jährigen Lebensdauer resultiert ein jährlicher Bedarf in

der Größenordnung von ca. 100 GW für Ofenheizungen.

Eine Klassifikation der Industrieöfen ist nach den Kriterien Ofenart, Gutlagerung, Beheizung,

Hüllmittel, thermisches Verfahren und Produktionsbereich möglich. Durch die vielen techni-

schen Lösungsmöglichkeiten ergibt sich eine nahezu unüberschaubare Vielfalt von Kombina-

tionsmöglichkeiten, weshalb von Brunklaus [85] über 40 verschiedene Ofentypen genannt

werden. In erdgasbefeuerten Öfen kommen meist einfache Diffusionsbrenner zum Einsatz.

Durch die heiße Ofenatmosphäre kann ein nahezu vollständiger Ausbrand sichergestellt

werden und die Umstellung auf flüssige Brennstoffe ist leicht möglich. Eine Vorwärmung der

Verbrennungsluft mit der im Abgas enthaltenen Energie ist bei Diffusionsbrennern einfacher,

da im Gegensatz zu Vormischbrennern keine Rückschlaggefahr besteht. Daneben haben

elektrisch beheizte Öfen eine große Bedeutung. Der Markt für Industrieöfen unterscheidet

sich von den meisten anderen in dieser Arbeit betrachteten Verwendersystemen. Körting [86]

konstatiert bereits 1949, dass es kaum einen guten oder mangelhaften Brenner gibt, “son-

dern nur solche, die für eine bestimmte Aufgabe gut oder schlecht geeignet sind.“ Damit

hängt die Bewertung eines Industrieofenbrenners stark vom Produkt und der Verfahrens-

technik des Prozesses ab. Die in Öfen ablaufenden Prozesse sind vielfach noch nicht im

Detail nachvollziehbar, so dass Erfahrungswerte beim Bau und Betrieb eine große Bedeu-

tung haben. Bei vielen Betreibern besteht deshalb der Wunsch nach Kontinuität, was die

Verdrängung bestehender Technologien erschwert [87]. Die pauschale Bewertung des Ein-

satzes der Porenbrennertechnologie in einem Industrieofen ist somit nicht durchführbar.

Aus diesem Grund wird im Rahmen der Arbeit nur ein Sonderfall betrachtet, der aufzeigen

soll, dass grundsätzlich Potenzial für den Porenbrenner im Bereich der Industrieöfen besteht.

Die Bewertung erfolgt dabei direkt in der Zielerfüllungsmatrix in Tabelle 42. Dabei wird ein

Ofenprozess in einer neu zu erstellenden Ofenanlage zwischen 800 °C und 1500 °C betrach-

tet, bei dem ein Kontakt zwischen Abgas und Produkt erlaubt ist, ein Kontakt zwischen


84

Flamme und Produkt jedoch vermieden werden soll. Darüber hinaus wird eine gleichmäßige

Temperatur im beheizten Gut erwünscht und ein hoher Wärmebedarf benötigt. Diese Anfor-

derungen bestehen beispielsweise bei der Herstellung hochwertiger Gläser. Wird eine akzep-

table Standzeit des Porenbrenners angenommen, überwiegen die Vorteile des Porenbren-

ners gegenüber konventionellen Oberflächenstrahlungsbrennern, Diffusionsbrennern und

elektrischer Beheizung. Diese Betrachtung stellt jedoch nur einen für den Porenbrenner

günstigen Sonderfall aus der Vielfalt der Industrieöfen dar. Das gesamte im Industrieofenbe-

reich vorhandene Marktpotenzial für die Porenbrennertechnologie ist damit nicht genau be-

kannt. Aufgrund der oben beschriebenen Größe des Gesamt-Ofenmarktes ist mit einem sig-

nifikanten Potenzial zu rechnen.

Die in Kap. 5.7.2.1 beschriebenen Porenbrenner-Infrarotstrahlermodule können in einer be-

reits vorhandenen, modifizierten Form zur Beheizung von Öfen eingesetzt werden. Durch

Rückstrahlung der heißen Ofenatmosphäre ist die poröse Keramik einer im Vergleich zur

offenen Betriebsweise höheren thermischen Belastung ausgesetzt, was zu einem zusätzli-

chen F&E-Bedarf in dieser Richtung führt. Darüber hinaus ist jeweils eine Abstimmung zwi-

schen Brennertechnik und dem jeweiligen Produkt durchzuführen. Der F&E-Bedarf und das

technische Risiko werden mit niedrig eingestuft.

Industrieöfen – Sonderfall


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


n.b. Marktsättigung niedrig M: n.b.

T: niedrig

106

Tabelle 13: Ergebnistabelle Industrieöfen

Im Bereich der Industrieöfen sind neben der Glasverarbeitung weitere interessante Anwen-

dungsfelder für die Porenbrennertechnologie zu erwarten, die jedoch jeweils als Einzelfall

betrachtet werden müssen. Durch die lange Lebensdauer der bestehenden Technik, die kon-

servative Einstellung vieler Ofenbetreiber und einem aus vielen kleinen Betrieben bestehen-

der Industrieofenmarkt ist mit einer langsamen Ausbreitung der Porenbrennertechnologie im

Ofenbereich zu rechnen.

5.7.2.4 Gas-Haushaltsheizung

Die Haushaltsheizung dient zur Sicherstellung einer Mindest-Raumtemperatur und Bereitstel-

lung von Warmwasser. Die für diese Funktionen geeigneten technischen Lösungsmöglichkei-


85

ten wurden bereits in Abbildung 22 dargestellt. Historisch betrachtet ist die Haushaltsheizung

als eine Weiterentwicklung des Lagerfeuers zu sehen, das bereits vor 750.000 Jahren den

Menschen Wärme spendete. Die vielen Entwicklungsstufen bis zu den heutzutage eingesetz-

ten Brennwertgeräten sind in Abbildung 33 aufgezeigt.

Abbildung 33: Entwicklungsstufen der häuslichen Heizung nach Faber und Sprenger [88], [89]

Lange Zeit wurde die Weiterentwicklung maßgeblich durch den Komfort getrieben. Durch

Einführung des Kamins konnte das Rauchproblem gelöst werden, die Umstellung auf eine

mit Gas oder Öl betriebene Zentralheizung verringerte drastisch den für die Beheizung not-

wendigen zeitlichen Aufwand. In den letzten 40 Jahren standen insbesondere Wirkungsgrad

und später die Schadstoffemissionen im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten. Beide Werte

sind mittlerweile nahe dem theoretischen Optimum angelangt. Eine durch katalytischen Be-

trieb weitere Absenkung der Emissionen, die vor einigen Jahren durch erste kommerzielle

Geräte möglich war, wurde nicht durch strengere Abgasgrenzwerte unterstützt, so dass die

Geräte wieder vom Markt verschwanden. Durch Verringerung von Baugröße und Lärm wer-

den die Geräte mittlerweile häufig im Wohnbereich platziert. Für die zukünftige Entwicklung

sind bereits mehrere Tendenzen abzusehen. So wird der Verbrauch an elektrischer Hilfs-

energie zukünftig einen höheren Stellenwert erhalten, da dieses Kriterium bereits im Anforde-

rungskatalog des Umweltzeichens ’blauer Engel’ aufgenommen wurde [90]. Aufgrund der

Zeit

Lagerfeuer

Offenes Feuer im Haus

Rauchfang / Kamin

Steinofen

Eisenofen

Kohlefeuerung

Ölfeuerung

Warmw.-Zentralheizung (Umstell- u. Wechselbrandkessel)

Niedertemperaturkessel

Brennwertkessel

Öl-/Gas Spezialkessel

750.000 1800 v. 1000 n. 1200 1400 1700 1900 1960 1980 1990


86

Liberalisierung der Energiemärkte und der verstärkten Verbrennung regenerativer Energie-

träger ist zunehmend mit Schwankungen der Gasqualität zu rechnen. Zusammen mit einem

durch die Globalisierung geforderten weltweit einsetzbaren Standardgerät wird dadurch der

Wunsch nach einem unabhängig von der Gasqualität betreibbaren Heizgerät geweckt. Eine

geregelte Therme von Vaillant mit CO-Sensor [91] und das über Ionisationsstrom arbeitende

SCOT-System der Fa. Kromschröder decken diese Anforderungen bereits ab. Die Reduzie-

rung der Lärmemissionen [89] sowie eine gesteigerte Servicefreundlichkeit sind weitere

Trends für die kommenden Jahre.

Aus der Esso-Energieprognose [92] geht hervor, dass der Energieträger Erdgas derzeit den

Heizungsbereich dominiert und seinen Vorsprung gegenüber Öl bis zum Jahr 2020 voraus-

sichtlich noch leicht ausbauen wird. Die Dominanz der Gasgeräte spiegelt sich auch bei den

Absatzzahlen für Deutschland wieder. Zwischen 1997 und 2003 ist der Gesamtabsatz nach

dem VDI [93] von 944.000 auf 715.000 Heizkessel um ca. 25% zurückgegangen. Davon sind

194.000 Ölgeräte und 521.000 Gasgeräte. Über 50% der Gasgeräte sind mittlerweile wand-

hängende Brennwertthermen. Bei einer durchschnittlichen Leistung von 25 kW erreichen die

Gasheizkessel eine Gesamtleistung von 13 GW. Die Porenbrennertechnologie konkurriert im

Haushaltsbereich überwiegend mit verschiedenen Ausführungen der von den Marktführern

eingesetzten Oberflächenstrahlungsbrennern. Durch sinkenden Gebäude-Energiebedarf,

begrenzte Zuwachsraten im Wohnungsbestand und dem in Kap. 5.6.3 beschriebenen poli-

tisch geförderten Trend zur Kraft-Wärme-Kopplung ist langfristig mit einer weiter rückläufigen

Tendenz zu rechnen [92], [94]. Die Veränderungen beziehen sich jedoch auf einen längeren

Zeitraum, so dass nach den in Abbildung 33 beschriebenen Entwicklungszyklen ausreichend

Zeit für weitere Entwicklungsstufen der Haushaltsheizung bleibt. Das Marktrisiko wird des-

halb mit niedrig eingestuft.

Im Gegensatz zu den meisten anderen Verwendersystemen ist die Haushaltsheizung ein

dem typischen Verbraucher bekanntes System. Aus diesem Grund kann ein Porenbrenner-

Referenzsystem im Rahmen einer Voruntersuchung an einem typischen Verbrauchertest

gemessen werden. Die dort verwendeten Kriterien sind in Tabelle 14 zusammengestellt.

Energie-ausnutzung

Umwelt-eigenschaften

Sicher-heit

Verar-beitung

Handhabung

Stiftung Warentest 11/2000 [95]

30% 20% 10% 15% 25%

Stiftung Warentest 8/2003 [96]

30% 20% - 15% 35%

Tabelle 14: Bewertungskriterien für Gas-Heizkessel


87

Von den fünf Kriterien hängen nur die Umwelteigenschaften und die beim neueren Test be-

reits nicht mehr verwendete Sicherheit spürbar von dem verwendeten Brennersystem ab. Auf

die nach DIN 4702 Teil 8 festgelegte Bestimmung der Energieausnutzung durch den Norm-

nutzungsgrad hat das Brennersystem nur einen geringen Einfluss. Der Normnutzungsgrad

hängt mehr von Konstruktionsmerkmalen, Wärmeverlusten und der Nutzung der Brennwert-

technik ab. Lediglich durch die Möglichkeit einer Fahrweise mit niedrigen Luftzahlen und

geringeren Wärmeverlusten durch eine kompakte Bauweise können geringe Verbesserungen

am Normnutzungsgrad erzielt werden. Fast alle getesteten Brennwertgeräte erreichen in

dieser Kategorie bereits die Bestnote. Die Kriterien Verarbeitung und Handhabung zielen

ebenfalls auf konstruktionsbedingte Merkmale. Bei den Umwelteigenschaften werden insbe-

sondere die Schadstoffemissionen betrachtet. In der Heiztechnik gibt es neben den gesetzli-

chen Grenzwerten (BImschV) die strengeren Grenzwerte des Umweltgütezeichens ’Blauer

Engel’. Diese werden von den am Markt befindlichen Geräten deutlich unterschritten, so dass

viele bestehende Geräte eine sehr gute Bewertung hinsichtlich der Schadstoffemissionen

aufweisen. Im neueren Test wird darüber hinaus der Stromverbrauch bewertet. Durch den im

Vergleich zu Oberflächenstrahlungsbrennern höheren Druckverlust des Porenbrenners, der

durch eine höhere Gebläseleistung ausgeglichen werden muss, ergeben sich in der neuen

Disziplin Nachteile für den Porenbrenner. Der Platzbedarf geht nicht direkt in die Bewertung

ein, die Kosten werden separat aufgeführt. Auf Basis der aktuell in Verbrauchermagazinen

durchgeführten Testmethoden sind somit für den Porenbrenner keine signifikanten Vorteile

erkennbar.

Bei der Durchführung der Nutzwertanalyse wird die Gewichtung der Bewertungskriterien in

diesem Fall über eine Marktbefragung von 25 Heizungsbesitzern und 5 Heizungsbauern

(siehe Tabelle 44) durchgeführt. Über die gemittelte Gewichtung werden drei verschiedene

Szenarien betrachtet. Im ersten Szenario wird die Bewertung wie bei den oben vorgestellten

Verbrauchertests auf das Verwendersystem ’Heizkessel’ bezogen. Im zweiten Szenario wird

der Bilanzraum auf das gesamte Heizsystem mit einem Warmwasserspeicher ausgedehnt

und im dritten Szenario wird der von der Firma SCHOTT entwickelte Ceramat-

Oberflächenstrahlungsbrenner in der Betrachtung berücksichtigt. Dieser wird seit kurzer Zeit

in England von der Fa. Baxi in einer Therme eingesetzt. Bei der Bewertung in Szenario 1

bestehen Vorteile bei Größe und Modulierbarkeit für den Porenbrenner. Es wird davon aus-

gegangen, dass die durch die keramischen Bauteile und das leistungsfähigere Gebläse ver-

ursachten Mehrkosten eines Porenbrenner-Heizsystems durch Einsparungen aufgrund der

kompakten Bauweise und einer durch den hohen Modulationsbereich möglichen Standardi-


88

sierung von Komponenten ausgeglichen werden. Weiterhin wird angenommen, dass der

durch den höheren Druckverlust hervorgerufene Mehrverbrauch an Strom durch geringere

Wärmeverluste kompensiert wird. Das erste Szenario ist in Tabelle 45 dargestellt und zeigt

analog zu den Verbrauchertests keine signifikanten Vorteile der Porenbrennertechnologie

auf. Das Bewertungsergebnis ist einerseits geprägt durch die derzeit bestehenden Rahmen-

bedingungen hinsichtlich der Berechnung von Normemissionen und andererseits durch den

Bilanzraum. Bei der Ermittlung der Normemissionen wird der obere Leistungsbereich nicht

berücksichtigt und die beim Brennerstart anfallenden Emissionen gehen ebenfalls nicht in die

Normemissionen ein. Beide Aspekte wirken sich nachteilig für den Porenbrenner aus.

Bei der bisherigen Betrachtung wird der Zusammenhang im Gesamtsystem zwischen Leis-

tungsmodulation des Brenners, Heizungskomfort und Kosten vernachlässigt. Durch einen

hochmodulierenden Brenner können Systemkosten eingespart werden, indem ein kleinerer

Warmwasserspeicher eingesetzt werden kann ohne Einbußen im Komfort hinnehmen zu

müssen. Durch geringere Wärmeverluste im Speicher sinken darüber hinaus Nutzungskos-

ten und der Platzbedarf wird durch den kleineren Speicher minimiert. Werden diese Vorteile

bei der Nutzwertanalyse berücksichtigt, ergibt sich im Szenario 2 (siehe Tabelle 46) ein er-

kennbarer Vorteil gegenüber den bereits am Markt erhältlichen Systemen mit Oberflächen-

Strahlungsbrennern. Im dritten Szenario werden die Weiterentwicklungen bei den Oberflä-

chen-Strahlungsbrennern durch den SCHOTT-Ceramat-Brenner berücksichtigt, der nach

Firmenangaben Flächenleistungen bis 4 MW/m² und einen Modulationsbereich von 1:35 bei

niedrigen Abgaswerten erreicht [97], [98]. Damit scheint er den Porenbrenner in diesen Kate-

gorien zu übertreffen. Um an dieser Stelle eine Fehlbewertung zu vermeiden, ist eine kurze

technische Detailbetrachtung notwendig. Die Angabe der Emissionen bei der Haushaltshei-

zung erfolgt über sog. Normemissionen. Diese werden durch mehrere Messungen in definier-

ten Teillastfällen des Heizsystems mit anschließender Mittelung bestimmt. Der Porenbrenner

zeichnet sich dabei durch nahezu konstante NOx-Emissionen über den gesamten Leistungs-

bereich aus, so dass der genutzte Leistungsmodulationsbereich beim Porenbrenner kaum

Einfluss auf die NOx-Normemissionen hat. Oberflächenstrahlungsbrenner weisen dagegen

mit der Brennerleistung steigende NOx-Emissionen auf, so dass eine Erweiterung der oberen

Leistungsgrenze zu einem Anstieg der NOx-Normemissionen führt. Durch den Anstieg der

Normemissionen werden bei einem bestimmten Modulationsbereich die vorgegebenen E-

missionsgrenzwerte erreicht und führen dadurch zu einer Limitierung des Betriebsbereichs.

Durch die Erhöhung der Luftzahl können aufgrund niedrigerer Verbrennungstemperaturen

die NOx-Normemissionen gesenkt werden, wobei durch diese Maßnahme der Wirkungsgrad


89

durch höhere Abgasverluste und höheren Stromverbrauch sinkt. Somit besteht ein Zusam-

menhang zwischen NOx-Normemissionen, Wirkungsgrad und Modulationsbereich. Die Be-

stimmungen verlangen zudem, dass die Geräte auch bei Schwankungen der Gasqualität in

definierten Grenzen die Emissionsgrenzwerte einhalten. Erste Messungen zeigen, dass der

Porenbrenner bei gleichen Emissionen und gleichem Modulationsbereich mit niedrigeren

Luftzahlen betrieben werden und dadurch Wirkungsgradvorteile erzielen kann. Unter Beibe-

haltung der Annahmen gleicher Investitionskosten und Standzeiten ergeben sich in Tabelle

47 bei Szenario 3 leichte Vorteile für den Porenbrenner.

Die Realisierbarkeit einer Porenbrennertherme konnte bereits mehrfach an Funktionsmustern

aufgezeigt werden. Weiterentwicklungsbedarf für den Porenbrenner besteht bei der Lang-

zeitstabilität bzw. Kosten der keramischen Materialien, der Flammenüberwachung sowie den

noch nicht für den hohen Leistungsmodulationsbereich erhältlichen Peripheriekomponenten.

Eine Optimierung des Druckverlustes ist ebenfalls wünschenswert. Der dafür notwendige

Aufwand wird mit niedrig-mittel, das dabei vorhandene technische Risiko aufgrund der Kera-

miken mit mittel eingestuft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 15 zusammengefasst.

Gas-Haushaltsheizung

Marktpo-

tenzial

Lebenszyklusphase

Verwendersystem

Benötigter F&E-

Aufwand

Risiko Technologie-

attraktivität

Szenario 1:

Bilanzraum

Heizkessel

13 GW Marktsättigung niedrig-mittel M: niedrig

T: mittel

102

Szenario 2:

Bilanzraum

Heizsystem


T: mittel

111

Szenario 3:

Optimierte

Oberflächen-

strahler


T: mittel

102

Tabelle 15: Ergebnistabelle Gas-Haushaltsheizung

Die Vermarktung der aufgrund des Marktpotenzials und des fortgeschrittenen Entwicklungs-

stadiums interessanten Haushaltsheizung wird von der venturekapitalfinanzierten Fa. prome-

os vorangetrieben. Aufgrund des relativ geringen Vorsprungs zu den konkurrierenden Heiz-

systemen wird der Porenbrenner durch weitere Innovationen ergänzt.


90

5.7.2.5 Öl-Haushaltsheizung

Im Ölbereich wird mit den im vorangegangenen Kapitel genannten 194.000 Einheiten bei der

Annahme von 25 kW Brennerleistung eine Gesamtleistung von ca. 5 GW erbracht. Das

Marktrisiko kann, wie bei den Gasheizungen, mit niedrig eingestuft werden. Als Stand der

Technik in den kommerziell verfügbaren Ölheizungen gilt der Blau- bzw. Raketenbrenner, bei

dem die Verbrennung des in einer Düse zerstäubten Heizöls mit nichtleuchtender blauer

Flamme erfolgt. Die Blaubrenner sind gekennzeichnet durch im Vergleich zu Gasbrennern

höheren Lärm- und Schadstoffemissionen und einer sehr geringen Leistungsmodulation. Seit

kurzer Zeit wird von der Fa. Windhager ein Gerät angeboten, das die Gemischbildung von

der Verbrennung trennt. Das in einem Rotationszerstäuber verdampfte Öl wird dabei über

einem Flammenhalter verbrannt. Nachteilig wirken sich bei diesem Gerät der hohe elektri-

sche Leistungsbedarf beim Start, die Gefahr von Ablagerungen und hohe Startemissionen

aus.

Bei der Ermittlung der Technologieattraktivität muss berücksichtigt werden, dass dem Poren-

brenner ein Verdampfungsaggregat vorgeschalten werden muss, da kein flüssiges Heizöl in

die Stabilisierungszone eingebracht werden kann. Der Brenner arbeitet dadurch ähnlich dem

in Kap. 5.7.2.4 beschriebenen Gasbrenner. Durch die Kombination eines leistungsfähigen

Verdampfers mit dem Porenbrenner kann der derzeitige Stand der Technik der Blaubrenner

hinsichtlich Schadstoff- und Lärmemissionen, sowie Modulierbarkeit deutlich übertroffen wer-

den. Bei Verfügbarkeit von geeigneten Ölverdampfern können die Vorteile einer Trennung

von Gemischbildung und Verbrennung jedoch auch mit anderen Brennerkonzepten, wie z.B.

dem bereits erwähnten Oberflächenstrahlungsbrenner, genutzt werden. Damit ist bei der

Ermittlung der Technologieattraktivität ein Vergleich mit diesen Brennertypen durchzuführen

und die im Gasbereich ermittelte Technologieattraktivität kann in weiten Zügen auf die Öl-

Haushaltsheizung übertragen werden. Geringfügige Änderungen ergeben sich, da in diesem

Fall der Integrationsaufwand für Oberflächenstrahlungsbrenner und Porenbrenner gleich

hoch ist und der Porenbrenner eine höhere Sicherheit hinsichtlich eines Flammenrück-

schlags bietet, was einen höheren Modulationsbereich erlaubt. Wird das Szenario 3 der Gas-

Haushaltsheizung als Basis herangezogen, ergibt sich dadurch im Ölbereich in Tabelle 48

eine spürbar höhere Technologieattraktivität.

Die prinzipielle Machbarkeit der Verbrennung von Heizöl in einem Porenbrenner mit einem

Kalte-Flamme-Verdampfer konnte bereits durch einen mehrere hundert Stunden andauern-

den Labortest nachgewiesen werden. Dabei wurde mit NOx-Emissionen von 40 mg/kWh und

einem Leistungs-Modulationsbereich von 1:10 der Stand der Technik weit übertroffen. Die


91

Vorteile werden jedoch durch einen höheren Platzbedarf, hohe Startemissionen und eine im

Vergleich zu Blaubrennern deutlich höhere Systemkomplexität gemindert, so dass für eine

Kommerzialisierung entweder weitere Optimierungsarbeiten an dem Kalte-Flamme-

Verdampfer notwendig sind oder ein anderes Verdampfungskonzept implementiert werden

muss. Zusammen mit den bei der Gasheizung erwähnten Aspekten ergibt sich im Ölbereich

ein sehr hoher F&E-Aufwand bei mittlerem Risiko, da die Ölverdampfung mit Start- und

Russproblematik eine große Herausforderung darstellt. In Tabelle 16 sind die Ergebnisse

zusammengestellt.

Öl-Haushaltsheizung


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


5 GW Marktsättigung sehr hoch M: niedrig

T: mittel

108

Tabelle 16: Ergebnistabelle Öl-Haushaltsheizung

Die Ölheizung bietet damit eine im Vergleich zum Gas höhere Technologieattraktivität ver-

bunden mit höherem F&E-Aufwand und geringerem Marktpotenzial.

5.7.2.6 Warmlufterzeuger

Für die Beheizung von Hallen und anderen Großräumen mit Gas stehen drei unterschiedli-

che Prinzipien zur Verfügung. So kommen sog. Hell- und Dunkelstrahler zum Einsatz, die

Energie in Form von Strahlung abgeben. Niedrige Hallen mit kleinen Raumvolumina werden

häufig mit direktbefeuerten Warmlufterzeugern beheizt [99]. Die kommerziell erhältlichen

Warmlufterzeuger verwenden nach Herstellerangaben atmosphärische Brenner [16], [100],

[101], [102]. Der Markt in Deutschland umfasst jährlich ca. 2000 Geräte mit einer durch-

schnittlichen Leistung von 30 kW [76], was einem Potenzial von 60 MW entspricht. In größe-

ren Hallen wurden Warmlufterzeuger bereits durch Hell- und Dunkelstrahler verdrängt. Eine

Substitution der Warmlufterzeuger in niedrigen Hallen ist nicht abzusehen. Das Marktrisiko

wird deshalb mit sehr niedrig eingestuft.

Warmlufterzeuger sind Low-tech-Produkte, die fast ausschließlich über den Preis verkauft

werden. Die technischen Anforderungen an das Brennersystem sind, abgesehen von hohen

Erwartungen bezüglich der Lebensdauer, nicht besonders hoch. Aus diesem Grund werden

atmosphärische Brenner eingesetzt, die kein zusätzliches Gebläse benötigen. Die Baugröße

der Warmluftheizung wird durch den Luft-Luft-Wärmetauscher bestimmt und der Anteil des


92

Brenners am Bauraum ist klein. Der geringfügige Platzgewinn bei Einsatz eines Porenbren-

ners wird durch ein zusätzlich benötigtes Gebläse zunichte gemacht. Die Emissionen spielen

bei dieser Anwendung nahezu keine Rolle solange die Grenzwerte eingehalten werden.

Daneben können atmosphärische Brenner mittlerweile gute Emissionswerte erzielen, wie die

mit dem blauen Engel ausgezeichneten atmosphärisch betriebenen Haushaltsheizungen

zeigen [103]. Die Details sind in Tabelle 49 und Tabelle 50 zusammengestellt. Eine Ände-

rung der Rahmenbedingungen ist in absehbarer Zeit nicht zu erwarten.

Der Entwicklungsbedarf beschränkt sich auf die Werkstoffe und die Integration des Poren-

brenners in das Warmlufterzeuger-System. Das Entwicklungsrisiko ist dabei gering. Die Ü-

bersicht der Bewertung befindet sich in Tabelle 17.

Warmlufterzeuger


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


60 MW Marktsättigung niedrig M: niedrig

T: niedrig

86

Tabelle 17: Ergebnistabelle Warmlufterzeuger

Die technische Realisierung eines porenbrennerbasierten Warmlufterzeugers kann mit gerin-

gem Aufwand durchgeführt werden. Es besteht jedoch kein akuter Handlungsbedarf, die

atmosphärischen Brenner durch aufwendigere Vormischbrenner zu ersetzen. Der Warmluft-

erzeugermarkt bietet somit kein großes Potenzial für die Porenbrennertechnologie.

5.7.2.7 Hellstrahler für Gebäudeheizung

Bei der Beheizung von höheren Hallen mit Warmlufterzeugern wirkt sich das Aufsteigen der

warmen Luft in der Regel nachteilig aus, da die Wärme in Bodennähe erwünscht ist. Aus

diesem Grund werden Hellstrahler eingesetzt, die bei einer Oberflächentemperatur von ca.

900 °C arbeiten. Erst im Aufenthaltsbereich wird die in Form von Strahlung transportierte

Energie in Wärme umgewandelt. Zum Einsatz kommen in der Regel die bereits in Kap.

5.7.2.1 beschriebenen keramischen Oberflächenstrahlungsbrenner. Der Markt in Deutsch-

land umfasst jährlich ca. 3000-5000 Strahlermodule mit jeweils ca. 20-30 kW, was einer Ge-

samtleistung von ca. 100 MW entspricht [104]. Von der Marktseite sind keine Risiken be-

kannt, die zu einer baldigen Marktdegeneration führen könnten [75].

Da Hellstrahler, wie die im vorhergehenden Kapitel beschriebenen Warmlufterzeuger, zur

Beheizung von Hallen eingesetzt werden, ergibt sich eine nahezu identische Gewichtung der


93

Bewertungskriterien. Analog zu dem Warmlufterzeuger erfordert der Porenbrenner ein zu-

sätzliches Gebläse, das sich ungünstig auf die Bewertung auswirkt. Im Gegensatz zu vielen

Anwendungen können zudem kleinere Keramik-Abplatzungen bei Hellstrahlern nicht toleriert

werden, da diese eine große Gefahr für den Bereich unterhalb des Strahlers darstellen. Dies

erfordert einen gewissen Mehraufwand im Vergleich zu dem Industriestrahler und birgt ein

zusätzliches technisches Risiko. Die Details sind in Tabelle 51 und Tabelle 52 zusammenge-

stellt, die Übersicht der Bewertung befindet sich in Tabelle 18.

Hellstrahler für Gebäudeheizung


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


100 MW Marktsättigung mittel M: sehr niedrig

T: mittel

93

Tabelle 18: Ergebnistabelle Hellstrahler für Gebäudeheizung

Unter den gegebenen Voraussetzungen ist es unwahrscheinlich, dass sich die Porenbren-

nertechnologie bei Hellstrahlern durchsetzen kann.

5.7.2.8 Stand- und Zusatzheizung für Kfz

Stand- bzw. Zusatzheizungen stellen in Fahrzeugen zusätzliche Wärmeenergie zur Verfü-

gung. Bei der Standheizung geschieht dies vor, bei der Zusatzheizung während der Nutzung

des Fahrzeuges. Zum einen spielen nach Schlott [105] bei der Standheizung Komfortaspekte

durch das Wohlbefinden der Nutzer an kalten Tagen von Beginn der Fahrzeugnutzung und

das entfallene Abkratzen der Scheiben von Eis eine wichtige Rolle. Da das Blickfeld nicht

durch angelaufene Scheiben eingeschränkt und die Reaktionszeit durch höhere Temperatu-

ren verkürzt wird, erhöht eine Standheizung auch die Sicherheit. Zusätzlich mindert sie Ver-

schleiß und Emissionen beim Kaltstart des Motors. Eine Zusatzheizung bekommt erst durch

Effizienzsteigerungen moderner Motoren eine Berechtigung, da bei tiefen Außentemperatu-

ren eine den Komfortansprüchen genügende Heizleistung nicht mehr gewährleistet ist. Alter-

nativ zu fossil befeuerten Standheizungen sind elektrische Systeme erhältlich, die jedoch

einen Anschluss an das Stromnetz benötigen. Aufgrund dieser infrastrukturellen Anforderung

ist diese Lösungsalternative nicht sehr verbreitet. Eine weitere Alternative stellt das Warmlau-

fen des Motors im Leerlauf, auch als ’Idling’ bezeichnet, in Kombination mit einer Fernsteue-

rung des Anlassers dar. Dadurch kann ohne Zusatzaggregat der Komfortaspekt der Stand-

heizung abgedeckt werden. Der schlechte Wirkungsgrad beim Idling und insbesondere die

hohen Emissionen sprechen gegen diese Alternative. Im LKW-Bereich, wo Idling weit ver-


94

breitet ist, sind nach einem Bericht des U.S. Department of Energy in den USA bereits ge-

setzliche Maßnahmen zum Verbot eingeleitet [106].

Das Marktpotenzial der Stand- und Zusatzheizungen lehnt sich an den Fahrzeugzulassungs-

zahlen an. 2003 wurden in Deutschland ca. 3,2 Mio. PKW und 260.000 Nutzfahrzeugen neu

zugelassen [107]. Im Gegensatz zu anderen Komfortkomponenten, wie beispielsweise der

Klimaanlage, hat die Standheizung noch nicht den Sprung in den Massenmarkt vollzogen.

Der Standheizungsmarkt ist bisher stark auf Deutschland konzentriert und die Ausrüstungs-

quote liegt im einstelligen Prozentbereich. Weitere Effizienzsteigerungen des Antriebes und

der kontinuierlich wachsende Komfortbedarf sprechen für einen zukünftig steigenden Bedarf

an fossil befeuerten Zusatzheizungen [105]. Aus diesem Grund werden die oben genannten

Zulassungszahlen verwendet. Das Potenzial der fossil befeuerten Standheizungen mit

durchschnittlich 5 kW liegt nach dieser Abschätzung bei ca. 16 GW für PKW und 1,3 GW für

LKW. Ernsthafte Bedrohungen für die auf Verbrennung basierende Standheizung gehen von

der APU (auxiliary power unit), einem Aggregat das gleichzeitig Strom und Wärme im Fahr-

zeug produziert, sowie dem Fahrzeugantrieb mit Brennstoffzellen aus. Das Marktrisiko wird

aus diesem Grund mit mittel bewertet.

Bei den marktgängigen Standheizungen werden die Wärmetransportmedien Wasser und Luft

eingesetzt. Der Betrieb der Einheiten erfolgt meist mit Benzin oder Dieselkraftstoff. Der Auf-

bau ist in beiden Fällen nahezu identisch. Klassische Druckzerstäuberbrenner sind für diese

Anwendung nicht geeignet, da deren Leistung von dem Durchmesser der Düsenbohrung

sowie dem Brennstoffdruck abhängt. Aufgrund von im Brennstoff enthaltenen Verunreinigun-

gen muss der Düsendurchmesser einen Mindestwert überschreiten um Verstopfungsproble-

me zu vermeiden. Eine beliebige Absenkung des Brennstoffdrucks ist ebenfalls problema-

tisch, da sich hierdurch eine Verschlechterung der Sprayqualität ergibt. Aufgrund dieser Ef-

fekte sind Druckzerstäuberbrenner erst bei Leistungen oberhalb von 10 kW einsetzbar. In

Standheizungen kommen deshalb speziell entwickelte Verdampferbrenner zum Einsatz. Ein

derartiger Brenner mit Metallvlies ist in Abbildung 34 dargestellt.

Abbildung 34: Aufbau einer Standheizung


95

Seit 2003 ist darüber hinaus ein 5 kW-Standheizungsmodul am Markt, das den Brennstoff in

einer Venturidüse zerstäubt [108].

Wie bei der Öl-Haushaltsheizung ist zum einen die Konkurrenzsituation zwischen den beste-

henden Brennern und Vormischbrennern zu betrachten, daneben sind die verschiedenen

Vormischbrenner, insbesondere Porenbrenner und Oberflächenstrahlungsbrenner, zu unter-

suchen. Das Potenzial des Porenbrenners gegenüber Oberflächenstrahlungsbrennern bei

Ölbetrieb wurde bereits für die Haushaltsheizung in Kap. 5.7.2.5 untersucht und die dort ge-

troffenen Schlussfolgerungen lassen sich auf die Standheizung übertragen. Bei der Bewer-

tung wird eine Porenbrenner-Standheizung den derzeit verfügbaren Modulen mit Metallvlies

gegenübergestellt. Die dort bestehende Problematik einer zusätzlich notwendigen Ölver-

dampferstufe, die zu erhöhtem Platzbedarf und steigenden Kosten führt, besteht auch bei der

Standheizung. Bei einem Betrieb mit Benzin konnten bei der in Kap. 5.7.2.11 beschriebenen

Anwendung für die Brennstoffzellenperipherie bereits Porenbrenner mit einer sehr einfachen

integrierten Verdampfung realisiert werden. Dabei wird angenommen, dass es gelingt, eine

kompakte multistofffähige Verdampferstufe zu entwickeln, die nur zu einer geringen Erhö-

hung von Kosten und Platzbedarf führt. Durch die Vormischverbrennung erzielt der Poren-

brenner bei den weiteren technischen Bewertungskriterien Vorteile, insbesondere die Emis-

sionswerte können deutlich gesenkt werden. Der die Nutzungskosten bestimmende Wir-

kungsgrad hat aufgrund der geringen Betriebsdauer keine hohe Bedeutung, die geforderten

Standzeiten von 2000 h sind mit Porenbrennern im stationären Betrieb bereits übertroffen

worden.

Ein Labormuster für eine porenbrennerbasierte Diesel-Standheizung wurde bereits vor eini-

gen Jahren entwickelt. Die Verdampfung des flüssigen Brennstoffes auf kleinstem Raum und

die Bewältigung der Startphase stellten dabei eine große technische Herausforderung dar,

die bisher noch nicht endgültig gelöst werden konnte. Neben der Ölverdampfung sind noch

Untersuchungen an den porösen Materialien notwendig, da bisher keine Erkenntnisse über

deren Verhalten im mobilen Betrieb vorliegen [109]. Die Ölverdampfung auf begrenztem

Raum bei kleinen Leistungen ist nicht trivial. Aus diesem Grund wird der benötigte F&E-

Aufwand mit sehr hoch, das technische Risiko mit hoch bewertet.


96

Stand- oder Zusatzheizung


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


PKW: 16 GW

LKW: 1,3 GW

Marktdurchdringung sehr hoch M: mittel

T: hoch

105

Tabelle 19: Ergebnistabelle Stand- oder Zusatzheizung

Aufgrund der niedrigen Ausrüstungsquote der Fahrzeuge ist zu erwarten, dass die Hersteller

von Standheizungen bestrebt sind, das gegebene Marktpotenzial stärker auszuschöpfen

indem die Komponente für den Kunden preislich attraktiv gestaltet wird. Ein mit höheren Kos-

ten verbundener Technologiewechsel wird unter diesen Umständen erschwert und durch die

aktuellen Emissionsgrenzwerte auch nicht gefordert.

5.7.2.9 Mobile Heizung

Durch die kompakte Bauweise und die große Leistungsmodulation des Porenbrenners ent-

stand die Idee, die Technologie für ein mobiles Warmwasser-Heizsystem einzusetzen. Das in

einer Porenbrenner-Wärmequelle erhitzte Wasser wird dabei über flexible Wärmeübertrager-

systeme zu dem Verwendungsort geführt. Das Marktpotenzial für mobile Heizsysteme in

Deutschland lag im Jahr 1998 bei ca. 43000 mobilen direkten und indirekten mobilen Heizge-

räten [110]. Die ca. 26000 mobilen Geräte mit Gasbetrieb wurden dabei zu einem durch-

schnittlichen Preis von ca. 300 Euro verkauft, was in etwa einem Zehntel von Heizsystemen

mit Wasserkreislauf entspricht. Somit dominieren sehr einfache und billige Geräte ohne

Wasserkreislauf den Markt. Durch eine Marktstudie und durch die Suche nach Partnern für

einen Feldtest musste erkannt werden, dass nur ein sehr geringer Bedarf nach einem mobi-

len Heizsystem mit Wasserkreislauf besteht. In den anvisierten Bereichen Gartenbau, Vieh-

zucht und in Wintergärten steht in den meisten Fällen bereits Warmwasser durch ein bereits

vorhandenes Heizsystem zur Verfügung. Im Baubereich wird Warmluft bevorzugt. In Wohn-

containern oder temporären Verkaufseinrichtungen können handelsübliche Heizsysteme,

beispielsweise wandhängende Brennwertthermen, verwendet werden. Mobile Heizungen

werden in der Regel an den Endkunden vermietet. Der Bedarf wird bundesweit durch einige

hundert Heizgeräte abgedeckt [111]. Dabei werden handelsübliche Haushaltsheizungen, die

in einem fahrbaren Gestell montiert sind, verwendet. Geräte mit einer höheren Leistung sind

in einem PKW-Anhänger untergebracht.


97

Abbildung 35: Mobile Heizungen [112]

Von der technischen Seite bestehen keine Unterschiede zu den in Kap. 5.7.2.4 vorgestellten

Gas-Haushaltsheizungen. Das Marktpotenzial liegt um mehrere Größenordnungen unter

dem der Haushaltsheizung. Das Anwendungsfeld ’mobiles Heizsystem’ wird deshalb nicht

separat betrachtet.

5.7.2.10 Gasturbinenpilotbrenner

Gasturbinenkraftwerke haben sich aufgrund der geringen Investitionskosten, des hohen Wir-

kungsgrades und der günstigen Schadstoffemissionswerte zu einem wichtigen Baustein der

Energieversorgung entwickelt. Ende 1998 waren in Deutschland über 300 Gasturbinen mit

einer elektrischen Leistung von ca. 4,5 GW in Betrieb [113]. Bei Wirkungsgraden um 30%

ergibt sich eine thermische Gasturbinenleistung von 15 GW. Die Hauptbrenner der Gasturbi-

nen arbeiten mittlerweile mit vorgemischten Flammen. Dadurch konnten die Schadstoffemis-

sionen gegenüber dem Diffusionsbetrieb erheblich reduziert werden, die Verbrennungsstabi-

lität, insbesondere bei Leistungsänderungen, wurde durch diese Maßnahme jedoch verrin-

gert. Um ein Verlöschen des Brenners ausschließen zu können, besitzt jeder Hauptbrenner

einen Pilotbrenner mit hoher Verbrennungsstabilität. Diese sind häufig noch als Diffusions-

brenner ausgeführt und obwohl in ihnen nur etwa 5% Prozent der gesamten Leistung umge-

setzt werden, sind die Pilotbrenner je nach Betriebszustand für mehr als 50% der NOx-

Emissionen verantwortlich. Aus diesem Grund sollen zukünftig die Pilotbrenner ebenfalls als

Vormischbrenner ausgeführt werden. Bei 12 Jahren Lebensdauer ergibt sich für die Pilot-

brenner ein jährlicher Bedarf für Brenner-Nachrüstungen von 62,5 MW. Die Verbrennung in

Gasturbinen findet bei mittlerweile bis zu 17 bar statt [114]. Wird die Leistung auf normales

Druckniveau bezogen, ergibt sich eine Gesamtleistung der Pilotbrenner unter 5 MW. Dabei

konkurriert der Porenbrenner mit einfachen Brennern mit freien Flammen und katalytischen


98

Brennern, die mittlerweile kommerziell erhältlich sind [115]. Langfristig steht die Gasturbine in

direkter Konkurrenz zur Brennstoffzelle. In einem VDMA-Szenario [58] wird ein merklicher

Einfluss auf das Gasturbinengeschäft ab 2010 prognostiziert. Durch mögliche Kombinationen

von Gasturbine und Brennstoffzelle ist jedoch eine Marktdegeneration nicht zu erwarten. Das

Marktrisiko wird aus diesem Grund mit mittel eingestuft.

Bei der Verbrennung unter hohem Druck wird nicht das in Kap. 5.1 vorgestellte Stabilisie-

rungskonzept, sondern eine Geschwindigkeitsstabilisierung verwendet. Auf die Bewertung

(siehe Tabelle 55) hat diese Änderung jedoch keinen nennenswerten Einfluss. Die ausge-

hend von dem Gasturbinensystem an den Pilotbrenner gestellten Anforderung werden

grundsätzlich von verschiedenen Vormischbrennerausführungen erfüllt, hinsichtlich der tech-

nischen Kriterien weist der Porenbrenner Vorteile gegenüber den Alternativen auf. Bei der

Integration in das Gesamtsystem bestehen keine Unterschiede gegenüber anderen Vor-

mischbrennern. Die Investitionskosten, die beim Porenbrenner aufgrund der benötigten Po-

renkörper höher sind, sind beim Pilotbrenner verglichen mit anderen Anwendungen weniger

bedeutend, da er gegenüber den anderen wesentlich kostenintensiveren Komponenten kaum

ins Gewicht fällt. Die mit 100.000 Stunden geforderte Standzeit ist dagegen ein entscheiden-

des Kriterium und es wird angenommen, dass die betrachteten Brenner diese Anforderung

erfüllen können.

Ein Poren-Pilotbrenner wurde bereits unter Laborbedingungen unter Druck und in einer Nie-

derdruck-Brennkammer erfolgreich ersten kurzen Tests unterzogen. Der bestehende F&E-

Aufwand beschränkt sich auf Tests und Werkstoffoptimierungen, um den hohen Anforderun-

gen hinsichtlich der Lebensdauer gerecht werden zu können. In Tabelle 20 sind die Bewer-

tungsergebnisse zusammengestellt.

Gasturbinenpilotbrenner


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


62,5 MW (17 bar)

<5 MW (1 bar)

Marktsättigung mittel M: mittel

T: mittel

107

Tabelle 20: Ergebnistabelle Gasturbinenpilotbrenner

Aufgrund der hohen Verbrennungsstabilität stellt der Porenbrenner eine vorteilhafte Lösung

der Pilotflamme in einer Gasturbine dar. Durch extreme Belastungen und hohe Anforderun-

gen an die Standzeit ist der Pilotbrenner darüber hinaus eine technische Herausforderung.


99

5.7.2.11 Porenbrenner in der Brennstoffzellenperipherie

Je nach Ausführung und Anwendung benötigen Brennstoffzellen Wärme für den Startbetrieb,

den Reformerbetrieb oder zur Abdeckung von Spitzen im Wärmebedarf. Weiterhin ist sicher-

zustellen, dass brennbare oder toxische Brennstoffzellenabgase (Off-gas) eliminiert werden.

Bei Speicherung von flüssigem Wasserstoff in sog. Kyrotanks müssen geringe Mengen an

Wasserstoff an die Umgebung abgegeben werden. Das hieraus resultierende Gefährdungs-

potenzial ist durch Oxidation des Wasserstoffes zu minimieren. Dadurch ergeben sich in der

Peripherie von Brennstoffzellen mehrere Einsatzgebiete für Brennerkomponenten, die für die

beiden wichtigsten Brennstoffzellentypen in verschiedenen Einsatzgebieten mit unterschied-

lichen Energieträgern in Tabelle 21 zusammengestellt sind.

Mobil PEM SOFC Energieträger H2 CH4 Flüss. (H2) CH4 Flüss. Wärmezufuhr für Start x x x x x Wärmezufuhr Reformer/Luft x x x x Wärme für Spitzenlast Off gas-Verbrennung x x x x H2 aus Tank oxidieren x x

Stationär PEM SOFC Energieträger H2 CH4 Flüss. (H2) CH4 Flüss. Wärmezufuhr für Start x x x x x Wärmezufuhr Reformer/Luft x x x x Wärme für Spitzenlast x x x x x x Off gas-Verbrennung x x x x H2 aus Tank oxidieren

Tabelle 21: Einsatzgebiete von Brennerkomponenten in Brennstoffzellensys-temen

Im mobilen Bereich für den Fahrzeugantrieb konzentrieren sich die meisten Entwicklungen

auf eine Wasserstoffbetankung. Als Vorstufe zum Brennstoffzellenantrieb werden kleinere,

als APU (auxiliary power unit) bezeichnete, Brennstoffzellenmodule angestrebt, die Strom

und Wärme im Fahrzeug bereitstellen. Durch den Siegeszug der Elektrik und Elektronik soll

der ständig steigende Strombedarf im Fahrzeug dadurch sichergestellt werden, da die Gren-

zen der Kombination aus Lichtmaschine und Batterie erreicht sind. Eine Markteinführung wird

voraussichtlich in der Luxusklasse erfolgen, danach ist der Einsatz der APU auch im Mas-

senmarkt denkbar. An dieser Stelle wird speziell eine mit Benzin betriebene APU mit Dampf-

reformierung betrachtet, bei der eine Wärmezufuhr beim Start und während des Betriebs,

sowie eine Off-gas-Verbrennung erforderlich sind. Für diese Anwendung ist es gelungen, mit

einem Porenbrenner prinzipiell alle drei Funktionen abzudecken. In den derzeit bestehenden


100

Funktionsmustern werden in der Regel katalytische Brenner für die Nachverbrennung der

Brennstoffzellenabgase und Zusatzkomponenten für den Startbetrieb eingesetzt [116]. Die

Bewertung beschränkt sich auf den Vergleich des Katalyt-Brenners mit dem Porenbrenner.

Wird das Marktpotenzial auf die in 2003 zugelassenen 1,9 Mio. Benzin-PKW bezogen, ergibt

sich bei einer Brennerleistung von 10 kW ein Gesamtpotenzial von 19 GW. Da noch offen ist,

ob sich brennstoffzellenbetriebene APU’s am Markt etablieren werden, wird das Marktrisiko

mit hoch eingestuft.

Die APU führt zu einem höheren Fahrzeuggewicht, was sich negativ auf die Fahrdynamik

und den Energieverbrauch auswirkt. Das Gewicht spielt aus diesem Grund insbesondere im

PKW-Bereich eine entscheidende Rolle. Durch die höhere Integration hat der Porenbrenner

Gewichtsvorteile gegenüber der derzeitigen Lösung. Weiterhin zeichnen eine hohe Modulier-

barkeit und gute Kaltstartfähigkeit den Porenbrenner gegenüber katalytischen Brennern aus.

Bei den Emissionen, die im Vergleich zu den Emissionen des Antriebs kaum ins Gewicht

fallen, haben die katalytischen Brenner dagegen leichte Vorteile. Hinsichtlich der benötigten

Infrastruktur bestehen keine Unterschiede zwischen den Alternativen, die Anbindung an das

Gesamtsystem wird durch eine höhere Integration beim Porenbrenner erleichtert. Aufgrund

der Temperaturempfindlichkeit des Katalysators können Betriebszustände auftreten, die eine

Erhöhung der Luftzahl zur Temperaturabsenkung erfordern. Dies führt zu einer Erhöhung der

Abgasverluste und damit zu einer Minderung des Wirkungsgrades. Eine höhere Integration

reduziert ebenfalls die Wärmeverluste und wirkt sich darüber hinaus günstig auf die Investiti-

onskosten aus. Bei der Standzeit können sich Vorteile für den Porenbrenner ergeben, da

keine Gefahr einer Katalysatordeaktivierung besteht. Aus der Bewertung, die direkt in der

Zielerfüllungsmatrix in Tabelle 56 durchgeführt wird, sind signifikante Vorteile für den Poren-

brenner zu erkennen.

Die grundsätzliche Realisierbarkeit eines Porenbrenners zur Off-gas-Verbrennung, der

gleichzeitig als Startbrenner eingesetzt werden kann, wurde bereits an mehreren Labormus-

tern erfolgreich demonstriert. Die Integration des Brenners in ein Gesamtsystem erfordert

ebenso wie Flammenüberwachung und Regelung noch weitere Entwicklungsarbeiten. Auf

der Materialseite ist der Nachweis der Langzeitstabilität im mobilen Einsatz mit wasserhalti-

gen Brennstoffen zu erbringen. Der benötigte F&E-Bedarf sowie das technische Risiko wer-

den jeweils mit mittel eingestuft. Die für den Porenbrenner in der Peripherie einer mobilen

Brennstoffzelle erhaltenen Ergebnisse zeigt Tabelle 22.


101

Brennstoffzellenperipherie – Brenner für mobile BZ


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


PKW: 19 GW Entstehung mittel M: hoch

T: mittel

128

Tabelle 22: Ergebnistabelle Brenner für mobile BZ

Als kaltstartfähiger Brenner, der gleichzeitig als Start- und Off-gas-Brenner eingesetzt wer-

den kann, hat der Porenbrenner bei dieser Anwendung ein Alleinstellungsmerkmal, da keine

anderen Brennertechnologien für die Abdeckung dieser Funktionen bekannt sind. Durch ho-

he Technologieattraktivität bei gleichzeitig hohem Marktpotenzial stellt der Einsatz in der

Brennstoffzellenperipherie eine der interessantesten Anwendungen für den Porenbrenner

dar.

Im stationären Fall wird ein mit Erdgas betriebenes Brennstoffzellen-Hausenergiesystem

betrachtet. Die von verschiedenen Herstellern geplanten Brennstoffzellensysteme werden 1-

5 kW elektrische Leistung und Wärme etwas oberhalb dieser Größenordnung liefern. Dabei

besteht wie bei der oben beschriebenen APU der Bedarf nach einem Start- und Off-gas-

Brenner. Im stationären Bereich spielen Größe, Gewicht und die Dynamik des Systems je-

doch eine geringere Rolle, so dass die Vorteilhaftigkeit durch den Porenbrennereinsatz ge-

ringer ausfällt. Aus diesem Grund wird der Fokus an dieser Stelle auf einen anderen Wärme-

bedarf gesetzt. Die oben genannte thermische Leistung der Brennstoffzellensysteme reicht

nicht aus, um Spitzen im Wärmebedarf abzudecken, weshalb neben der Brennstoffzelle ein

Spitzenlastkessel eingesetzt wird [117]. Bei den derzeit existierenden Funktionsmustern ü-

bernimmt eine zusätzliche Therme diese Funktion. Die Integration dieser Zusatzheizung in

das Brennstoffzellensystem wird bereits von Steinborn [67] als ein wichtiger Schritt hinsicht-

lich ökonomischer Konkurrenzfähigkeit der Brennstoffzelle genannt. Das Marktpotenzial für

den Spitzenlastbrenner gleicht den bereits in Tabelle 9 genannten 80.000 – 280.000 Brenn-

stoffzellen-Systemen pro Jahr. Bei 200.000 Einheiten ergeben sich bei einer Spitzenleistung

von 20 kW insgesamt 4 GW. Nach aktuellen Szenarien vom VDMA ist die Einführung der

Brennstoffzellentechnologie im stationären Bereich sehr wahrscheinlich [58]. Ein wirtschaftli-

cher Betrieb ist zuerst bei größeren Einheiten für so genannte Blockheizkraftwerke zu erwar-

ten. Ob der Einsatz für kleinere Wohneinheiten rentabel gestaltet werden kann, ist noch of-

fen. Das Marktrisiko wird deshalb mit mittel eingeschätzt.


102

Die Ermittlung der Technologieattraktivität lehnt sich stark an die Gas-Haushaltsheizung an.

Änderungen ergeben sich durch eine höhere Gewichtung der Größe, da das Platzangebot

durch die Vielzahl an Komponenten abnimmt. Die Bedeutung von Standzeit und Nutzungs-

kosten sinken, da der Spitzenlastbrenner im Vergleich zu einem Brenner in einer konventio-

nellen Therme eine wesentlich geringere Betriebszeit aufweist. Die Einzelheiten der Bewer-

tung sind in Tabelle 57 dargestellt.

Entwicklungsaufwand und Entwicklungsrisiko des Spitzenlastbrenners unterscheiden sich

kaum von der Haushaltsanwendung und werden deshalb übernommen. Die Ergebnisse sind

in Tabelle 23 dargestellt.

Brennstoffzellenperipherie – stationärer Spitzenlastbrenner


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


4 GW Entstehung mittel M: hoch

T: niedrig

103

Tabelle 23: Ergebnistabelle Brennstoffzellenperipherie (stationär)

Neben der konventionellen Haushaltsheizung bieten Hausenergiesysteme auf Brennstoffzel-

lenbasis durch den Spitzenlastbrenner eine weitere interessante Möglichkeit, die Porenbren-

nertechnologie zukünftig im Haushaltsbereich vorteilhaft einzusetzen.

5.7.2.12 Stirlingmotor

Der 1816 von Robert Stirling patentierte Stirlingmotor ist nach der Dampfmaschine die zweit-

älteste Wärmekraftmaschine. Die Einsatzgebiete des Stirlingmotors sind vielfältig und rei-

chen von Blockheizkraftwerken über Wärmepumpenantriebe bis zu Stromerzeugungsaggre-

gaten und Fahrzeugantrieben. Im 19. Jahrhundert wurden bereits mehrere hunderttausend

auf dem Stirling-Prinzip basierende Heißluft-Motoren gebaut und erfolgreich eingesetzt. Die

Konkurrenz von leistungsstarken Dampfmaschinen, die rasante Entwicklung von Otto- und

Dieselmotoren sowie die Verbreitung von elektrischen Antrieben verdrängten die Stirling-

Technologie [118]. Insbesondere zwischen 1960 und 1975 wurde eine Vielzahl von Funkti-

onsmustern von Unternehmen wie Philips, General Motors, General Electric, Ford und MAN

im Leistungsbereich von 0,2 – 200 kWel entwickelt [119]. Das damalige Ziel, den Otto- bzw.

Dieselmotor in Fahrzeugen zu substituieren, konnte aus regelungstechnischen und Kosten-

gründen nicht realisiert werden [120]. Seit den siebziger Jahren wird an mit Solarenergie

betriebenen Stirlingmaschinen geforscht. In den neunziger Jahren wurde ein Stirlingmotor


103

von General Motors in ein Hybrid-Konzeptfahrzeug eingebaut. Das Konzept wird jedoch nicht

weiter verfolgt [121]. Im stationären Bereich sind derzeit einige Aktivitäten zu verzeichnen.

Seit einigen Jahren sind Stirlingmodule zur Kraft-Wärme-Kopplung von der Firma Solo (Sin-

delfingen) und von STM Power (USA) am Markt. Einige weitere Unternehmen arbeiten an

der Entwicklung von Stirling-Modulen [61], [122], [123]. Nach Steinborn [61] sind bisher in

Deutschland etwa 40 Anlagen installiert. Mit dem in Kap. 5.6.3 abgeschätzten Bedarf für

100.000 fossil befeuerte KWK-Einheiten ergibt sich bei durchschnittlich 35 kW Brennerleis-

tung eine Gesamtleistung von 3,5 GW. Da die Gefahr einer vollständigen Verdrängung des

Stirlings durch die Brennstoffzelle besteht, die aus Sicht des Wirkungsgrades ein deutlich

höheres Potenzial besitzt, wird für den Stirlingmotor ein sehr hohes Marktrisiko eingeschätzt.

Der Stirlingmotor ist dabei ein geschlossenes System, das bei jedem Arbeitsspiel dasselbe

Arbeitsgas verwendet. Die Wärme wird von außen über den sog. Erhitzerkopf zugeführt, so

dass prinzipiell keine Einschränkungen bezüglich der Beheizung bestehen. Dieser prinzipiel-

len Offenheit für die Ausführung der Wärmequelle bei Stirlingmotoren stehen häufig Anforde-

rungen nach hohen elektrischen Wirkungsgraden entgegen, die eine Rekuperation des Ab-

gases erfordern. Die Luftvorwärmung führt jedoch bei der Verbrennung zu höheren Prozess-

temperaturen verbunden mit steigenden Stickoxidemissionen, darüber hinaus wird der Ein-

satz von vormischenden Brennern durch Flammenrückschlag bzw. Selbstzündung limitiert.

Aus diesem Grund sind nur wenige Brennerkonzepte für den Einsatz in Stirlingmaschinen

geeignet. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Porenbrenner dem bereits auf dem Markt befind-

lichen und von der Fa. Solo eingesetzten FLOX-Brenner und einem Diffusionsbrenner, der

von STM Power eingesetzt wird, gegenübergestellt.

Die bei Vormischbrennern beschriebenen Probleme mit Flammenrückschlag und Selbstzün-

dung sind auch bei Einsatz eines Porenbrenners zu erwarten. Aus diesem Grund ist das in

Kap. 5.1 vorgestellte Funktionsprinzip des Porenbrenners als gestufte Verbrennung auszu-

führen. Dabei wird angenommen, dass die Eigenschaften der Verbrennung in porösen Me-

dien mit kompakter Bauweise, hoher Leistungsmodulation und geringen Emissionen bei ei-

nem Stufungskonzept erhalten bleiben. Die Geräuschentwicklung bei dem FLOX- und Diffu-

sionsbrenner eröffnen dem Porenbrenner die Möglichkeit einer weiteren Differenzierung bei

den Lärmemissionen. Bei den bestehenden Systemen sind Brenner, Erhitzerkopf und Regel-

konzept abgestimmt, so dass ein einfacher Brenneraustausch nicht möglich ist, was den

bestehenden Systemen entgegenkommt. Der Porenbrenner weist gegenüber den anderen

Brennerkonzepten einen erhöhten Anteil an Strahlung auf, wodurch sich ein besserer Wär-

metransport zu dem Erhitzerkopf realisieren lässt. Zusammen mit der kompakten Bauweise


104

des Brenners selbst ist dadurch eine Minimierung der Wärmeverluste möglich, was sich posi-

tiv auf den Systemwirkungsgrad auswirkt. Bei den Investitionskosten ist je nach Komplexität

des Stufungskonzeptes ein Vorteil gegenüber dem aufwendigen FLOX-Brenner zu erzielen.

Die Belastung der porösen Materialien hängt stark von der Betriebsweise und dem Stufungs-

konzept ab. Bei der Bewertung wird angenommen, dass die Standzeiten der alternativen

Brennersysteme die des Porenbrenners geringfügig übertreffen. Der Einsatz des Porenbren-

ners für einen Stirlingmotor befindet sich noch in der Konzeptphase. Aufgrund des niedrigen

Informationsstandes wird für den Stirlingmotor eine Abschätzung direkt in der Zielerfüllungs-

matrix in Tabelle 58 vorgenommen.

Die grundsätzliche Realisierbarkeit eines gestuften Porenbrenners wurde bereits von Pi-

ckenäcker [124] nachgewiesen. Die Realisierung eines für den Stirlingmotor geeigneten ge-

stuften Porenbrenners mit entsprechender Regelung, sowie die Einhaltung der für die KWK-

Systeme angestrebten langen Lebenszeiten stellen dabei noch große Herausforderungen

dar. Der benötigte F&E-Aufwand wird deshalb mit hoch, das technische Risiko ebenfalls mit

hoch eingeschätzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 24 zusammengefasst.

Stirling-Motor


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


3,5 GW

Einführung hoch M: sehr hoch

T: hoch

118

Tabelle 24: Ergebnistabelle Stirling-Motor

Die Porenbrennertechnologie bietet interessante Potenziale, den aktuellen Stand der Stirling-

Motoren spürbar zu verbessern. Ob der Stirling-Motor in der Kraft-Wärme-Kopplung zukünftig

eine Rolle spielen wird, ist jedoch noch offen.

5.7.2.13 Kopplung Thermophotovoltaik (TPV) und Porenbrennertechnologie

Heizgeräte benötigen neben dem Brennstoff zum Betrieb elektrische Energie. Um die Heiz-

leistung auch bei einem Zusammenbruch der Stromversorgung sicherstellen zu können, ist

eine Stromproduktion zum Eigenverbrauch wünschenswert. Zu diesem Zweck können Pho-

tozellen in den Brennraum eingebracht werden, die mit einem durch eine Wärmequelle auf-

geheizten Strahler gespeist werden. Der für diese Anwendung relevante Zielmarkt umfasst

somit insbesondere Gebiete, in denen eine dauerhafte Stromversorgung nicht garantiert

werden kann. Dazu gehören zum einen abgelegene Gebiete wie beispielsweise Bergregio-


105

nen, sowie Regionen mit instabilen Versorgungsnetzen. Vom gesamten Gasheizungsmarkt

triff dies auf ca. 1% der Nutzer zu [125], so dass in Deutschland nach den in Kap. 5.7.2.4

genannten Zahlen ein Potenzial von jährlich ca. 5000 Einheiten besteht. Derzeit sind jedoch

keine großen Aktivitäten im Heizungsbereich mit Thermophotovoltaik-Systemen erkennbar.

Aus diesem Grund wird das Marktrisiko mit sehr hoch eingestuft. Die TPV mit Porenbrenner

konkurriert in diesem Fall mit mit Oberflächenstrahlungsbrennern [126] und nach funktionaler

Betrachtung kann elektrische Energie auch mit thermoelektrischen Modulen [127] erzeugt

werden. Diese ermöglichen durch den thermoelektrischen Effekt eine direkte Umwandlung

von thermischer in elektrische Energie.

Bei der Ermittlung der Technologieattraktivität werden neben dem Porenbrenner ein Strah-

lungsbrenner mit TPV und ein Strahlungsbrenner mit thermoelektrischen Modulen betrachtet.

Der maximal erreichbare Wirkungsgrad, der die Stromausbeute der Photozellen zu der für

die Beheizung der Wärmequelle eingesetzten Energie ins Verhältnis sitzt, liegt nach Volz

[128] bei 36%. Dabei wird stark idealisiert angenommen, dass nahezu die gesamte im

Brennstoff gespeicherte Energie in Strahlung umgewandelt werden kann. Bei TPV-

Heizungssystemen werden nach Durisch et al. [126] derzeit ca. 1% erreicht. Aufgrund der im

Vergleich zum Porenbrenner niedrigeren Strahlungstemperatur hat die TPV mit Strahlungs-

brenner einen deutlich niedrigeren elektrischen Wirkungsgrad. Bei der Integration ist zu be-

rücksichtigen, dass bei der TPV Einschränkungen durch Wellenlängenabhängigkeiten beste-

hen. Daneben wird berücksichtigt, dass eine Erweiterung auf die Kraft-Wärme-Kopplung mit

einer über dem Eigenbedarf liegenden Stromproduktion bei der TPV möglich ist. Ein Ver-

gleich der für einen autarken Betrieb notwendigen Zusatzinvestitionskosten wird unter der

Annahme eines Leistungsbedarfes von 100 W durchgeführt. Bei dem TPV-Szenario ohne

Porenbrenner werden Systemkosten von € 300,-- nach einer von Palfinger et al. [129] durch-

geführten Kostenschätzung angenommen, dabei entfallen bei dieser Schätzung ca. € 20,--

auf den Emitter. Für den Porenbrenner wird dieser Betrag verdoppelt; die anderen Kosten

bleiben unverändert. Gegenüber thermoelektrischen Modulen, die bei den oben angegebe-

nen Stückzahlen einen Kostenfaktor von über € 400,-- [130] darstellen, kann somit ein leich-

ter Preisvorteil realisiert werden. Die in beiden Anwendungen bestehenden Kostensen-

kungspotenziale werden nicht weiter berücksichtigt. Die Nutzungskosten für die Strompro-

duktion bestehen aus einem minimalen Mehrverbrauch an Brennstoff und treten bei allen drei

Alternativen auf. Sie gehen deshalb nicht in die Bewertung in Tabelle 59und Tabelle 60 ein.

Ein vom Stromnetz autarkes Haushaltsheizungssystem ist bisher noch nicht am Markt. Erste

Versuche für ein System mit TPV wurden bei der Fa. Hovalwerk zusammen mit dem Paul


106

Scherrer Institut durchgeführt [126]. Das System befindet sich in der Konzeptphase im Ent-

stehungszyklus. Erste experimentelle Untersuchungen mit dem Porenbrenner wurden bereits

erfolgreich durchgeführt. Die Photozellen haben dabei eine von der Wellenlänge der Strah-

lung abhängige Photonenempfindlichkeit. Bei den üblichen Si-Photozellen, liegt der optimale

Wellenlängenbereich in der Größenordnung von 1 µm – was ein schwarzer Strahler erst bei

ca. 6000 K erreicht. Aus diesem Grund müssen für den Emitter spezielle Materialien, wie

Ytterbiumoxid, eingesetzt werden, die einen Emissionspeak im relevanten Wellenlängenbe-

reich aufweisen [126]. Durch die Entwicklung dieser keramischen Bauteile unterscheidet sich

der F&E-Aufwand von der Haushaltsheizung und wird, ebenso wie das technische Risiko, mit

mittel eingestuft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 25 zusammengestellt.

TPV


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


125 MW Entstehung mittel M: sehr hoch

T.: mittel

110

Tabelle 25: Ergebnistabelle TPV

Die Porenbrennertechnologie bietet brennerseitig ideale Bedingungen für die TPV. Das Po-

tanzial kann jedoch nur ausgenutzt werden, wenn das Verwendersystem weiterentwickelt

und vermarktet wird.

5.7.2.14 Brennersystem für Dampfmotor

Ziel dieser Anwendung ist eine kompakte Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage auf der Basis ei-

nes Dampfantriebs. Die von der Firma Enginion AG entwickelte Steam-Cell ist als mobile

Strom- und Wärmequelle, APU oder als Blockheizkraftwerk einsetzbar. Das Marktpotenzial

für die Steam-Cell im stationären Bereich kann den in Kap. 5.6.3 angestellten Überlegungen

entnommen werden. Bei jährlich 100.000 Einheiten ergibt sich bei 30 kW Brennerleistung

eine Gesamtleistung von 3 GW. Bei der Anwendung als APU können die bereits bei der

Standheizung verwendeten Zulassungszahlen verwendet werden. Bei einer thermischen

Leistung von 10 kW pro Einheit ergeben sich ca. 35 GW. Daneben sind weitere Anwendun-

gen, wie Schiffe oder Campingfahrzeuge denkbar, die jedoch ein deutlich kleineres Marktpo-

tenzial aufweisen. Das Verwendersystem Steam-Cell befindet sich noch in der Entwicklungs-

phase, ein Feldtest ist für 2005, die Markteinführung für 2007 geplant [63]. Die Realisierung

des oben genannten Marktpotenzials ist damit mit sehr hohem Marktrisiko verbunden. Der


107

Porenbrenner konkurriert bei dieser Anwendung insbesondere mit dem bereits erwähnten

Ceramat-Oberflächenstrahlungsbrenner der Fa. Schott.

Bei der Ermittlung der Technologieattraktivität wird nur der stationäre Einsatzfall untersucht,

da die Anforderungen an das Brennersystem im mobilen Gerät sehr ähnlich sind. Dabei wird

angenommen, dass eine deutliche Kostenreduktion des Porenbrenners bei hoher Liefersi-

cherheit auf ein dem Ceramt-Brenner vergleichbares Niveau erzielt werden kann. Für beide

Systeme wird vorausgesetzt, dass die geforderte Lebensdauer bei geringem Ausfallrisiko

erreicht wird. Unter diesen Annahmen ergeben sich analog zu der Haushaltsheizung durch

die Nutzwertanalyse leichte Vorteile für den Porenbrenner. Die Details der Bewertung sind in

Tabelle 61 und Tabelle 62 aufgelistet.

Ein Dampfmotor-Funktionsmuster mit einem Porenbrenner wurde bereits von Mößbauer [53]

entwickelt und erfolgreich getestet. Der Entwicklungsbedarf am Brennersystem konzentriert

sich ähnlich wie bei der Haushaltsheizung auf die jeweils um ca. eine Größenordnung zu

optimierenden Faktoren Kosten und Lebensdauer der Keramiken. Darüber hinaus wird eine

praktikable, über den gesamten Betriebsbereich einsetzbare Flammenüberwachung benötigt.

Der Entwicklungsbedarf und das technische Risiko werden aufgrund der Herausforderungen

auf der Keramikseite mit mittel eingestuft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 26 zusammenge-

stellt.

Brennersystem für Dampfmotor


Verwendersystem

Benötigter F&E-

Aufwand

Risiko Technologie-

attraktivität

Stationär: 3 GW

Mobil: 35 GW Entstehung mittel M: sehr hoch

T.: mittel

102

Tabelle 26: Ergebnistabelle Brennersystem für Dampfmotor

Aufgrund des hohen Marktpotenzials und einer bereits fortgeschrittenen Porenbrennerent-

wicklung bei der Enginion AG ist die Steam-Cell trotz hohem Marktrisiko und relativ geringem

Abstand zu alternativen Verbrennungstechnologien ein interessantes Anwendungsfeld.

5.7.2.15 FCKW-Spaltung

Nach dem Bekannt werden der ozonschädigenden Wirkung der lange Zeit als unproblema-

tisch betrachteten fluorierten und chlorierten Kohlenwasserstoffe (FCKW) wurde die Produk-

tion in den Industrieländern ab 1996 verboten. Mehrere Studien zeigen, dass in Deutschland

ab 1994 ein Rückgang der zu entsorgenden FCKW-Menge zu verzeichnen ist und die Ent-


108

sorgungsproblematik noch bis etwa 2020 anhalten wird [131]. Dadurch befindet sich die

FCKW-Spaltung, zumindest in den Industrieländern, bereits in der Marktdegenerationsphase.

Ein Großteil der FCKW-Spaltung erfolgt in Deutschland zentral in einer Anlage bei Frankfurt

durch Verbrennung mit Wasserstoff und Sauerstoff, wo ca. 1000 t FCKW jährlich entsorgt

werden können [132]. Das Verfahren ist von Hug [133] beschrieben und entspricht in etwa

einer Leistung von 1 MW. Aufgrund des oben genannten Verbots für FCKW besteht ein sehr

hohes Marktrisiko. Dezentrale Lösungen, die beispielsweise eine Entsorgung direkt bei Ver-

wertungsunternehmen von Kühlgeräten ermöglichen und einen Transport überflüssig ma-

chen haben sich bisher nicht durchgesetzt. Nach Hug [134] ist lediglich eine kleine Plas-

maanlage zur FCKW-Spaltung in Deutschland in Betrieb. Das Verfahren ist von Nentwig

[135] beschrieben. Neben den thermischen Verfahren existieren noch zwei weitere Möglich-

keiten zur FCKW-Spaltung ohne Verbrennung, die jedoch keine Bedeutung haben und auf-

grund der baldigen Marktdegeneration nicht weiter berücksichtigt werden [136], [137].

Grundsätzlich wird bei der FCKW-Spaltung angestrebt, die geforderten Emissionsgrenzwerte

bei möglichst geringem Aufwand einzuhalten. Neben den Emissionen sind eine einfache

Steuerung sowie eine Integration in die bestehenden Anlagen zu beachten. Standzeit und die

zum Großteil aus den Energiekosten bestehenden Nutzungskosten haben eine hohe Ge-

wichtung. Die Spaltung stellt bei der FCKW-Aufbereitung nur einen kleinen Teil des gesam-

ten Verfahrens dar [135]. Nach Hug [132] entfallen nur etwa 5% der Investitionskosten bei

der bereits bestehenden Anlage auf das Verbrennungssystem. Aufgrund dieses Verhältnis-

ses und der schweren Zugänglichkeit zu genauen Preisangaben werden die Investitionskos-

ten als identisch betrachtet und nicht weiter berücksichtigt. Ein Vergleich der bei dem Poren-

brennereinsatz entstehenden Erdgaskosten mit den Kosten für Wasserstoff und Sauerstoff

bei der bestehenden Anlage in Tabelle 36 zeigt, dass die Wirtschaftlichkeit der bestehenden

Anlage nicht übertroffen wird. Durch die bereits bestehende Infrastruktur bei der existieren-

den Anlage ist ein Technologiewechsel bei diesem Szenario nicht zu erwarten. Wird in einem

zweiten Szenario eine dezentrale FCKW-Entsorgung betrachtet, die den Transport zu einer

zentralen Anlage überflüssig macht, ergibt sich ein anderes Bild. Im Gegensatz zu der gut

ausgebauten Erdgasinfrastruktur gibt es nur an wenigen Stellen Zugang zu Wasserstoff und

Sauerstoff, so dass im dezentralen Betrieb hohe Transportkosten anfallen. Aus diesem

Grund sind hierfür Plasmaanlagen oder die Lösungsalternative mit einem Porenbrenner bes-

ser geeignet. Die Plasmaanlagen haben Vorteile durch sehr einfachen Umgang mit dem für

den Betrieb benötigten Strom und die dadurch einfache Handhabung und Regelbarkeit.

Deutlich geringere Energiekosten und Potenzial zu längeren Standzeiten sprechen für den


109

Porenbrenner. Die Gegenüberstellung der beiden Szenarien erfolgt in Tabelle 63 bis Tabelle

65.

Die Machbarkeit der Porenbrenneranwendung wurde bereits anhand eines Labormusters

aufgezeigt. Dabei wurden 2 kg R114 pro Stunde mit einem 17 kW-Brenner gespalten. Die

von Wawrzinek [18] durchgeführten Versuchsreihen zeigten noch Entwicklungsbedarf bei

den eingesetzten Werkstoffen, der aufgrund der korrosiven Eigenschaften der Produkte mit

hoch bewertet wird. Dabei besteht auf der technischen Seite ein mittleres Risiko. Die Ergeb-

nisse sind in Tabelle 27 zusammengestellt.

FCKW-Spaltung

Marktpo-

tenzial

Lebenszyklusphase

Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


Dezentral 1 MW Markt-

degeneration

hoch M: sehr hoch

T: mittel

108

Zentral,

Nachrüstung

1 MW Markt-

degeneration

hoch M: sehr hoch

T: hoch

90

Tabelle 27: Ergebnistabelle FCKW-Spaltung

Aufgrund des vergleichsweise kleinen Marktes und der bereits absehbaren Marktdegenerati-

on ist ein mit einer Dezentralisierung verbundener Technologiewechsel in der verbleibenden

Zeit nicht zu erwarten. Die bei der FCKW-Spaltung gewonnenen Erkenntnisse können jedoch

zukünftig bei der Entsorgung von chlorierten oder fluorierten Kohlenwasserstoffen eingesetzt

werden, die nicht von dem FCKW-Verbot betroffen sind und in der Kunststoffproduktion an-

fallen [138].

5.7.2.16 Chlorwasserstoffsynthese

Für Analysezwecke und die Halbleiterindustrie werden weltweit jährlich ca. 1 Mio. t [138]

hochreine Salzsäure benötigt, die direkt aus den Elementen H2 und Cl2 erzeugt werden. Dies

entspricht weltweit einer Leistung von ca. 80 MW [18]. Das Potenzial in Deutschland wird in

der Größenordnung von 10 MW abgeschätzt. Der Markt für Rein-HCl ist als konservativ zu

betrachten und beinhaltet keine großen Risiken. Die HCl-Herstellung läuft meistens gekop-

pelt mit anderen chemischen Prozessen ab. So wird in vielen Fällen die hochreine Säure

zum Eigenverbrauch hergestellt oder aus anderen Prozessen anfallendes Chlor aufgewertet

[138]. Durch eine im Vergleich zu Methan-Luft-Gemischen höhere Flammentemperatur, einer

etwa viermal höheren laminaren Flammengeschwindigkeit, einer Zündtemperatur von ca.


110

200°C und der Gefahr einer Zündung durch UV-Strahlung werden die Brenner für die HCl-

Synthese üblicherweise als Diffusionsbrenner ausgeführt. Durch den Einsatz des Porenbren-

ners ergeben sich zwei alternative Möglichkeiten zur Optimierung der Chlorwasserstoffsyn-

these. Im ersten Szenario wird ein Betrieb mit vorgemischtem Wasserstoff und Chlor be-

trachtet, wodurch eine Minimierung des beim konventionellen Verfahren notwendigen Was-

serstoffüberschusses bei einer gleichzeitigen deutlichen Reduktion der Reaktorgröße erzielt

werden kann. Eine weitere Alternative der Rein-HCl-Synthese im Porenbrenner, die in einem

zweiten Szenario betrachtet wird, ist die Reaktion zwischen Chlor, Luft und Methan.

Das erste Szenario ist realistisch, wenn vorhandener Wasserstoff genutzt werden kann und

keine Zusatzkosten für Transport und Lagerung anfallen. Bei der Bewertung wird angenom-

men, dass bei der Reaktion keine Verunreinigungen des Produkts durch Reaktion der Salz-

säure mit den Keramikkörpern entstehen. Die Baugröße der Reaktoren wird bei dem Einsatz

des Porenbrenners deutlich reduziert und da das Reaktorvolumen zwischen 30 und 50% der

gesamten Anlage beträgt, kann das Gesamtsystem signifikant verkleinert werden. Neben

dem Austausch des Brenner-Brennkammer-Moduls sind zusätzlich ein Gaskühler und ein

Kreisgasgebläse in das bestehende System zu integrieren, so dass zusammen mit den Zu-

satzkosten für die in diesem Anwendungsfall verwendbaren kostengünstigen Schüttungen

die Einsparungen aufgrund der Reaktorverkleinerung ausgeglichen werden. Der relativ einfa-

che Aufbau der Reaktoren ermöglicht eine nachträgliche Umrüstung auf die Porenbrenner-

technologie. Durch geringeren Wasserstoffüberschuss werden die Betriebskosten durch den

Porenbrennereinsatz deutlich reduziert. Wird eine ausreichende Standzeit und die Beherr-

schung der Flammenstabilität auch in Extremsituationen vorausgesetzt, hat der Porenbren-

ner einen deutlichen technologischen Vorsprung. Die Details sind in Tabelle 66 und Tabelle

67 enthalten.

In einem Labormuster konnte die grundsätzliche Funktionalität der HCl-Synthese im Poren-

brenner erfolgreich demonstriert werden. Bei der Übertragung auf ein Funktionsmuster im

Industriemaßstab wurde aus Sicherheitsgründen die Mischung in der Zone A durchgeführt.

Bei ersten Versuchen konnten aufgrund der schlechteren Vormischung die guten Laborresul-

tate nicht erreicht werden. Die Sicherheitsproblematik konnte bisher noch nicht endgültig

gelöst werden und stellt damit die größte Herausforderung bei dieser Anwendung dar.

Daneben ist eine Erhöhung der Standzeiten und eine Überprüfung, ob die Produkte durch

Reaktion mit der Keramik verunreinigt werden, durchzuführen. Der F&E-Aufwand wird mit

mittel, aufgrund der Sicherheitsproblematik das technische Risiko mit sehr hoch einge-

schätzt.


111

Im zweiten Szenario wird ein Betrieb mit Methan anstelle von Wasserstoff betrachtet. Wegen

der geringeren Rückschlaggefahr tritt die im ersten Szenario beschriebene Sicherheitsprob-

lematik nicht auf. Bei den Nutzungskosten ergibt sich in diesem Fall ein noch größerer Vor-

sprung gegenüber der konventionellen Technik mit Diffusionsbrennern. Neben dem nicht

notwendigen Wasserstoffüberschuss ergeben sich weitere Einsparungen bei den Betriebs-

kosten, da Methan vergleichsweise günstig gegenüber dem durch Transport teuren Wasser-

stoff ist, wie eine im Anhang durchgeführte Kostenabschätzung zeigt. Aufgrund einer zusätz-

lich notwendigen Nachbehandlung des CO-haltigen Abgases treten geringfügig höhere In-

vestitionskosten auf. Die Details sind in Tabelle 66 und Tabelle 68 enthalten.

Die grundsätzliche Machbarkeit der HCl-Synthese mit Methan wurde durch numerische Be-

rechnungen von Wawrzinek [18] aufgezeigt, erste experimentelle Ergebnisse mit einem Po-

renbrenner liegen ebenfalls vor. Der F&E-Bedarf besteht aus einer weiteren Charakterisie-

rung des Betriebsverhaltens, sowie der Optimierung der in Szenario 1 bereits beschriebenen

Keramikaspekte. Die Ergebnisse für beide Szenarien sind in Tabelle 28 zusammengestellt.

HCl-Synthese

Marktpo-

tenzial

Lebenszyklusphase

Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand

Risiko Technologie-

attraktivität

Szenario 1:

PB – H2/Cl2

10 MW

Marktsättigung mittel M: gering

T: sehr hoch

109

Szenario 2:

PB – CH4/Cl2/

Luft

<10 MW

Marktsättigung mittel M: gering

T: mittel

121

Tabelle 28: Ergebnistabelle HCl-Synthese

Die Chlorwasserstoff-Synthese ist ein sehr viel versprechendes Anwendungsfeld für die Po-

renbrennertechnologie, da in beiden Fällen die Betriebskosten signifikant gesenkt werden

können. Der alternative Herstellungsprozess über Chlor, Luft und Methan fällt zudem in eine

bisher nicht erschlossene Marktnische mit großem Vorsprung in der Technologieattraktivität

und einem vergleichsweise geringen Entwicklungsrisiko. Durch das kleine Marktpotenzial ist

die Bedeutung des Anwendungsfeldes ’HCl-Synthese’ für die Verbreitung der Porenbrenner-

technologie jedoch eingeschränkt.

5.7.2.17 Rußerzeugung

Industrieruße werden hauptsächlich als Füllstoff in der Gummiindustrie und als Farb-

Pigmente eingesetzt. Die Rußherstellung ist ein seit vielen Jahren bewährter industrieller


112

Prozess und erfolgt durch unvollständige Verbrennung oder thermische Zersetzung von aro-

matischen Ölen oder anderen flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen. Das wich-

tigste Herstellverfahren ist der Furnace-Prozess, daneben sind noch das Degussa-

Gasrußverfahren und der Lamp-Black-Prozess bekannt [139]. In Deutschland werden ca.

350.000 t/Jahr [140], weltweit ca. 7 Mio. t/Jahr [141] hergestellt. Dazu werden in der Größen-

ordnung 1 GW Gasbrennerleistung weltweit bzw. 50 MW in Deutschland benötigt. Bei einer

Laufzeit von 10 Jahren beträgt das jährliche Marktpotenzial ca. 5 MW.

Im Furnace-Prozess wird in einer Brennkammer Heißgas durch Verbrennung von Erdgas mit

einem Diffusionsbrenner erzeugt. In den Heißgasstrom wird ein Ruß-Öl eingedüst, so dass

durch unterstöchiometrische Verbrennung Ruß entsteht. Nach einer bestimmten Verweilzeit

erfolgt eine schlagartige Abkühlung durch Eindüsung von Wasser. Der Porenbrenner kann

dabei zur Erzeugung des Heißgasstroms eingesetzt werden. In Abbildung 36 ist der Furnace-

Prozess abgebildet.

Abbildung 36: Der Furnace-Prozess zur Ruß-Herstellung [139]

Der Gasbrenner hat bei dieser Anwendung eine untergeordnete Rolle, da er als Vorstufe für

den Hauptprozess dient. Durch die nachgeschaltete Ölverbrennung, die als Hauptverursa-

cher der NOx- und CO-Emissionen angesehen werden kann, spielen die Emissionen der

Gasverbrennung eine eher untergeordnete Rolle. Ziel des Porenbrenner-Einsatzes ist die

Reduktion der Investitionskosten durch eine kleinere Brennkammer. Durch eine gleichmäßi-

gere Temperaturverteilung im Heißgasstrom wird zudem eine Absenkung des Gasverbrau-

ches sowie eine engere Korngrößenverteilung des Produkts erwartet. Dabei wird in Szenario

1 eine Neuanlage, in Szenario 2 die Umrüstung einer bestehenden Anlage betrachtet.

Durch den nicht notwendigen Bau der Brennkammer können in Szenario 1 die Mehrkosten

für den Porenbrenner ausgeglichen werden. Eine gleichmäßigere Temperaturverteilung des

Porenbrenners und geringere Wärmeverluste aufgrund der kleineren Bauweise ermöglichen

Brennstoffeinsparungen. Der Diffusionsbrenner ist geometrisch sehr einfach und robust auf-


113

gebaut und ist dem Porenbrenner hinsichtlich der Lebensdauer überlegen. Insgesamt ergibt

sich beim Neubau ein kleiner Vorteil für den Porenbrenner. Bei bestehenden Anlagen können

im zweiten Szenario nur Brennstoffeinsparungen in geringem Umfang durch die gleichmäßi-

gere Temperaturverteilung realisiert werden. Dieser Vorteil wird durch den zusätzlichen Um-

rüstungsaufwand, höhere Brennerkosten und geringere Standzeiten zunichte gemacht. Die

direkt in der jeweiligen Zielerfüllungsmatrix durchgeführten Bewertungen befinden sich in

Tabelle 69 und Tabelle 70.

Bis auf die Langzeitstabilität, können die bereits verfügbaren Porenstrahler für diese Anwen-

dung eingesetzt werden. Neben Optimierung der Keramikkomponenten ist zu untersuchen,

ob die angestrebte Brennstoffeinsparung durch den Einsatz des Porenbrenners realisiert

werden kann. Der F&E-Aufwand wird als gering bei mittlerem Risiko eingestuft. Die Ergeb-

nisse sind in Tabelle 29 zusammnegefasst.

Russerzeugung

Marktpo-

tenzial

Lebenszyklusphase

Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


Umrüstung 5 MW Marktsättigung gering M: gering

T: mittel

86

Neuanlage < 5 MW Marktsättigung gering M: gering

T: mittel

102

Tabelle 29: Ergebnistabelle Rußerzeugung

Aufgrund des geringen Marktpotenzials mit Neuanlagen und des geringen Zusatznutzens ist

das Anwendungsfeld Russerzeugung für die Porenbrennertechnologie weniger bedeutend.

5.7.2.18 Synthesegaserzeugung

Wie in Kap. 5.6.2 dargestellt, sind mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen ein häufig

diskutiertes Szenario in der Energiewirtschaft. Bis ausreichend Wasserstoff aus regenerati-

ven Energiequellen bereitgestellt werden kann, wird die Produktion über fossile Energieträger

verlaufen. Bereits heute werden weltweit ca. 500 Mrd. Nm³ Wasserstoff vorwiegend aus fos-

silen Quellen durch chemische Prozesse umgesetzt [142]. Hierfür können Dampfreformie-

rung oder partielle Oxidation, bzw. eine Mischung aus den beiden Verfahren, die autotherme

Reformierung, eingesetzt werden [116]. Im großtechnischen Maßstab sind die Verfahren für

die Wasserstofferzeugung aus gasförmigen und flüssigen Kohlenwasserstoffen, sowie aus

Kohle, technisch ausgereift [143]. Im kleineren Maßstab ist mit flüssigen Brennstoffen noch

kein Reformer kommerziell erhältlich. Die partielle Oxidation wird aufgrund der niedrigen


114

Wasserstoffausbeute zusammen mit SOFC-Brennstoffzellen eingesetzt. Häufig läuft die Re-

aktion unter Anwesenheit eines Katalysators ab (CPOX), eine thermische, nicht-katalytische

Betriebsweise in einem poröse-Medien-Reaktor (TPOX) ist ebenfalls realisierbar. Bedarf für

die Reformierung ist sowohl bei stationären, zur Kraft-Wärme-Kopplung eingesetzten als

auch bei mobilen Brennstoffzellen vorhanden. Im stationären Bereich kann das in Kap. 5.6.3

ermittelte Marktpotenzial von jährlich 200.000 stationären Brennstoffzelleneinheiten über-

nommen werden. Bei einer Leistung von jeweils 10 kW ergeben sich 2 GW Gesamtleistung.

Im mobilen Bereich ist ein Einsatz in der bereits mehrfach erwähnten APU geplant, so dass

das für die Steam-Cell in Kap. 5.7.2.14 ermittelte Potenzial übernommen werden kann.

Die TPOX konkurriert auf mehreren Ebenen mit alternativen Lösungen zur Bereitstellung

elektrischer Energie im Fahrzeug, was in Abbildung 37 aufgezeigt wird. Das Marktrisiko für

den als Verwendersystem betrachteten mobilen POX-Reformer wird deshalb mit hoch einge-

stuft.

Abbildung 37: APU und weitere Konzepte zur Bereitstellung elektrischer Energie in Fahrzeugen

Die Ermittlung der Technologieattraktivität für die TPOX findet damit in einem sehr komple-

xen Umfeld mit geringem Informationsstand über die Porenbrenneranwendung statt. Aus

diesem Grund wird die Gegenüberstellung mit der CPOX direkt in der Zielerfüllungsmatrix

durchgeführt. Die Problematik der Verdampfung der flüssigen Brennstoffe, die in beiden Fäl-

Dampfmotor Brennstoffzelle Verbrennungs-motor

APU

Partielle Oxidation

Autotherme Reformierung

Dampf-reformierung

TPOXCPOX

PEM

Lichtmaschine / Batterie

Brennstoffzellen-antrieb

SOFC

Bereitstellung elektrischer Energie im Fahrzeug

Diesel / BenzinWasserstoff


115

len notwendig ist, wird bei der Betrachtung nicht berücksichtigt. Auf Basis der bisherigen

Erkenntnisse wird angenommen, dass sich der Einsatz des Katalysators bei der CPOX güns-

tig auf die Baugröße auswirkt. Bei vorgegebenem Reformierungswirkungsgrad benötigt ein

CPOX-Reformer somit weniger Bauraum. Bei der Modulierbarkeit bietet die Porenbrenner-

technologie Vorteile, ebenso wie bei der Regelung, da beim Katalysatoreinsatz bereits ein

kurzzeitiges Verlassen des Betriebsbereiches zu einer irreversiblen Katalysatordeaktivierung

führen kann. Die Qualität des erzeugten Synthesegases hinsichtlich unerwünschter Stoffe,

wie beispielsweise Ruß oder Stickoxide, ist bei dem Katalysatoreinsatz etwas höher. Da bis-

her keine marktfähigen mobilen Synthesegaserzeuger existieren und die beiden betrachteten

alternativen Systeme die gleiche Infrastruktur benötigen, bestehen bei der Integrationseig-

nung keine Unterschiede. Die Nutzungskosten korrelieren stark mit dem Reformerwirkungs-

grad, der bei beiden Alternativen auf das gleiche Niveau gesetzt wird. Bei den Investitions-

kosten und der Standzeit bestehen noch viele Freiheitsgrade, weshalb zwei Szenarien be-

trachtet werden. Im ersten Szenario wird angenommen, dass der Katalysator deutlich höhere

Kosten verursacht und die Standzeit durch Katalysatordeaktivierung gemindert wird. In die-

sem Fall ist die TPOX vorzuziehen. Im zweiten Szenario werden Kostennachteile aufgrund

des Katalysators durch die Kosten für poröse Medien, die Mehrkosten durch größere Bau-

weise und die aufgrund der hohen Temperaturbelastung notwendigen aufwendigeren Materi-

alien egalisiert. Des Weiteren wird davon ausgegangen, dass eine rasche Katalysatordeakti-

vierung verhindert werden kann und bei den beiden Alternativen gleiche Standzeiten erreicht

werden können. In diesem Szenario hat die CPOX Vorteile. Die Bewertung der beiden Sze-

narien ist in Tabelle 71 und Tabelle 72 dargestellt.

Von Wawrzinek [18] wurde bereits experimentell an einem Labormuster erfolgreich gezeigt,

dass der Porenbrenner als Reaktor für die partielle Oxidation von Methan eingesetzt werden

kann. Erste Vorversuche mit flüssigen Brennstoffen sind ebenfalls bereits durchgeführt wor-

den. Ergebnisse, die eine ausreichende Charakterisierung der thermischen partiellen Oxida-

tion mit flüssigen Brennstoffen und einen aussagekräftigen Vergleich mit anderen Verfahren

ermöglichen, liegen bis jetzt noch nicht vor und sind noch durchzuführen. Daneben wird wie

bei der Öl-Haushaltsheizung in Kap. 5.7.2.5 und der Standheizung in Kap. 5.7.2.8 ein kom-

pakter Ölverdampfer benötigt. Die bisher erreichten Standzeiten der keramischen Materialien

sind, zumindest im PKW-Bereich, ausreichend, die Auswirkungen der zusätzlichen mechani-

schen Belastungen im Betrieb sind jedoch noch nicht systematisch untersucht. Schließlich ist

eine Regelung des Prozesses unter den im mobilen Betrieb vorliegenden Randbedingungen

und unter Berücksichtigung des Regelverhaltens des Gesamtsystems mit Ölverdampfer,


116

partieller Oxidation und Brennstoffzelle zu entwickeln. Der F&E-Aufwand und das technische

Risiko werden deshalb mit hoch eingestuft. In Tabelle 30 sind die Ergebnisse zusammenge-

stellt.

Synthesegaserzeugung mit POX-Reformer


Verwendersystem

Benötigter

F&E-Aufwand


stationär: 2 GW

mobil: 35 GW Entstehung hoch M: hoch

T: hoch

Szenario 1: 113

Szenario 2: 95

Tabelle 30: Ergebnistabelle Synthesegaserzeugung mit POX-Reformer

Die technischen Probleme bei der Reformierung flüssiger Brennstoffe stellen einen wesentli-

chen Grund für Verzögerungen im Markteinführungsprozess der Brennstoffzelle im mobilen

Bereich dar. Aus diesem Grund besteht Bedarf an innovativen technisch umsetzbaren Re-

formerkonzepten.

5.8 Handlungsprogramm für die Porenbrennertechnologie

Aus den Einzelbewertungen im vorangegangenen Unterkapitel geht das große Potenzial der

Porenbrennertechnologie hervor. Wie bei der in Kap. 4.4 zusammengestellten Vorgehens-

weise, erfolgt im nächsten Schritt die Portfoliodarstellung der Bewertungsergebnisse in

Abbildung 38.


117

Abbildung 38: Modifiziertes Portfolio für die Porenbrennertechnologie

Bei der Analyse des Portfolios können die drei aufgrund der Normstrategien wichtigen Berei-

che gut abgegrenzt werden. Im Bereich rechts oben mit der Fokussierungsempfehlung befin-

den sich Industriestrahler, die HCl-Synthese und der Brenner in der Brennstoffzellenperiphe-

rie. Dabei ist klar zu erkennen, dass der Industriestrahler kurzfristig das höchste Potenzial

bietet. Durch eine hohe Technologieattraktivität kombiniert mit geringem F&E-Bedarf und

Risiko besitzt der Industriestrahler ideale Voraussetzungen als erste kommerzielle Poren-

brenner-Anwendung vermarktet zu werden. Die höchste Technologieattraktivität bietet der

Einsatz des Porenbrenners in der Peripherie mobiler Brennstoffzellen. Im Gegensatz zu den

meisten Verwendersystemen ist diese Anwendung selbst noch in der Entwicklung. Dem ver-

gleichsweise geringen F&E-Bedarf seitens des Porenbrenners stehen noch grundlegende

Probleme im Verwendersystem entgegen. Diese Anwendung ist deshalb langfristig zu ver-

stehen. Die HCl-Synthese mit Methan hat aufgrund des geringen Marktpotenzials keine hohe

strategische Bedeutung.

Tec

hn

olo

gie

attr

akti

vitä

t

Benötigter F&E-Bedarfsehr hoch

sehr

hoc

hse

hr n

iedr

ig

Brenner für mobile BZ

Stand- und Zusatzheizung


Synthesegaserzeuger

Stirling

Steam-Cell

BZ-Spitzenlastbrenner

Rußerzeugung

TPV

Gasturbinen-pilotbrenner

Industriestrahler

FCKW-Spaltung

Industrieöfen

Hellstrahler

HCl-Synthese


Dampf- und Warmwasserkessel

HCl-Synthese (aus Methan)

Warmlufterzeuger

sehr niedrig

Risiko

niedrig

mittel

hoch

sehr hoch

sehr niedrigMarktpotenzial

< 1 MW

1-10 MW

10-100 MW

0,1 -1 GW

>10 GW

1 -10 GW

1


118

Der Großteil der Anwendungen befindet sich im mittleren Bereich des Portfolios, so dass

jeweils eine fallweise Entscheidung getroffen werden muss. Trotz einer vergleichsweise ge-

ringen Technologieattraktivität stellt die Gas-Haushaltsheizung die mittelfristig wichtigste

Anwendung in diesem Portfoliobereich dar, da hier die größten Chancen bestehen, den Po-

renbrenner in den kommenden Jahren als Massenprodukt zu etablieren. Die bei höheren

Stückzahlen aufgrund der Erfahrungskurve zu erwartende Kostenentwicklung der kerami-

schen Bauteile kann die Vermarktung weiterer Anwendungen unterstützen. Die hohe techni-

sche Ähnlichkeit des Brenners zu den Wärmeerzeugern der Steam-Cell bzw. dem Brenn-

stoffzellen-Spitzenlastbrenner erhöhen zusätzlich die Bedeutung dieser Anwendung. Die

höchste Technologieattraktivität im mittleren Bereich des Portfolios weist der Porenbrenner

im Stirlingmotor auf. Wie bereits erläutert hat der Stirling derzeit nur eine geringe Bedeutung

in der Kraft-Wärme-Kopplung und die Renaissance des Stirlingmotors wird durch die Brenn-

stoffzelle massiv bedroht. Die aufwendige und spezifische Entwicklung eines Porenbrenners

zielt damit auf ein sehr riskantes Verwendersystem. Auf der anderen Seite stellt der Stirling

eine interessante Alternative beim Scheitern der Brennstoffzelle dar. Aufgrund der problema-

tischen Marktlage sollten nur Entwicklungsaktivitäten mit umsetzungsstarken Industriepart-

nern durchgeführt werden.

Die Synthesegaserzeugung hat ebenfalls eine hohe Technologieattraktivität und daneben ein

sehr großes Marktpotenzial. Die technische Bewertung basiert jedoch auf einer Reihe von

Annahmen, da bisher keine detaillierten experimentellen Ergebnisse zur Verfügung stehen.

Nach einer Validierung der Annahmen durch grundlegende Untersuchungen sollte die hier

durchgeführte Bewertung aktualisiert werden.

Die Öfen nehmen im Portfolio eine Sonderstellung ein, da es sich nicht um eine Standardan-

wendung, sondern um eine Vielzahl auf das jeweilige Produkt abgestimmte Einzelanlagen

handelt. Über die Werkstoffoptimierung hinausreichende Entwicklungsaufgaben sind dabei

nicht durchzuführen. Somit gilt es im Ofenbereich Industriepartner für eine Vermarktung der

Porenbrennertechnologie zu etablieren.

Die Heißwasser- und Dampferzeuger stellen zusammen mit der HCl-Erzeugung und der

FCKW-Spaltung die Gruppe von Verwendersystemen mit hohen Brennerleistungen dar. Die-

se Anwendungen liegen vom Marktpotenzial deutlich unter der Haushaltsheizung und der

Brennstoffzellenperipherie und sind eine interessante Alternative für den Fall, dass die Be-

mühungen, den Porenbrenner in einem Massenmarkt zu platzieren, erfolglos bleiben. Die

Technologieattraktivität eines porenbrennerbasierten Heißwasser- und Dampferzeugers er-

höht sich gegenüber dem betrachteten Betrieb mit Erdgas, wenn Schwachgase als Energie-


119

quelle eingesetzt werden. Die übrigen Anwendungen in diesem Portfoliobereich sind Ni-

schenanwendungen mit geringerer Bedeutung.

Im dritten Portfoliobereich befinden sich Hellstrahler und Warmlufterzeuger, bei denen unter

den angenommenen Voraussetzungen keine Nutzenvorteile durch die Porenbrennertechno-

logie entstehen. Standheizung und Öl-Haushaltsheizung erscheinen bei der Einzelbetrach-

tung im Portfolio aufgrund des hohen F&E-Bedarfs ebenfalls weniger attraktiv.

In der Synergiematrix werden die Entwicklungsaktivitäten betrachtet, die sich aus der Diffe-

renz zwischen dem jeweiligen Ist-Stand und den im Referenzsystem angestrebten Zustand

ergeben. Drei der sieben Themenfelder beziehen sich auf die im Porenbrenner verwendeten

Werkstoffe. Für den stationären Betrieb steht die Standzeit bei ortsfestem Brenner im Mittel-

punkt. Die bei mobilen Anwendungen geforderten Betriebszeiten sind in der Regel deutlich

geringer und die bisher erzielten Standzeiten sind in vielen Fällen bereits ausreichend. Im

mobilen Betrieb treten jedoch zusätzliche mechanische Belastungen auf, über deren Auswir-

kungen noch keine gesicherten Erkenntnisse vorliegen. Aus diesem Grund werden die im

mobilen Betrieb auftretenden Belastungen getrennt betrachtet. Neben der Stabilität der Po-

renkörper sind die Kosten ein für viele Anwendungen wichtiges Kriterium. In der Synergie-

matrix werden weiterhin die Anwendungen berücksichtigt, die mit flüssigen Brennstoffen be-

trieben werden können und eine Ölverdampfung benötigen. In einigen Fällen, wie der Stand-

heizung und der Öl-Haushaltsheizung, ist eine Verdampfung zwingend erforderlich. Bei an-

deren Anwendungen, wie beispielsweise bei Öfen, ermöglicht ein Ölverdampfer den zusätzli-

chen Einsatz von flüssigen Brennstoffen. Weiterhin werden Flammenüberwachung und Peri-

pheriekomponenten für die Brennstoff- und Luftzuführung betrachtet, die notwendig sind, um

den vollen Modulationsbereich des Porenbrenners ausschöpfen zu können. Schließlich wird

noch der Druckverlust in der Synergiematrix berücksichtigt. Durch eine Reduzierung des

Druckverlusts können die in mehreren Anwendungen auftretenden Nachteile durch höhere

Gebläseleistungen verringert werden. Da die Druckverlustminimierung für eine Markteinfüh-

rung nicht zwangsläufig notwendig ist, wird dieser Aspekt in der Synergiematrix, die in

Abbildung 39 dargestellt ist, geringer gewichtet.


120

Abbildung 39: Synergiematrix für die Porenbrennertechnologie

Neben der dominierenden Bedeutung der Werkstoffentwicklung korrigiert die Synergiematrix

die Bewertung der Porenbrenneranwendungen mit flüssigen Brennstoffen, die in der Einzel-

betrachtung im Portfolio aufgrund des hohen F&E-Bedarfs eine niedrige Priorität erhielten.

Durch die Synergieeffekte zwischen vielen Anwendungen ist der Entwicklung einer Ölver-

dampfung eine hohe Priorität einzuräumen.

In Tabelle 31 werden die für das Handlungsprogramm ermittelten Schwerpunkte mit den

aktuellen Tätigkeiten abgeglichen. Aus dieser Gegenüberstellung können die notwendigen

Aktionen abgeleitet werden. Ein ’+’ weist in der Tabelle auf eine Erhöhung der Aktivitäten, ein

’=’ auf gleich bleibende Aktivitäten hin.

Anwendung / Entwick-lungsaktivität

Aktueller Stand Aktion

Industriestrahler Markteinführung wird von der Fa. Gogas Goch GmbH & Co. vorbereitet

=

Brennstoffzellenperipherie Mehrere Kooperationsprojekte sind gestartet bzw. beantragt

=

Gas-Haushaltsheizung Entwicklung wird von der Fa. Promeos weitergetrie-ben

=

Werkstoffe Einzelne Unterarbeitspakete in einigen Entwick-lungsprojekten

+

Ölverdampfung Schwerpunkt der Aktivitäten liegen auf Kalte-Flamme-Verdampfern

= / +

Flammenüberwachung Keine speziellen Aktivitäten + Peripheriekomponenten Werden im Rahmen der Heizungsentwicklung von

der Fa. Promeos entwickelt =

Druckverlustminimierung Keine speziellen Aktivitäten +

Tabelle 31: Vergleich zwischen Handlungsprogramm und bestehenden Aktivi-täten

Standzeit Porenk.

Porenkörper rüttelfest

Ölver-dampfung

Kostenred. Porenk.

Flammen-überw.

Brenner-peripherie

Druckverlust

Industriestrahler 1Synthesegaserzeugung 1 1 0,5Steam-Cell 1 1 1 1 1 1 0,5Gas-Haushaltsheizung 1 1 1 1 0,5Öl-Haushaltsheizung 1 1 1 1 1 0,5Warmlufterzeuger 1 1 1 0,5Hellstrahler für Gebäudeheizung 1 1 1 0,5Stand- und Zusatzheizung 1 1 1 1 0,5Industrieöfen 1 1 1Brenner für mobile BZ 1 1 1 1 1 0,5BZ-Spitzenlastbrenner 1 1 1 1 1 0,5Stirlingmotor 1 1 1 1 0,5TPV 1 1 1 1 1 0,5Dampf- und Warmwasserkessel 1 1FCKW-Spaltung 1HCl - Synthese mit Wasserstoff 1HCl - Synthese mit Methan 1Russerzeugung 1 1 1Gasturbinenpilotbrenner 1 1

16 4 12 11 9 8 5,5


121

Die Erkenntnisse lassen sich, wie in Abbildung 40 gezeigt, zu einer übersichtlichen Roadmap

zusammenfassen.

Abbildung 40: Roadmap für die Porenbrennertechnologie

Abschließend soll noch eine Einordnung der Porenbrennertechnologie nach der in Kap. 2.1

erläuterten Differenzierung zwischen prinzipiellen und graduellen Innovationen durchgeführt

werden. Durch eine Betrachtung der verschiedenen Anwendungen wird deutlich, dass z.T.

deutliche Unterschiede bestehen. Die Weiterentwicklung des konventionellen Industriestrah-

lers zum Porenstrahler ist beispielsweise als reine graduelle Innovation einzuordnen. Das

grundsätzliche Lösungsprinzip, durch Verbrennung von Erdgas Infrarotstrahlung zu erzeu-

gen, bleibt dabei ebenso erhalten wie die dafür notwendige Infrastruktur. Die konventionellen

Module können dabei einfach gegen die Porenbrennermodule ausgetauscht werden. Eine

andere Situation ist bei der FCKW-Spaltung vorzufinden. Hier differenziert sich der Poren-

brenner grundsätzlich von den bestehenden technischen Alternativen; eine Integration in

bestehende Anlagen ist nur mit hohem Aufwand möglich. Damit hat die FCKW-Spaltung mit

dem Porenbrenner einen starken prinzipiellen Charakter.

5.9 Interpretation der Bewertungsergebnisse

Am Beispiel der Porenbrennertechnologie kann gezeigt werden, dass Innovationsmanage-

ment-Methoden an Forschungseinrichtungen zur Planung der zukünftigen Aktivitäten einge-

setzt werden können. Bei der Darstellung im Portfolio wird eine gute Differenzierung der ver-

Öl-Porenbrenner

Werkstoffe - Standzeit

Druckverlustminimierung

Ölverdampfung

Flammenüberwachung

Peripheriekomponenten

Werkstoffe - Kosten

Brennstoffzellenperipherie


Industriestrahler

Öl-Porenbrenner

Werkstoffe - Standzeit

Druckverlustminimierung

Ölverdampfung

Flammenüberwachung

Peripheriekomponenten

Werkstoffe - Kosten

Brennstoffzellenperipherie


Industriestrahler

20.000 h bei kont. Betrieb

>20.000 h bei diskont. Betrieb mobiler Betrieb

Leistungsmod.-bereich: 1:5 1:20

Leistungsmod.-bereich: 1:5 1:20

2005 2010

10 €/kW <5 €/kW ca. 1 €/kW

X

XX

X

Generierung neuer und Konkretisierung vorhandener Ideen

X= Markteinführung


122

schiedenen Anwendungen erreicht, die eine plausible Portfoliointerpretation ermöglicht. Die

über die Normstrategien aus dem Portfolio gewonnenen Aussagen ergeben einen ersten

Entwurf, der durch die Synergiematrix und weitere, durch die verdichtete Zusammenstellung

vernachlässigte Informationen, ergänzt werden muss.

Ein wichtiges Merkmal der systematischen Vorgehensweise ist die starke Orientierung am

jeweiligen Verwendersystem bei der Definition der Bewertungskriterien. Dieser Aspekt kann

beispielhaft an der kompakten Bauweise des Porenbrenners betrachtet werden. Die Quantifi-

zierung dieses Vorteils erfolgte in der Vergangenheit meistens über die Flächenleistung. Für

den Anwender entsteht jedoch nur ein Nutzen durch die neue Technologie, wenn es gelingt,

aus der hohen Flächenleistung des Brenners Größenvorteile für das Gesamtsystem zu erzie-

len. Weiterhin wird durch die im Rahmen der Bewertung zu führenden Expertengespräche

sichergestellt, dass frühzeitig Informationen von der Bedarfsseite einfließen. Die zu planen-

den Entwicklungsaktivitäten können dadurch gezielt auf alle relevanten Eigenschaften ausge-

richtet werden. Die Möglichkeit einer Verwendung bestehender Bewertungskriterien, sowie

die Einbindung einer Marktstudie zur Gewichtung der Kriterien für bekannte Verwender-

systeme konnten am Beispiel der Haushaltsheizung demonstriert werden. Bei der Planung

von Entwicklungsvorhaben für einzelne Anwendungen erweist sich als sehr hilfreich, dass

das Arbeitsprogramm aus der Differenz zwischen dem Ist-Stand und dem im Referenzsys-

tem angestrebten Zustand abgeleitet werden kann. Durch diese Vorgehensweise werden

sowohl alle notwendigen Funktionen der angestrebten Komponente, als auch die im Ver-

wendersystem notwendigen Änderungen erkannt. Die Zukunftsorientierung der Bewertung ist

ein weiterer wichtiger Aspekt der vorgeschlagenen Vorgehensweise. Neben dem Bedarf sind

dabei sowohl das eigene Potenzial, als auch die alternativen Lösungsmöglichkeiten zu dy-

namisieren. Aufgrund dieser Vielschichtigkeit besteht ohne eine systematische Vorgehens-

weise die Gefahr von Fehleinschätzungen. Die Extrapolation der Bedarfe in die Zukunft wird

in der Arbeit ausführlich an der Kraft-Wärme-Kopplung im Praxisbeispiel aufgezeigt. Grund-

legend verschiedene Verlaufsmöglichkeiten können dabei durch verschiedene Szenarien

abgedeckt werden. Für das eigene technische Potenzial ist die Zukunftsbetrachtung eben-

falls von hoher Bedeutung. Mit der Erfahrungskurve, die bei der Abschätzung der Kosten für

die keramischen Bauteile zum Einsatz kommt, steht zudem ein sehr einfaches Werkzeug für

die Generierung begründbarer Aussagen bezüglich zukünftiger Kosten zur Verfügung. Be-

rücksichtigt werden müssen jedoch auch die Fortschritte bei den alternativen Lösungsmög-

lichkeiten. Hierdurch können komplette Verwendersysteme von einer Substitution betroffen

sein, was beispielsweise beim Stirlingmotor beobachtet werden kann. In anderen Fällen, wie


123

am Beispiel des Ceramat-Strahlungsbrenners aufgezeigt, werden durch Weiterentwicklungen

bei den direkten technologischen Alternativen spürbare Verbesserungen erzielt.

Neben der Vielzahl an Vorteilen werden auf der anderen Seite jedoch auch die Grenzen und

Schwierigkeiten des Methodeneinsatzes deutlich. Grundsätzlich treten die allgemeinen

Nachteile auf, die bei der Vorstellung von Technologieportfolio, Nutzwertanalyse und qualita-

tiven Bewertungsmethoden in Kap. 3 bereits erwähnt wurden. So basiert die Bewertung auf

mit Unsicherheiten behaftete Daten, die unter Vernachlässigung komplexer Zusammenhänge

verdichtet werden. Trotz dieser allgemein bekannten Schwierigkeiten finden die Methoden

häufig Anwendung in Wissenschaft und Praxis. Aus diesem Grund werden an dieser Stelle

insbesondere die Aspekte beleuchtet, die speziell an Forschungseinrichtungen eine Anwen-

dung behindern.

Die Beschaffung von Informationen der Bedarfsseite wird an Forschungseinrichtungen

grundsätzlich erschwert, da kein direkter Marktzugang vorhanden ist. Bei vielen hochspezifi-

schen Verwendersystemen fällt es zudem schwer, eine größere Anzahl an Experten mit dem

notwendigen Wissen aufzufinden. Dadurch basieren die Bewertungen häufig auf den Aussa-

gen weniger Experten und sind nicht statistisch belastbar. Darüber hinaus hatten mehrere

Experten Schwierigkeiten mit der vollständigen Auflistung der relevanten Bewertungskriterien

und einer plausiblen Gewichtung. Die in vielen Fällen bestehenden Geheimhaltungsverpflich-

tungen erschweren zusätzlich die Zusammenstellung der Informationen.

Durch den Einsatz von Szenarien können verschiedene Verlaufsmöglichkeiten berücksichtigt

werden. Die dadurch im Portfolio auftretenden Mehrfachnennungen minderen jedoch die

Übersichtlichkeit spürbar und erhöhen den Interpretationsaufwand. Diese Schwierigkeit kann

umgangen werden, indem die jeweils optimistischen, die Innovation unterstützenden Szena-

rien herangezogen werden. Da bei der Darstellung im Portfolio Potenzial und Risiko getrennt

aufgeführt werden, ist die Existenz alternativer Szenarien durch ein erhöhtes Risiko zu ver-

merken. Die Gültigkeit der Szenarien ist dabei regelmäßig zu überprüfen. Die Problematik

der Szenarienvielfalt wird insbesondere bei den Porenbrenneranwendungen zur Kraft-

Wärme-Kopplung deutlich. In diesem Markt konkurrieren drei verschiedene Porenbrenner-

anwendungen untereinander, für die jeweils das gesamte Marktvolumen angesetzt wurde.

Somit sind mindestes zwei Szenarien in der Zukunft anzupassen.

Die Verschiedenheit der Anwendungen erschwert die Ermittlung des jeweiligen Marktpoten-

zials. Durch die Betrachtung der jährlich benötigten Brennerleistung konnte diese Problema-

tik elegant umgangen werden. Dadurch können die Anwendungen im Portfolio durch sechs

Marktpotenzialklassen differenziert werden. Bei dieser Vereinfachung wird ein in der Realität


124

unwahrscheinlicher linearer Zusammenhang zwischen Brennerleistung und Preis angenom-

men und der Unterschied zwischen Schaumkeramiken und Schüttungen wird vernachlässigt.

Da bei der Portfoliobewertung keine exakten Werte benötigt werden, sondern die Größen-

ordnungen entscheidungsrelevant sind, ist die im Praxisbeispiel gewählte Vorgehensweise

tolerabel. Eine derartige Vereinfachung ist jedoch nicht grundsätzlich durchführbar. In diesen

Fällen ist das Potenzial in Geldeinheiten anzugeben, so dass für jede Anwendung eine Sys-

temgrenze festzulegen ist. Am Beispiel der Haushaltsbrenner (siehe Abbildung 22) wird das

dabei auftretende Abgrenzungsproblem deutlich. So können der im Wesentlichen nur aus

zwei porösen Zonen bestehende Brenner, der Brenner zusammen mit der Brennstoffzufüh-

rung, die aus Brenner und Wärmetauscher bestehende Wärmezelle, das Heizgerät oder das

gesamte Heizsystem mit Wärmespeicher betrachtet werden. Eine über alle Anwendungen

hinwegreichende plausible und anwendbare Abgrenzung zu finden kann dabei zu Schwierig-

keiten führen.

Ein grundlegender Unterschied zwischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen liegt,

wie bereits erwähnt, in der Finanzierung der Forschungsvorhaben und bei der Vermarktung.

In beiden Fällen liegt die Entscheidungsgewalt nicht in der Hand der Forschungseinrichtung

selbst, sondern bei einem Drittmittelgeber bzw. bei einem an der Innovation interessierten

Unternehmen, was die Umsetzung des erstellten Handlungsprogramms erschwert. Ein sys-

tematischer Innovationsprozess an Forschungseinrichtungen kann diese Planungsunsicher-

heiten nicht grundsätzlich egalisieren. Die Methodenanwendung trägt jedoch dazu bei, die

Bemühungen auf potenzialträchtige Anwendungen zu konzentrieren und hierfür überzeugen-

de Argumente vortragen zu können.

Die vorgestellten Innovationsmanagement-Methoden sind somit Werkzeuge, die eine syste-

matische Steuerung der Innovationsprozesse an Forschungseinrichtungen in einem unvoll-

ständigen und unsicheren informatorischen Umfeld erleichtern. Dabei wird an vielen Stellen

deutlich, dass es sich dabei um keine starren Vorgehensweisen handelt, sondern bei der

Informationsverdichtung und der Ergebnisinterpretation eine Anpassung an die jeweiligen

Gegebenheiten erforderlich ist. Die Methoden garantieren bei diesem Prozess einerseits

einen strukturierten Ablauf der Planungsaktivitäten und stellen darüber hinaus sicher, dass

für die Innovationsbetrachtung wichtige Aspekte wie Zukunftsorientierung oder die Ausrich-

tung am Verwendersystem berücksichtigt werden. Durch die Vielzahl an Freiheitsgraden bei

der Festlegung von Referenzsystemen und Systemgrenzen, der Erstellung verschiedener

Szenarien sowie für Portfoliointerpretation und Risikoeinschätzung kann jedoch auf umfang-

reichen technischen internen und externen Sachverstand nicht verzichtet werden.

125

6 Exemplarische Umsetzung des Handlungsprogramms

Das in Kap. 5.8 erstellte Handlungsprogramm zeigt, dass die Werkstoffoptimierung im Po-

renbrenner als wichtigster Schritt bei der Weiterentwicklung der Porenbrennertechnologie

betrachtet werden kann, da sie für alle Anwendungen eine sehr hohe Relevanz besitzt. Ähn-

liches gilt für die Flammenüberwachung, die in der Peripherie der meisten Porenbrenneran-

wendungen notwendig ist. Aus diesem Grund zielen die im Rahmen dieser Arbeit durchge-

führten Entwicklungsschritte auf die Werkstoffoptimierung und die Untersuchung der Flam-

menüberwachung im Porenbrenner.

6.1 Werkstoffoptimierungen für die Porenbrennertechnologie

In den vergangenen Jahren sind bereits umfangreiche Arbeiten zur Entwicklung langzeitsta-

biler keramischer und auch metallischer Werkstoffe für die Verbrennung in porösen Medien

durchgeführt worden. Diese Aktivitäten verliefen dabei meist im Rahmen von einzelnen

Brennerentwicklungen. Im Vordergrund dieser Projekte stand das Aufzeigen der prinzipiellen

Machbarkeit, die Weiterentwicklung der Werkstoffe war nur ein Unterziel. Aus diesem Grund

besteht noch ein Bedarf an längerfristigen und systematischen Werkstoffuntersuchungen, die

eine Analyse der Zusammenhänge zwischen den eingesetzten Keramiken und der Lebens-

dauer erlauben.

Um eine systematische Weiterentwicklung der Keramiken zu ermöglichen, werden im weite-

ren Verlauf dieses Kapitels einige Grundlagen für die im Porenbrenner eingesetzten Werk-

stoffe erläutert. Danach werden die bereits durchgeführten Entwicklungsschritte der Werk-

stoffoptimierung kurz zusammengefasst und die bekannten und dokumentierten Schadens-

fälle analysiert. Aufbauend auf den bisherigen Entwicklungsergebnissen wird schließlich ein

Maßnahmenpaket zur systematischen Weiterentwicklung der keramischen Materialien im

Porenbrenner konzipiert und umgesetzt.

6.1.1 Reaktionsverhalten der eingesetzten Hochtemperaturkeramiken

Zur systematischen Schadensanalyse ist die Kenntnis des Reaktionsverhaltens der in der

Porenbrennertechnik eingesetzten Keramiken notwendig, da Schäden an der Keramik durch

strukturelle oder chemische Veränderungen hervorgerufen bzw. begünstigt werden können.

Hierbei werden insbesondere Gaskorrosion, Wasserdampfkorrosion, Schmelzpunkterniedri-

gung durch Mehrkomponentensysteme und Sinterprozesse näher betrachtet.


126

6.1.1.1 Gaskorrosion nichtoxidkeramischer Werkstoffe

Analog zu metallischen Werkstoffen sind nichtoxidische Keramiken oxidativen Angriffen aus-

gesetzt. Am Beispiel des im Porenbrenner eingesetzten Siliziumcarbides ist im Folgenden

eine Auswahl möglicher Reaktionen nach Quirmbach [144] zusammengestellt:

SiC + 0,5 O2 ßà Si + CO (6.1)

SiC + 0,5 O2 ßà SiO + C (6.2)

SiC + O2 ßà Si + CO2 (6.3)

SiC + O2 ßà SiO + CO (6.4)

SiC + O2 ßà SiO2 + C (6.5)

SiC + 1,5 O2 ßà SiO + CO2 (6.6)

SiC + 1,5 O2 ßà SiO2 + CO (6.7)

SiC + 2 O2 ßà SiO2 + CO2 (6.8)

SiC + CO ßà SiO + 2 C (6.9)

SiC + 2 CO ßà SiO2 + 3 C (6.10)

SiC + CO2 ßà Si + 2 CO (6.11)

SiC + CO2 ßà SiO + CO + C (6.12)

SiC + CO2 ßà SiO2 + 2 C (6.13)

Im Gegensatz zu Metallen geht bei Keramiken die Korrosion nicht immer mit einer formalen

Wertigkeitserhöhung einher. In einigen Fällen, wie in Gleichung 6.4, wird das Silizium bei

dem Korrosionsprozess sogar reduziert. Metallspezifische Korrosionsschutzmaßnahmen, wie

der kathodische Schutz, sind daher bei diesen Keramiken nicht anwendbar.

Die Produkte der Gaskorrosion können einen gasförmigen oder festen Zustand einnehmen.

Im ersten Fall, der auch als aktive Korrosion bezeichnet wird, führt der Prozess zu einem

Zerfall bzw. zu einer Auflösung der Keramik. Bei der passiven Korrosion bildet sich durch die

kondensierten Korrosionsprodukte eine Schutzschicht aus, die ein Fortschreiten der Korrosi-

on erschwert. Bei den im Porenbrenner herrschenden Bedingungen ist bei Siliziumcarbid

nach Nickel und Quirmbach [144] und Kriegesmann [145] passive Korrosion zu erwarten.

Der Korrosionsprozess ist durch eine Modellierung der dabei ablaufenden Diffusionsschritte

quantifizierbar. Bei aktiver Korrosion bezieht sich die Quantifizierung auf den Materialverlust,

bei passiver Korrosion auf die Dicke der sich bildenden Passivierungsschicht. Der geschwin-


127

digkeitsbestimmende Schritt bei passiver Korrosion ist häufig die Diffusion durch die Schutz-

schicht der entstehenden Korrosionsprodukte. Über das Fick’sche Gesetz lässt sich nach

Quirmbach [144] das parabolische Wachstumsgesetz ableiten:

x2 = kp t (6.14)

Dabei ist x die Dicke der Schutzschicht, kp die parabolische Ratenkonstante und t die Zeit.

Die Ratenkonstante kp zeigt dabei starke Abhängigkeiten hinsichtlich der Temperatur, der

Atmosphäre und der spezifischen Keramikeigenschaften wie der Korngröße. Für einige spe-

zielle Fälle sind Literaturwerte für die parabolische Ratenkonstante vorhanden [144].

Neben dem parabolisch verlaufenden Aufbau der Schutzschicht kann die Korrosion auch

nach anderen Wachstumsgesetzen ablaufen. Bildet sich eine hochporöse Schutzschicht, die

dem Stoffaustausch keinen nennenswerten Diffusionswiderstand entgegensetzt, stellt sich

ein, zeitlich betrachtet, linearer Verlauf der Schutzschichtdicke ein. Neben Mischformen zwi-

schen linearem und parabolischem Verhalten stellt ein als ’pseudo-linear’ bezeichneter Ver-

lauf einen Sonderfall dar. Dieser Fall tritt ein, wenn durch stetige Rissbildung die Schutz-

schicht lokal und temporär durchlässig wird und dadurch immer wieder neue Reaktionen

ermöglicht. In Abbildung 41 sind einige mögliche Korrosionsverläufe einer ebenen Platte

dargestellt.

Abbildung 41: Gewichtsveränderung bei SiC als Funktion der Zeit bei der Gaskor-rosion einer ebenen Fläche

Zeit

Gewichts-änderung

linear

logarithmisch

pseudo-linear

parabolisch


128

Ein weiterer Sonderfall der Gaskorrosion tritt beim Zusammentreffen der im Porenbrenner

enthaltenen Werkstoffe Siliziumcarbid und Aluminiumoxid ein. Unter oxidierenden Bedingun-

gen kommt es nach Quirmabch [144] zur Mullitbildung:

2 SiC + 3 Al2O3 + 2 O2 ßà 3 Al2O3 · 2 SiO2 + CO (6.15)

Die Verbindung ist nach dem Ort seines Entdeckens, die Isle of Mull in Schottland, benannt

und gehört zur großen Gruppe der Alumosilikate. Mullit ist die einzige unter Normaldruck und

hohen Temperaturen stabile kristalline Verbindung im System SiC-Al2O3, schmilzt erst bei

Temperaturen oberhalb von 1800 °C und zeichnet sich durch eine niedrige Kriechrate, gute

chemische Stabilität, niedrige Dichte sowie niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten

aus. Weiterhin ist nach Opila, Fox et al. [146] bekannt, dass Mullit unter reduzierenden Be-

dingungen zu einer selektiven Zersetzung der SiO2-Komponente neigt:

3 Al2O3 · 2 SiO2 + 2 H2 ßà 3 Al2O3 + SiO(g) + 2 H2O (6.16)

6.1.1.2 Wasserdampfkorrosion und Einfluss anderer Reaktionspartner

Bei hohen Temperaturen zeigt Wasserdampf eine sehr hohe Reaktionsbereitschaft und zer-

setzt die bei der passiven Korrosion von SiC entstehende SiO2-Schutzschicht. Nach Opila,

Fox et al.[146] sind dabei die folgenden drei Reaktionen zu betrachten:

SiO2 (s) + H2O (g) ßà SiO(OH)2 (g) (6.17)

SiO2 (s) + 2 H2O (g) ßà Si (OH)4 (g) (6.18)

2 SiO2 (s) + 3 H2O (g) ßà Si2O(OH)6 (g) (6.19)

Reaktion 6.17 wird nach Hildenbrand und Lau [147] bei niedrigem Druck als dominierend

betrachtet, während bei atmosphärischem Druck nach Hashimoto [148] Reaktion 6.18 über-

wiegt.

Daneben ist nach Scholze [149] seit langem bekannt, dass Wasserdampf in oxidierender

Atmosphäre zur Verdampfung von Aluminiumoxid unter Bildung von leicht flüchtigen Hydro-

xiden führt. Neben Wasserdampf beeinflussen eine Reihe weiterer Elemente und Verbindun-

gen die Stabilität der hier betrachteten Keramiken. So wurden bereits von Wawrzinek [18] die

Mechanismen zusammengestellt, die in einer chlor- und fluorhaltigen Atmosphäre bei SiC-

oder Al2O3-Keramiken ablaufen.

6.1.1.3 Sinterprozesse

Sinterprozesse sind nach Krause [150] physikalische Vorgänge, bei denen lose Kornkontakte

der einzeln nebeneinander liegenden Teilchen bei Temperaturerhöhung durch Stoffübergang


129

geschlossen werden. Die Schließung von losen Kornkontakten bewirkt Kornwachstum und

eine Verfestigung des Materials ohne chemische Reaktionen. Die treibende Kraft bei der

Sinterung ist die Abnahme der Oberflächenenergie, der geschwindigkeitsbestimmende

Schritt bei Sinterprozessen ist der Stofftransport [150]. In Abbildung 42 wird ein einfaches

Sintermodell mit einer Kugel und einer ebenen Fläche betrachtet.

k t rx

m

n

=

Abbildung 42: Sinterprozess zwischen Kugel und ebener Platte

Dabei ist x der Radius des sich zwischen Kugel und Platte ausbildenden Sinterhalses, r der

Kugelradius, t die Zeit und k eine temperaturabhängige Konstante. Die Sinterexponenten n

und m sind Faktoren, die durch den vorherrschenden Stofftransportmechanismus festgelegt

werden. Dabei treten Oberflächendiffusion, Volumendiffusion, Verdampfung bzw. Kondensa-

tion sowie viskoses Fließen auf.

Bei der Herstellung von Keramikbauteilen nehmen Sinterprozesse eine wichtige Rolle ein.

Ungewünschte Sintervorgänge können jedoch auch zu Schäden an keramischen Bauteilen

führen. Hierfür sind verschiedene Effekte verantwortlich, wie in dem folgenden Abschnitt

verdeutlicht wird. So findet durch das bei Sintervorgängen stattfindende Kornwachstum eine

unkontrollierte Veränderung der keramischen Matrix statt. Dies kann sowohl zu einer Zu-

nahme, aber durch die Umlagerungen auch zu einer Abnahme der Festigkeit führen [144].

Weiterhin können Sinterprozesse nach Scholze [149] zur Schwindung des Materials führen.

Dieser Vorgang ist in Abbildung 43 verdeutlicht.

Abbildung 43: Schwindung bei Sinterprozesses

Vor Sinterung Nach SinterungSchwindung

x

r


130

Durch Kornwachstum, das zu einer Dichteerhöhung führt, nimmt das Volumen bei gleich

bleibender Masse ab. Können die dabei im Material entstehenden Spannungen nicht abge-

baut werden, führt die Schwindung zur Rissbildung. Speziell bei faserverstärkten Oxidkera-

miken verursachen Sinterprozesse eine Versprödung des Werkstoffes, da die versinterten

Fasern, die als elastische Komponente in ein Bauteil eingebracht werden, ihre Funktion ver-

lieren. Als Folge der Versinterung einer faserverstärkten Keramik nimmt deren Thermo-

schockbeständigkeit ab.

6.1.1.4 Schmelzpunkterniedrigung durch Mehrkomponentensysteme

In Kap. 6.1.1.1 wurde bereits das aus SiO2 und Al2O3 bestehende Zweikomponentensystem

Mullit vorgestellt, das als spezieller Fall einer Gaskorrosion betrachtet wurde. Bei Zweikom-

ponentensystemen treten, vereinfacht betrachtet, zwei unterschiedliche Fälle auf. Bei der

Mischkristallbildung entstehen aus den beiden Ausgangskomponenten binäre Verbindungen.

Im anderen Fall gehen die beiden Komponenten keine Verbindung miteinander ein. Die Er-

läuterung dieses Falles erfolgt anhand Abbildung 44.

Abbildung 44: Phasendiagramm für Zweistoffsystem nach Scholze [149]

Auf der Abszisse des Diagramms sind die relativen Anteile der beiden Komponenten gegen-

läufig aufgetragen. Das linke Ende der Abszisse stellt somit die Reinkomponente A, das

rechte Ende die Reinkomponente B dar. Auf der Ordinate ist die Temperatur aufgetragen.

In dem Diagramm können vier verschiedene Bereiche abgegrenzt werden. Oberhalb der

Liquiduskurve liegt eine Schmelze vor. Der Schnittpunkt der Liquiduskurven wird als eutekti-

A + B

B + Schmelze

A + Schmelze

Schmelze

T T

Schmelz-punkt

Komp. A

Schmelz-punkt

Komp. B

Eutektikum

Liquiduskurve

Komp. A 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Komp. AKomp. B 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Komp. B


131

scher Punkt bezeichnet, an dem ein Gleichgewichtszustand zwischen den beiden festen

Komponenten und der Schmelze vorliegt. Der Bereich unterhalb der Liquiduskurve und ober-

halb der Temperatur des Eutektikums besteht aus flüssiger Schmelze und je nach Konzent-

ration aus fester Komponente A oder B. Im Bereich unterhalb des Eutektikums liegen beide

Komponenten in fester Form als Gemisch vor. Die Schmelztemperatur am eutektischen

Punkt eines Zweikomponentengemisches liegt tiefer als die Schmelzpunkte der beiden Rein-

komponenten. Dieser Effekt wird als Schmelzpunkterniedrigung bezeichnet.

Die bereits erwähnte Mullitbildung, die ein Zweikomponentengemisch aus Al2O3 und SiO2

darstellt, führt damit auch zu einer Schmelzpunkterniedrigung von 2050 °C des reinen Al2O3

auf ca. 1800 °C. Neben Mullit spielen noch weitere Mehrkomponentengemische eine Rolle in

der Porenbrennertechnik. Je nach Qualität kann technisches Aluminiumoxid signifikante An-

teile an anderen keramischen Komponenten enthalten, die die Schmelztemperatur nach un-

ten verschieben. An dieser Stelle ist insbesondere auf Calciumoxid zu verweisen, das in

Reinform einen Schmelzpunkt von 2570 °C aufweist. Zusammen mit Aluminiumoxid, das bei

2050 °C schmilzt, ergibt sich eine Schmelzpunkterniedrigung bis auf ca. 1400 °C [151].

6.1.2 Stand der Werkstoffentwicklung für die Verbrennung in porösen Medien

Die Optimierung der keramischen Werkstoffe wurde bereits im Rahmen vieler Porenbrenner-

Entwicklungsprojekte vorangetrieben. An dieser Stelle werden die wichtigsten dabei erzielten

Entwicklungsfortschritte der letzten Jahre herausgegriffen.

Für die ersten Porenbrenner-Labormuster wurden von Trimis [52] keramische Schüttungen,

keramische Schäume und Metallgestricke verwendet. Dabei kamen Werkstoffe wie Alumini-

umoxid, Magnesiumoxid, Siliziumcarbid, Zirkoniumoxid, Cordierit, Tantal u.a. zum Einsatz.

Die Erfahrungen zeigten, dass die eingesetzten metallischen Werkstoffe den hohen Tempe-

raturen und den oxidierenden Bedingungen nicht dauerhaft standhalten können. Aus diesem

Grund konzentrierte sich die weitere Entwicklung mehr auf Al2O3-, ZrO2- und SiC-Werkstoffe,

die von Pickenäcker [152] näher charakterisiert werden.

In den letzten Jahren wurden die Weiterentwicklungsaktivitäten für die Verbrennungszone

stark auf SiC fokussiert. Zuerst kamen dabei Schaumstrukturen aus gesintertem SiC (SSiC)

zum Einsatz, die nach dem bereits 1963 patentierten Schwartzwalder-Verfahren [153] herge-

stellt werden. Dabei wird ein Polymerschaum in einer Keramiksuspension getränkt. Durch

Trocknung und anschließende Sinterung wird der Polymerschaum ausgebrannt und die

Schaumkeramik verfestigt. Die Keramikstege sind aufgrund des entfernten Polymerschau-

mes hohl. Die für die preiswert erhältlichen SSiC-Schäume angegebene Temperaturbestän-


132

digkeit bis 1600°C in sauerstoffhaltiger Atmosphäre ist für den Porenbrennereinsatz nur für

kurze Zeiträume gültig. Durch die hohe Mikroporosität wird die Struktur durch Oxidationsre-

aktionen geschwächt, was zuerst zu einer Erniedrigung der Festigkeit bis hin zu einem Zerfall

der kompletten Strukturen führt.

Eine weiterentwickelte Variante des SSiC ist das siliziuminfiltrierte bzw. reaktionsgebundene

Siliziumcarbid (SiSiC bzw. RBSiC), bei dem elementares Si-Metall den inneren Hohlraum

und die Mikroporen in den Zellstegen ausfüllt [154]. Dabei wird elementares Silizium im Va-

kuum verdampft und im gasförmigen Zustand in die Keramik infiltriert. Durch Diffusionspro-

zesse gelangt das verdampfte Silizium in den Hohlraum und in die Mikroporen. Dort wird es

in die bereits vorhandene SiC-Matrix eingelagert. Durch die Einbettung des Siliziums führt

eine Erhitzung des Bauteils über den Schmelzpunkt von elementarem Silizium (ca. 1420 °C)

abhängig von der Struktur der keramischen SiC-Matrix nicht unbedingt zum sofortigen Aus-

fließen des elementaren Siliziums.

Eine weitere Verfahrensoptimierung wurde von der Schweizer Firma PTC durchgeführt. De-

ren Untersuchungen ergaben, dass sich nach dem Ausbrennen des Polymerschaumes

scharfkantige Übergänge ausbilden können, die auch nach der Infiltrierung des elementaren

Siliziums zur Rissbildung neigen. Durch einen weiteren Verfahrensschritt, bei dem ein koh-

lenstoffhaltiges Polymer vor der Silizium-Infiltrierung in das Bauteil infiltriert wird, ist es ge-

lungen, eine Glättung der Übergänge zu erzielen.

In Abbildung 45 sind typische SiSiC-Keramiken und eine Rasterelektronen-Aufnahme des

Querschnittes eines Steges abgebildet. Der mit ’1’ bezeichnete äußere Bereich besteht aus

porösem SiC, dessen Mikroporen mit elementarem Silizium gefüllt sind. Der mit ’2’ bezeich-

nete innere Stegbereich, der die Konturen des Polymerschaumes aufweist, besteht aus ele-

mentarem Silizium.

Abbildung 45: Poröse SiC-Schaumkeramik (links) und Rasterelektronenmikro-skop-Aufnahme eines Stegquerschnittes (rechts)


133

Neben den Schaumstrukturen werden auch Lamellen- und Mischerstrukturen in Zone C ein-

gesetzt, die einen geringeren Druckverlust aufweisen aber im Vergleich zu den Schäumen

mechanisch weniger stabil sind. Bei Labortests traten bisher nach einigen hundert Stunden

bereits Erweichungsprobleme auf. Schüttungen aus Kugeln oder Füllkörper kommen derzeit

nur noch in Sonderfällen zum Einsatz, da die Gesamtporosität dieser Materialien vergleichs-

weise gering ist, so dass hohe Druckverluste entstehen und die Brenner aufgrund der großen

Wärmekapazität des Porenkörpermaterials sehr träge reagieren.

In der ersten Entwicklungsphase kamen in der Stabilisierungszone hauptsächlich Kugel-

schüttungen zum Einsatz. Aufgrund der bereits genannten Nachteile wurden die Schüttungen

mittlerweile durch keramische Lochplatten ersetzt. Diese bestehen in der Regel aus Alumini-

umsilikatfasern. Dabei kommen verschiedene Fasermischungen zum Einsatz, die letztlich die

Qualität der Lochplatten bestimmen. Dabei werden die Bezeichnungen HT 140 für Standard-

qualität bis HT 180 für höherwertige Fasern verwendet. Bei der Herstellung der Lochplatte

wird, wie in Abbildung 46 verdeutlicht, eine wässrige Fasersuspension mit organischen Bin-

demitteln über ein Nadelbett angesaugt. Die Fasern lagern sich dabei um die bereits im

Werkzeug integrierten Nadeln an. Als Füllstoff wird Tonerde verwendet, wodurch der Silizi-

umanteil der Lochplatte steigt. Dieser liegt, gemessen in Atomprozent ohne Berücksichtigung

des Sauerstoffs, zwischen 20 und 30 Atomprozent, der von Aluminium zwischen 70 und 80

Atomprozent.

Abbildung 46: Skizze zur Herstellung der Lochplatte

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und zur Vermeidung von Erosionseffekten kann

die Lochplatte einem Härteprozess unterzogen werden. Dabei wird die Keramik in ein silikat-

haltiges Härtemittel getaucht und anschließend in einem Ofen getrocknet.

Die Ausdehnung einer ebenen Lochplatte bei höheren Temperaturen führt aufgrund der

Wärmeausdehnung zu einer Wölbung der Oberfläche. Da die Verbrennungszone, wie in

Abbildung 47 gezeigt, häufig über ein Haltegitter fixiert wird, drückt die Wölbung der Stabili-

Faser-Suspension

Saugen durch Unterdruck

Zone A

Nadeln

Metallplatte mit kleinen Löchern


134

sierungszone die Verbrennungszone gegen das Haltegitter. Die Druckstellen können sowohl

zu Rissen in der Stabilisierungs- oder Verbrennungszone, als auch zu Verformungen des

Haltegitters führen. Durch eine Vertiefung in der Stabilisierungszone, die ebenfalls in

Abbildung 47 angedeutet ist, kann dieser Effekt vermieden werden.

Abbildung 47: Wölbung der Stabilisierungszone bei hohen Temperaturen

2001 wurden Feldtests mit über einhundert Porenstrahlungsbrennern gestartet. Dabei wur-

den neben mehreren diskontinuierlich betriebenen kleineren Anlagen zwei im Dauerbetrieb

arbeitende Trocknungsanlagen mit jeweils über 50 Porenstrahlern bestückt. Nach ca. 5000 h

Dauerbetrieb mussten die Tests in beiden kontinuierlich laufenden Anlagen abgebrochen

werden, da mehrere Porenbrenner zurückgeschlagen waren. Die beiden Trocknungsanlagen

der kontinuierlich durchgeführten Tests werden im Folgenden näher betrachtet.

6.1.3 Analyse der Schadensfälle aus den Feldtests

Nach dem Abbruch des Feldtests wurden sowohl die zurückgeschlagenen als auch die noch

funktionsfähigen Porenbrenner demontiert und standen für eine Schadensanalyse zur Verfü-

gung. Die im Folgenden beschriebenen Analysen wurden an beschädigten, aber noch funkti-

onstüchtigen Brennern durchgeführt, da die zurückgeschlagenen Brenner durch Schmelzen

des Metallgehäuses völlig zerstört wurden. Die Stabilisierungszonen der Porenbrenner waren

aus HT 140 gefertigt und gehärtet. In der Verbrennungszone kam ein SiSiC-Schaum zum

Einsatz.

In Abbildung 48 sind Schadensbilder von Zone A und C der ersten Anlage dargestellt. Die

Zone A ist dabei stark angegriffen und auf der Zone C ist eine weiß-graue Verkrustung zu

erkennen. Aus dem Schadensbild ließ sich nicht direkt die Ursache für den Ausfall der Bren-

ner erklären. So war zunächst unklar, ob die Belagbildung in Zone C zu einer Überhitzung

geführt hat oder ob die Zersetzung der Zone A die Ausfallursache darstellt. Daneben befand

sich auf Zone A ein sandartiges Material, dessen Herkunft und Zusammensetzung ebenso

ungeklärt war.

Kalter Zustand Heißer Zustand

Ohne Vertiefung

Mit Vertiefung

Zone AZone C

Halterungs-gitter Druckstellen


135

Abbildung 48: Poröse Werkstoffe aus einem ausgebauten Brenner der Anlage A – stark angegriffene Zone A mit sandartiger Verunreinigung (links) und zugesetzte Zone C (rechts)

Um die offenen Fragen zu klären, wurde zuerst, wie in Abbildung 49 dargestellt, eine verkrus-

tete Zone C in einen Porenbrenner integriert. Bereits nach kurzer Betriebszeit war keine Ver-

krustung mehr zu erkennen.

Abbildung 49: „Freibrennen“ der Verkrustung (links) und Zone C nach dem „Frei-brennen“ (rechts)

Zusätzlich wurde eine Probe der Verkrustung entnommen, in einem Rasterelektronenmikro-

skop analysiert und mit einer neuwertigen Zone A verglichen. Die Ergebnisse sind in

Abbildung 50 dargestellt.

Vor Freibrennen

Nach Freibrennen


136

Abbildung 50: Analyseergebnis der Zusammensetzung des Belags (links) und Analyseergebnis der Zusammensetzung einer neuen Zone A (rechts)

Die Peaks der beiden Analysen sind nahezu identisch und unterscheiden sich lediglich durch

den Calcium-Peak, der bei der weißen Verkrustung sehr deutlich, bei der neuwertigen Platte

dagegen nur gering ausgeprägt ist. Die Verkrustung besteht somit mit hoher Wahrscheinlich-

keit aus in Zone A heraus gelöstem Material. Das Material wurde durch eine in Kap. 6.1.1.2

beschriebene Siedepunktserniedrigung aufgrund der Anwesenheit von Calcium ausgetragen.

Die Analyse des sandartigen Materials (Abbildung 51), das auch auf der stromaufwärts der

Zone A befindlichen Verteilerplatte gefunden wurde, ergab einen Calciumanteil von knapp 50

Gew.-%.

Abbildung 51: Analyseergebnis der Zusammensetzung des sandartigen Materials (links) und sandartiges Material auf der Anströmseite der Verteiler-platte (rechts)

Die Ergebnisse weisen auf einen Eintrag des Materials von außen hin. Um diese These zu

bestätigen wurde der absolute Calciumgehalt einer neuwertigen Zone A mit der in dem

sandartigen Material befindlichen Calciummenge verglichen.

Calcium-Peak

Calcium-Peak

Calcium-Peak


137

Die bisher durchgeführten Analysen mit dem Rasterelektronenmikroskop eignen sich für die

Konzentrationsbestimmung punktueller Bereiche. Da in diesem Fall nicht eine lokale Kon-

zentration bestimmt werden soll und aufgrund des heterogenen Aufbaus der Stabilisierungs-

zone mit starken Konzentrationsschwankungen innerhalb der Platte gerechnet werden muss,

wurde der durchschnittliche Calciumgehalt der Zone A mittels ICP untersucht. ICP (Inductive-

ly Coupled Plasma) ist ein Verfahren der optischen Atomspektroskopie, bei dem durch Ener-

giezufuhr ein Emissionsspektrum der Analysenprobe erzeugt wird. Zur quantitativen Analyse

werden die Intensitäten der erzeugten Spektrallinien gemessen. Das ICP besteht aus drei

konzentrisch angeordneten Rohen. Das innerste wird nach Doerffel, Geyer et al. [155] von

der in Lösung gebrachten Analysenprobe durchströmt, im mittleren wird Plasmagas einge-

strömt und durch das äußere wird ein Kühlgasstrom zugeführt.

Die an 6 verschiedenen Stellen der Lochplatte durchgeführte ICP-Analyse ergab überein-

stimmend, dass in einer neuwertigen Zone A ca. 0,1 Gew.-% Calcium enthalten sind, was

einer Gesamt-Calciummenge pro Zone A von etwa 0,1 g entspricht. Zur Abschätzung des

Calciumgehalts in der beschädigten Platte wurde eine Gewichtsbestimmung sowohl von dem

sandartigen Material auf der Verteilungsplatte als auch von dem Belag, der abgekratzt wur-

de, durchgeführt. Über die durch die Rasterelektronenanalyse bestimmte Zusammensetzung

des sandartigen Materials wurde festgestellt, dass mehrere Gramm Calcium in der zerstörten

Keramikplatte enthalten waren.

Somit konnte nachgewiesen werden, dass Calcium durch die Verbrennungsluft von außen in

den Brenner eingetragen wurde und durch die in Kap. 6.1.1.4 beschriebene Schmelzpunkt-

erniedrigung zu den Schädigungen geführt hat. Die Schadensfälle wurden durch äußere

Einwirkungen verursacht und treten nur in Sonderfällen auf, wenn die Verbrennungsluft mit

calciumhaltigen Stäuben verunreinigt ist.

Bei der zweiten Anlage kam es ebenfalls zu einigen Brennerausfällen durch Rückschlag. Die

Schadensbilder des in Abbildung 52 gezeigten Brenners unterscheiden sich jedoch von den-

jenigen der Brenner aus der ersten Anlage. Von acht untersuchten, noch nicht zurückge-

schlagenen Porenbrennern waren vier noch völlig intakt, zwei zeigten leichte Risse in der

Zone A auf und nur die restlichen zwei Brenner wiesen deutliche Abtragungsspuren in den

Randbereichen und insbesondere an den Ecken auf. Die Verbrennungszonen der Brenner

waren bis auf einige Risse optisch unbeschädigt und lediglich durch unterschiedlich starke

weiße Belege bedeckt.


138

Abbildung 52: Im Randbereich angegriffene Zone A aus Anlage 2 (links) und die dazugehörige, nahezu unversehrte Zone C (rechts)

Die Analyse der Zone A im Bereich der Schädigung mit dem Rasterelektronenmikroskop

(Abbildung 53) deutet auf einen vergleichsweise geringen Calciumgehalt hin. Die Verteiler-

platte ist darüber hinaus nicht belegt, so dass in diesem Fall offensichtlich keine Kontamina-

tion mit Calcium von außen stattgefunden hat.

Abbildung 53: Analyseergebnis der Zusammensetzung der zerstörten Stelle auf Zone A (links) und Verteilerplatte ohne Verschmutzung (rechts)

Durch visuelle Untersuchungen der Randbereiche konnten jedoch Hohlräume im Materialge-

füge entdeckt werden. Die Ursache für diese Inhomogenitäten ist im Herstellungsprozess der

Platte zu finden. Durch die eng stehenden Nadeln bei dem in Abbildung 46 beschriebenen

Herstellungsprozess wird die Anlagerung der Fasern erschwert, was insbesondere in den

Randbereichen zu der Ausbildung von Hohlräumen führt, was in Abbildung 54 betrachtet

werden kann.

Calcium-Peak


139

Abbildung 54: Inhomogenitäten im Randbereich der Lochplatte

Aus der Schadensanalyse resultierte, dass zwei verschiedene Schadensfälle vorlagen. Zum

einen wurden die Stabilisierungszonen durch von außen mit der Verbrennungsluft eingetra-

genem Calcium zerstört, andererseits führten herstellbedingte Dichtefluktuationen am Loch-

plattenrand zu Ausfällen. Beide Schädigungsmechanismen führen damit zu einem Versagen

der Stabilisierungszone. Die Verbrennungszonen aus SiSiC waren in beiden Fällen noch

einsatzbereit.

6.1.4 Optimierungskonzept für Werkstoffe

Durch die bereits im Feldtest erreichten 5000 Betriebsstunden ist bei der Materialkombination

Oxidkeramik-Lochplatte mit SiSiC-Schaumkeramik ein deutliches Potenzial zu erkennen. Da

einige Brenner nach dem Test noch völlig unversehrt waren, erscheint es realistisch, dass

durch Optimierungsschritte eine für mehrere Anwendungen ausreichende Werkstoffstandzeit

erreicht werden kann.

Um eine auch über diese Materialpaarung hinausgehende systematische Werkstoffoptimie-

rungen betreiben zu können, sind eine Reihe weiterer Maßnahmen notwendig. Hierzu gehört

der Aufbau einer Testinfrastruktur, die Langzeittests unter definierten und kontrollierbaren

Bedingungen ermöglicht. Dadurch können die Zeitkonstanten der in Kap. 6.1.1 vorgestellten

Schädigungsmechanismen experimentell ermittelt und belastbare Aussagen zur Langzeitsta-

bilität generiert werden. Zudem sind standardisierte Testverfahren zu entwickeln, die einen

aussagekräftigen Vergleich ermöglichen. Schließlich ist noch die Suche nach weiteren für

den Einsatz in der Porenbrennertechnologie geeigneten Werkstoffen zu nennen. Zum einen

werden Werkstoffe für Anwendungen mit höheren Anforderungen, beispielsweise durch Vor-

wärmung oder aggressive Stoffe, benötigt. Andererseits erfordern die wirtschaftlichen Rand-

bedingungen auch Fortschritte auf der Kostenseite.

Aufgrund dieser Voraussetzungen wurde die Keramikweiterentwicklung in kurzfristige und

langfristige Maßnahmen unterteilt. Ziel der kurzfristigen Maßnahmen ist die Optimierung der


140

in Kap. 6.1.3 analysierten Zone A aus Al2O3 hinsichtlich der Qualität, um die bei mehreren

Anwendungen fälligen Dauer- und Feldtests durchführen zu können. Ziel der langfristigen

Maßnahmen ist die kontinuierliche und systematische Werkstoffoptimierung zur Erreichung

der in Kap. 5.8 angegebenen Zielgrößen.

6.1.5 Umsetzung der Maßnahmen

Die Umsetzung der Maßnahmen ist eine langfristige und umfangreiche Aufgabe, die auch die

Keramikhersteller, sowie die an einer Vermarktung der Porenbrennertechnologie interessier-

ten Unternehmen betrifft. Die Aktivitäten sind in dem vom Bundesministerium für Wirtschaft

und Arbeit geförderten Innonet-Kooperationsprojekt CERPOR (IN 3534) gebündelt. Im Rah-

men der vorliegenden Arbeit wurden die kurzfristigen Maßnahmen umgesetzt und die länger-

fristigen Maßnahmen konzipiert und initiiert. Die Infrastruktur für die Langzeittests befindet

sich bereits im Aufbau.

6.1.5.1 Umsetzung der kurzfristigen Maßnahmen

Die kurzfristigen Maßnahmen konzentrieren sich auf die Optimierung der Stabilisierungszo-

ne, um einen Betrieb des Porenbrenners über die bisher erreichten 5000 h zu ermöglichen.

Aus der in Kap. 6.1.3 durchgeführten Schadensanalyse geht hervor, dass sowohl in der

Verbrennungsluft enthaltenes Calcium, als auch Dichtefluktuationen in der Lochplatte zu den

Ausfällen führten. Ersteres ist als Sonderfall zu sehen, da nur in besonderen Einsatzfällen

große Calciummengen über die Verbrennungsluft zu der Keramik gelangen. Über Luftfilter

kann dies relativ unkompliziert unterbunden werden.

Um die Anlagerung der Fasern durch die eng stehenden Nadeln nicht zu behindern und da-

mit die Dichtefluktuationen zu verursachen wurde der in Abbildung 46 abgebildete Herstel-

lungsprozess geändert, indem das Nadelbett entfernt wurde. Die Einbringung der Löcher

erfolgt seit der Änderung in einem nachgelagerten Prozessschritt. Aufgrund von Problemen

bei der Locheinbringung mit dem Material HT 140, wurde HT 180 verwendet.

Eine Überprüfung der Dichte im Randbereich und in der Mitte einer nach dem neuen Verfah-

ren hergestellten Lochplatte ergab, dass eine sehr homogene Dichteverteilung über die ge-

samte Lochplatte erhalten wird. Größere Hohlräume wurden nach der Umstellung des Her-

stellungsverfahrens nicht mehr beobachtet. Da die Lochplatte, wie in Kap. 6.1.2 beschrieben,

eine Wölbung nach innen benötigt, die in diesem Fall durch Eindrücken der Oberfläche ein-

gebracht wurde, ist die Dichte im mittleren Bereich etwa 10% höher. In Abbildung 55 sind die

Messergebnisse dargestellt.


141

Abbildung 55: Lokale Dichtemessungen einer ungehärteten Lochplatte (HT 180) in g/cm³

Tests mit einer größeren Anzahl ohne Nadelbett produzierten Lochplatten im Porenbrenner

führten jedoch bereits nach wenigen Betriebsstunden zum Abplatzen von Material an der

heißen Seite. Teilweise fand, wie in Abbildung 56 gezeigt, eine Delamination über große

Bereiche der Oberfläche statt.

Abbildung 56: Delamination der Lochplatte nach Umstellung des Herstellverfah-rens

Zur Erklärung der Delaminationserscheinungen wurde ein umfangreiches Analysenpro-

gramm zusammengestellt. Die Durchführung der Untersuchungen fand bei der DLR in Köln-

Portz statt.

Dabei wurde der strukturelle Aufbau der Lochplatte mit einem Rasterelektronenmikroskop

und mit Röntgenaufnahmen untersucht. Durch den in Abbildung 46 beschriebenen Herstel-

lungsprozess ist ein schichtartiger Aufbau der Lochplatte zu erwarten. Daneben wurde ver-

mutet, dass sich die Fasern in einer Vorzugsrichtung anlagern. Somit galt es festzustellen, ob

die Delamination durch eine Vorzugsrichtung der Fasern bzw. einen schichtartigen Aufbau

der Lochplatte begünstigt wird. In Abbildung 57 sind Rasterelektronenmikroskopaufnahmen

von zwei verschiedenen Lochplatten Nr. 1 und Nr. 2 sowie eine Röntgenaufnahme von

Lochplatte Nr. 1 dargestellt.

ca. 2 mm

20 mm 0,41

0,39

0,41

0,37

0,36

0,40


142

Abbildung 57: Rasterelektronenaufnahme Lochplatte Nr. 1(links) und Nr. 2 (mitte) sowie Röntgenaufnahme von Nr. 1 (rechts)

Auffallend ist, dass die Fasern bei der Rasterelektronenaufnahme von Lochplatte Nr. 1 keine

eindeutige Vorzugsrichtung aufweisen, während dies bei der Lochplatte Nr. 2 der Fall ist.

Durch die Röntgenaufnahme zeigt sich jedoch auch für die Lochplatte Nr. 1 ein schichtartiger

Aufbau über einen größeren Bereich der Lochplatte. Offensichtlich ist der schichtartige Auf-

bau nicht über die gesamte Lochplatte mit gleich bleibender Intensität vorhanden.

Um dem schichtartigen Aufbau entgegenzuwirken, wurde eine Modifikation an der in

Abbildung 46 bereits erwähnten metallischen Ansaugplatte durchgeführt, an der sich die

Fasern bei der Herstellung der Lochplatte anlagern. Die wellenförmige Oberfläche der Me-

tallplatte setzt sich in der Lochplatte fort und verhindert eine ebene Schichtung der Fasern.

Abbildung 58: Wellige Ansaugplatte für die Herstellung der Stabilisierungszone

Durch weitere Untersuchungen mit dem Rasterelektronenmikroskop wurde das Ergebnis des

Härteprozesses analysiert. Der Härter wird über eine wässrige Phase in die Faserplatte ein-

gebracht. Durch einen Trocknungsprozess verdampft die wässrige Phase und der silikatba-

sierte Härter bleibt in dem keramischen Bauteil zurück, was zu einer Erhöhung des Si-Anteils

führt. In Abbildung 59 ist das Ergebnis von ersten Messungen dargestellt. Darauf ist zu er-

kennen, dass sich in beiden Fällen Konzentrationsgradienten ausbilden, die bei der ofenge-

trockneten Lochplatte jedoch deutlich stärker ausfallen.


143

Abbildung 59: Si-Konzentration (in Atomprozent ohne Sauerstoff) einer ofenge-trockneten und einer mikrowellengetrockneten Lochplatte

Die Ausbildung eines Konzentrationsgradienten ist darauf zurückzuführen, dass durch die

inhomogene Erwärmung im Randbereich bereits Flüssigkeit in die Dampfphase übergeht,

während im Inneren des Bauteils die Temperatur noch unter dem Siedepunkt liegt. Der ent-

stehende Konzentrationsunterschied gleicht sich durch einen von der Mitte zum äußeren

Rand gerichteten Stofftransport der flüssigen Phase aus. Dadurch wandern die im Wasser

gelösten silikatischen Bestandteile des Härtemittels zum Rand, wo sie sich durch die Ver-

dampfung des Wassers aufkonzentrieren. Da bei der Mikrowelle ein Teil der der Strahlungs-

energie erst im Inneren des Materials in Wärme umgewandelt wird, ergeben sich kleinere

Temperaturunterschiede und dadurch auch kleinere Konzentrationsunterschiede.

Weitere Untersuchungen wurden durchgeführt, um Erosionserscheinungen in den Löchern

der Lochplatte zu quantifizieren. Zu diesem Zweck wurden 10 Löcher einer ungehärteten

Lochplatte im neuen Zustand und nach 160 Betriebsstunden mit Erdgas bei einer Flächenlast

von etwa 1 MW/m² und einer Luftzahl von 1,3 mit einem Mikroskop vermessen. Die Auswer-

tung ergab, wie in Abbildung 60 dargestellt, dass selbst bei einer ungehärteten Lochplatte

keine erkennbare Aufweitung der Löcher stattgefunden hat.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Probendicke [mm]

Sil

iziu

man

teil

(at.

% o

hne

Sau

erst

off)

Ofen

Mikrowelle


144

Abbildung 60: Zeitverhalten des Lochdurchmessers bei einer ungehärteten Loch-platte (HT 180)

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden mehrere Brenner mit nach dem neuen Her-

stellverfahren gefertigten Lochplatten getestet. Dabei kamen gehärtete, mikrowellengetrock-

nete Lochplatten zum Einsatz. Die wellige, in Abbildung 58 gezeigte, Ansaugplatte wurde

dabei noch nicht verwendet. Nach mehreren hundert Betriebsstunden traten bisher keine

Delaminationserscheinungen oder andere Schadensbilder auf. In Tabelle 32 ist der derzeiti-

ge Erkenntnisstand über die Stabilisierungszone zusammengefasst.

A B C D

Ansaugprozess ohne Nadelbett Nein Ja Ja Ja

Härtung Ja Ja Nein

Mikrowellentrocknung Nein Ja

Gewellte Ansaugplatte Nein Nein Nein

Material HT 140 HT 180 HT 180 HT 180

Dichtefluktuationen Ja Nein Nein Nein

Delamination Nein Ja Nein Nein

Erosion Nicht gemes-sen

Nicht gemessen

Nicht ge-messen

Nicht nach-weisbar nach 160 h

Tabelle 32: Zusammenfassung des derzeitigen Erkenntnisstandes bei der Op-timierung der Stabilisierungszone

Neben den mikrowellengetrockneten und gehärteten Lochplatten erscheinen die ungehärte-

ten Lochplatten ebenfalls geeignet, da zumindest nach 160 h Betriebszeit die erwarteten

Erosionserscheinungen nicht auftraten. Damit stehen zwei Alternativen für die Stabilisie-

rungszone zur Auswahl. Die kurzfristigen Maßnahmen zur Optimierung der Lochplatte konn-

ten somit erfolgreich abgeschlossen werden.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

mm

Ausgang 160 h

Ausgang 160 h


145

6.1.5.2 Erarbeitung eines Testkonzepts für Al2O3-Faserkeramik

Da Gaskorrosion bei den verwendeten Oxidkeramiken nicht zu berücksichtigen ist, sind bei

der Stabilisierungszone nur Gewichtsverluste durch Wasserdampfkorrosion, Erosion oder

Abplatzungen zu erwarten. Eine Zunahme des Gewichts der Stabilisierungszone ist nur

durch Verschmutzungen vorstellbar, die beispielsweise durch die in Druckluft vorhandenen

Öltropfen verursacht werden können. Die Gewichtsreduktion ist bei Ausschluss derartiger

Verschmutzungseffekte als ein einfaches Maß zur Schadensbeurteilung zu sehen.

Während kleinere Risse oder lokale Abplatzungen in der Verbrennungszone keine signifikan-

ten Auswirkungen auf das Brennerverhalten haben, kann bereits ein kleiner Defekt in der

Stabilisierungszone zu einem Flammenrückschlag und damit zu einer Zerstörung des Poren-

brenners führen. Somit ist eine integrale Betrachtungsweise zur Beurteilung des Schädi-

gungszustandes nur bedingt aussagekräftig. Die Schädigungsmechanismen können dabei

durch verschiedene Schadensbilder zu Brennerausfällen führen. Dabei sind im Wesentlichen

drei Schadensbilder zu differenzieren. So ist an erster Stelle die Abnahme der Plattenhöhe

(Abmessungen der Platte in Strömungsrichtung) zu nennen. Dies kann entweder über die

gesamte Platte erfolgen oder, wie in Kap. 6.1.3 dokumentiert, nur lokal an bestimmten Stel-

len. Durch den Wärmetransport in der Keramik gegen die Strömungsrichtung erwärmt sich

die kalte Seite der Stabilisierungszone bei abnehmender Plattenhöhe bis die Temperatur für

eine Selbstzündung ausreichend hoch ist. Ein anderes Schadensszenario ist die Aufweitung

der Bohrungen. Sobald die in Kap. 5.1 beschriebene Péclet-Zahl durch den größeren Boh-

rungsdurchmesser den Wert 65 überschreitet, stellt sich ein Flammenrückschlag ein. Dabei

kann die Keramik äußerlich einen völlig unbeschädigten Eindruck hinterlassen. Während die

beiden genannten Schadensbilder über einen längeren Zeitraum entstehen, können Risse

oder im Randbereich der Keramik entstehende Spalträume ohne eine sichtbare Schadens-

historie zu einem Brennerausfall führen. Voraussetzung hierfür ist, dass in dem entstehenden

Riss die Péclet-Zahl den Wert 65 überschreitet und eine Flammenausbreitung im Riss er-

möglicht.

Die Abnahme der Plattenhöhe und die Lochvergrößerung kann durch Wasserdampfkorrosi-

on, Erosion und Sinterung verursacht werden. Im ersten Fall tritt Materialschwund durch die

Gasphase, im zweiten Fall durch die feste Phase auf. Bei der Sinterung ändern sich die Ab-

messungen durch die interne Verdichtung des Materials. Dadurch sind die geometrischen

Änderungen durch reine Sintereffekte limitiert. Die Rissbildung wird durch die von Sinterpro-

zessen hervorgerufene Versprödung des Faserwerkstoffes begünstigt. Die Zusammenhänge


146

zwischen den Schädigungsmechanismen und den Schadensbildern ist in Tabelle 33 aufge-

zeigt.

Abnahme der

Plattenhöhe

Lochvergrößerung Risse, Spaltbil-

dung

Wasserdampfkorrosion x x

Erosion/Abplatzung x x

Sinterung (x) x x

Tabelle 33: Schädigungsmechanismen und Auswirkungen bei der oxidkerami-schen Stabilisierungszone

Da aus Gründen des Aufwandes bei den Analyseschritten keine vollständige Bestimmung

der Struktur und Zusammensetzung erfolgen kann, ist es zweckmäßig, die chemische Zu-

sammensetzung bzw. die Struktur des Materials an einigen Stellen lokal zu bestimmen. Bei

sichtbaren Schäden kann die Untersuchung in den geschädigten Bereichen intensiviert wer-

den. Bei der Analyse der Lochdurchmesser steht die in Kap. 6.1.5.1 bereits verwendete Me-

thode zur Lochdurchmesserbestimmung zur Verfügung. In Abbildung 61 ist das Testkonzept

zusammengestellt.

Abbildung 61: Testkonzept für eingesetzte Faser-Oxidkeramiken

6.1.5.3 Erarbeitung eines Testkonzepts für SiSiC-Keramik

Nach den in Kap. 6.1.1 untersuchten Mechanismen ist bei der SiSiC-Keramik mit Gas- und

Wasserdampfkorrosion zu rechnen. Darüber hinaus kann die durch die passiv verlaufende

Korrosion einsetzende Versprödung zu Abplatzungen von Partikeln führen. Weiterhin ist da-

mit zu rechnen, dass elementares Silizium bei hohen Temperaturen durch Sublimation ent-

weicht oder aus der flüssigen Phase verdampft. Letzteres konnte in einigen Fällen durch die

Ausbildung von Schmelzperlen auf der Keramikoberfläche beobachtet werden, die nach ei-

ner Analyse im Rasterelektronenmikroskop aus reinem Si bestehen. Die Schäden führen in

letzter Konsequenz zu einer Minderung der mechanischen Stabilität sowie zu einer geringe-

ren Beständigkeit gegenüber Thermoschocks durch die Versprödung. Zur systematischen

Gesamtgewicht

Minimale Höhe

Lochdurchmesser

Risse?

Zusammensetzung/Struktur Stichproben

Analyse Analyse Analyse

Bel

astu

ng

Bel

astu

ng

Gesamtgewicht

Minimale Höhe

Lochdurchmesser

Risse?


Gesamtgewicht

Minimale Höhe

Lochdurchmesser

Risse?



147

Untersuchung der Keramiken im Porenbrenner ist somit einerseits der Zusammenhang zwi-

schen Verbrennungsbedingungen und Keramikzusammensetzung, andererseits der Zusam-

menhang zwischen Keramikzusammensetzung und den Schadensbildern zu analysieren.

Eine qualitative Massenbilanz über die Elemente ist in Abbildung 62 dargestellt. Dabei weist

(-) auf eine Gewichtsab-, und (+) auf eine Gewichtszunahme durch das jeweilige Element

hin.

Si C O

Gaskorrosion (-) - +

Wasserdampfkorrosion - -

Abplatzungen - - -

Si-Entweichung -

Abbildung 62: Bilanz über Elemente durch Schädigungsmechanismen

Durch die gegenläufigen Effekte der Gewichtsänderungen reicht eine einfache Analyse der in

Abbildung 41 beschriebenen Gewichtsbestimmung nicht aus, um die Reaktionen der Kera-

mik zu beschreiben. Hierfür ist eine Bestimmung des Si-, C-, und O-Anteils neben dem Ge-

samtgewicht in zeitlichen Intervallen während des Tests notwendig. Neben den Konzentrati-

onsbestimmungen sind dabei auch mechanische Festigkeit und Thermoschockbeständigkeit

zu bestimmen. Durch verschiedene Belastungsfälle können damit die Zusammenhänge zwi-

schen Verbrennungsbedingungen, Keramikzusammensetzung und Schadensbilder bestimmt

werden. In Abbildung 63 ist die Vorgehensweise dargestellt.

Si, C, O (f) - Partikelabplatzungen

O (g) Si (g) O (g) C (g)


148

Abbildung 63: Testkonzept SiSiC-Keramik

Die beschriebene Vorgehensweise setzt die Möglichkeit einer mehrmaligen Probenentnahme

für die Analysen voraus. Durch eine bereits vor Testbeginn durchgeführte Teilung der Kera-

mik kann dies realisiert werden.

6.1.6 Zusammenfassung der Werkstoffoptimierung

Durch die ausgeführten Arbeiten ist es gelungen, die Ursachen für die bisher in Feldtests

erfolgten Brennerausfälle zu klären. In beiden Fällen sind die Schäden auf ein Versagen der

Stabilisierungszone durch von außen eingetragenes Calcium bzw. herstellbedingte Dichte-

fluktuationen zurückzuführen.

Der Calciumeintrag ist ein Sonderfall und kann bei Bedarf durch die Verwendung eines Luft-

filters verhindert werden. Zur Vermeidung von Dichtefluktuationen war eine systematische

Modifikation des Herstellungsprozesses notwendig. Der Erfolg dieser Modifikationen konnte

bereits experimentell aufgezeigt werden.

Darüber hinaus wurde durch die Erarbeitung von Testkonzepten und der Bereitstellung der

für weitere Optimierungsschritte benötigten Infrastruktur die Basis für zukünftige Fortschritte

bei der Werkstoffentwicklung für die Porenbrennertechnologie geschaffen.

Gesamtgewicht

Si-Anteil

C-Anteil

O-Anteil

Mech. Festigkeit

Thermoschockbest.

Gesamtgewicht

Si-Anteil

C-Anteil

O-Anteil

Mech. Festigkeit

Thermoschockbest.

Gesamtgewicht

Si-Anteil

C-Anteil

O-Anteil

Mech. Festigkeit

Thermoschockbest.

Analyse Analyse Analyse

Bel

astu

ng

Bel

astu

ng


149

6.2 Flammenüberwachung bei der Verbrennung in porösen Medien

Ein wichtiger Baustein in der Sicherheitskette von Haushaltsheizungen ist die Flammenüber-

wachung. Diese stellt sicher, dass im Fall einer Flammenverlöschung die Gaszufuhr unver-

züglich gestoppt wird. Ohne diese Sicherheitseinrichtung kann zündfähiges Gemisch weiter

in den Brennraum strömen und bei einer Fremd- oder Selbstzündung zu einer Verpuffung

oder Explosion führen. Zum Schutz vor derartigen Schadensfällen wird aus dem Kreis der

technischen Möglichkeiten in der Praxis hauptsächlich die zeitliche Begrenzung der zuge-

führten ungezündeten Brennstoffmenge herangezogen [156].

6.2.1 Vorstellung der technischen Alternativen zur Flammenüberwachung

Neben der Temperaturmessung, die nur in Sonderfällen eingesetzt wird, dominieren optische

Messmethoden und Ionisationsstrommessung bei der Flammenüberwachung. Daneben kön-

nen Schalldetektoren zur akustischen Flammenüberwachung eingesetzt werden. Letztere

sind nach Martin und Albrecht [157] nicht für den Dauerbetrieb geeignet, kommen nur in

Sonderfällen zum Einsatz und werden deshalb an dieser Stelle nicht weiter betrachtet. Die

anderen Alternativen werden im Folgenden kurz vorgestellt.

6.2.1.1 Überwachung durch Temperaturmessung

Eine Temperaturmessung kann entweder direkt in der Verbrennungszone mit Thermoele-

menten oder außerhalb der Verbrennungszone mit Thermistoren durchgeführt werden.

6.2.1.1.1 Thermoelektrische Überwachung

Thermoelemente sind für die Messung von hohen Temperaturen geeignet, so dass die Mes-

sung in der Flamme oder direkt oberhalb der Verbrennungszone in einem Brenner stattfinden

kann. Sie besitzen eine relativ hohe Trägheit, durch die in vielen Anwendungen aufgrund von

Normen geforderte Sicherheitszeiten von einer Sekunde bereits bei freien Flammen nicht

eingehalten werden können. Aus diesem Grund findet dieses Verfahren sowohl im Industrie-,

als auch im Haushaltsbereich kaum Anwendung [158].

Die bei der Flammenüberwachung geltenden Sicherheitszeiten sind den gängigen Brenner-

konzepten angepasst, bei denen bereits eine kurzzeitige Unterbrechung der Brennstoffzufuhr

zum Erlöschen des Brenners führt. Im Porenbrenner wirkt der heiße Porenkörper dagegen

wie eine Zündquelle, die selbst nach Unterbrechungen der Brennstoffzufuhr von mehreren

Sekunden erhalten bleibt. Solange die Temperatur des Porenkörpers ausreicht, das Gemisch

über der Zündtemperatur zu erwärmen, ist ein sicherer Abbrand des Brennstoffes sicherge-


150

stellt. Somit ist es aus technischer Sicht durchaus möglich, bei Porenbrennern mit einer

Temperaturmessung das Austreten von zündfähigem Gemisch sicher zu verhindern. Auf-

grund der bestehenden Normen, die explizit eine Überwachung der Flamme fordern, ist diese

Vorgehensweise jedoch derzeit nicht realisierbar.

6.2.1.1.2 Überwachung mit Thermistoren

Thermistoren sind wärmeempfindliche Widerstände, die eine große Widerstandsänderung

über einen relativ kleinen Temperaturbereich abgeben. Dabei wird zwischen dem NTC, des-

sen Widerstand in einem bestimmten Verhältnis in Abhängigkeit von der steigenden Tempe-

ratur sinkt und dem PTC, der sich umgekeht verhält, unterschieden. Aufgrund der geringeren

Temperaturbeständigkeit können Thermistoren jedoch nicht direkt in der Flamme angeordnet

werden. Daneben ergibt sich die gleiche Problematik hinsichtlich der Ansprechzeiten wie

beim Thermoelement.

6.2.1.2 Optische Flammenüberwachung

Optische Flammenüberwachungseinrichtungen werten die beim Verbrennungsprozess frei

werdende elektromagnetische Strahlung im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereich

aus. Diese Kategorisierung wird bei der folgenden Beschreibung beibehalten.

6.2.1.2.1 Überwachung im UV-Bereich

Ultraviolett-Detektoren erfassen die von der Flamme ausgehende Strahlung unterhalb von

400 nm [157]. Grundsätzlich senden sowohl die heißen Bauteile als auch die Verbrennungs-

reaktion selbst Strahlung aus. Die Wellenlänge hängt dabei von der chemischen Reaktion

bzw. der Temperatur des Emitters ab. Bei den übllichen in Brennern erreichten Temperatu-

ren wird von den Bauteilen jedoch nur Infrarotstrahlung und Strahlung im sichtbaren Bereich

abgegeben. Die UV-Strahlung geht somit nur von Flammen und nicht von heißen Bauteilen

aus, so dass eine hohe Sicherheit gegenüber Fremdlichteinflüssen besteht.

Diese Art der Flammenüberwachung wurde bereits mehrfach in der Porenbrennertechnik

eingesetzt. In qualitativen Versuchen mit einem volumetrischen Brenner mit Zone C aus

Al2O3–Keramik wurde von Pickenäcker [54] die prinzipielle Machbarkeit einer UV-

Flammenüberwachung im Porenbrenner aufgezeigt. Dabei platzierte sie die UV-Sonde im

konvektiv gekühlten Anströmbereich vor der Zone A („pre-flame“-Anordnung) und nutzte die

durch die Löcher der Lochplatte tretende UV-Strahlung. Mit dieser Anordnung konnte ein

Leistungs-Modulationsbereich von ca. 1:10 abgedeckt werden. Mößbauer [53] erreichte mit

der pre-flame-Anordnung in einem kubischen Brenner im Laborbetrieb eine Flammenerken-


151

nung in einem Leistungsmodulationsbereich von 1:20. Allerdings konnten dabei keine Stan-

dardkomponenten verwendet werden, da sich bei steigender Leistung die Verbrennungszone

von Zone A weg bewegt und das UV-Signal auf der kalten Seite des Brenners sehr schwach

wird. Aus diesem Grund wurde eine über die Standardkomponenten hinausgehende Signal-

verstärkung eingebaut. Bei einer Vorwärmung der Verbrennungsluft ist die Temperaturemp-

findlichkeit der UV-Sensoren zu berücksichtigen. In diesem Fall kann, wie ebenfalls von

Mößbauer [53] gezeigt, die UV-Strahlung durch Glas-Lichtwellenleiter direkt aus der Brenn-

kammer zu dem an einer kälteren Stelle platzierten Sensor geleitet werden.

Damit ist die technische Machbarkeit der UV-Flammenüberwachung bei der Verbrennung in

porösen Medien bereits aufgezeigt. Aus Kostengründen ist der Einsatz jedoch mit Nachteilen

verbunden, da einerseits keine verfügbaren Standardkomponenten eingesetzt werden kön-

nen und andererseits bereits diese im Vergleich zu den weiter unten beschriebenen Ionisati-

onselektroden preislich deutlich höher liegen [159].

6.2.1.2.2 Überwachung im sichtbaren Spektralbereich

Bei Verbrennungsvorgängen entsteht Strahlung auch im sichtbaren Bereich. Besonders aus-

geprägt ist dies bei leuchtenden Flammen. Gasflammen weisen dagegen im sichtbaren Be-

reich nur eine geringe Strahlungsintensität aus, so dass diese Art der Überwachung in Gas-

brennern mit freien Flammen nicht einsetzbar und nach den geltenden Produktnormen nach

Martin und Albrecht [157] auch nicht zulässig ist. Da durch glühende Teile im Brennraum

Fehlsignale entstehen können, hat die Flammenüberwachung im sichtbaren Bereich keine

nennenswerte Bedeutung.

6.2.1.2.3 Überwachung im IR-Bereich

Die größte Strahlungsintensität von Gasflammen liegt im infraroten Bereich. Aufgrund des

Rückzündverhaltens in der Flamme kommt es zu einem dynamischen Vorgang, der sich

durch Intensitätsschwankungen äußert. Dieses, auch Flammenflackern genannte, Phänomen

verursacht bei freien Flammen eine pulsierende Strahlung im Frequenzbereich von ca. 3 bis

600 Hz [156]. Die so genannte Flackerfrequenz wird in speziellen Flackerdetektoren ausge-

nutzt, um eine Selektivität gegenüber glühenden Festkörpern im Brennraum zu erhalten

[158]. Die Detektion der IR-Strahlung erfolgt meist über einen Fotowiderstand, seit einiger

Zeit sind auch Thermosäulen [158] im Einsatz. Dabei handelt es sich um eine Reihenschal-

tung von Thermoelementen mit einem optischen IR-Filter.

Im Porenbrenner wirkt der Porenkörper dämpfend auf die Pulsationserscheinungen. Deshalb

wurden im Bereich der Porenbrennertechnologie bisher keine IR-Sensoren zur Flammen-


152

überwachung eingesetzt. Preislich liegen die IR-Detektoren in der Größenordnung der UV-

Sensoren [159].

6.2.1.3 Ionisationsstromüberwachung

Neben der Temperaturmessung ist nach Spüler [160] die Messung des Ionisationsstroms

eine der ältesten Methoden zur Gasflammenüberwachung. Das Prinzip der Ionisationsstrom-

überwachung nutzt den Effekt, dass ein Teil der Moleküle eines Gas/Luft-Gemisches und

seiner Reaktionsprodukte bei dem Verbrennungsvorgang in elektrische Ladungsträger, Ionen

und Elektronen, aufgespalten wird [161]. Beim Anlegen einer Spannung an zwei in der

Flamme befindliche Elektroden stellt sich ein Stromfluss ein. Beim Verlöschen der Flamme

bricht der Stromfluss unverzüglich zusammen, da sich keine Ladungsträger mehr zwischen

den Elektroden befinden und das Gas als Isolator dient. Bei der Ionisationsstromüberwa-

chung wird der Stromfluss als digitales Signal genutzt: Überschreitet der Strom einen defi-

nierten Schwellwert, erkennt der Detektor eine Flamme; wird der Schwellwert unterschritten,

wird keine Flamme erkannt.

Um eine sichere Arbeitsweise der Flammenüberwachungseinrichtung zu gewährleisten, wird

von den Normen gefordert, dass die Sicherheitseinrichtung sich selbst überwachen muss

und in keinem Fall, beispielsweise bei einem Kurzschluss, eine Flamme vorgetäuscht werden

kann. Diese Anforderung ist mit der Ionisationsstromüberwachung ohne großen Zusatzauf-

wand erfüllbar, da eine Flamme in Verbindung mit einer geeigneten Elektrodengeometrie

eine Gleichrichterfunktion ausübt. Wird eine Wechselspannung an die Flamme angelegt,

fließt bei intakter Anordnung ein asymmetrischer Wechselstrom, der eine Gleichstromkom-

ponente enthält. Im Gegensatz dazu liefert ein Elektrodenkurzschluss, analog zu dem Ur-

sprungssignal, einen symmetrischen Wechselstrom. Durch die Detektion des Gleichstroman-

teils kann eine sichere Unterscheidung zwischen Normalbetrieb und Elektrodenkurzschluss

vorgenommen werden. Konventionelle Einrichtungen zur Ionisationsstromüberwachung ar-

beiten in der Regel mit der Netzspannung von 230 V bei der Netzfrequenz 50 Hz. Dabei wer-

den Ionisationsströme in der Größenordnung von zehn µA erhalten; der untere Schwellwert

liegt bei vielen kommerziellen Geräten bei 6 µA, bei einigen auch bei 1 µA.

Über die digitale ja/nein-Erkennung der Flamme hinaus enthält der Ionisationsstrom noch

weitere Informationen über den Verbrennungszustand, unter anderem über die Luftzahl.

Durch Kalibrierung wird bei dem von der Firma Kromschröder AG entwickelten SCOT-

System eine Referenz zum stöchiometrischen Betriebspunkt hergestellt, der durch den Ma-

ximalwert des Ionisationsstroms gekennzeichnet ist. Der überstöchiometrische Arbeitspunkt


153

wird dabei nach Herrs [162] relativ zu diesem Referenzwert festgelegt und bildet die Basis

der Regelung.

Die Ionisationsstromüberwachung kam bereits mehrfach in Porenbrenner-Entwicklungen

zum Einsatz. Pickenäcker [54] und Athenstaedt [163] untersuchten den Ionisationsstrom in

einem volumetrischen Porenbrenner mit Al2O3-Keramik in Zone C. Zu diesem Zeitpunkt war

das weiter unten in Kap. 6.2.3.2 untersuchte Widerstandsverhalten der verwendeten Alumi-

niumoxidkeramiken noch nicht bekannt, das zeigt, dass die eingesetzten Aluminiumoxid-

Keramiken bei hohen Temperaturen elektrisch leitend werden. Aus diesem Grund bestand

bei der verwendeten Konstruktion ein direkter Kontakt zwischen den verwendeten Elektroden

und dem keramischen Material. Die damals gemessenen hohen Ströme, die zu Störungen im

Feuerungsautomat führten, sind mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Kurzschlüssströme über

die Keramik zurückzuführen.

Daneben wurde von Pickenäcker [54] ein Gasheizgerät auf Porenbrennerbasis vorgestellt.

Der im System integrierte Porenbrenner ist im Laborbetrieb zwischen 3 und 30 kW modulier-

bar. Aufgrund von Problemen bei der in der Planung vorgesehenen Ionisationsstromüberwa-

chung wurde bei dieser Entwicklung eine UV-Überwachung eingesetzt.

Auch bei anderen Porenbrennerentwicklungen führte der Einsatz der Ionisationsstromüber-

wachung im Porenbrenner zu Schwierigkeiten [55]. So musste ein Loch in die Verbren-

nungszone für die Ionisationselektrode eingebracht werden. Im unteren Leistungsbereich des

Porenbrenners war keine ausreichende Signaldetektion möglich, was letztlich zu einer Limi-

tierung des Leistungsmodulationsbereiches führte. Die untere Leistungsgrenze, bei der gera-

de noch ein ausreichendes Ionisationssignal vorhanden ist, unterlag dabei beachtlichen

Schwankungen. Des Weiteren wurde in einigen Fällen beobachtet, dass in den ersten Se-

kunden nach der Zündung ein ausreichend hohes Signal vorhanden war, jedoch nach kurzer

Betriebszeit das Ionisationssignal zusammenbrach. Vereinzelt konnte auch nach dem Start

bei konstanten Brennerbedingungen ein stetig sinkender Ionisationsstrom festgestellt wer-

den, der nach einigen Minuten zu einem Brennerstopp führte.

Die Ionisationsstromüberwachung ist somit eine in anderen Brennersystemen bewährte,

robuste und preisgünstige Technik zur Flammenüberwachung. Der Einsatz in der Poren-

brennertechnologie war bisher mit Schwierigkeiten verbunden, durch die eine Reihe von

Fragen aufgeworfen werden. Ziel der hier durchgeführten Maßnahmen ist die Erklärung der

Vorgänge bei der Ionisationsstromüberwachung und die Untersuchung der im Porenbrenner

bestehenden Einsatzgrenzen.


154

6.2.2 Ionisationsvorgänge in Flammen

Zur Ionisation von Atomen oder Molekülen ist eine Zufuhr von Energie notwendig. Das Ioni-

sationspotenzial liegt in einer Größenordnung von 4 bis 20 eV und kann durch thermische

oder radioaktive Strahlung, bzw. durch die bei einer chemischen Reaktion freiwerdende

Reaktionsenthalpie, überwunden werden. In Kohlenwasserstoffflammen sind im Wesentli-

chen Thermo- und Chemiionisation als Ursache für die Ionisation bekannt [164].

Bei der Thermoionisation sind zwei unterschiedliche Effekte zu betrachten. Zum einen setzt

thermische Ionisation im Gas ein, wenn die kinetische Energie der thermischen Teilchenbe-

wegung ausreicht, die Gasmoleküle bei Zusammenstößen zu ionisieren. Nach Aithal, White

et al. [165] reicht dieser Effekt nicht zur Erklärung der in Kohlenwasserstoffflammen messba-

ren Ionisationsströme. Andererseits treten bei hohen Temperaturen Elektronen aus den fes-

ten Bestandteilen des Brenners aus und führen ebenso zu Thermoionisation. Rusche [164]

schätzt den Einfluss für einen Strahlungsbrenner ab und zeigt, dass bei normalen Betriebs-

bedingungen die Chemieionisation die Thermoionisation um vier Größenordnungen über-

steigt. Die bisher vorliegenden Erfahrungen zeigen, dass das Ergebnis dieser Abschätzung

auf den Porenbrenner übertragbar ist. Durch die thermische Trägheit der porösen Materialien

sinkt das Temperaturniveau nach Beendigung der Brennstoffzufuhr nur sehr langsam ab. Im

Fall einer Relevanz der Thermoionisation würde sich eine Verzögerung beim Ausschaltvor-

gang ergeben, die bei den bisher durchgeführten Untersuchungen nicht beobachtet werden

konnte [55].

Somit ist die Chemieionisation der für die Bildung von Ionen relevante Bildungspfad. In Koh-

lenwasserstoffflammen dominieren bei den positiven Ladungsträgern H3O+- und HCO+-Ionen,

bei den Negativen die Elektronen. Die Bildung der Ladungsträger erfolgt dabei nach Rusche

[164] über die folgenden Reaktionsgleichungen:

CH + O → HCO++ e- (6.20)

HCO++H2O → CO + H3O+ (6.21)

Die CH-Bildung erfolgt dabei über folgende Reaktion:

CH3 + O → CH + H2O (6.22)

Der Abbau der Ionen wird durch die folgende Rekombinationsreaktion dominiert.

H3O++e- → H2O + H (6.23)


155

6.2.2.1 Einfluss des elektrischen Feldes auf Ionen

Der Strom-Spannunungsverlauf in einem ionisierten Gas zeigt unabhängig von der Gasart

ein charakteristisches Verhalten, das nachfolgend in Abbildung 64 skizziert ist.

Abbildung 64: Zusammenhang zwischen Ionisationsspannung und Ionisations-strom in einem ionisierten Gas nach Hering [166]

Der Verlauf kann dabei in drei verschiedene Bereiche unterteilt werden. Im Bereich I stellt

sich ein linearer Zusammenhang zwischen Strom und Spannung ein. In diesem Bereich er-

reicht nur ein Teil der ionisierten Ladungsträger die jeweilige Elektrode. Durch das schwache

elektrische Feld reicht die Beschleunigung der Ladungsträger nicht immer aus, um eine Re-

kombination zu neutralen Spezies zu vermeiden. Im Bereich II konvergiert der Ionisations-

strom gegen einen konstanten Wert. Alle Ladungsträger werden durch das stärkere elektri-

sche Feld zu der jeweiligen Elektrode bewegt. Der Ionisationsstrom ist durch die Zahl der

Ladungsträger limitiert und eine weitere Erhöhung der Ionisationsspannung hat zunächst

keine Auswirkungen. Erst bei deutlich höheren Spannungen steigt der Strom im Bereich III

wieder an. Hierfür verantwortlich sind Sekundäreffekte. Durch das starke elektrische Feld

werden die Ladungsträger derart stark beschleunigt, dass bei Kollisionen ausreichend Ener-

gie vorhanden ist, um neue Ladungsträger entstehen zu lassen.

Der Strom-Spannungsverlauf stellt eine wichtige Grundlage für die Ionisationsstromüberwa-

chung dar. Der optimale Arbeitsbereich für die Ionisationsspannung hierfür liegt im Sätti-

gungsbereich am Übergang zwischen Bereich I und II. Hier wird bereits der maximale Strom-

fluss mit einer vergleichsweise geringen Spannung erhalten. Eine weitere Erhöhung der

Spannung wirkt sich nicht auf den zu messenden Strom aus, so dass dadurch keine Vorteile

entstehen. Der Bereich der Sekundärionisation ist für die Ionisationsstromüberwachung nicht

Bereich I Bereich IIIBereich II

Rekombination Ionisation sek. Ionisation U

I


156

geeignet, da ein sofortiges Erkennen einer Flammenerlöschung aufgrund der Sekundäreffek-

te nicht gewährleistet werden kann.

6.2.2.2 Messmethoden zur Bestimmung von Ionenkonzentrationen

Für die experimentelle Bestimmung der Ionenkonzentrationen stehen zwei unterschiedliche

Verfahren zur Verfügung.

Bei dem Verfahren nach Langmuir wird wie bei der Flammenüberwachung ein elektrisches

Feld zwischen dem Brenner und einer Elektrode erzeugt. Dabei wird der Stromverlauf bei

einer Variation der Spannung vom negativen Bereich über die Nullmarke bis zur bei positiven

Spannungen liegenden Sättigungsgrenze (Bereich II in Abbildung 64) gemessen. Eine ge-

naue Beschreibung der Messapparatur befindet sich in einer Veröffentlichung von Fialkov

[167]. Über relativ aufwendige von Lawton und Weinberg [168] beschriebene Auswertever-

fahren können aus dem Strom-Spannungsverlauf die Ionenkonzentrationen bestimmt wer-

den. Die Zusammenhänge sind dabei nicht vollständig bekannt, so dass Annahmen für die

Ergebnisberechnung getroffen werden müssen. Hierfür stehen nach Fialkov [167] verschie-

dene Auswerteverfahren zur Verfügung, die aufgrund der unterschiedlichen Annahmen zu

verschiedenen Ergebnissen führen. Der größte Nachteil dieses Verfahrens ist, dass nur die

positiven und negativen Gesamtkonzentrationen bestimmt werden können. Eine Differenzie-

rung zwischen verschiedenen Ladungsträgern ist mit der Langmuir-Sonde nicht möglich. Die

in Abbildung 65 vorgestellten Literaturwerte zeigen, dass trotz gleicher Bedingungen bei

Messungen nach Langmuir große Abweichungen auftreten können.


157

Abbildung 65: Vergleich verschiedener Literaturwerte

Die Bestimmung der Ladungsträger ist daneben mit einem Massenspektrometer, das auch

als MBMS (mass beam mass spectrometer) bezeichnet wird, möglich. Dabei wird neben dem

Spektrometer eine Vorrichtung benötigt, die die Ladungsträger vom Messort zum Mas-

senspektrometer transportiert. Dies wird über sequenziell angeordnete Vakuumkammern

realisiert, die die Ladungsträger vom Messort in der Verbrennungszone absaugen. Eine ge-

naue Beschreibung des Verfahrens findet sich bei Fialkov [167].

Die Massenspektroskopie erlaubt im Gegensatz zu der Langmuir-Sonde eine Bestimmung

der einzelnen positiven und negativen Ladungsträger mit akzeptabler räumlicher Auflösung

und hoher Selektivität. Das Ergebnis ist unabhängig von den zur Auswertung notwendigen

theoretischen Ansätzen. Die bisher mit Massenspektrometern durchgeführten Untersuchun-

gen haben gezeigt, dass Wechselwirkungen zwischen der Verbrennungsregion und der

Messeinrichtung aufgrund von Kühleffekten zu Messfehlern führen können. Zusätzlich ent-

stehen Messfehler durch den notwendigen Transport der Ladungsträger von der Verbren-

nungsregion zur Messeinrichtung [167].

6.2.2.3 Berechnung des Ionisationssignals

Zur Berechnung des Ionisationsstromes wird ein in Abbildung 66 skizziertes Modell mit ver-

einfachten Annahmen verwendet. Zwei Elektroden, zwischen denen sich Ladungsträger be-


158

finden, mit dem Abstand d und der Fläche A erzeugen über die Spannung U ein elektrisches

Feld. Dabei wird eine gleichmäßige Ladungsträgerdichte vorausgesetzt. Die Ladungsträger

bewegen sich nur orthogonal zu der Fläche A.

Abbildung 66: Einfaches Modell zur Berechnung des Ionisationsstromes

Im Vakuum werden Ladungsträger durch die Anwesenheit eines elektrischen Feldes dauer-

haft beschleunigt. Sind jedoch weitere Spezies präsent, verlieren die beschleunigten La-

dungsträger bei Kollisionen einen Teil ihrer kinetischen Energie. Die Kollisionen wirken somit

der Beschleunigungskraft entgegen, was in einer konstanten Geschwindigkeit der Ladungs-

träger resultiert. Die Beschreibung der Kollisionen erfolgt nach Lawton und Weinberg [168]

über die Mobilität µ mit v als Geschwindigkeit der Ladungsträger und dem elektrischen Feld

E:

E v ⋅= µ (6.24)

Wird der Strom als Ladung pro Zeit geschrieben, kann der durch Elektronenfluss erzeugte

Stromfluss über die Ladung interpretiert werden, die pro Zeiteinheit mit der Geschwindigkeit v

auf die Fläche A trifft.

dU

A n e E A n e vA n e tQ

I e ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅== µµ (6.25)

Dabei ist e die Elementarladung und n die Ionendichte. Vergleichbare Ansätze sind bei Law-

ton und Weinberg [168] und bei Aithal, White et al. [165] enthalten. Die Mobilität kann nach

Aithal, White et al. über die Theorie der mittleren freien Weglänge berechnet werden. Auf-

grund der geringeren Masse haben Elektronen eine um ca. den Faktor 1000 größere Mobili-

tät als Ionen, für Elektronen wird von Axford und Goodings [169] 0,4 m²/Vs, für das H3O+-Ion

8×10-4 m²/Vs angegeben. Die Ionendichte kann, wie in Kap. 6.2.2.2 beschrieben, experimen-

tell ermittelt oder, wie weiter unten in Kap. 6.2.4 beschrieben, numerisch berechnet werden.

d

A

I U


159

6.2.3 Experimentelle Untersuchungen zur Ionisationsstrommessung im Poren-brenner

Ziel dieses Kapitels ist die Untersuchung aller in der Praxis bei der Ionisationsstromüberwa-

chung in einem Porenbrenner relevanten Parameter. Dabei werden sowohl verbrennungs-

technische Parameter, wie Leistung oder Luftzahl, als auch bauteilabhängige Kenngrößen

untersucht.

6.2.3.1 Aufbau des Messsystems

Um die Versuchsdurchführung und die Parametervariationen möglichst einfach gestalten zu

können, wurde die Steuerung des Brenners von der Ionisationsstrommessung getrennt. Die

Zufuhr von Methan und Verbrennungsluft wurde über zwei Massendurchflussreger kontrol-

liert. Die Mischung erfolgte in einem Rohr vor dem Eintritt in den Porenbrenner. Der Grund-

aufbau des Brenners entsprach dem Porenstrahler Radimax der Fa. Gogas Goch mit folgen-

den Abmessungen:

Stabilisierungszone: 175 mm x 126 mm = 220,50 cm²

Verbrennungszone: 185 mm x 135 mm = 249,75 cm²

Um eine Vergleichbarkeit aller Versuche zu ermöglichen, wurde bei der Berechnung der Flä-

chenleistung die Fläche der Stabilisierungszone zu Grunde gelegt, da einige Messreihen

ohne die Verbrennungszone durchgeführt wurden. Die Höhe der Stabilisierungszone betrug

20 mm, die der Verbrennungszone 15 mm. Die Stabilisierungszone von der Fa. Duotherm

mit Bohrungen von 1 mm Durchmesser bestand aus HT 180 (unverdichtet und gehärtet). Die

Verbrennungszone aus SiSiC wurde von der Firma PTC hergestellt. Das Gitter zur Befesti-

gung der Verbrennungszone wurde entfernt, um einen einfachen Austausch der Verbren-

nungszone zu ermöglichen. Da alle Versuche in horizontaler Lage durchgeführt wurden,

konnte auf die Befestigungsfunktion des Gitters verzichtet werden. Um den durch das Gitter

ursprünglich bestehenden elektrischen Kontakt zwischen Stromquelle und Keramik wieder

herzustellen, wurde neben der eigentlichen Ionisationselektrode eine zweite Elektrode einge-

setzt. Die Elektroden bestanden aus dem hochtemperaturbeständigen Kanthal, einer Legie-

rung bestehend aus Eisen, Chrom und Aluminium. Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 67

dargestellt.


160

Abbildung 67: Versuchsaufbau zur Ionisationsstrommessung

Die Messung der Luftzahl erfolgte über eine paramagnetische Messung des Sauerstoffs mit

dem Model Binos 100 der Fa. Rosemount GmbH & Co. Bei der Messung des Ionisations-

stromes wurden verschiedene Methoden angewendet. Bei einigen Messreihen, beispielswei-

se bei der Untersuchung des Einflusses der Polarität, wurde mit Gleichstrom gearbeitet. Hier-

für wurden eine von 0-250 V regelbare Spannungsquelle und zwei Multimeter zur Messung

und Anzeige von Strom und Spannung eingesetzt. Für die Messreihen mit Wechselstrom

wurde eine 230 V Wechselstromquelle verwendet. In diesem Bauteil waren bereits eine

Gleichstrommessung sowie ein Display integriert. Um eine genauere Analyse des Ionisati-

onssignals zu ermöglichen, wurde ein zusätzlicher Elektronikbaustein, der einen Trennver-

stärker, sowie 3 true-RMS-Gleichrichterstufen beinhaltete, eingesetzt. Damit konnten die

positiven und negativen Signalanteile unterschieden werden. Außerdem ermöglichte der

Baustein eine Analyse des Signals über ein Oszilloskop. Der detaillierte Aufbau dieser Kom-

ponente ist bei Cabeleira [170] zu finden.

6.2.3.2 Voruntersuchungen zur Leitfähigkeit der eingesetzten Keramiken

Die prinzipielle Funktionsfähigkeit der Ionisationsstromüberwachung bei der Verbrennung in

porösen Medien ist bereits mehrfach experimentell aufgezeigt worden. Dabei wurde, wie bei

konventionellen Brennern, das Brennergehäuse als Gegenelektrode verwendet. Während bei

anderen Brennersystemen leitende metallische Komponenten in direkter Umgebung der

Flamme vorhanden sind, hat die Verbrennungsreaktion im Porenbrenner teilweise keinen

direkten Kontakt mit elektrisch leitenden Werkstoffen. Aus diesem Grund spielt die elektri-

sche Leitfähigkeit der Keramiken im Porenbrenner bei der Ionisationsstromüberwachung eine

besondere Rolle und wird an dieser Stelle genauer untersucht.

Brenner

Halterung

Elektroden


161

Der Gesamtwiderstand bei der in Abbildung 67 gezeigten Ionisationsstrommessung setzt

sich aus den Leitungswiderständern RL1 und RL2, dem Elektrodenwiderstand RE, dem Wider-

stand der Flamme RF, dem Gehäusewiderstand RG und dem Widerstand der Keramik RK

zusammen. Der Keramikwiderstand RK bezieht sich im Rahmen der Voruntersuchungen nur

auf die Stabilisierungszone aus Faseroxidkeramik. Die Leitungswiderstände RL und der Wi-

derstand der Elektrode RE sowie der Gehäusewiderstand RG sind gegenüber dem Wider-

stand der Flamme RF sehr klein. Somit wirkt sich der Keramikwiderstand auf das Ionisations-

signal aus, wenn er in der Größenordnung des Flammenwiderstandes liegt. In Abbildung 68

ist der Stromkreis, der bei der Ionisationsstromüberwachung zur Anwendung kommt, ohne

den Diodeneffekt, skizziert.

Abbildung 68: Widerstände im Stromkreis bei der Ionisationsstromüberwachung

Die im Porenbrenner eingesetzten SiSiC-Keramiken besitzen bereits im kalten Zustand eine

gute elektrische Leitfähigkeit. Über das Widerstandverhalten der Al2O3-Keramiken sind bisher

keine Daten bekannt. Aus diesem Grund wurden Widerstandskurven von einigen verschie-

dene Keramikvarianten in einem Ofen aufgenommen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 69

aufgetragen.

RL1 RG RL2 RF RK RE

Spannung U


162

Abbildung 69: Widerstand verschiedener Keramiken auf Al2O3-Basis für Zone A

Für eine einfache Abschätzung des Flammenwiderstandes wird angenommen, dass bei

Brennern ohne keramische Bauteile Ionisationsströme in der Größenordnung von 10 µA er-

halten werden. Über das Ohm’sche Gesetz resultiert bei der Netzspannung von 230 V ein

Flammenwiderstand in der Größenordnung von 23 MΩ. Die Messergebnisse zeigen, dass

bei den üblichen Porenbrenner-Betriebstemperaturen von ca. 1400°C der Widerstand der

oxidischen Keramiken sehr klein gegenüber dem Flammenwiderstand ist und die Oxidkera-

mik praktisch als elektrischer Leiter betrachtet werden kann. Somit wirken die im Porenbren-

ner eingesetzten oxidkeramischen Bauteile im normalen Betrieb als Gegenelektrode zu der

metallischen Ionisationselektrode.

In der Startphase, in der die oxidischen Keramiken noch nicht ihre Endtemperatur erreicht

haben, sind sie jedoch als Isolator zu betrachten. Hier erweist sich der Einsatz von SiSiC in

der Verbrennungszone aus der Sicht der Ionisationsstromüberwachung als vorteilhaft, da das

verwendete Si-Siliziumcarbid bereits im kalten Zustand eine gute elektrische Leitfähigkeit

aufweist. Dabei ist jedoch eine elektrische Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Ke-

ramik notwendig. Um in einem nur aus Oxidkeramiken bestehenden Porenbrenner direkt

nach der Zündung ein Ionisationssignal zu erhalten, ist ein zusätzlicher elektrischer Leiter im

Bereich der Verbrennungszone zu integrieren.

0

5

10

15

20

25

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

T [° C]

R [?

O/c

m]

Duoform HT180 Unverdichtet und gehärtet

Duoform HT180 Unverdichtet

Duoform HT 1700 Unverdichtet


163

6.2.3.3 Einfluss des porösen Mediums

Wie bereits erwähnt, kann oberhalb des porösen Mediums nur bei sehr hohen Flächenlasten

ein ausreichendes Ionisationssignal detektiert werden. Eine Möglichkeit, die Ionisations-

stromüberwachung auch bei geringeren Flächenlasten einzusetzen, ist die Platzierung der

Ionisationselektrode in einem speziell für diesen Zweck in die Verbrennungszone einge-

brachten Loch. Der Einfluss des Lochdurchmessers ist dabei ein wichtiger Parameter, wie

aus Abbildung 70 zu erkennen ist.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

120 140 160 180 200 220 240

P/A [kW/m²]

I [ µ

A]

D= 6 mmD= 20 mmD= 40 mm

Abbildung 70: Einfluss des Lochdurchmessers in der Verbrennungszone auf das

Ionisationssignal bei P/A = 225 kW/m², λ = 1,1 (230 V AC)

Eine Vergrößerung des Lochdurchmessers führt dabei zu einem steigenden Ionisationssig-

nal. Ein linearer Zusammenhang zwischen dem Ionisationsstrom und der freien Fläche bzw.

dem Lochdurchmesser ist nicht zu erkennen. Auffällig ist das vergleichsweise hohe Signal

bei einem Lochdurchmesser von 6 mm. Da in der Mitte des Loches noch die Ionisationselekt-

rode mit 2 mm Durchmesser zu berücksichtigen ist, bleibt nur ein 2 mm breiter Ringspalt

übrig. Dieses Maß gleicht bereits den Abmessungen der Poren, so dass im eigentlichen Sin-

ne nicht mehr von einer freien Flamme gesprochen werden kann. Das Signal bei dem kleins-

ten Lochdurchmesser zeigt, dass offensichtlich auch bei der Verbrennung in porösen Medien

Ladungsträger vorhanden sind.

Somit ist der Einfluss des Lochdurchmessers auf das Ionisationssignal über zwei verschie-

dene Effekte erklärbar. Zum einen behindert das poröse Medium den Ladungstransport, zum


164

anderen treten bei der Verbrennung in porösen Medien im Vergleich zu freien Flammen nied-

rigere Maximaltemperaturen auf. Durch die Temperaturabhängigkeit der Chemieionisation

führen die höheren Temperaturen in der freien Flamme zu einer größeren Zahl von Ionen

und folglich zu einem höheren Ionisationsstromsignal. Eine Vergrößerung des Loches führt

zu einem größeren Bereich mit freien Flammen und ungehindertem Ladungsträgertransport.

Durch die Vergrößerung des Lochdurchmessers in der Verbrennungszone ist es möglich,

den Einsatzbereich der Ionisationsstromüberwachung im Porenbrenner zu kleineren Leistun-

gen hin zu verbessern und das Ionisationssignal in Richtung der Größenordnung bei freien

Flammen zu erhöhen. Da die Vergrößerung des Lochdurchmessers mit einer Verschlechte-

rung der Brennerperformance einhergeht, ist bei der Auslegung je nach Anwendungsgebiet

ein Kompromiss zwischen Brennercharakteristik und der unteren Grenze der Ionisations-

stromüberwachung einzugehen.

6.2.3.4 Ionisationsspannung und Polarität

In Abbildung 71 sind die Ergebnisse für Messungen am Brenner bei verschiedenen Ionisati-

onsspannungen mit und ohne Verbrennungszone dargestellt. Die Messungen wurden mit

Gleichstrom durchgeführt, um auch die Polarität und den Gleichrichtereffekt untersuchen zu

können.

-10

0

10

20

30

40

50

60

-300 -200 -100 0 100 200 300

Gleichspannung [V]

I [µA

]

ohne poröses Medium

mit porösem Medium, Lochdurchmesser 20 mm

Abbildung 71: Abhängigkeit des Ionisationsstromes bei Variation der Ionisations-spannung bei P/A = 225 kW/m², λ = 1,1 (DC)


165

Bei kleinen positiven Spannungen ist der bereits in Abbildung 64 vorausgesagte und in Glei-

chung 9.2 beschriebene lineare Zusammenhang zwischen Spannung und Ionisationsstrom

gut zu erkennen. Der Übergang zu einer Sättigung erfolgt bei der freien Flamme erst in der

Größenordnung der Netzspannung von 230 V, während bei dem Fall mit porösem Medium

die Sättigung bereits unter 100 V eintritt. Der Endwert des Ionisationsstroms bei der freien

Flamme liegt bei etwa dem Dreifachen des Wertes mit porösem Medium. Weiterhin kann der

in Kap. 6.2.1.3 beschriebene Gleichrichtereffekt der Flamme anhand Abbildung 71 studiert

werden, der bei der Flammenüberwachung genutzt wird, um den normalen Betrieb und einen

Kurzschluss zwischen den Elektroden zu unterscheiden. Der Gleichrichtereffekt bewirkt, dass

nahezu kein Strom bei Umkehrung der Polarität fließt.

Kommerzielle Ionisationsstromdetektoren arbeiten meist mit den netzüblichen 230 V. Auf-

grund der gezeigten Sättigung kann durch eine Erhöhung der Ionisationsspannung keine

Verbesserung der Flammenüberwachung im Porenbrenner erzielt werden.

Bei den bisher durchgeführten Versuchen bestand ein elektrischer Kontakt zwischen der

Keramik und der Gegenelektrode. Aufgrund der in Kap. 6.2.3.2 gezeigten Leitfähigkeit des

Aluminiumoxides wirkte somit die gesamte Keramikoberfläche als Elektrode. Nachfolgend

wird die Bedeutung der Größe der Gegenelektrode untersucht. Ausgangssituation bei dieser

Versuchsreihe ist eine Anordnung mit zwei Elektroden. Die Ionisationselektrode fungiert als

Anode und befindet sich einige Millimeter oberhalb der Stabilisierungszone. Die zweite Elekt-

rode berührt die Keramik, so dass diese als Gegenelektrode wirkt. Die Anordnung ist in

Abbildung 72 schematisch dargestellt.

Abbildung 72: Schematische Darstellung der Versuchsdurchführung

Bei dem mit Gleichstrom durchgeführten Versuch wurden einmal die Anode und einmal die

Kathode in Strömungsrichtung bewegt. Die Versuchsergebnisse sind in Abbildung 73 aufge-

tragen.

Anode wird verschoben Kathode wird verschoben

Zone A

AnodeAnodeKathode Kathode

Anode wird verschoben Kathode wird verschoben

Zone A

AnodeAnodeKathode Kathode


166

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Abstand zur Oberfläche der Zone A [mm]

I [µA

]

Anode(+) wird verschoben, Kathode hat Kontakt mit Keramik

Kathode(-) wird verschoben

Abbildung 73: Einfluss der Gegenelektrode bei P/A = 225 kW/m², freie Flamme, λ = 1,1 (230 V DC)

Bei Verschiebung der Anode und bleibendem Kontakt der Kathode zu der Keramik ergibt

sich in den ersten Millimetern ein konstantes Ionisationssignal, das danach mit größer wer-

dendem Abstand zur Zone A absinkt. Wird die Ausgangssituation wieder hergestellt und der

Kontakt zwischen der Kathode und der keramischen Stabilisierungszone gelöst, geht der

Ionisationsstrom drastisch zurück. Bei einer Bewegung der Kathode in Strömungsrichtung ist

bereits nach wenigen Millimetern kein Ionisationsstrom mehr messbar. Dieses Verhalten ist

über die in Kap. 6.2.2.3 beschriebenen Mobilitätsdifferenzen zwischen den Ionen und den

Elektronen zu erklären. Die positiven Ladungsträger mit einer im Vergleich zu Elektronen

etwa 1000-fach niedrigeren Mobilität benötigen zum einen eine deutlich höhere Elektroden-

fläche und sind zum anderen nach der Verbrennungszone kaum mehr vorhanden.

Im Rahmen der hier durchgeführten Parametervariationen werden sowohl Gleich-, als auch

Wechselspannungen als Ionisationsspannung verwendet. In Abbildung 74 ist der Unter-

schied der beiden Spannungstypen verdeutlicht.


167

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Abstand der Elektrode zur Oberfläche der Zone A [mm]

I / µ

A

DC Feld

AC Feld

Abbildung 74: Vergleich zwischen Gleich- und Wechselspannung (230 V) bei 225 kW/m² und λ=1,1 in einer freien Flamme

Dabei ist zu erkennen, dass das Ionisationsstromsignal bei der Verwendung von Gleich-

spannung deutlich höher liegt. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass bei Wechsel-

strom die negative Halbwelle durch den Gleichrichtereffekt der Flamme abgeschnitten wird.

Theoretisch ist bei der Wechselspannung etwa 31% des Gleichspannungssignals zu erwar-

ten, da, wie in Abbildung 75 skizziert, die Integration über die positive Halbwelle zu einem

Wert 2, bei der Integration über den Gleichstrombereich zu 2π führt.

Abbildung 75: Ursache für die Unterschiede zwischen Gleich- und Wechselspan-

nung

Die in Abbildung 74 experimentell ermittelten Werte liegen etwas über dem theoretischen

Wert, da die Maximalwerte aufgrund von Sättigungseffekten nicht erreicht werden. Dieses

-1

0

1

-1

0

1

2 2π

π 2π


168

Verhalten wurde durch Untersuchungen mit dem Oszilloskop in Abbildung 76 Bild 3 bestätigt.

Daneben enthält Abbildung 76 einen Vergleich zwischen freier Flamme und Verbrennung in

porösem Medium.

Abbildung 76: Untersuchung des Verhaltens zwischen Ionisationsstrom und Ioni-sationsspannung mit einem Oszilloskop

Der Vergleich zwischen freier Flamme (Bild 1) und der Verbrennung in porösen Medien (Bild

2) bei ansonsten gleichen Bedingungen zeigt das signifikant höhere Signal bei der freien

Flamme. Der Gleichrichtereffekt ist in beiden Fällen gut zu erkennen. Die Fluktuationen in

dem Signal des porösen Mediums sind deutlich stärker ausgeprägt. Bei höheren Leistungen

und geringeren Luftzahlen (Bild 3) steigt das Ionisationssignal bis zu einer Sättigungsgrenze

an, wodurch kein ausgeprägtes Maximum zu erkennen ist. Die Untersuchungen mit dem

Oszilloskop bestätigen damit die Resultate der vorangegangenen Messungen.

1) 180 kW/m², λ = 1,3 / freie Flamm 2) 180 kW/m², λ = 1,3 / porös. Medium

3) 225 kW/m², λ = 1,1 / poröses Medium


169

6.2.3.5 Position der Ionisationselektrode

Der Einfluss der Elektrodenposition in Strömungsrichtung wurde bereits in Abbildung 73 und

Abbildung 74 erläutert, und es konnte eine Abhängigkeit des Ionisationsstroms bezüglich der

Elektrodenposition in Strömungsrichtung festgestellt werden. Die Verläufe geben den in Glei-

chung 9.2 berechneten linearen Verlauf gut wieder. Nur in den ersten Millimetern ist das Ioni-

sationssignal unabhängig von dem Abstand zur Oberfläche der Zone A. Die Abhängigkeit

dieses abstandsunabhängigen Bereichs von der Brennerleistung ist in Abbildung 77 darge-

stellt.

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Abstand zur Oberfläche Zone A [mm]

I [µA

]

Lochdurchmesser 20 mm / P/A = 550 kW/m²



Abbildung 77: Leistungsabhängigkeit des abstandsunabhängigen Bereiches bei λ = 1,1 (AC)

Das Verhalten der drei untersuchten Leistungen ist sehr ähnlich. Bei 550 kW/m² ist der

abstandsunabhängige Bereich mit ca. 5 mm etwas größer als bei den beiden kleineren Flä-

chenlasten mit 2-3 mm. Es ist anzunehmen, dass im abstandsunabhängigen Bereich die

gesamte Verbrennungsreaktion stattfindet und sich deshalb bei größeren Flächenlasten aus-

dehnt.

Aus Platzgründen ist es teilweise erforderlich, die Elektrode von der kalten Seite her durch

die Stabilisierungszone in den Brenner einzuführen. Dieses Konzept ist in Abbildung 78

schematisch dargestellt.


170

Abbildung 78: Schematische Darstellung der Elektrodenzuführung von der kalten Seite durch die Stabilisierungszone

Die Elektrode befindet sich dabei in einer isolierenden Ummantelung aus Keramik. Außer-

dem muss die Dichtheit zwischen Stabilisierungszone und Keramik der Elektrode sicherge-

stellt werden. Über einen Dichtungsring, der mit einer Feder von der kalten Seite aus ange-

presst wird, kann dies realisiert werden. Durch diese Anordnung entsteht ein relativ großes

Gebiet um die Elektrode, das nicht mit Frischgas versorgt wird. Die Auswirkungen dieses

“Totgebietes“ sind in Abbildung 79 dargestellt. Darüber hinaus kann sich durch Verschmut-

zung eine Materialbrücke zwischen der metallischen Elektrode und der Stabilisierungszone

ausbilden, die zu Kurzschlussströmen führen kann. Dieser Fall wurde im Experiment durch

feine Keramikpartikel, die um die Elektrode gestreut wurden, simuliert.

Elektrode

Zone A

Elektrodenisolierung

Dichtring

Zone C Totgebiet


171

0

10

20

30

40

50

60

0 100 200 300 400 500 600 700

P/A [kW/m²]

I [µA

]

Platzierung der Elektrode von der kaltenSeite durch Zone A

Platzierung der Elektrode von der kaltenSeite durch Zone A mit Verschmutzungen

Platzierung der Elektrode von der heißenSeite

Abbildung 79: Vergleich zwischen der Elektrodenzuführung von der heißen und kalten Seite bei λ = 1,1 (AC)

Bei kleinen Leistungen ist ein deutlicher Unterschied zwischen der Elektrodenpositionierung

von der heißen bzw. von der kalten Seite zu erkennen. Bei der Elektrodenzuführung von der

kalten Seite werden durch das Totgebiet geringere Ionisationsströme erhalten. Bei größeren

Belastungen gleichen sich die beiden Kurven an. Ein signifikanter Rückgang des Ionisations-

signals ist bei der simulierten Verschmutzung zu beobachten. Da bei der Ionisationsstrom-

messung nur der Gleichstromanteil gemessen wird, der Kurzschlussstrom jedoch nicht

gleichgerichtet ist, sinkt der Ionisationsstrom.

Die Elektrodenzuführung von der kalten Seite birgt somit neben konstruktiven Problemen

durch die Schwächung der Zone A auch seitens der Ionisationsstromüberwachung Nachteile,

falls der Brenner bei kleinen Flächenbelastungen betrieben wird. Sollte eine alternative Kon-

struktion nicht möglich sein, kann der durch den Totraum bedingte Nachteil durch einen

schrägen Einbau, bzw. durch eine gebogene Elektrode, die aus dem Totraum hinausreicht,

ausgeglichen werden. Um einen Kurzschluss durch Verunreinigungen zu verhindern, sollte

die Keramikummantelung etwas über die keramische Stabilisierungszone hinausragen.

6.2.3.6 Geometrie der Elektroden

Zur Untersuchung des Einflusses der Elektrodengeometrie wurde der Unterschied zwischen

einer geraden und einer gebogenen Elektrode mit und ohne porösem Medium festgestellt. In


172

Abbildung 80 sind die Ergebnisse für verschiedene Messreihen mit einer geraden und einer

am heißen Ende abgewinkelten Elektrode aufgetragen.

0

10

20

30

40

50

60

70

0 50 100 150 200 250

Ionisationsspannung (Gleichspannung) [V]

I [µA

]

mit Zone C, gerade Elektrodemit Zone C, gebogene ElektrodeNur Zone A, gerade ElektrodeNur Zone A, gebogene Elektrode

Abbildung 80: Auswirkungen der Elektrodengeometrie auf das Ionisationsstrom-signal bei verschiedenen Ionisationsspannungen bei P/A = 225 kW/m², λ = 1,1 (DC)

Während die Elektrodengeometrie bei der Messung in freier Flamme einen spürbaren Ein-

fluss hat und bei dieser Messung zu einem etwa 20% höheren Wert des Ionisationsstromes

führt, ist bei der Messung im Hohlraum der Zone C kein Unterschied erkennbar. Der Verlauf

bei den freien Flammen ist dadurch erklärbar, dass die gebogene Elektrode eine größere

Ausdehnung in dem für die Ionisation relevanten Bereich besitzt und dadurch leichter Elekt-

ronen von entfernten Gebieten aufnehmen kann, da der Transport der Ladungsträger nicht

behindert wird. Für das Verhalten mit der Verbrennungszone spielen offensichtlich die bereits

in Kap. 6.2.3.3 beschriebenen Einflüsse des porösen Mediums eine wichtige Rolle. Ein

Transport von Ladungsträgern aus der porösen Verbrennungszone zu der Elektrode wird

demnach in diesem Fall stark behindert und führt zu keiner sichtbaren Erhöhung des Ionisa-

tionssignals. Dadurch bestätigt sich die in Kap. 6.2.3.3 getroffene Aussage, dass neben der

Temperatur der gehemmte Ladungsträgertransport im porösen Medium zu niedrigen Ionisa-

tionsströmen führt.


173

6.2.3.7 Abhängigkeit von der Luftzahl

Wie in Kap. 6.2.1.3 bereits angedeutet, hat die Luftzahl einen wesentlichen Einfluss auf das

Ionisationssignal. In Abbildung 81 ist der Zusammenhang für drei Flächenlasten dargestellt.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70

Luftzahl λ

I [µA

]

P/A = 550 kW/m²

P/A = 225 kW/m²

P/A = 135 kW/m²

brennstoffarmbrennstoffreich

Abbildung 81: Abhängigkeit des Ionisationssignals im Porenbrenner von der Luft-zahl (AC)

Dabei ist die starke Abhängigkeit des Ionisationsstroms von der Luftzahl klar zu erkennen.

Bei 550 kW/m² beträgt der Wert des Signals bei einer Luftzahl von 1,3 nur noch etwa 25%

des Wertes bei einer Luftzahl von 1,0. Die für den kommerziellen Einsatz relevante 1 µA-

Grenze wird bei einer Flächenbelastung von 225 kW/m² und einer Luftzahl von etwa 1,5 un-

terschritten. Daneben ist zu erkennen, dass das Maximum des Ionisationsstromes nicht wie

erwartet bei Luftzahl 1,0, sondern deutlich zum brennstoffreichen Bereich hin verschoben ist.

Dieser Effekt wird durch den offenen, nicht von der Umgebungsluft getrennten Betrieb des

Brenners ausgelöst. Dadurch entsteht bei unterstöchiometrischer Betriebsweise eine Nach-

verbrennung direkt oberhalb der Verbrennungszone mit dem Luftsauerstoff aus der Umge-

bung.

6.2.3.8 Verhalten in der Startphase

Die bisher diskutierten Messpunkte wurden bei stationären Bedingungen aufgenommen.

Wesentlich ist aber auch, beim Starten eine möglichst schnelle Flammenerkennung zu reali-

sieren. Daher wird an dieser Stelle die Zeitabhängigkeit des Ionisationsstromes beim Start


174

des Brenners untersucht. Die konträren Verläufe für die freie Flamme und die Verbrennung in

porösen Medien sind in Abbildung 82 dargestellt. Bei dem Versuch ohne poröses Medium

wurde die Gegenelektrode mit der Zone A in der heißen Zone in Kontakt gebracht, im ande-

ren Fall bestand ein elektrischer Kontakt mit der SiC-Keramik.

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Zeit [s]

I [µA

]

Nur Zone AMit Zone C

Bereich A Bereich B Bereich C

Abbildung 82: Zeitliches Verhalten beim Start des Brenners bei P/A = 225 kW/m², λ = 1,1 (DC)

Bei der freien Flamme ist nach der Zündung des kalten Brenners ein vergleichsweise niedri-

ges Signal vorhanden, das rasch ansteigt und nach ca. 60 s gegen den Endwert konvergiert.

Dieses Verhalten ist durch die Aufwärmung der Zone A in der Anfangsphase zu erklären. In

den ersten Sekunden wirkt Zone A noch nicht als Gegenelektrode, da sie aufgrund der nied-

rigen Temperaturen noch einen zu hohen Widerstand besitzt. Dadurch fehlt, wie in Kap.

6.2.3.4 aufgezeigt, die für ein optimales Ionisationssignal auf der Kathodenseite notwendige

Fläche. Zusätzlich ist die Verbrennungstemperatur in den ersten Sekunden gegenüber dem

stationären Betrieb etwas erniedrigt, da ein Teil der freiwerdenden Wärme für die Aufheizung

der Zone A genutzt wird. Durch die Temperaturabhängigkeit der Chemieionisation resultiert

ein niedrigeres Ionisationssignal.

Der Verlauf des Ionisationsstroms bei der Verbrennung in porösen Medien kann in 3 Berei-

che unterteilt werden. Im Bereich A sinkt das Signal von einem relativ hohen Wert deutlich ab

und erreicht ein Minimum. Im Bereich B steigt der Ionisationsstrom wieder etwas an, bevor er

im Bereich C konstant bleibt.


175

Das anfänglich hohe Signal ist dadurch zu erklären, dass sich nach der Zündung des kalten

Brenners für eine kurze Zeit über die als Gegenelektrode wirkende SiSiC-Keramik freie

Flammen ausbilden. Durch den Übergang zur Verbrennung in porösen Medien verschwinden

die freien Flammen und das Ionisationssignal fällt im Bereich A ab. Im Minimum sind keine

freien Flammen mehr vorhanden, die Verbrennungstemperatur und damit das Ionisationssig-

nal werden durch die noch nicht erreichte Endtemperatur der Keramik in Bereich B herabge-

setzt. Nach der Aufwärmung der Keramiken werden in Bereich C stationäre Bedingungen

erreicht.

Beim Start des Porenbrenners ist demnach ein im Vergleich zur freien Flamme deutlich hö-

heres Signal vorhanden. Die Startphase stellt somit kein Hindernis für den Einsatz der Ionisa-

tionsstromüberwachung im Porenbrenner dar.

6.2.4 Numerische Berechnungen der Ionenkonzentrationen

Zu der numerischen Berechnung von Ladungsträgern in Flammen liegen bisher nur wenige

Informationen vor. In Kombination mit der Verbrennung in porösen Medien wurde diese

Thematik bisher noch nicht behandelt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Berech-

nungen stellen dadurch einen ersten Schritt auf dem Weg zur numerischen Unterstützung bei

der Auslegung einer Ionisationsstromüberwachung für Porenbrenner dar. Dabei wird die

Überprüfung der Plausibilität numerisch berechneter Ionenprofile und nicht die quantitative

Berechnung als Ziel gesehen.

6.2.4.1 Modellierung der Verbrennung unter Berücksichtigung von Ionen

Die Berechnungen wurden mit dem Modul ’Premix’ des Programmpaketes ’CHEMKIN’ Versi-

on 3.7 durchgeführt. Dabei werden die Reaktionen als stationär, isobar und eindimensional

betrachtet. Bei der Modellierung werden Kontinuitätsgleichung, Energiegleichung, Spezies-

Erhaltung, Arrhenius-Gleichung und das ideale Gasgesetz verwendet. Eine Zusammenfas-

sung befindet sich bei Wawrzinek [18], eine ausführliche Beschreibung in [171].

Als Basis für die Berechnung wird ein Reaktionsmechanismus benötigt. Dieser verknüpft die

beteiligten Spezies über Gleichgewichtsreaktionen, deren Richtung und Geschwindigkeit von

der Temperatur und Konzentration abhängt. Für die hier durchgeführten Berechnungen wur-

de auf verschiedene Mechanismen für die Methanverbrennung des Gas Research Institutes

(GRI) [172] zurückgegriffen. Die verschiedenen Mechanismen besitzen eine unterschiedliche

Anzahl an Spezies und Reaktionsgleichungen. Da Ladungsträger die Verbrennungsreaktion

nur in geringem Umfang beeinflussen, sind in den gängigen Reaktionsmechanismen keine


176

Ionen oder Elektronen berücksichtigt. Aus diesem Grund wurden die wichtigsten, in Kap.

6.2.2 vorgestellten, Reaktionsgleichungen und Spezies für die Chemieionisation in die beste-

henden Mechanismen integriert.

Neben dem Reaktionsmechanismus werden noch Transport- und thermodynamische Daten

für die betrachteten Spezies benötigt. Für die üblichen ungeladenen Spezies sind diese Da-

ten zusammen mit den Mechanismen in Datenbanken abgelegt, für die in den Mechanismus

zusätzlich integrierten Ladungsträger sind jedoch nicht für alle Ionen Literaturwerte bekannt.

In diesen Fällen wurden die Werte über die jeweiligen ungeladenen Spezies abgeschätzt.

Die verwendeten Reaktionsmechanismen mit den dazugehörigen Transport- und thermody-

namischen Daten sind von Cabeleira [173] zusammengestellt.

Grundsätzlich kann bei Premix ausgewählt werden, ob die Energiegleichung gelöst oder ein

vorgegebenes Temperaturprofil verwendet werden soll. Im ersten Fall wird eine freie Flamme

unter adiabaten Bedingungen berechnet. Die Wechselwirkungen zwischen der Verbrennung

und der porösen Struktur können dabei bei Premix nicht direkt berücksichtigt werden. Zur

Untersuchung des Einflusses der betrachteten Spezies, Reaktionen und Ladungsträger so-

wie der Luftzahl wird diese Vereinfachung toleriert, da es sich um generelle, nicht speziell auf

die Verbrennung von porösen Medien bezogene Aussagen, handelt. Ein Vergleich zwischen

freier Flamme und Verbrennung in porösen Medien unter adiabaten Bedingungen durch Lö-

sen der Energiegleichung ist in Premix nicht durchführbar.

Um trotzdem zwischen freier Flamme und der Verbrennung in porösen Medien zu differen-

zieren wurde in Premix mit vorgegebenen Temperaturprofilen ohne Lösung der Energieglei-

chung gearbeitet. Die dafür benötigten Temperaturprofile für die Verbrennung in porösen

Medien wie auch für die freie Flamme wurden dabei mit dem CFD-Code FASTEST, der von

Weber [174] beschrieben wird, berechnet. Bei der Modellierung der porösen Struktur wurde

dabei aus Gründen des Rechenaufwandes ein pseudohomogenes Modell und keine exakte

geometrische Abbildung des Porenkörpers verwendet. Bei dieser Vorgehensweise werden

alle Stoffdaten über ein Volumen gemittelt. Die Details für die Berechnung in porösen Medien

sind von Mishra, Steven et al. [175], die genaue Vorgehensweise bei der Modellierung der

freien Flamme von Weber [174] beschrieben.

6.2.4.2 Einfluss der verwendeten Reaktionsmechanismen

Im ersten Schritt wurde überprüft, wie stark sich die Auswahl der betrachteten Spezies, Re-

aktionen und Ladungsträger auf das Ergebnis auswirkt. Da bei diesem Vergleich nur die rela-

tiven und nicht die absoluten Werte relevant sind, wurde der adiabate Fall berechnet. Zur


177

Validierung wurden 3 verschiedene GRI-Mechanismen mit jeweils 3 zusätzlichen Ladungs-

träger-Spezies und ein Mechanismus mit 6 zusätzlichen Ladungsträgern bei adiabaten Be-

dingungen gerechnet. Zwischen GRI 1.2 und GRI 2.11 erhöhen sich sowohl die Anzahl der

Spezies als auch die Anzahl der Reaktionen. Zwischen GRI 2.11 und GRI 3.0 nimmt die An-

zahl der Reaktionen weiter zu, während die Zahl der Spezies nur geringfügig steigt. In den

ersten drei Fällen wurden H3O+, CHO+ und Elektronen berücksichtigt, im letzten Fall zusätz-

lich O-, O2- und C3H3

+. Eine Übersicht der gerechneten Varianten ist in Tabelle 34 dargestellt.

Ausgangs-

mechanismus

Anzahl Spe-

zies gesamt

Anzahl Reakti-

onen

Anzahl Reakti-

onen mit La-

dungsträgern

Anzahl La-

dungsträger

GRI 1.2 35 180 3 3

GRI 2.11 52 282 3 3

GRI 3.0 56 328 3 3

GRI 3.0 60 341 14 6

Tabelle 34: Übersicht über die verwendeten Mechanismen

Abbildung 83 zeigt den Vergleich der errechneten Temperaturen der ersten drei Mechanis-

men mit jeweils 3 Ladungsträgern unter adiabaten Bedingungen.

0

500

1000

1500

2000

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

y [cm]

T [K

]

GRI_V1.2

GRI_V2.11

GRI_V3.0

Abbildung 83: Vergleich der Temperaturverläufe verschiedener Reaktionsmecha-nismen mit jeweils 3 Ladungsträgern


178

Dabei treten nahezu keine Abweichungen zwischen den drei Verläufen auf und die Tempera-

tur konvergiert gegen einen plausiblen Endwert von ca. 2200 K. Neben der Temperatur wird

zusätzlich eine Validierung hinsichtlich der Ladungsträgerprofile durchgeführt. In Abbildung

84 sind die Verläufe für die Elektronenkonzentrationen dargestellt.

0,0E+00

2,0E-08

4,0E-08

6,0E-08

8,0E-08

1,0E-07

1,2E-07

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

y [cm]

Ele

ktro

nenk

onze

ntra

tion

[mol

/ m

ol]

GRI_V1.2GRI_V2.11GRI_V3.0

Abbildung 84: Validierung der Elektronenkonzentrationsprofile verschiedener Reaktionsmechanismen mit 3 Ladungsträgern

Die beiden Mechanismen GRI 2.11 und GRI 3.0 führen dabei zu einem nahezu identischen

Ergebnis, die ältere Version GRI 1.2 weicht etwas nach größeren Werten hin ab. Für die

H3O+-Ionen ergibt sich bei der Validierung ein sehr ähnliches Bild.

In Abbildung 85 wird der Einfluss der Änderung der Anzahl der Ladungsträger dargestellt.

Neben H3O+, CHO+ und Elektronen werden zusätzlich O-, O2- und C3H3+ berücksichtigt.


179

0,0E+00

1,0E-08

2,0E-08

3,0E-08

4,0E-08

5,0E-08

6,0E-08

7,0E-08

8,0E-08

9,0E-08

1,0E-07

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

y [cm]

Ele

ktro

nenk

onze

ntra

tion

[mol

/ m

ol

GRI_V3.0 / 3 Ladungsträger

GRI_V3.0 / 6 Ladungsträger

Abbildung 85: Validierung der Elektronenkonzentrationsprofile bei Änderung der Anzahl der Ladungsträger

Bei der Maximalkonzentration der Elektronen wird bei der Berechnung mit 3 Ladungsträgern

ein etwa 20% niedrigerer Wert im Vergleich zu der Berechnung mit 6 Ladungsträgern erhal-

ten.

Die Abweichungen liegen mit 10-20% in einem für diese erste Untersuchung durchaus tole-

rierbaren Bereich. Die Wahl des Mechanismus sowie die Anzahl der Ladungsträger wirken

sich somit nur geringfügig auf die errechneten Ionenkonzentrationen aus. Für die nachfol-

genden Berechnungen wird GRI 3.0 mit 3 Ladungsträgern verwendet.

6.2.4.3 Vergleich der numerischen mit experimentellen Ergebnissen

Ein direkter Vergleich der numerischen Ergebnisse mit experimentellen Daten ist nicht mög-

lich, da eine experimentelle Bestimmung der Ionenkonzentrationen sehr aufwendig ist und im

Rahmen dieser Arbeit nicht durchgeführt wurde. Aus diesem Grund wird das Verhalten des

experimentell bestimmten Ionisationsstroms dem Verhalten der numerisch ermittelten maxi-

malen Ionenkonzentrationen gegenübergestellt.

6.2.4.3.1 Vergleich der Luftzahlabhängigkeit des Ionisationsstromes

In Kap. 6.2.3.7 wurde eine starke Abhängigkeit des Ionisationssignales von der Luftzahl auf-

gezeigt. An dieser Stelle wird untersucht, inwieweit diese starke Abhängigkeit auch bei den


180

berechneten Ionenkonzentrationen auftritt. In Abbildung 86 sind die berechneten Ionenkon-

zentrationen für verschiedene Luftzahlen bei adiabaten Bedingungen dargestellt.

0

500

1000

1500

2000

2500

0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3

Luftzahl λ

T [K

]

0,E+00

1,E-08

2,E-08

3,E-08

4,E-08

5,E-08

6,E-08

7,E-08

8,E-08

9,E-08

Ione

nkon

zent

ratio

n [m

ol /

mol

]

Adiabate Verbrennungstemperatur

Elektronenkonzentration

Hydroniumionen-Konzentration

Abbildung 86: Vergleich von verschiedenen Luftzahlen

Analog zu den experimentellen Ergebnissen (siehe Abbildung 81) weisen die berechneten

Werte ebenfalls eine starke Abhängigkeit von der Luftzahl auf. Bei höheren Luftzahlen sinken

die Ladungsträgerkonzentrationen signifikant gegenüber dem stöchiometrischen Fall ab. Der

quantitative Vergleich ist in diesem Fall wenig aussagefähig, da bei der Berechnung adiabate

Verhältnisse angenommen wurden, bei der Messung jedoch unter realen Bedingungen

Wärmeverluste vorlagen.

6.2.4.3.2 Vergleich von freier Flamme mit Verbrennung in porösen Medien

Wie in Kap. 6.2.2 und Kap. 6.2.3.3 beschrieben, hängt das Ionisationssignal von der Tempe-

ratur, aber auch von der Größe des um die Elektrode befindlichen Loches in der Verbren-

nungszone ab. Bei dem hier durchgeführten Vergleich zwischen freier Flamme und porösem

Medium wurde lediglich der Temperatureffekt, nicht aber die Auswirkungen der porösen Ke-

ramik auf das Ionisationssignal berücksichtigt. Hierfür wurde als Basis jeweils ein Tempera-

turprofil für eine freie Flamme (Abbildung 89) und die Verbrennung in porösen Medien

(Abbildung 90) herangezogen, die mit dem Programm FASTEST berechnet. In beiden Fällen

wurde nicht-adiabat gerechnet und die Wärmeauskopplung aus der Verbrennungszone be-


181

rücksichtigt. Die beiden Ausgangstemperaturprofile befinden sich im Anhang. Die resultie-

renden Elektronenprofile sind in Abbildung 87 dargestellt.

0,0E+00

1,0E-08

2,0E-08

3,0E-08

4,0E-08

-0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

y [cm]

Ele

ktro

nenk

onze

ntra

tion

[mol

/ m

ol]

Elektronenkonzentration, porösesMedium

Elektronenkonzentration, FreieFlamme

Abbildung 87: Vergleich von freier Flamme mit Verbrennung in porösen Medien

Das Verhältnis der beiden Maxima liegt in der Größenordnung 1:2. Nach Kap. 6.2.3 liegt die

experimentell ermittelte Relation zwischen den Ionisationsströmen bei freier Flamme und

Verbrennung in porösen Medien zwischen 1:2 und 1:3 und ist damit etwas höher als bei der

Berechnung. Die Ursache hierfür ist, dass bei der Berechnung nur Temperatureffekte be-

rücksichtigt wurden. Der in Kap. 6.2.3.3 und Kap. 6.2.3.6 beschriebene behinderte Ladungs-

trägertransport bei der Verbrennung in porösen Medien, ging nicht in die Berechnung mit ein.

6.2.5 Zusammenfassung der Ergebnisse zur Ionisationsstromüberwachung

Durch die im Rahmen der Arbeit durchgeführten Untersuchungen konnten viele für die Aus-

legung einer Flammenüberwachung mittels Ionisationsstrom für die Porenbrennertechnologie

relevanten Fragestellungen geklärt werden. Die Ionisationsstromüberwachung kann im Po-

renbrenner bei der Verbrennung von Methan in einem großen Bereich des Betriebsfensters

eingesetzt werden. Lediglich bei sehr kleinen Flächenlasten und hohen Luftzahlen ist das

Ionisationssignal für eine sichere Flammenüberwachung zu schwach. Bei den Versuchen trat

diese Limitierung bei einer Flächenbelastung von 225 kW/m² und einer Luftzahl von 1,5 auf.

Die poröse Verbrennungszone im Porenbrenner führt dabei zu einer deutlichen Verringerung

des Ionisationssignals gegenüber einer freien Flamme. Nach der Verbrennungszone ist ein


182

im Vergleich zur freien Flamme sehr schwaches Signal messbar, so dass zur Ionisati-

onsstromdetektion ein Hohlraum in der Verbrennungszone notwendig ist. Der Durchmesser

dieses Hohlraumes beeinflusst maßgeblich das Ionisationssignal wobei ein größerer Durch-

messer zu größeren Ionisationsströmen führt. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Geo-

metrie der Ionisationselektrode keine wesentliche Rolle spielt, die Gestaltung der Gegen-

elektrode jedoch von hoher Bedeutung ist. Aufgrund der niedrigeren Mobilität der positiven

Ladungsträger gegenüber den Elektronen, die als wichtigster negativer Ladungsträger be-

trachtet werden, sollte die Gegenelektrode deutlich größer als die Ionisationselektrode sein.

Da neben diesem Verhältnis auch die absolute Größe einen Einfluss hat, ist eine Ionisations-

strommessung ohne leitfähige poröse Materialien, die als Elektrode dienen, schwer zu reali-

sieren. Die Lage der eingesetzten Elektrode hat ebenfalls Einfluss auf das Ionisationssignal.

Die Platzierung der Elektrode mit geringem Abstand zur Stabilisierungszone erwies sich als

vorteilhaft.

Aus Platzgründen wird die Elektrode in einigen Anwendungen von der kalten Seite her durch

die Stabilisierungszone eingebracht. Diese Variante wirkt sich nachteilig auf das Ionisations-

signal aus, da im Bereich der Elektrode kein Frischgas nachströmen kann und dadurch die

Elektrode in einem weniger durchströmten Gebiet liegt. Außerdem besteht bei dieser Anord-

nung die Gefahr von Kurzschlüssen. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine Erhöhung der Ioni-

sationsspannung über die üblichen 230 V zu keinen Verbesserungen des Ionisationssignals

führt.

Abschließend konnte gezeigt werden, dass eine qualitative Vorhersage des Ionisationssig-

nals mit numerischen Berechnungen bereits mit den derzeit zur Verfügung stehenden Be-

rechnungswerkzeugen möglich ist. Um eine Quantifizierung dieser Aussagen zu ermögli-

chen, sind weitere grundlegende Arbeiten notwendig.

183

7 Zusammenfassung und Ausblick

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Fragestellung, wie Methoden des Innovati-

onsmanagements nutzbringend zur Steuerung von Aktivitäten an Forschungseinrichtungen

eingesetzt werden können. Im Mittelpunkt stand dabei der durch die Forschungsergebnisse

erzielbare ökonomische Nutzen. Die Motivation der Arbeit ergab sich durch eine im Vergleich

zu anderen Ländern sinkende Innovationsleistung Deutschlands, weshalb verstärkt neue

Impulse aus dem Bereich der Forschung erwartet und gefordert werden. Eine Besonderheit

der Arbeit stellte ein hoher Praxisbezug dar, da die Überlegungen an dem konkreten Beispiel

der Porenbrennertechnologie, einer innovativen Verbrennungstechnologie mit hoher Anwen-

dungsbreite, durchgeführt wurden. Die Schwerpunkte wurden dabei auf die Bewertung und

Auswahl von Ideen und die Erstellung eines Handlungsprogrammes gelegt. Die praktische

Umsetzung einiger strategisch wichtiger Arbeitspakete des Handlungsprogramms war eben-

falls ein wichtiger Bestandteil der Arbeit.

Mit der ökonomisch ausgerichteten Zielvorgabe für die Forschung besteht eine große Ähn-

lichkeit zu unternehmerischen Zielen, bei denen der monetäre Nutzen von Forschungs- und

Entwicklungsaufgaben in der Regel an erster Stelle steht. Zur Unterstützung des Prozesses

zwischen Ideengenerierung und Vermarktung existieren bereits zahlreiche Management-

Methoden für die Anwendung in Unternehmen. Deshalb wurde keine grundsätzliche Metho-

den-Neuentwicklung, sondern eine Verwendung der bestehenden und bewährten Verfahren,

falls notwendig in modifizierter Form, angestrebt.

Im Rahmen der Arbeit wurde in Anlehnung an das Funktionalmarktkonzept eine speziell für

Forschungseinrichtungen angepasste Innovationmanagement-Methodik entwickelt. Den Kern

der erarbeiteten Vorgehensweise bildet dabei eine Portfolioanalyse, deren Inhalte durch

Nutzwertanalyse und qualitative Methoden ermittelt werden. Da Forschungseinrichtungen in

der Regel nicht direkt am Markt auftreten und keine eigenen Ressourcen für die Vermarktung

bereitstellen, ergeben sich einige Unterschiede zu Unternehmen. So konnte das Technolo-

gieportfolio mit den Dimensionen Technologieattraktivität und Ressourcenstärke nicht direkt

übernommen werden. Im Rahmen der dadurch notwendigen Methodenvariation wurde die

Dimension Ressourcenstärke gegen den für eine Realisierung der Innovation benötigten

F&E-Bedarf ausgetauscht. Durch eine Normierung der Technologieattraktivität konnte zudem

ein Vergleich völlig unterschiedlicher Anwendungsfelder ermöglicht werden. Als Ergänzung

zu dem Portfolio, in dem jedes Anwendungsfeld isoliert betrachtet wird, wurde eine Syner-

giematrix eingeführt, die eine Berücksichtigung von Synergieeffekten zwischen verschiede-

nen Anwendungen ermöglicht.


184

Die Praxistauglichkeit der entwickelten Vorgehensweise wurde anschließend an dem Praxis-

beispiel der Porenbrennertechnologie ausführlich demonstriert. Die verwendete Methodik

erlaubte eine strukturierte Gegenüberstellung und Bewertung völlig unterschiedlicher Ideen.

Im Portfolio wurde eine gute Differenzierung der Anwendungen erhalten und durch die

Normstrategien konnten Handlungsempfehlungen für die verschiedenen Porenbrenner-

Anwendungen generiert werden. Die wichtigsten Ergebnisse wurden zu einer Porenbrenner-

Roadmap zusammengefasst. Am Beispiel wurden auch die bei der praktischen Anwendung

auftretenden Schwierigkeiten deutlich. Neben den bekannten Nachteilen von Bewertungsme-

thoden und Portfoliotechniken führten insbesondere die Informationsbeschaffung und Markt-

abgrenzungen zu Problemen.

Durch die Zusammenstellung aller möglichen Anwendungen konnte das große Potenzial der

Porenbrennertechnologie verdeutlicht werden. Im Detail ergab die Bewertung, dass kurzfris-

tig Industriestrahler auf Porenbrennerbasis und langfristig Anwendungen in der Peripherie

von Brennstoffzellen die größten Potenziale bieten. Eine Gas-Haushaltsheizung auf Poren-

brennerbasis eröffnet die größten Chancen, als erste Porenbrenneranwendung in einem

Massenmarkt platziert zu werden und nimmt deshalb ebenfalls eine hohe strategische Be-

deutung ein. Die Anwendungen mit flüssigen Brennstoffen erscheinen bei der Einzelbetrach-

tung im Portfolio weniger attraktiv, erst durch Synergiebetrachtungen konnte das Potenzial

sichtbar gemacht werden. Durch den Einsatz der Synergiematrix wurde verdeutlicht, dass die

Weiterentwicklung der im Porenbrenner eingesetzten keramischen Bauteile hinsichtlich

Standzeit und Kosten die mit Abstand wichtigste Aufgabe ist. Eine Flammenüberwachung,

die Ölverdampfung, sowie für den gesamten Modulationsbereich geeignete Peripheriekom-

ponenten für die Gas- und Luftseite sind weitere Themenfelder, von deren erfolgreicher Be-

arbeitung die Vermarktung mehrerer Porenbrenneranwendungen abhängen wird.

Einige Aspekte des erstellten Handlungsprogramms wurden im technisch-operativen Teil der

Arbeit aufgegriffen und umgesetzt. Das erste Schwerpunktthema zielte auf die Optimierung

der für den Betrieb von Porenbrennern notwendigen Porenkörper. Da die Standzeiten der

Keramiken neben der Werkstoffzusammensetzung auch von Verbrennungsparametern ab-

hängen, ist der Optimierungsprozess eine interdisziplinäre Aufgabe. In Kooperation mit Ent-

wicklungspartnern ist es gelungen, basierend auf einer Schadensanalyse die Ursachen für

Brennerausfälle zu ergründen und spürbare Verbesserungen hinsichtlich der Standzeit zu

erzielen. Die Zusammenarbeit erbrachte bereits erste greifbare Erfolge, da die Markteinfüh-

rung für den porenbrennerbasierten Industriestrahler durch die Fa. Gogas Goch GmbH & Co.


185

gestartet wurde. Eine Anlage mit 52 Porenbrennermodulen ist seit Februar 2004 in Betrieb,

weitere Anlagen befinden sich in der Vorbereitung, wie in Abbildung 88 zu sehen ist.

Abbildung 88: Kommerzielle Porenbrenner beim Aufbau einer Trocknungsanlage (links) und im Betrieb (rechts)

Die erzielten Ergebnisse stellen jedoch nur den Anfang einer systematischen Weiterentwick-

lung der Porenbrenner-Keramiken dar. Um die noch bestehenden Herausforderungen im

Werkstoffbereich erfüllen zu können, wurde das vom BMWi geförderte Projekt CERPOR

initiiert, bei dem Keramikfachleute und Brennerspezialisten gemeinsam an der Optimierung

der Werkstoffe arbeiten. CERPOR ist derzeit gemessen am Projektvolumen das größte Pro-

jekt im Porenbrennerbereich, so dass sich die hohe Bedeutung der Werkstoffthematik in dem

aktuellen Projektportfolio widerspiegelt.

Den zweiten Schwerpunkt der Umsetzungsaufgaben stellte die Untersuchung der Flammen-

überwachung im Porenbrenner mit Ionisationsstrom dar. Diese, in der Sicherheitskette für

eine Vermarktung vieler Anwendungen absolut notwendige Funktion, führte bereits in der

Vergangenheit bei mehreren Funktionsmustern zu Schwierigkeiten. Im Rahmen der Arbeit

wurden die Einflüsse der relevanten Parameter auf das Ionisationssignal untersucht. Dabei

konnte experimentell und numerisch gezeigt werden, dass das Ionisationssignal bei der

Verbrennung in porösen Medien im Vergleich zu freien Flammen deutlich absinkt. Die Ionisa-

tionsstromüberwachung deckt ein weites Betriebsfenster des Porenbrenners ab. Um jedoch

das gesamte Leistungs- und Luftzahlfenster des Porenbrenners bei Erdgasbetrieb nutzen zu

können, sind alternative Überwachungstechniken heranzuziehen.

Abschließend kann festgehalten werden, dass viele der im Rahmen der Arbeit gewonnenen

Aussagen über Innovationsmanagement an Forschungseinrichtungen sich auf das verwen-

dete Beispiel beziehen. Da keine weiteren Technologien betrachtet wurden, ist eine Verall-

gemeinerung an dieser Stelle nicht durchführbar. Ein weiterer Aspekt, der im Rahmen der

vorliegenden Arbeit nicht explizit thematisiert wurde, ist der Nutzen, der durch den Metho-


186

deneinsatz in Forschungseinrichtungen entsteht. Die Beantwortung dieser Frage ist ebenfalls

nicht auf der Basis eines Einzelbeispiels möglich. Eine Reihe von Arbeiten über die Produkt-

entwicklung in Unternehmen zeigt, dass empirische Methoden zur Klärung dieser Fragestel-

lung gute Ansatzmöglichkeiten darstellen. Auf der Suche nach Erfolgsfaktoren werden Korre-

lationen zwischen einzelnen Kriterien und den angestrebten Zielen an einer großen Zahl von

Untersuchungsobjekten erforscht. Ernst [176] fasst in seiner Arbeit die Erkenntnisse mehre-

rer Einzelstudien zusammen und kommt zum Ergebnis, dass die Existenz eines formellen

oder informellen Innovationsprozesses die Basis für den Erfolg neuer Produkte darstellt. Eine

klare Beschreibung des Zusatznutzens und die Auswahlentscheidung vor Beginn der Ent-

wicklungsarbeiten sind danach weitere wichtige Elemente. Über eine Übertragbarkeit dieser

Ergebnisse auf Forschungseinrichtungen liegen bisher keine Erkenntnisse vor. Die offenen

Fragestellungen bieten somit noch ausreichend Raum für weitere Untersuchungen zum

Thema Innovationsmanagement an Forschungseinrichtungen.

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[177] Wagner, U.;(2000), Techniken und Systeme zur Wasserstoffbereitstellung, wiba –

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[178] Preisanfrage bei Air Liquide, Frankreich

[179] Anfrage bei der Fa. Oertli auf der Intherm am 23.04.2004 in Nürnberg

[180] Expertengespräch mit Kolmos, A., Fa. TÜV Nord, Hamburg am 19.04.2004

[181] Expertengespräch mit Meurer, J., Fa. ERC, Buchholz am 19.04.2004

[182] Homepage der Fa. Acotech, http://www.acotech.com/acotech_duits/

[183] Fa. Vaillant, Produktdatenblatt VC 136 E

[184] Fa. Viessmann, Produktdatenblatt Vitodens 200

[185] Fa. Buderus, Produktdatenblatt Logamax plus

[186] Fa. Weishaupt, Produktdatenblatt Thermo Condens

[187] Expertengespräch mit Cappelletti, C., Fa. Fraccaro, Castelfranco Veneto, Italien, am

19.04.2004

[188] Expertengespräch mit Sündermann, B., Fa. Schwank, Köln am 19.04.2004

[189] Expertengespräch mit John, M., Fa. Leoni, Kitzingen am 22.12.2003

[190] Expertengespräch mit Streb H., Fa. Siemens Power Generation, Mühlheim/Ruhr am

28.04.2004

[191] Expertengespräch mit Schäfer J., DaimlerChrysler AG, Stuttgart am 8.04.2004

[192] Expertengespräch mit Seifert M., Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfa-

ches, Schwerzenbach, Schweiz am 22.12.2003

[193] http://www.hi-z.com/websit04.htm

[194] Expertengespräch mit Mößbauer, S., Fa. Enginion AG, Berlin am 22.12.2003

[195] Expertengespräch mit Wawrzinek K., Fa. Enginion AG, Berlin am 22.12.2003

[196] Homepage der Fa. Hug-Engineering, Wiesbaden, http://www.hug-engineering.de/

[197] Expertengespräch mit Jahn, M; Webasto Thermosysteme GmbH, Neubrandenburg

am 19.2.2004

199

9 Anhang

9.1 Anhang A: Temperaturprofile für Vergleich zwischen freier Flamme und

Verbrennung in porösen Medien

0

500

1000

1500

2000

2500

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

y [cm]

T [K

]

Abbildung 89: Temperaturprofil freie Flamme

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

-0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3

y [cm]

T [K

]

Abbildung 90: Temperaturprofil Verbrennung in porösen Medien

9 Anhang

200

9.2 Anhang B: FCKW - Einfacher Kostenvergleich der Energien

Stöchiometrische Reaktionsgleichung für H2/O2-Verbrennung:

CCl2F2 + 2H2 + O2 à CO2 + 2HCl + 2HF (9.1)

Stöchiometrische Reaktionsgleichung für Methan-Verbrennung:

CCl2F2 + CH4 + 2O2 à 2CO2 + 2HCl + 2HF (9.2)

Molgewicht Kosten Energieinhalt

CCl2F2: 64 g/mol

H2: 2 g/mol 0,025 €/kWh [177]

Ca. 120 MJ/kg

O2: 32 g/mol (0,025)-0,057 €/kg [178]

CH4: 16 g/mol 0,014 €/kWh [177] Ca. 50 MJ/kg

Tabelle 35: Datengrundlage für Berechnung

H2/O2-Verbrennung

(stöchiometrisch)

Methan-Verbrennung bei

Methanüberschusszahl 3 (2)

H2: 0,052 -

O2: <0,028 -

CH4: - 0,146 (0,097)

Summe: <0,08 0,146 (0,097)

Tabelle 36: Gegenüberstellung Eduktkosten in € pro kg CCl2F2

9 Anhang

201

9.3 Anhang C: HCl-Synthese - Kostenvergleichsrechnung zwischen Methan und

Wasserstoff

Ziel des Kostenvergleichs ist die Gegenüberstellung der beiden Edukte Wasserstoff und Me-

than. Als Basis dient dabei jeweils die vereinfachte Reaktionsgleichung bei Stöchiometrie.

Verfahrensbedingte Eduktüberschüsse werden erst bei der Gegenüberstellung der konkurrie-

renden Verfahren berücksichtigt.

2H2 + 2Cl2 à 4 HCl (9.3)

CH4 + 2Cl2 +O2 à 4 HCl + CO2 (9.4)

Über (9.3) und (9.4) und die in Tabelle 55 angenommenen Daten ergibt sich bei Stöchio-

metrie ein Kostenvorteil für Methan gegenüber Wasserstoff in der Größenordung von 7%.

Dabei sind Kosten für Transport und Zwischenlagerung noch nicht eingerechnet.

9 Anhang

202

9.4 Anhang D: Tabellen zur Berechnung der Technologieattraktivität

Industrie-Strahler [75], [76] Kriterium Porenbrenner Konventioneller

Oberflächenstrahler Ceramat-Strahlungsbrenner

Max. Flächenleistung / Größe

> 1000 kW/m² Standardmodul: 20-50 kW

100-300 kW/m² Standardmodul: 6,5 kW

> 300 kW/m² im Strah-lungsmodus Standardmodul: < 20 kW

Modulierbarkeit Derzeit: 1:6 Möglich: 1:20 1:3 Ca. 1:5 im Strah-

lungsmodus Emissionen 20 mg/kWh NOx >20 mg/kWh NOx Ca. 20 mg/kWh NOx Aufheiz- / Abkühlzeit des Brenners lang mittel Kurz

Einbau in bestehen-de Anlagen

Anpassung auf höhere Energiedichte Anpassung auf höhe-

re Energiedichte Infrastruktur Gasversorgung Gasversorgung Gasversorgung Nutzungskosten Keine nennenswerten Unterschiede

Invest

Keramikkosten: Derzeit:Ca. 10 €/kW Ziel: 5 €/kW Modulpreis: Derzeit: 600 €/20 kW-Modul (30 €/kW) Ziel: 500 €/20 kW-Modul (25 €/kW)

Keramikkosten: <1 €/kW Modulpreis: 250 € / 6,5 kW-Modul (38, 5 € / kW)

Keramikkosten: <1 €/kW Modulpreis: 250 € / 6,5 kW-Modul (38, 5 € / kW)

Standzeit Derzeit: 5000 h Ziel: >2 Jahre Ca. 2 Jahre n.b.

Tabelle 37: Zielertragsmatrix Industrie-Strahler norm. Technologieattr.

115Kriterium G1 G2 Gewicht PB Oberfl.-

strahlerFlächenleistung 16 17 17 5 2Modulierbarkeit 10 10 10 4 2Emissionen 3 3 3 3 2Aufheizzeit / Abkühlzeit des Brenners 10 3 7 1 3Einbau in bestehende Anlagen 16 10 13 4 5Infrastruktur 10 10 10 4 4Nutzungskosten 10 17 13 5 5Invest 16 17 17 4 3Standzeit 10 10 10 4 5

Summe Gewichte 100 100 100NUTZWERTE 407 353

Industrie-Strahler >300-500 kW

Integration

Technische Kriterien

Ökonomische Kriterien

Tabelle 38: Zielerfüllungsmatrix Industrie-Strahler mit bestehenden Oberflä-

chenstrahlern [76,77]

norm. Technologieattr.

106Kriterium G1 G2 Gewicht PB Oberfl.-

strahlerCeramat

Flächenleistung 16 17 17 5 2 3Modulierbarkeit 10 10 10 4 2 3Emissionen 3 3 3 3 2 3Aufheizzeit / Abkühlzeit des Brenners 10 3 7 1 3 4Einbau in bestehende Anlagen 16 10 13 4 5 4Infrastruktur 10 10 10 4 4 4Nutzungskosten 10 17 13 5 5 5Invest 16 17 17 4 3 4Standzeit 10 10 10 4 5 4

Summe Gewichte 100 100 100NUTZWERTE 407 353 383

Integration


Industrie-Strahler >300-500 kW


Tabelle 39: Zielerfüllungsmatrix Industrie-Strahler mit optimierten Oberflä-

chenstrahlern [76,77]

9 Anhang

203

Dampf- und Heißwasserkessel [180], [181] Kriterium Porenbrenner Diffusionsbrenner Flächenleistung/ Platz-bedarf Ziel: Platzeinsparung: ca. 20% Brennkammer benötigt ca. 20%

des System-Gesamtvolumens Modulierbarkeit > 1:20 Meist < 1:3 Emissionen 20 mg/kWh NOx >20 mg/kWh NOx Einbaulage / Wartung Einbaulage bei Kugelschüttungen,

Reinigung, Austausch der Poren-körper

Unproblematisch

Steuerung / Sicherheit Wasser kann die in Kugelschüt-tung gespeicherte Wärme bei Störung aufnehmen – geringes Gefährdungspotenzial

Unproblematisch

Einbau in bestehende Anlagen

Platzgewinn bei bestehenden Anlagen nicht realisierbar Stand der Technik

Nutzungskosten Keine signifikanten Unterschiede Invest Dampfkessel (1 MW): 12.000 € -

15.000 € Gasbrenner (1 MW): 5.000 € [179] Keram. Schüttung: 1.000 €

Dampfkessel (1 MW):15.000 € [79] Gasbrenner (1 MW): 5.000 € [179]

Standzeit Ziel: mehrere Jahre Mehrere Jahre

Tabelle 40: Zielertragsmatrix Dampf- und Heißwasserkessel norm. Technologieattr.

105 Kriterium G1 G2 Gewicht PB Diff.br.Flächenleistung/Platzbedarf 3 3 3 4 3Modulierbarkeit 17 17 17 5 4Emissionen 3 3 3 5 3Einbaulage / Wartung 14 10 12 3 5Steuerung / Sicherheit 10 17 14 5 5

IntegrationNutzungskosten 17 17 17 5 4Invest 17 17 17 4 3Standzeit 17 17 17 4 5


Dampf- und Heißwasserkessel



Tabelle 41: Zielerfüllungsmatrix Dampf- und Heißwasserkessel [180], [181]


106 Kriterium Gewicht PB Oberfl.-br Diff.-br ElektroFlächenleistung/Größe 19 5 2 2 2Modulierbarkeit 15 4 1 5 5Emissionen 8 3 3 2 5Steuerung/Sicherheit/Regelverhalten 8 2 2 1 4Robustheit 15 2 2 5 3

IntegrationNutzungskosten 19 5 5 3 2Invest 4 2 2 4 4Standzeit 12 2 2 4 3

Summe Gewichte 100NUTZWERTE 354 250 335 319



Beheizung von Öfen (800-1500 °C, Kontakt Abgase-Produkt erlaubt, gleichmäßige Temperatur benötigt, hoher Wärmebedarf, Strahlung erwünscht, Neubau)

Tabelle 42: Zielerfüllungsmatrix Industrieöfen [87]

9 Anhang

204

Gas-Haushaltsheizung Kriterium Porenbrenner Oberflächenstrahler

konventionell Oberflächenstrahler Ceramat

Flächenleistung/Größe Bis 3 MW/m² Bis 30 MW/m³ Ca. 1 MW/m² [182] Bis 4 MW/m² [98]

Modulierbarkeit Brenner: > 1:20 System: Ziel: 1:20

System: 1:3 – 1:5 [183], [184], [185], [186]

Brenner: 1:35 [98]

Emissionen 20 mg/kWh NOx 20 mg/kWh NOx [183], [186]

ca. 20 mg/kWh NOx

Steuerung/Sicherheit Flammenüberwa-chung

Einbau in bestehende Thermen

Anpassung der Peri-pherie auf hohe Modulation

Anpassung der Peri-pherie auf hohe Mo-dulation

Nutzungskosten Abhängig von Randbedingungen, siehe Beschreibung Invest Brenner:

Derzeit: 10 €/kWth Ziel: <1 €/kWth

Brenner: Ca. 0,5 €/kWth [75]

Brenner: <0,3 €/kWth [195]

Standzeit Ziel: mehrere Jahre Mehrere Jahre Ziel: mehrere Jahre

Tabelle 43: Zielertragsmatrix Gas-Haushaltsheizung

Nr. IntegrationGröße (gleiche Leistung)

Modulierbarkeit Emissionen Steuerung /Sicherheit

Nutzungskosten Invest Standzeit

Größe des Brenners bezogen auf die Therme

Leistungsvariation Stickoxide Brennstoff, Strom, Wartung

Kaufpreis

Experte 1 5 2 3 5 5 5 51 3 1 5 5 3 5 3 52 3 3 5 5 3 5 5 53 3 5 5 5 3 5 5 34 3 3 3 3 1 5 5 35 1 1 1 3 1 5 5 36 3 3 3 3 3 5 5 57 1 1 1 3 3 5 5 38 1 3 3 5 1 5 5 59 3 3 3 5 3 5 5 510 1 5 5 5 5 5 5 511 3 5 5 3 4 5 3 512 1 3 3 5 5 5 3 513 1 5 5 3 5 5 3 314 3 5 5 5 5 5 3 515 3 5 5 5 5 5 3 516 3 3 3 3 3 5 5 517 3 5 5 5 3 5 3 518 3 5 5 5 5 5 5 519 1 5 5 3 1 5 3 520 5 3 1 5 5 5 3 521 5 5 1 5 3 5 3 522 3 5 5 5 3 5 3 323 3 5 5 5 1 5 3 324 1 3 3 4 5 5 1 525 1 3 5 5 5 5 3 5

Durchschnitt privat 2,4 3,7 3,8 4,3 3,4 5,0 3,8 4,41 1 5 5 5 3 5 5 52 1 5 3 5 5 5 53 1 4 5 5 5 5 5 54 1 5 5 5 5 5 5 55 3 5 5 5 5 5 5 5

Durchschnitt gewerblich 1,4 4,8 4,6 5 4,5 5 5 5Gesamt 1,6 4,5 3,5 4,1 4,3 5,0 4,6 4,8

Ökonomische KriterienKompatibilität mit bestehender Technik


Tabelle 44: Marktbefragung für Gas-Haushaltsheizung

9 Anhang

205


102 Kriterium GewichtPoren-brenner

Oberflächen-brenner

Flächenleistung/Größe 5 5 4Modulierbarkeit 14 5 3Emissionen 11 5 5Steuerung/Sicherheit 13 4 5

Integration Einbau in bestehende Thermen 13 4 5Nutzungskosten 15 4 4Invest 14 4 4Standzeit 15 4 4

Summe Gewichte 100NUTZWERTE 430 423



Gas-Haushaltsheizung Szenario 1

Tabelle 45: Zielerfüllungsmatrix Gas-Haushaltsheizung Szenario 1 [192]












102Kriterium Gewicht Poren-

brennerCeramat









108Kriterium Gewicht Poren-

brennerCeramat







Tabelle 48: Zielerfüllungsmatrix Öl-Haushaltsheizung

9 Anhang

206

Warmlufterzeuger [75], [76] Kriterium Porenbrenner Atmosphärischer Brenner Flächenleistung > 1000 kW/m², zusätzlicher Platz-

bedarf für Gebläse < 500 kW/m²

Modulierbarkeit Standardperipherie: 1:10 Optimierte Peripherie: 1:20 -

Emissionen 20 mg/kWh NOx >20 mg/kWh NOx Steuerung/Sicherheit Flammenüberwachung, Rück-

schlag

Einbau in bestehende Geräte Integration von Gebläse notwendig

Infrastruktur Gas / Strom / Abgas Gas / Strom / Abgas Nutzungskosten Zusätzlich Strom für Gebläse

notwendig

Invest Keramikkosten: Derzeit: Ca. 10 €/kW Gebläsekosten: 0,3-3 €/kW

Brennerkosten: Ca. 1 €/kW

Standzeit Ziel: 20000 h > 20000 h

Tabelle 49: Zielertragsmatrix Warmlufterzeuger


86Kriterium G1 G2 G3 Gewicht PB atmosph.

BrennerFlächenleistung / Platzbedarf 4 3 6 4 4 3Modulierbarkeit 12 10 6 9 5 2Emissionen 4 3 12 6 3 1Steuerung/Sicherheit 4 10 15 10 3 4Einbau in bestehende Geräte 12 16 9 12 3 5Infrastruktur 12 10 9 10 3 3Nutzungskosten 12 16 15 14 3 4Invest 20 16 15 17 3 5Standzeit 20 16 12 16 4 5

Summe Gewichte 100 100 100 100NUTZWERTE 339 393



Warmlufterzeuger

Integration

Tabelle 50: Technologieattraktivität Warmlufterzeuger [75], [187], [188]

Hellstrahler [75], [76] Kriterium Porenbrenner Oberflächenstrahler Flächenleistung > 1000 kW/m² + Platz für Gebläse 100-200 kW/m² Modulierbarkeit Standardperipherie: 1:10

Optimierte Peripherie: 1:20 -

Emissionen 20 mg/kWh NOx >20 mg/kWh NOx Steuerung/Sicherheit Flammenüberwachung, Rück-

schlag

Einbau in bestehende Geräte Integration von Gebläse notwendig

Infrastruktur Gas / Strom Gas / Strom Nutzungskosten Zusätzlich Strom für Gebläse

notwendig

Invest Keramikkosten: Derzeit:Ca. 10 €/kW Gebläsekosten: 0,3-3 €/kW

Keramikkosten: Ca. 1 €/kW

Standzeit Ziel: 20000 Betriebsstunden > 20000 Betriebsstunden

Tabelle 51: Zielertragsmatrix Hellstrahler

9 Anhang

207


93Kriterium G1 G2 G3 Gewicht PB Oberfl.-

StrahlerFlächenleistung / Platzbedarf 4 3 6 4 5 2Modulierbarkeit 12 10 6 9 5 2Emissionen 4 3 12 6 3 2Steuerung/Sicherheit 4 10 15 10 3 4Einbau in bestehende Geräte 12 16 9 12 3 3Infrastruktur 12 10 9 10 3 3Nutzungskosten 12 16 15 14 3 4Invest 20 16 15 17 3 5Standzeit 20 16 12 16 4 5


Hellstrahler

Integration



Tabelle 52: Technologieattraktivität Hellstrahler [75], [187], [188]

Stand- und Zusatzheizung [109] Kriterium Vormischbrenner (Porenbrenner) Konv. Standheizung Größe >100 Volumeneinheiten 100 Volumeneinheiten Emissionen 20 mg/kWh NOx >100 mg/kWh NOx Lärm Etwas leiser als konv. Standheizung

Steuerung Flammenüberwachung weniger kritisch bei Standheizung

Luftzahlmod. hoch mittel

Leistungsmod. Standardperipherie: 1:10 Optimierte Peripherie: 1:20 zweistufig

Integration in beste-hende Systeme Integration des Verdampfers Bestehendes System

Multistofffähigkeit Ziel: Für Benzin und Diesel ohne große Modifikationen einsetzbar

Für Benzin und Diesel ohne große Modifikationen einsetzbar

Geometrieflexibilität vorhanden Bedingt vorhanden Investitionskosten Brennerkomponenten >10 € Brennerkomponenten <1 €

Nutzungskosten Etwas niedriger als konventionelle Geräte

Lebensdauer Ziel: 2000 h > 2000h

Tabelle 53: Zielertragsmatrix Stand- und Zusatzheizung

norm. Technologieattr.105 Kriterium G1 G2 Gewicht PB Konv.

Größe 15 14 14 3 4Emissionen 3 8 6 5 2Lärm 9 8 9 4 3Steuerung 9 8 9 4 4Luftzahlmod. 9 8 9 4 3Leistungsmod. 3 8 6 5 2Integration in bestehende Systeme 9 8 9 4 5Multistofffähigkeit 9 8 9 4 4Geometrieflexibilität 3 3 3 4 3Investitionskosten 15 14 14 3 4Nutzungskosten 3 3 3 4 3Lebensdauer 15 8 12 5 5


Integration

Standheizung



Tabelle 54: Technologieattraktivität Stand- und Zusatzheizung [109], [189]

9 Anhang

208


107Kriterium Gewicht Porenbr. Vormisch-

brennerGröße 14 3 3Emissionen 14 4 3Lärm/Schwingungen 9 4 3Luftzahlmod. 14 4 3Leistungsmod. 3 5 3Integration in bestehende Systeme 14 5 5Geometrieflexibilität 9 4 4Investitionskosten 9 2 4Lebensdauer 14 4 4


Gasturbinenpilotbrenner



Integration

Tabelle 55: Technologieattraktivität Gasturbinenpilotbrenner [190]


131

Kriterium G1 G2 Gewicht PB Kat-Br. + Start-

brennerGröße / Gewicht 16 15 15 4 2Modulierbarkeit 9 9 9 5 2Emissionen/Nebenprodukte 3 9 6 4 5Steuerung/Sicherheit 9 9 9 4 3Multifuelfähigkeit 9 9 9 3 3Kaltstartfähigkeit 9 15 12 5 5

Integration Anbindung an Systemkomponenten 9 9 9 3 3Einfluss auf Systemwirkungsgrad 16 9 12 4 2Invest 9 9 9 4 3Standzeit 9 9 9 4 3


Brenner für mobile Brennstoffzelle



Tabelle 56: Technologieattraktivität Brenner für mobile BZ [191], [189]





Integration Einbau in bestehende Geräte 13 4 4Nutzungskosten 12 4 3Invest 14 4 4Standzeit 12 4 4


Stationäre BZ



Tabelle 57: Technologieattraktivität Spitzenlastbrenner für stat. BZ


118 Kriterium GewichtPoren-

brennerFLOX Diff.-

brennerFlächenleistung/Größe 14 4 2 3Modulierbarkeit 9 4 2 2Emissionen 9 4 4 1Steuerung/Sicherheit 9 3 3 4Lärm 14 4 3 2

Integration Einbau in bestehende Geräte 3 1 3 3Nutzungskosten 14 4 3 3Invest 14 3 2 4Standzeit 14 3 5 4

Summe Gewichte 100NUTZWERTE 354 300 297



Stirling

Tabelle 58: Technologieattraktivität Brenner für Stirling [192]

9 Anhang

209

TPV Kriterium TPV-PB TPV-Str. TEM

el. Wirkungsgrad Theorie: 36% [128] Derzeit: 1-2%

Theorie: << 36% [128] Derzeit: <1%

4,5 [193]

Modulierbarkeit

Standardperipherie: 1:10 Optimierte Peripherie: 1:20

<1:2 <1:5

Emissionen 20 mg/kWh NOx 20 mg/kWh NOx 20 mg/kWh NOx Arbeitsbereich Ca. 50 °C [126]

Spezifische Lichtwellen-längen benötigt [126]

Ca. 50 °C [126]

Spezifische Lichtwellen-längen benötigt [126]

Kalte Seite: 30-100°C

Warme Seite: 250-400°C [193]

Erweiterbarkeit des Konzeptes

Ja, da noch Potenzial aufgrund des theor. erreichbaren Wirkungs-grades

Nein – zu geringe Stromproduktion

Bedingt

Invest (für 100 W) Ziel: 320 € [125], [129] Ziel: 300 € [125], [129] >300 € [130] Standzeit Ziel: mehrere Jahre Ziel: mehrere Jahre Viele Jahre

Tabelle 59: Zielertragsmatrix TPV

norm. Technologieattr.110 Kriterium Gewicht TPV-PB TPV-Str. TEM

el. Wirkungsgrad 24 4 1 3Modulierbarkeit 5 5 3 4Emissionen 5 3 3 3Arbeitsbereich 14 2 2 3Erweiterbarkeit des Konzeptes 5 4 1 1Nutzungskosten 0 3 3 3Invest (für 100 W) 24 3 4 2Standzeit 24 3 3 4




TPV Notstrom

Integration

Tabelle 60: Technologieattraktivität TPV

Steam Cell Kriterium Porenbrenner Ceramat Größe / Gewicht Systemgröße: 95-100%

Gewicht: >100% Systemgröße: 100% Gewicht: 100%

Schadstoffemissionen ca. 20 mg/kWh NOx ca. 20 mg/kWh NOx Luftzahlmodulierbarkeit Sehr hoch bei festgelegter

Leistungsmodulation und Emissionsgrenzen

Hoch bei festgelegter Leis-tungsmodulation und Emis-sionsgrenzen

Leistungsmodulierbarkeit Standardperipherie: 1:10 Optimierte Peripherie: 1:20 1:10

Steuerung, Überwachung und Diagnose Hoch (Flammenüberwachung problematisch) Sehr hoch

Brennstoff(flexibilität) - Multistofffähigkeit Hoch mittel Liefersicherheit der Komponenten, Ersatz

Derzeit: niedrig Ziel: hoch hoch

Wartungsfreundlichkeit Hoch hoch Lebensdauer Derzeit: 5.000h

Ziel: 40.000h Ziel: 40.000h Ausfallrisiko Ziel: gering Ziel: gering Anschaffungskosten Derzeit: 10 €/kWth

Ziel: <1 €/kWth <0,3 €/kWth Nutzungskosten Gering mittel

Tabelle 61: Zielertragsmatrix Steam Cell [194], [195]

9 Anhang

210

norm. Technologieattr.102 Kriterium Gewicht PB Ceramat

Größe / Gewicht 6 5 4Schadstoffemissionen vor Ort 13 5 5Luftzahlmodulierbarkeit 4 5 4Leistungsmodulierbarkeit 9 5 5Steuerung, Überwachung und Diagnose 13 4 5Brennstoff(flexibilität) - Multistofffähigkeit 3 4 3Liefersicherheit der Komponenten, Ersatz 13 4 4Wartungsfreundlichkeit 6 4 4Lebensdauer 13 4 4Ausfallrisiko 6 4 4Anschaffungskosten 6 4 4Nutzungskosten 6 4 3


Integration

Steam Cell



Tabelle 62: Technologieattraktivität Steam Cell

FCKW-Spaltung Kriterium Porenbrenner H2/O2 Plasma

Emissionen (TA Luft) o.k. [18] o.k. [196] o.k. [135]

Steuerung / Prozess-kontrolle Gashandling Gashandling, Sicherheit

wegen Sauerstoff ++

Einbau in bestehende Anlage Umbau des Reaktors Kein Umbau notwendig Umbau des Reaktors

Mobiler/Dezentraler Einsatz Erdgas notwendig

Wasserstoff- und Sau-erstoffinfrastruktur not-

wendig

Nur elektrischer Strom notwendig

Energiekosten (cent/kg FCKW) (siehe oben) 0,097-0,146 0,08 >0,2 nach [135]

Standzeit (Wartung) Jetzt: Einige Stunden

[18] Ziel: 2 Jahre

1-2 Jahre [132] 30-200 Stunden, [132], [135]

Tabelle 63: Zielertragsmatrix für FCKW-Spaltung

norm. Technologieattr.90 Kriterium Gewicht PB H2/O2 Plasma

Emissionen 7 4 4 4Steuerung 20 3 3 5

Integration Einbau in bestehende Anlagen 7 4 5 4Energiekosten (cent/kg FCKW) 33 3 4 1Standzeit 33 5 5 2




FCKW-Spaltung - zentral, Nachrüstung

Tabelle 64: Technologieattraktivität für zentrale FCKW-Spaltung [138]

norm. Technologieattr.108 Kriterium Gewicht PB H2/O2 Plasma

Emissionen 7 4 4 4Steuerung 20 3 3 5

Integration Mobiler/Dezentraler Einsatz 33 4 2 5Energiekosten (cent/kg FCKW) 20 3 1 1Standzeit 20 5 5 2



FCKW-Spaltung - dezentral


Tabelle 65: Technologieattraktivität für dezentr. FCKW-Spaltung [138]

9 Anhang

211

HCl-Synthese [138] Kriterium PB – H2/Cl2 PB – CH4/Cl2/Luft Diff. Reinheit Ist: n.b.

Ziel: hoch Ist: n.b. Ziel: hoch

hoch

Reaktorhöhe (30t) Boden bis Ende Brennkammer

2 m 2,5 m 3,5 m

Sicherheit (Flammen-rückschlag)

Ist: gering Ziel: hoch

Ist: n.b. Ziel: hoch

Keine Rück-schlaggefahr

Umrüstaufwand Kreisgasförderung, Trockner

Abgasbehandlung

„Wasserstoffpreis“ (Index, siehe Kosten-vergleich)

Ca. 80 (3-5% Über-schuss)

Ca. 75 (3-5% Über-schuss)

100 (bei 5-50% H2-Überschuss) [138]

Investitionskosten (Index)

Ca. 100 100-120 Ca. 100

Standzeit Ist: n.b. Ziel: 1-2Jahre (dau-erhaft wegen Rein-heit)

Ist: n.b. Ziel: 1-2 Jahre (dauerhaft wegen Rein-heit)

1-2 Jahre [138]

Tabelle 66: Zielertragsmatrix für HCl-Synthese [138]

norm. Technologieattr.109 Kriterium Gewicht PB Diff.

Reinheit 16 5 5Reaktorgröße 10 5 2Sicherheit 16 4 5

Integration Umrüstaufwand 10 4 5„Wasserstoffpreis“ als H2 bzw. CH4 16 4 2Investitionskosten 16 4 4Standzeit 16 4 4




HCl mit Wasserstoffinfrastruktur - Nachrüstung

Tabelle 67: Technologieattraktivität H2/Cl2 [138]


Reinheit 18 5 5Reaktorgröße 11 4 2Sicherheit 18 5 5

Integration Umrüstaufwand„Wasserstoffpreis“ als H2 bzw. CH4 18 5 1Investitionskosten 18 3 4Standzeit 18 4 4




HCl ohne Wasserstoffinfrastruktur

Tabelle 68: Technologieattraktivität für Methan, Chlor, Luft [138]

9 Anhang

212


Rußqualität 6 4 4Kompaktheit 6 4 3

IntegrationInvest (Baukosten) 29 4 4Betriebskosten 29 4 3Lebensdauer 29 3 4


Rußherstellung Neuanlage



Tabelle 69: Technologieattraktivität Rußerzeugung (Neuanlage) [141]


Rußqualität 5 4 4Kompaktheit 5 3 3

Integration 15 3 5Invest (Baukosten) 25 3 4Betriebskosten 25 4 3Lebensdauer 25 3 4


Rußherstellung Umrüstung



Tabelle 70: Technologieattraktivität Rußerzeugung (Umrüstung) [141]

norm. Technologieattr.113 Kriterium G1 G2 G3 Gewicht PB CPOX

Flächenleistung/Größe/Gewicht 12 12 15 12 3 5Modulierbarkeit 12 12 9 12 4 3Emissionen/Nebenprodukte 15 15 15 15 2 3Steuerung/Sicherheit 15 15 12 15 4 3

Integration Benötigte Infrastruktur 15 15 12 15 4 4Reformerwirkungsgrad 12 12 15 12 3 3Invest 9 9 12 9 4 2Standzeit 12 12 9 12 4 1



POX-Reformer für APU mit 15 kW thermisch - Szenario 1


Tabelle 71: Technologieattraktivität Synthesegaserzeugung Szenario 1 [197],

[189] norm. Technologieattr.

95 Kriterium G1 G2 G3 Gewicht TPOX CPOXFlächenleistung/Größe/Gewicht 12 12 15 13 3 5Modulierbarkeit 12 12 9 11 4 3Emissionen/Nebenprodukte 15 15 15 15 2 3Steuerung/Sicherheit 15 15 12 14 4 3

Integration Benötigte Infrastruktur 15 15 12 14 4 4Reformerwirkungsgrad 12 12 15 13 3 3Invest 9 9 12 10 4 4Standzeit 12 12 9 11 3 3


POX-Reformer für APU mit 15 kW thermisch - Szenario 2



Tabelle 72: Technologieattraktivität Synthesegaserzeugung Szenario 2 [197],

[189]

213

Lebenslauf

Persönliche Daten:

Name: Josef Wolfgang Glaß

Geburtsdatum: 13. September 1973

Geburtsort: Augsburg

Familienstand: ledig

Schulbildung:

09/79 – 07/83: Grundschule Welden

09/83 – 07/92: Gymnasium Wertingen

Zivildienst:

08/92 – 10/93: Zivildienst in der AWO-Sozialstation in Wertingen

Hochschulstudium:

11/93 – 03/99: Chemieingenieurwesen mit Fachrichtung Verfahrenstechnik an

der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg

Abschluss als Diplom-Ingenieur

Berufliche Tätigkeiten:

04/99 – 12/01: Berater und Projektleiter bei Axel Schröder und Partner Unter-

nehmensberatung bzw. Celerant Consulting in München

01/02 – 09/04 Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Promotionsstudent am Lehr-

stuhl für Strömungsmechanik der Friedrich-Alexander-Universität

Erlangen- Nürnberg im Bereich „Strömungen mit chemischen

Prozessen“

seit 10/04: Berater bei The Boston Consulting Group

Erlangen, Oktober 2004

9 Anhang

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Innovations- und Technologiemanagement am Beispiel der ... · Mein besonderer Dank gilt den beiden...

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