Die steigenden Anforderungen an eine kosteneffiziente Energieversorgung im zukünftigen Energiesystem erfordern die Entwicklung fortschrittlicher Gasturbinen. Diese sollen nicht nur hocheffizient und emissionsarm sein, sondern auch eine höhere Leistung, verbesserte Teillastfähigkeit und eine größere Brennstoffflexibilität bieten. Ein effektiver und entscheidender Ansatz besteht in der Verbesserung der kritischen Komponenten, insbesondere des Verbrennungssystems der Gasturbine. Kohlenmonoxid (CO) ist ein Indikator für die Effizienz des Verbrennungssystems der Gasturbine. Ein weiteres Problem ist, dass CO farb- und geruchlos und toxisch. Es kann zwar katalytisch oxidiert werden, eine Abgasnachbehandlung würde aber die Effizienz von Gasturbinen reduzieren. Bei der Entwicklung von Gasturbinen ist es insbesondere wichtig, Betriebszustände zu vermeiden, die zu Grenzwertüberschreitungen von CO führen. Diese Zustände mit hoher zeitlicher Auflösung beobachten zu können ist daher eine wichtige Aufgabe.

Das optische Messverfahren eignet sich hervorragend für diese Aufgabe. Mithilfe abstimmbarer Laser ermöglicht die Absorptionsspektroskopie die berührungslosen, Sichtlinien-integrierten und zeitlich aufgelöste In-situ-Messung der Gasphasentemperatur und Konzentrationen von relevanten Spezies. Bei den traditionellen Messtechniken hingegen können die damit verbundenen relevanten Prozesse schwer oder gar nicht isoliert betrachtet werden, weil sich die Messdaten nur durch Probenahme im Abgas mit großer Zeitverzögerung entnehmen lassen.

Diese Arbeit konzentrierte sich hauptsächlich auf die optische und technische Gestaltung sowie die Demonstration von absorptionsbasierter Multiplex-Messsystemen zur hochdynamischen Bestimmung von Schwellwertüberschreitung der CO-Konzentrationen unter rauen Umgebungsbedingungen und realen Betriebsbedingungen in der Austrittsebene von Gasturbinenbrennkammern der Hochdruck-Prüfstände des Clean Energy Centers (CEC) von Siemens Energy. Es umfasst die Konzeption und Entwicklung verschiedener absorptionsbasierter Gaskonzentrations-Messsysteme, angefangen bei einem Ein-Wellenlängen-Messsystem mit Freistrahltechnik, über ein faserbasiertes Ein-Wellenlängen-Messsystem für die CO-Detektion, bis hin zu einem faserbasierten Vier-Wellenlängen-Messsystem. Letzteres ermöglicht den Nachweis mehrerer Spezies wie CO, CO₂ und Wasserdampf sowie die Bestimmung der Temperatur. Ein neuer Algorithmus zur Auswertung der Absorptionsspektren unter den Testbedingungen hoher Temperatur und hohen Drucks, basierend auf einer gemessenen Referenzbasislinie, wurde entwickelt.

Die Validierungsexperimente in einer Absorptionszelle, im Stoßwellenrohr und im Abgaskanal eines Gasturbinenbrenners im Realmaßstab während einer Messkampagne am CEC zeigten, dass die gesamte Ausrüstung einwandfrei funktioniert. Das Vier-Wellenlängen-Messsystem zur simultanen Bestimmung von Temperatur und Konzentrationen mehrerer Spezies, wie CO, CO₂ und Wasserdampf, unter Verwendung einer Single-Mode-Faser im McKenna-Brenner wird validiert.