Zukunftscluster Wasserstoff - Abschlussbericht zum Projekt HyInnoBurn

Abstract

Im Rahmen des Projekts bringt Kueppers Solutions seine Expertise als Brennerhersteller mit Fokus auf die additive Fertigung von Hochleistungsbrennersystemen ein. Für die experimentellen und konstruktiven Arbeiten dient der bestehende 150-kW-RooN-Brenner als technologische Ausgangsbasis. Die in Serie eingesetzte Mischeinheit aus Inconel 625 wird im Projekt zunächst in Inconel 718 realisiert, da aufgrund der projektinternen Prüfstandbedingungen keine Vorwärmung der Verbrennungsluft vorgesehen ist und die thermischen Anforderungen entsprechend geringer ausfallen. Das Brennersystem wird im Zuge der Projektarbeiten auf eine skalierte 50-kW-Variante angepasst, um gezielte Untersuchungen im Kleinmaßstab unter praxisnahen Bedingungen zu ermöglichen. Die neuentwickelte Mischeinheit basiert auf einem dreikanaligen Konzept, das eine flexible Versorgung mit Erdgas und Wasserstoff erlaubt. Durch die getrennte Ansteuerung der Kanäle (Pilot, Main und H₂) lässt sich sowohl ein klassischer gestufter Erdgasbetrieb als auch ein Übergang bis hin zum reinen Wasserstoffbetrieb realisieren. Die additive Fertigung ermöglicht hierbei die Realisierung komplexer Kanalstrukturen, die auf die jeweilige Reaktionskinetik der Brennstoffe abgestimmt sind. Für Wasserstoff werden gezielt kürzere Einspeisewege und höhere Strömungsgeschwindigkeiten vorgesehen, um einer lokalen Überhitzung sowie Rückzündung entgegenzuwirken. Die praktische Erprobung erfolgt zunächst am unternehmensinternen Prüfstand in einem Strahlrohr bei mittleren Wandtemperaturen von ca. 920 °C. Anschließend wurde der Prototyp an der Prüfstandsinfrastruktur des Gas- und Wärme-Instituts Essen e. V. (GWI) unter atmosphärischen Bedingungen getestet. Die Ergebnisse belegen, dass durch geeignete Brennstoffstufung, eine angepasste Geometrie der Mischelemente sowie die gezielte Integration eines separaten Wasserstoffkanals eine deutliche Reduktion der NOₓ-Emissionen erzielt werden kann. Besonders im Erdgasbetrieb lässt sich die Rußbildung weitgehend vermeiden. Bei höheren Wasserstoffanteilen zeigen sich erwartungsgemäß thermische Herausforderungen, die jedoch durch strömungstechnische Optimierungen kompensiert werden. Begleitende CFD-Simulationen (RANS und LES) liefern wertvolle Erkenntnisse zur Flammenstruktur, zur Gemischbildung sowie zur NOₓ-Entstehung in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung. Die höhere Diffusität von Wasserstoff führt zu einer kompakten, heißeren Flammenstruktur, die in der Brennerentwicklung gezielt berücksichtigt wird. Die gewonnenen Erkenntnisse fließen unmittelbar in die geometrische Weiterentwicklung der Mischeinheit ein. Ein zusätzliches Ergebnis stellt die experimentelle Untersuchung der Druckverluste an der additiv gefertigten Mischeinheit dar. Die Messungen zeigen, dass sich die strömungstechnischen Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Erdgas-Mischeinheiten nicht signifikant unterscheiden. Dies bestätigt die Fertigungsqualität und die Praxistauglichkeit des neuen Designs. Aus Sicht von Kueppers Solutions unterstreicht das Projekt die Bedeutung der additiven Fertigung für die Entwicklung emissionsarmer, wasserstofffähiger Industriebrenner. Die Kombination aus simulativer Auslegung, strömungstechnischer Optimierung und werkstoffgerechtem Design zeigt ein hohes Potenzial für den industriellen Einsatz – insbesondere in energieintensiven Prozessen, bei denen stabile Flammenführung und niedrige Emissionen gleichermaßen gefordert sind.