Der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, zeigt sich als Trend in der Prozessindustrie. Mit seiner Hilfe lassen sich die ökologischen Auswirkungen der industriellen Produktion verringern. Das liegt zum einen am niedrigeren Material- und Energieverbrauch, zum anderen an den Möglichkeiten der Individualisierung und Optimierung des Designs. Die Küppers Solutions GmbH aus Gelsenkirchen hat mit dem iRecu den ersten per 3D-Druck hergestellten Serienbrenner entwickelt. Dafür gewann sie 2022 den Innovationspreis für Klima und Umwelt in der Kategorie "Produkt- und Dienstleistungsinnovationen für den Klimaschutz".
Effizienteres Design
Durch die Verwendung neuartiger Wärmetauscher-Strukturen wurde der Wirkungsgrad des Rekuperatorbrenners – gemessen an der relativen Luftvorwärmung – von den marktüblichen 60 % auf bis zu 90 % erhöht. Die Strukturen wären ohne 3D-Druck nicht darstellbar. Mit anderen Worten ermöglicht die additive Herstellungsweise erst den Aufbau des Brenners und damit seine erhöhte Performance.
Die Geräte beruhen geometrisch auf der der sogenannten TPMS-Struktur (triply periodic minimal surfaces). Die dreifach-periodische Minimaloberfläche optimiert die Strömungsführung, was geringere Druckverluste und eine verbesserte Wärmeübertragung innerhalb des Rekuperators zur Folge hat. Aufgrund ihrer Komplexität kann die Struktur nur digital modelliert werden.
Ein Beispiel für die Effizienz des iRecus: Bei einer Temperatur von 1.000 °C erreichen herkömmliche Rekuperatoren heute relative Luftvorwärmungen von 60 %, was einer Verbrennungslufttemperatur von 600 °C entspricht. Im gleichen Prozess erzielt der iRecu eine Verbrennungslufttemperatur von 900 °C. Das bedeutet eine zusätzliche Energieeinsparung von 10 %.
Mögliche Nutzung von Wasserstoff
Ein weiterer Vorteil des iRecu ist seine eigens entwickelte Dual-Fuel-Mischeinheit, wodurch er im Hybridbetrieb mit 100 % Wasserstoff oder 100 % Erdgas betrieben werden kann. Hierzu braucht es keine kostenintensive Umrüstung der Anlage.
Allerdings stellt sich bei der der Verbrennung von Wasserstoff in Rekuperatorbrennern eine besondere Herausforderung: Wasserstoff erzeugt Stickoxidemissionen. Denn durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft und der höheren Reaktivität von Wasserstoff läuft die Verbrennungsreaktion insgesamt auf einem deutlich höheren Temperaturniveau ab als bei Erdgas. Dies begünstigt thermische Stickoxidbildung
Dem Problem wirkt der iRecu mit seiner mehrkanaligen Mischeinheit entgegen: Die Verbrennungsbereiche sind hier so ausgelegt, dass das jeweilige Brenngas optimal verbrennen kann. So wird das Gerät den unterschiedlichen Brenneigenschaften von Erdgas und Wasserstoff gerecht, während die Stickoxidemissionen minimal bleiben.
Große CO2-Einsparungen
Diese Vorzüge waren es wohl, die die Jury unter Leitung von Prof. Ottmar Edenhofer bei der Vergabe des Deutschen Innovationspreises für Klima und Umwelt 2022 überzeugten. Unter 150 Bewerbern wurde Küppers Solution hierzu einem der 21 nominierten Finalisten erklärt.
„Die Kueppers Solutions GmbH bietet mit dem iRecu den weltweit ersten im 3D-Druck hergestellten Serienbrenner mit optimierter Wärmerückgewinnung an. Schon vor der Verfügbarkeit grüner Brennstoffe können so in industriellen Thermoprozessanlagen 2,2 Mio. t CO2 eingespart werden, im nächsten Schritt mit grünem Wasserstoff über die zweikanalige Gasmischeinheit weitere 13 Mio. t pro Jahr“, erklärte die Jury.
