Nachhaltigere Technologie durch 3D-Druck? Ein Brennerproduzent zeigt, wie es geht

Ein Trend geht um in der Prozessindustrie: Der 3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung. 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 – Ausstellerin auf der Thermprocess 2023 – hat mit dem iRecu den ersten per 3D-Druck hergestellten Serienbrenner der Welt entwickelt. Dafür gewann sie 2022 den Innovationspreis für Klima und Umwelt in der Kategorie "Produkt- und Dienstleistungsinnovationen für den Klimaschutz". Wie der Rekuperationsbrenner funktioniert und welche Vorteile der 3D-Druck bei seiner Fertigung bietet – eine Zusammenfassung.

Seit 2017 legt das 1875 unter dem Namen Küppersbusch gegründete Unternehmen einen Fokus auf die Entwicklung neuer Konzepte zur Emissionsreduktion und Prozessoptimierung. Konkret geht es um die Senkung von Stickoxiden und CO2, die Nutzung von Wasserstoff in Brennersystemen, Wärmerückgewinnung und die CFD-Simulation thermischer Prozesse

Darüber hinaus hat Küppers Solution die Wertschöpfungskette größtenteils digitalisiert. In Kombination mit der additiven Fertigung metallischer und keramischer Hochtemperaturbauteile kann der Hersteller aus dem Ruhrgebiet so Brenner entwickeln, die auf die Prozessgegebenheiten seiner Kunden abgestimmt sind. Nachhaltigkeit, Digitalisierung und Energieeffizienz durch 3D-Druck– der iRecu vereint es in einem Produkt.

3D-Druck erlaubt 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 %.

3D-Druck und Digitalisierung gehen Hand in Hand

Wie genau sieht nun der Weg zum fertigen Produkt aus? An erster Stelle stehen Auslegung und Konstruktion des Rekuperators samt der dazugehörigen Mischeinheit mit Hilfe unterschiedlicher CAD-Tools. Sämtliche Komponenten werden dabei unter Einsatz einer Strömungssimulationssoftware analysiert und optimiert. Darauf folgt die fertigungstechnische Optimierung. Sie bereitet die additive Fertigung mit CAD- und Slicer-Software vor. Daraufhin implementieren die Ingenieure ihr CAD-Modell und drucken die Komponenten mit einem 3D-Drucker aus. Die abschließende Montage von Rekuperator und Mischeinheit ist der einzige Produktionsschritt, der auf konventionellem Wege – mit der Hand – erfolgt.

Eine Besonderheit des 3D-Drucks, die auf den ersten Blick paradox erscheint. Seine Produkte sind „Custom-Made", aber seriengefertigt. Wie kann etwas Individuelles in Serie gefertigt werden? Die Antwort liegt in den Freiheitsgraden des digitalisierten 3D-Druck-Verfahren. Kueppers Solutions kann den iRecu mit Hilfe von CFD-Simulationen für jeden Prozess bzw. Kunden individuell auslegen, bevor der Druck beginnt. Die Serienfertigung wird also immer wieder neu konfiguriert, um 'Individuen in Serie' herzustellen.

Fazit: Aufgrund der hohen Freiheitsgrade des 3D-Drucks muss die Wertschöpfungskette größtenteils digitalisiert sein. Dies erfordert allein schon die Komplexität der Brenner-Geometrie, die vor dem Druck einen hohen Konstruktions- und Simulationsaufwand mit sich bringt. 3D-Druck erlaubt ein effizienteres und flexibles Produktdesign, was Kosten und Zeitaufwand reduziert. Ohne eine digitale Infrastruktur ist er aber nicht umsetzbar.

Wasserstoffnutzung möglich

Ein weiterer Vorteil des iRecu: Durch seine eigens entwickelte Dual-Fuel-Mischeinheit kann er im Hybridbetrieb mit 100 % Wasserstoff oder 100 % Erdgas betrieben werden. 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.

Drei Schritte zur CO2-Neutralität

Küppers Solutions hat drei Schritte formuliert, mit denen das Unternehmen CO2-neutral werden will. Der erste ist bereits in vollem Gange: Noch ist kein grüner Wasserstoff verfügbar, weshalb der einzige Weg zur Verringerung der Emissionen in der Steigerung der Effizienz liegt. Die im 3D-Druck generierte Bauweise des iRecu erlaubt dabei schon eine Reduktion des eingesetzten Brennstoffes um 50 %, was mit einer analogen Reduktion der Emissionen einhergeht.

Sobald grüner Wasserstoff in begrenzten Mengen verfügbar ist, beginnt Schritt zwei, der Hybridbetrieb. Auf ihn ist der mit beiden Gasen betreibbare iRecu bereits ausgelegt. Und im dritten, voraussichtlich ab 2030 erreichbaren Schritt, kann 100 % grüner Wasserstoff genutzt werden – sofern er bis dahin in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht.

CO2-Einsparungen im Millionenbereich

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“, kommentierte die Jury.

Treffen Sie Küppers Solution auf der Thermprocess! Vom 12. Bis 19. Juni erwartet Sie das Unternehmen in Halle 9 / C72. Hier können Sie sich über weitere Neuheiten der Gelsenkirchener informieren und den iRecu mit eigenen Augen sehen.