Veröffentlicht am 06. Dezember 2023
Brennen für die Wasserstoffzukunft
Wasserstoff gehört die Zukunft, da sind sich Wirtschaftsexperten einig. Das ungiftige Gas gilt als Lösungsansatz, um Deutschland gemäß der nationalen Wasserstoffstrategie bis 2045 klimaneutral zu machen. Denn Wasserstoff verbrennt als Energieträger nahezu schadstofffrei. Folgerichtig gewinnen Wasserstofftechnologien rasant an Bedeutung und viele Industriezweige beschäftigen sich damit, wie sie bestehende fossile Prozesse auf den alternativen Energieträger umrüsten können. Im Kooperationsprojekt WAPS (WAsserstoffPorenStrahler) arbeiten Forschende des Engler-Bunte-Instituts (EBI) des KIT gemeinsam mit der GoGaS Goch GmbH & Co. KG daran, die Energiewende in der Wärmetechnik möglich zu machen: mit dem ersten wasserstoffbetriebenen Porenstrahlungsbrenner für Heiz- und Trocknungsprozesse. „Die wasserstoffbasierte Porenbrennertechnologie leistet einen wichtigen Beitrag auf dem Weg zur Klimaneutralität“, bekräftigt Christof Weis, der seitens des EBI das Projekt leitet.
Der Industrie nachhaltig einheizen
Porenstrahlungsbrenner stellen Wärme für industrielle Anwendungen zum Trocknen und Anheizen bereit. Beim konventionellen Betrieb mit Erdgas wird im Brennergehäuse ein Gas-Luft-Gemisch entzündet und verbrannt. Die Verbrennung findet dabei nahezu flammenlos innerhalb einer porösen Keramikplatte statt. Dadurch heizt sich dieser Formkörper auf, fängt an zu glühen und strahlt in hoher Intensität Wärme ab. Die Temperatur des Brenners wird über das Verhältnis von Luft und Erdgas gesteuert. Mehrere einzelne Brenner werden meist in einer Reihe zu einem Brennerfeld zusammengeschaltet, sodass eine große glühende Fläche aus bis zu 100 Brennern entsteht. Geschäftsführer Heiko Schneider gibt Einblick in die GoGaS-Kundschaft: „Aufgrund ihrer sehr hohen Strahlungsleistung von bis zu 1.000 kW/m² werden solche Brenner vor allem in Trocknungs- und Heizanlagen eingesetzt, zum Beispiel in der Papierindustrie zum Trocknen von gestrichenen Papieren, in der Lack- und Textilindustrie, bei der Glasverformung oder in der Stahlindustrie für die Metallbandbeschichtung.“
Alternative Techniken, wie Infrarotbrenner als Oberflächenbrenner, sind physikalisch begrenzt auf ungefähr 1.000 Grad Celsius. Für Prozesse, die einen weit höheren Wärmebedarf haben, sind Porenstrahlungsbrenner mit bis zu 1.400 Grad Celsius daher unverzichtbar. Im gemeinsamen Entwicklungsprojekt WAPS ist es gelungen, einen neuartigen Wasserstoff-Porenstrahlungsbrenner herzustellen. Der Brenner kann erstmals flexibel mit Wasserstoff und Erdgas (dual fuel) betrieben werden, sodass ein kohlenstofffreier Betrieb in der Hochtemperaturtechnik möglich wird. Schneider unterstreicht: „Mit den Porenbrennern erzielen wir eine viel intensivere Bestrahlung und ermöglichen dadurch kürzere Verweilzeiten und schneller ablaufende Prozesse für die Industrie. Das i-Tüpfelchen ist nun der Wasserstoffbetrieb.“
Vom Ziel zur Lösung
Projektleiter Weis vom KIT erklärt: „In der technischen Entwicklung ging es darum, den Zulauf des Brenners auf ein anderes Medium umzustellen. Die Schwierigkeit dabei war, beim Funktionsprinzip des Porenbrenners den unterschiedlichen verbrennungstechnischen und physikalischen Eigenschaften von Erdgas und Wasserstoff gerecht zu werden. Wenn ich Wasserstoff anstatt Erdgas benutze, hat das natürlich unmittelbar Einfluss auf weitere Komponenten.“ Zusätzlich zur bestehenden Erdgaszufuhr im Zentrum des Brenners wurde eine separate Zufuhr für reinen Wasserstoff integriert. „Anders als Erdgas und Luft, die sich in einer Art Vormischzone verbinden und gemischt in die Verbrennungszone gelangen, wird Wasserstoff erst nahe der Verbrennungszone mit der Luft diffundiert. Die Herausforderung lag dabei in der gleichmäßigen Verteilung von Wasserstoff und der Mischung mit der Luft in diesem lokal begrenzten Bereich“, so Weis weiter. Die Forschenden vom EBI fanden die Lösung in einer mehrschichtigen Misch- und Verteileinheit aus einem metallischen Werkstoff, die zwischen Vormischzone und Keramik platziert ist.
„Beim neuen Brenner ist die oberste, poröse Keramikschicht nahezu identisch zu konventionellen Produkten. Den Unterschied macht unser darunterliegender Multi-Layer als Hauptverteiler. Er besteht zum einen aus mehreren verbundenen Feinverteilerplatten mit sehr kleinen, gefrästen Kanälen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung für das Wasserstoffgas. Zum anderen ist er mit einer Lochplatte mit Bohrungen für die Luftzufuhr aus der vorgelagerten Vormischzone versehen. Indem wir erst kurz vor der porösen Keramik den Wasserstoff dazugeben, vermeiden wir potenzielle Flammenrückschläge“, führt der Verbrennungstechniker Weis aus. Die vielen feinen Kanäle der Metallschichten dienen einerseits dazu, den sauberen Brennstoff flächendeckend zu verteilen, andererseits auch zur thermischen Entkopplung. Über die Strömung wird gleichzeitig aktiv das Gehäuse gekühlt, sodass die Wärmeenergie zielgerichtet abstrahlt.
Upgrade für die Hochtemperaturtechnik
Schneider berichtet erfreut: „Das Gute dabei ist, dass im fossilen Betriebsmodus der Erdgas-Luft-Weg in alter Manier beschritten werden kann. Das Erdgas-Luft-Gemisch strömt wie gewohnt durch die größeren Bohrlöcher der Lochplatte. Dadurch kann der Porenbrenner weiterhin problemlos mit Erdgas betrieben werden.“ Weis ergänzt: „Trotz neuer Technik halten wir uns an die Baumaße von bestehenden Produkten. Daher sind die neuen Porenstrahlungsbrenner sowohl für neue Installationen als auch für die Umrüstung von relativ alten Anlagen empfehlenswert.“ Schneider von GoGaS, dem Dortmunder Spezialist für Wärmetechnik, sieht einen weiteren Vorteil: „Gegenüber einem Erdgasbrenner hat der Wasserstoffbrenner einen mehr als doppelt so hohen Wärmeübergangskoeffizient. Das heißt, der Aufheizvorgang dauert nur noch halb so lang.“
Vorkehrungen für die Wasserstoffzukunft
Das große Interesse an Wasserstofftechnologien, auf das Schneider in seinem Unternehmen trifft, steht noch im Missverhältnis zur Verfügbarkeit von Wasserstoff: „Auf die Frage, ob wir Wasserstoff-Lösungen anbieten, antworte ich häufig mit der Gegenfrage, ob das Gas ständig verfügbar sei. Und das kann im Moment kein Kunde bejahen. Bis ein Wasserstoffnetz ausgebaut und stabil betrieben werden kann, ist es aus meiner Sicht eine absolute Notwendigkeit, einen Porenstrahler anzubieten, der beides kann. Wir hören unserer Kundschaft zu und versuchen, bestmögliche Lösungen anzubieten. Mit dem KIT haben wir einen engagierten Partner gefunden, der auf die Entwicklung von Lösungen spezialisiert ist.“ Die Experten vom EBI haben zur Umsetzung und technischen Entwicklung maßgeblich beigetragen. „Obwohl die Rahmenbedingungen für den komplett kohlenstofffreien Betrieb generell noch nicht gegeben sind, ist es der richtige Schritt, sich unabhängiger von angebotenen Brennstoffen zu machen. Mithilfe der Dual-Fuel-Technologie können unterschiedliche Brennstoffe flexibel eingesetzt werden. Das heißt, sobald Wasserstoff verfügbar ist, schalte ich den Strahler von Erdgas auf Wasserstoff um und bin dadurch in kürzester Zeit CO2-neutral“, betont Weis.
Wasserstoffbrenner auf Erfolgskurs bringen
Im Kooperationsprojekt stand jedoch nicht nur die Funktionalität des Brenners im Vordergrund, sondern auch die Produktionstechnik und Wirtschaftlichkeit. Im Lauf des Projekts wurde mit unterschiedlichsten Techniken, wie dem Diffusionsschweißen und dem selektiven Laserschmelzen (SLM), auch bekannt als 3D-Metalldruck, experimentiert. Weis blickt zurück: „Wir haben den neuen Wasserstoffporenbrenner mit unterschiedlichen Techniken gefertigt und untersucht, wie gut es funktioniert. Wir haben uns zum Beispiel die Wärmestrahlung, die Flammenpropagation und die Materialstabilität angeschaut. Die besten Ergebnisse zeigten sich mit der Multi-Layer-Variante, für die wir dann die Fertigungstechnik weiter optimiert haben.“ Voraussetzung und Zielsetzung war von Anfang an, dass das neue Produkt am Ende mit den Produktionsanlagen von GoGaS fertigbar ist. Der Mittelständler macht deutlich: „Mit dem entwickelten Dual-Fuel-Porenbrenner bieten wir für Trocknungsanlagen eine Lösung, um klimaschädliches Erdgas abzulösen. Wir haben jede Menge Kunden, die im Moment noch herkömmliche Porenstrahler einsetzen. Unser Ziel ist, die Preisgestaltung so hinzubekommen, dass Kunden aus Industrie und Forschung für einen relativ geringen Mehrpreis die neue Technologie kaufen können, um herkömmliche Erdgas-Porenstrahler Schritt für Schritt zu substituieren. Eine gute Investition in die Wasserstoffzukunft!“
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