TTgoesH2: IGF Leittechnologie — Integration von Wasserstoff als klimaneutraler Energieträger in die industrielle und gewerbliche Thermoprozesstechnik

Das über­ge­ord­ne­te Pro­jekt “TTgoesH2” ist in fol­gen­de Sub­pro­jek­te unterteilt:

1. Ent­wick­lung ultra-emis­si­ons­ar­mer Ver­bren­nungs­sys­te­me für Ther­mo­pro­zess­an­la­gen mit Was­ser­stoff­ein­satz (ULoB­urn)
2. Indus­tri­el­le Ver­bren­nungs­re­ge­lun­gen für hohe vola­ti­le Was­ser­stoff­an­tei­le auf Basis von Flam­men­si­gna­len (Gre­Co­Con)
3. Inno­va­ti­ve Werk­stoff­kon­zep­te für den Ein­satz in Was­ser­stoff und des­sen Ver­bren­nungs­pro­duk­ten: Feu­er­fest­ma­te­ria­li­en, Stäh­le, Kera­mi­ken für Ther­mo­pro­zess­an­la­gen (Res­In­Ma)

Das IOB ist an den Teil­pro­jek­ten ULoB­urn und Res­In­Ma unmit­tel­bar beteiligt.

Teilprojekt 1 – ULoBurn

Im Rah­men der Ener­gie­wen­de wird in Deutsch­land ange­strebt, ver­mehrt aus rege­ne­ra­ti­ven Quel­len erzeug­ten Was­ser­stoff in die Gas­trans­port­net­ze ein­zu­brin­gen. Mit erhöh­tem Was­ser­stoff­an­teil ver­än­dert sich die Gas­be­schaf­fen­heit. Für die Bran­che der Ther­mo­pro­zess­tech­nik, die vor­ran­gig gas­för­mi­ge Brenn­stof­fe nutzt, sind damit beson­de­re Her­aus­for­de­run­gen ver­bun­den. Es wer­den Kon­zep­te für Ver­bren­nungs­sys­te­me benö­tigt, die unter ver­än­der­li­cher Brenn­stoff­zu­sam­men­set­zung, aber auch bei der Nut­zung von rei­nem Was­ser­stoff gerin­ge Schad­stoff­emis­sio­nen garan­tie­ren. Gera­de in Bezug auf NO_x-Emis­sio­nen ist in den nächs­ten Jah­ren mit einer zuneh­men­den Ver­schär­fung der Grenz­wer­te zu rech­nen. Zahl­rei­che phy­si­ka­li­sche und che­mi­sche Eigen­schaf­ten von Was­ser­stoff wei­chen deut­lich von denen von Erd­gas ab. Die­se Tat­sa­che hat gra­vie­ren­de Aus­wir­kun­gen auf die Aus­le­gung und Ent­wick­lung von Bren­nern, Ther­mo­pro­zess­an­la­gen und deren Peri­phe­rie. Im Bereich der Nut­zung alter­na­ti­ver Brenn­stof­fe wie Was­ser­stoff ver­fü­gen die KMU der Bran­che noch kaum über Erfah­run­gen, da es bis­lang nur ver­ein­zelt der­ar­ti­ge Anla­gen gibt. Im Hin­blick auf die Ent­wick­lung ultra-emis­si­ons­ar­mer Ver­bren­nungs­sys­te­me für Ther­mo­pro­zess­an­la­gen von mor­gen, ist die­ses Wis­sen jedoch essen­zi­ell. Im Rah­men des Vor­ha­bens sol­len Kon­zep­te und Emp­feh­lun­gen erar­bei­tet und vali­diert wer­den, mit denen ein siche­rer und wirt­schaft­li­cher Betrieb von Ther­mo­pro­zess­an­la­gen unter Ein­fluss von Was­ser­stoff im Brenn­gas mög­lich ist.

Teilprojekt 2 – GreCoCon

In vie­len indus­tri­el­len Hoch­tem­pe­ra­tur­pro­zes­sen ist die Bereit­stel­lung von Pro­zess­wär­me durch tech­ni­sche Ver­bren­nungs­pro­zes­se nach wie vor unver­zicht­bar. Im Zuge ste­tig ver­schärf­ter Emis­si­ons­grenz­wer­te wer­den, aus­ge­hend von Groß­an­la­gen, nun auch zuneh­mend an klei­ne­ren Öfen Ver­bren­nungs­re­ge­lungs­sys­te­me instal­liert, wel­che das Ver­hält­nis von Ver­bren­nungs­luft und Brenn­gas anhand der Abgas­zu­sam­men­set­zung nach dem Pro­zess regeln, wobei der Kon­takt von Ofen­at­mo­sphä­re und Pro­dukt bereits erfolgt ist. An indus­tri­el­len Groß­feue­rungs­an­la­gen mit sen­si­blen Pro­zes­sen (z. B. Glas, Kera­mik) wer­den mög­li­che Schwan­kun­gen der Gas­be­schaf­fen­heit bereits vor dem Pro­zess auf Basis einer kost­spie­li­gen Ana­ly­se des Brenn­ga­ses detek­tiert. Die­se Pro­ble­ma­tik ver­schärft sich noch mehr, wenn zukünf­tig deut­lich höhe­re Schwan­kun­gen der Gas­be­schaf­fen­heit auf­tre­ten. Bereits heu­te kön­nen Beschaf­fen­heits­schwan­kun­gen im Erd­gas auf­tre­ten, wel­che in eini­gen Anla­gen­grup­pen zu Schwie­rig­kei­ten im Ver­bren­nungs­pro­zess füh­ren kön­nen, da das Ver­bren­nungs­luft­ver­hält­nis nicht nach­ge­re­gelt wer­den kann. Mit einer zusätz­li­chen Ein­spei­sung von hohen vola­ti­len Antei­len Was­ser­stoff ändern sich die Ver­bren­nungs­ei­gen­schaf­ten deut­lich stär­ker und machen es unab­ding­bar, zukünf­tig erheb­lich mehr Regel­tech­nik in Ver­bren­nungs­pro­zes­sen zu nut­zen. Hier muss der Fokus auf kos­ten­güns­ti­gen und zuver­läs­si­gen Sys­te­men lie­gen, die für die Viel­zahl von Anla­gen­ty­pen vor allem für KMU zur Ver­fü­gung ste­hen. Der­zeit gibt es kei­ne Ver­fah­ren am Markt, wel­che eine ein­fa­che, kos­ten­güns­ti­ge Ver­bren­nungs­reg­lung zur Reak­ti­on auf Gas­be­schaf­fen­heits­schwan­kun­gen vor oder nahe am Ver­bren­nungs­pro­zes­ses rea­li­sie­ren, ins­be­son­de­re vor dem Hin­ter­grund einer zukünf­ti­gen Was­ser­stoff­ein­spei­sung in das Erdgasnetz

For­schungs­ziel ist daher die Ent­wick­lung von kos­ten­güns­ti­gen, schnel­len Rege­lungs­sys­te­men für das Brenn­stoff-Luft-Ver­hält­nis auf Basis opti­scher Signa­le der Flam­me, wie zum Bei­spiel der UV-Strah­lungs­in­ten­si­tät und dem Flammenabheben.

Teilprojekt 3 – ResInMa

In abseh­ba­rer Zukunft wird der Ein­satz von Was­ser­stoff für die Pro­zess­wär­me­er­zeu­gung nahe­zu alle Betrie­be des fer­ti­gen­den Gewer­bes betref­fen. Eine recht­zei­ti­ge Vor­be­rei­tung von Bestands­an­la­gen und die Ent­wick­lung von opti­mier­ten neu­en Anla­gen ist daher wirt­schaft­lich sinn­voll und notwendig.

Die Aus­wir­kun­gen von Was­ser­stoff und Was­ser­dampf in der Ofen­at­mo­sphä­re und in Ofen­bau­tei­len sind bereits für eini­ge Werk­stof­fe im Ofen­bau unter­sucht wor­den. Bei hohen Tem­pe­ra­tu­ren wer­den sili­kat­ba­sier­te Werk­stof­fe unter Was­ser­stoff- und Was­ser­dampf­at­mo­sphä­ren zer­setzt. Der Vor­gang ist dabei von der Tem­pe­ra­tur und den Par­ti­al­d­rü­cken von Was­ser­stoff, respek­ti­ve Was­ser­dampf, abhän­gig. Die Schä­di­gungs­me­cha­nis­men sind wei­test­ge­hend bekannt und unter­sucht. In bestehen­den Anla­gen und Anla­gen­kon­zep­ten wur­de die­sen Schä­di­gungs­me­cha­nis­men ent­spre­chend den bis­he­ri­gen Brenn­gas­zu­sam­men­set­zun­gen Rech­nung getra­gen bzw. konn­ten die Aus­wir­kun­gen, weil mar­gi­nal, wei­test­ge­hend igno­riert wer­den. Durch den Ein­satz von rei­nem Was­ser­stoff als Brenn­gas oder Brenn­gas­bei­mi­schung sind die­se Kon­zep­te nicht mehr aus­rei­chend, um eine hohe Anla­gen­le­bens­dau­er zu garan­tie­ren, da die Par­ti­al­d­rü­cke von Was­ser­stoff und Was­ser­dampf stei­gen. Das Pro­blem wird durch die Anrei­che­rung der Ver­bren­nungs­luft mit Sau­er­stoff noch verstärkt.

In der Bran­che täti­ge Fir­men sind in bei­den Fäl­len mit meh­re­ren Unbe­kann­ten konfrontiert:

• Aus­wir­kun­gen der Was­ser­stoff- und Sau­er­stoff­bei­mi­schung auf den Bren­ner­be­trieb (Flam­men­län­ge, Flam­men­tem­pe­ra­tur, Flammengeschwindigkeit)
• Aus­wir­kun­gen auf die Ofen­at­mo­sphä­re (Abgas­tem­pe­ra­tur, ‑zusam­men­set­zung und ‑geschwin­dig­keit, Tau­punkt­tem­pe­ra­tur) und die Feuerfestzustellung.

Die Kennt­nis die­ser Unbe­kann­ten ist not­wen­dig, um Aus­wir­kun­gen auf Werk­stof­fe abschät­zen und geeig­ne­te Gegen­maß­nah­men ent­wi­ckeln zu kön­nen. Erschwe­rend kommt hin­zu, dass durch zu erwar­ten­de Schwan­kun­gen in der Gas­be­schaf­fen­heit auch die Pro­zess­be­din­gun­gen Schwan­kun­gen unterliegen.