Schlussbericht zum Verbundvorhaben: "Optimierte Produktionsprozesse zur Verringerung des CO2-Abdruckes im Druckgießprozess mit Sekundär-Aluminium (OptiProGRessAl)"

Abstract

Es konnte durch die Forschungsergebnisse der neo hydrogen sensors GmbH gezeigt werden, dass Katalysatoren, basierend auf PEO plus Sputterverfahren, sowie auf Basis von pulvermetallurgisch hergestellten Oxidkeramiken für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen geeignet sind. Die für die Verwendung in der Gießerei entwickelten "Zero Emission"-Wasserstoffbrenner erreichen bzw. überschreiten die vorgebenen Zielwerte, wie Temperatur (700°C) und thermische Leistung (110kW). Ein Einsatz beim Aluminium-Metallschmelzen konnte erfolgreich umgesetzt werden. Es wurden verschiedene Ansätze untersucht:

Ein angedachter Rekuperatorbrenner wurde aufgrund dafür nicht geeigneter Schmelztigel verworfen, dafür müsste ein Wärmetauscher auf der Abluftseite des Schmelztigel ermöglicht werden, was nicht umzusetzen war.

Eine mehrstufige Eindüsung von Wasserstoff hat sich im Projekt bewährt, auch weil verschiedene Katalysatortypen bei verschiedenen Temperaturen in Serienschaltung verwendet wurden. Nach Abstimmung des Anforderungskatalogs (Zieltemperatur zunächst 700°C, Wert später im Projektverlauf auf 850°C erhöht, Leistung 110kW) wurden zunächst Untersuchungen verschiedener Oxide als Trägermaterial für den Co-Katalysator durchgeführt, dabei wurden für die beiden Katalysatorstufen sowohl plasmaanodisch hergestelltes, nanostrukturiertes Titanoxid (Bezeichnung TiOx) , sowie auch verschiedene pulvermetallurgisch hergestellte Oxidkeramiken (Bezeichnung im Bericht: Keramik oder Oxidkeramik) untersucht. Als am besten geeignete Keramik für die Zieltemperatur stellte sich im Projektverlauf SiC/SiO heraus, wobei besonders die thermische Stabilität entscheidend für die Auswahl war. Je nach Anforderung konnte so für die jeweiligen Katalystorstufe ein passendes Trägermaterial gefunden werden. Das Konzept der mehrstufigen Wasserstoff Eindüsung erreichte schon recht früh im Projekt im kleinem Maßstab die gewünschte Zieltemperatur, es wurden dort nach einigen Anpassungen 850°C erreicht. In der ersten Katalysatorstufe wurde mittels TiOx Katalysator ein schneller, zuverlässiger Start des mehrstufigen Systems erreicht. Um eine Langzeitstabilität zu erreichen, wurden Oxidkeramiken in der zweiten Temperaturstufe verwendet. Die Leistung des Katalysators wurde von 1,6 auf zunächst 34kW und final auf 110kW erhöht. Da Temperaturen über der Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff vorlagenen und in der zweiten Katalysatorstufe eine lokal begrenzte Flamme nahe der Katalysatoroberfläche mittel UV-Detektor gemessen wurde, ist die Abgrenzung zur heißen Flammverbrennung im wesentlichen durch die geringeren Abgastemperaturen und ein sehr mageres Brennstoffgemisch gegeben. Dadurch bedingt werden kaum NOx Emissionen erzeugt. Mit dem Konzept konnte Aluminium geschmolzen und im Gießversuch erfolgreich verwendet werden.

Die heiße Verbrennung von Wasserstoff bei über 2000°C Flammtemperatur wurde erfolgreich umgesetzt und untersucht, aber Aufgrund der Nachteile der hohen Flammtemperatur nicht im finalen Brennersystem genutzt. Zur Betrachtung der heißen Verbrennung mit offener Flamme wurden zunächst die Wasserstoffflammen untersucht. Dabei stellte sich die hohe Flammausbreitungsgeschwindigkeit als "störend" heraus, da es dort bei einer Zündung immer zu einem Knall kam. Die dort vorhandene Sicherheitstechnik aus dem Bereich Erdgasbrenner (Ionisationssonde) war mit Wasserstoff nah an ihrer Funktionsgrenze, die vorhandene Regelstrecke nur bedingt für den Betrieb mit Wasserstoff geeignet. Das Konzept der heißen Verbrennung wurde aus Sicherheits- und Kostengründen verworfen.