Ob für die Stahl- und Glasproduktion oder in vielen anderen Industrieanlagen: Brenner, die statt Erdgas künftig Wasserstoff in Wärme umwandeln, sind – neben Strom aus erneuerbaren Energien – die Basis für eine erfolgreiche Energiewende in der Industrie. Doch wie kann das funktionieren, wenn Wasserstoff deutlich andere Eigenschaften hat als Erdgas? Lösungen für Industrieöfen, industrielle Erwärmungseinrichtungen und Feuerungen untersuchte ein Forschungsprojekt an der TU Bergakademie Freiberg in den vergangenen drei Jahren. Die Ergebnisse stellt das Team der Professur Gas- und Wärmetechnische Anlagen mit seinen Partnern beim Abschluss des Projekts in Freiberg vor.
Die wesentlichen Fragestellungen für den Wasserstoff-Einsatz hat das Team mit seinen Partnern aus Industrie und Wissenschaft im Leittechnologieprojekt der Energiewende untersucht. So fasst Prof. Hartmut Krause die Ergebnisse zusammen: „Mit dem Projekt konnten wir zeigen, dass sich verschiedene Grundtypen industrieller Feuerungssysteme von Erdgas auf Wasserstoff umstellen lassen. Die Aufwendungen zur Umstellung sind in einem überschaubaren Rahmen. In einigen Fragestellungen ergaben sich überraschend positive Effekte für die Ressourceneffizienz in der Thermoprozesstechnik mit dem Energieträger Wasserstoff.“
Untersucht wurde die Konstruktion der Brenner, die Steuerung und Regelung der Flamme sowie die Stabilität von Werkstoffen für die Wärmedämmung und Ausrüstung der neuen Wasserstoff-Öfen. „Es ist wichtig, diese drei Ansätze gemeinsam zu betrachten, denn nur so kann am Ende eine umfassende Beurteilung für den Wasserstoff-Betrieb vorgelegt werden“, ordnet Prof. Hartmut Krause ein. „Im Verbund mit anderen Forschungseinrichtungen und der Industrie bietet der vorgestellte Ansatz damit enormes Potenzial“, so der Leiter des Forschungsprojekts.
Brenner mit ultra-niedrigen Emissionen
Im Technikum nahm das Team zuerst die Wasserstoffverbrennung genau unter die Lupe: „Denn wie genau das Gas in einem Industriebrenner umgesetzt wird, hat Auswirkungen auf die Schadstoffbildung und damit die Emissionen der Produktionsprozesse“, erklärt Dr. Sven Eckart von der Professur für Gas- und Wärmetechnische Anlagen der TU Freiberg. Im Projekt konnten drei Grundtypen von Industriebrennern in mehreren Leistungsklassen detailliert vermessen und umgerüstet werden. Den Ergebnissen zufolge können bestehende Industrieöfen mit kleinen Anpassungen sicher und stabil mit Wasserstoff betrieben werden. Dennoch werden die Stickoxidemissionen auf einem geringen Level gehalten. Trotz höherer Flammentemperaturen bei der Wasserstoffverbrennung, als Ursache für die Stickoxidbildung konnten geringere Emissionen als bei Erdgas erreicht werden. Damit gibt das Forschungsprojekt Brenner-Herstellern Gestaltungsempfehlungen für effiziente und emissionsarme Brenner.
Verbrennung sicher steuern
Für industrielle Anwendungen müssen auch die Steuerungssysteme für die Verbrennung von schwankenden Wasserstoff-Anteilen angepasst werden. Dazu haben die Forschenden um das DBI-Gastechnologisches Institut Freiberg zwei Modelle zur Regelung des Gas-Luft-Gemisches entwickelt und an Demonstratoren erprobt. Die neuen Regelungs-Strategien überführen sie nun gemeinsam mit den Industriepartnern in die Anwendung für Brenner mit Wasserstoff oder Wasserstoff-Anteilen. „Mit den neuen Regelungsprinzipien sind wir in der Lage, auch bei schwankenden Wasserstoffanteilen eine hocheffiziente Verbrennung einzustellen“, konstatiert Marcus Wiersig vom Forschungspartner DBI.
Werkstoffe für Wasserstoff-Öfen
Wie Feuerfestmaterialien, Stähle, Keramiken und neue Werkstoffkombinationen auf den Wasserstoff und seine Abgase reagieren, untersuchten die Forschenden in einem weiteren Teilprojekt. „Denn Wasserstoff kann erst dann in Industrieöfen eingesetzt werden, wenn ihre Stabilität und Lebensdauer nicht eingeschränkt sind“, so Dr. Sven Eckart. „Mit einer Bewertungsmatrix bietet das Projekt Anlagenbetreibern und Herstellern jetzt ein einfach zu nutzendes Konzept für den Einsatz von Hochtemperaturwerkstoffen in Wasserstoff-betriebenen Industrieöfen.“ Das Team um den Chris Fritsche an der Professur für Gas- und Wärmetechnische Anlagen konnte für einige wichtige Werkstoffe deutlich bessere Schutzmechanismen als bei Erdgasbetrieb nachweisen.
Hintergrund zum Forschungsprojekt
Zum Abschluss des Leittechnologieprojekts des Forschungsnetzwerks Mittelstand (IGF) "TTgoesH2 – Integration von Wasserstoff als klimaneutraler Energieträger in die industrielle und gewerbliche Thermoprozesstechnik" kommen Vertreter von über 40 Unternehmen an der TU Freiberg zusammen, die in den vergangenen 3 Jahren aktiv am projektbegleitenden Ausschuss teilgenommen und zur Entwicklung innovativer Wasserstofftechnologien im Hochtemperaturbereich beigetragen haben. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz förderte das Projekt mit insgesamt 1.500.000 Euro.
Folgende Forschungseinrichtungen waren beteiligt: TU Bergakademie Freiberg, Professur für Gas- und Wärmetechnische Anlagen (Koordination), DBI – Gastechnologisches Institut gGmbH Freiberg, RWTH Aachen, Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik, Gas- und Wärme-Institut Essen e.V., Universität Duisburg-Essen, Institut für Verbrennung und Gasdynamik, Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien.
Fragen beantwortet: Hartmut [dot] Krause [at] iwtt [dot] tu-freiberg [dot] de (Prof. Hartmut Krause)