Nichtdispersive IR-Absorption für Abgasuntersuchung

In Deutschland gab es 2016 etwa 13 Millionen Gasheizkessel, 5,6 Millionen Ölheizkessel und 0,7 Millionen Heizkessel für feste Brennstoffe. Darüber hinaus gab es etwa 11,7 Millionen Kaminöfen oder Kachelöfen, die mit Holz oder Kohle beheizt werden. Die in den dabei ablaufenden Verbrennungsprozessen entstehenden Abgase beeinträchtigen Umwelt, Klima und Gesundheit und unterliegen daher Grenzwerten. Diese sind für kleine und mittlere Feuerungsanlagen in der Bundes-Immissionsschutzverordnung festgelegt.

Zur Kontrolle der Einhaltung werden durch den Schornsteinfeger im Zweijahresturnus Messungen relevanter Parameter wie Kohlenmonoxid (CO) und Sauerstoff (O2) durchgeführt. Hierzu werden elektrochemische Sensoren eingesetzt, welche auf Grund ihrer Bauweise häufigen Wartungsintervallen unterliegen und verschleißen. Zudem kann das Treibhausgas und Hauptverbrennungsprodukt Kohlendioxid (CO2) nicht direkt elektrochemisch detektiert werden. Seine Konzentration wird daher aus den Messgrößen für CO und O2 lediglich berechnet, was eine Fehlerquelle bei der Emissionsbestimmung darstellt.

Ziel unserer Arbeiten gemeinsam mit der Vereta GmbH ist die Entwicklung eines optischen Sensors, der simultan die Konzentrationen von CO und CO2 im Abgasstrom von Verbrennungsanlagen misst. Zur Messung wird die nichtdispersive Infrarotspektroskopie (NDIR) eingesetzt. Durch das Lambert-Beer’sche Gesetz kann die Konzentration der Gase direkt im Abgasstrom bestimmt werden. Die Verwendung des mittleren Infrarotbereiches des elektromagnetischen Spektrums bringt dabei den Vorteil hoher Absorptionsquerschnitte und kleiner spektraler Überlagerung der einzelnen Absorptionsbanden von CO2 und CO.

Die Konstruktion des optischen Aufbaus des Messsystems muss dabei unter den Gesichtspunkten einer kompakten und robusten Bauweise sowie niedriger Kosten vorgenommen werden. Gleichzeitig muss das System hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit erfüllen, was ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis sowie im Falle von CO eine sehr lange Absorptionsstrecke erfordert. Dieser Zielkonflikt ist eine Herausforderung bei der Entwicklung solcher Sensoren.

 

Weiterführende Informationen:

C. Niklas, Quantifizierung von CO2 und CO-Konzentrationen mittels nichtdispersiver Infrarotspektroskopie, Masterarbeit, Universität Göttingen und LLG, 18. Juli 2018.

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Laser-Laboratorium Göttingen e.V. (LLG)

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