© Projektträger Jülich / Forschungszentrum Jülich GmbH
Feuer und Flamme für die Energiewende
Vor einem schwarzen Hintergrund im Forschungslabor zeigt der neuartige Rekuperatorbrenner (kurz: AdReku), was er kann. Während er stufenweise von Erdgas auf Wasserstoff wechselt, wird seine Flamme mittels Kamera und Computer genau vermessen und analysiert, denn für Industrieprozesse muss sie sowohl eine bestimmte Hitze erzeugen als auch eine bestimmte Beschaffenheit haben. Der Clou: AdReku kann sowohl Wasserstoff als auch Erdgas nutzen und zwar auch parallel. Damit können Unternehmen aktuell noch mit Erdgas arbeiten und sind gleichzeitig auf den Wasserstoffhochlauf vorbereitet.
Das Forscherteam des Wärmetechnikunternehmens Kueppers Solutions und des Forschungsinstituts Gas- und Wärme-Institut Essen (GWI) hat damit ein wichtiges und besonders schwer zu schaffendes Puzzlestück der Energiewende konstruiert. Denn noch ist Wasserstoff nicht in solchen Mengen verfügbar, dass Erdgas nicht mehr benötigt wird. Lösungen wie der AdReku-Brenner bauen also eine Brücke vom Erdgas- in das Wasserstoffzeitalter. Um das Hin- und Herschalten auch im laufenden Betrieb zu ermöglichen, enthält der Brenner eine zweikanalige Mischeinheit, die das Team ebenfalls innerhalb des Forschungsprojekts AdReku entwickelt hat.
Mischeinheit für parallelen Betrieb mit Erdgas und Wasserstoff
Mit diesem neuartigen Gasmischsystem ist es möglich, Brenngase und Luft so zu mischen, dass weniger Stickoxide bei der Verbrennung entstehen. Bei höheren Temperaturen, die eine deutlich effektivere Wärmeübertragung möglich machen, kann so der Ausstoß von Stickoxiden dennoch niedrig gehalten werden. Die Berechnungen zeigen, dass optimierte Brennersysteme mit einer Vorwärmtemperatur von 1.000 Grad Celsius im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen (mit einer Vorwärmtemperatur von 600 Grad Celsius) bis zu zwölf Prozent Energie und gegenüber Kaltluftbrennern sogar bis zu 50 Prozent einsparen können.
Über verschiedene Materialien und eine veränderte Struktur des Rekuperators haben die Forschenden die Wärmeübertragung im Brennersystem verbessert. Ihr Rekuperator wird nicht nur aus einem Material hergestellt, sondern aus drei Werkstoffen abschnittsweise zusammengesetzt: Keramik wird nahe dem Brenner eingesetzt, wo die Temperatur am höchsten ist. Mit sinkendem Temperaturniveau kommen dann Edelstahl und Kupfer zum Zuge. Gleichzeitig verbessert sich die Wärmeleitfähigkeit von Material zu Material. Das macht die Wärmeübertragung deutlich effektiver.
3D-Druck ermöglicht hohe Effizienz des Wärmetauschers im Brenner
Sowohl das Gasmischsystem als auch der Wärmeübertrager (der sogenannte Rekuperator) wurden im 3D-Druck gefertigt. Nur so, erklärt das Forschungsteam, lassen sich die sehr verflochtenen Strukturen im Rekuperator herstellen. Mit ihnen sind die Übertragungsflächen auf gleichbleibendem Raum wesentlich größer als vorher. Dadurch kann Wärme wirksamer übertragen werden als bei aktuell eingesetzten Anlagen.
Im Vergleich zur herkömmlichen Produktion von Brennersystemen ist der 3D-Druck zwar noch zeitaufwendig und kostenintensiv, die Produktionskosten sinken jedoch mit der fortschreitenden Entwicklung. Außerdem lassen sich mit verbesserten Anlagen Brennstoffe einsparen, was den laufenden Betrieb kostengünstiger macht und die Mehrkosten in der Anschaffung ausgleicht. Da die additiv gefertigten Brennersysteme unabhängig vom Brennstoff genutzt werden können, steht einer breiten Anwendung in der Industrie nichts im Wege.
Für seine Forschungsarbeit wurde das Entwicklerteam 2024 mit dem Innovationspreis des Landes Nordrhein-Westfalen in der Kategorie „innovation2business“ ausgezeichnet. 2023 war der Rekuperatorbrenner und damit die in AdReku entwickelte Idee bereits beim Deutschen Zukunftspreis unter den drei Finalisten vertreten.