08.09.2021

Die Industrie soll zukünftig vermehrt CO2-neutrale Gase als Energieträger einsetzen. Forschende entwickeln dazu ein innovatives Brennersystem, das sich im laufenden Betrieb an unterschiedliche Gase anpassen lässt. Damit ist BrEEGa das zweite Forschungsprojekt der Technologieoffensive Wasserstoff.

Im Zuge der Energiewende muss die Industrie künftig CO2 einsparen. Eine Herausforderung ist das vor allem bei energieintensiven Prozessen, da diese oft noch auf fossile Energieträger wie Erdgas oder Kohle angewiesen sind. Eine Alternative könnten regenerativ hergestellte Gase wie grüner Wasserstoff oder Prozessgase sein. Herkömmliche Verbrennungsanlagen sind jedoch nur auf einen bestimmten Brennstoff ausgerichtet und können variierende Gase oder Gasgemische nicht verarbeiten.

Industrieprozesse deutlich emissionsärmer machen

Hier will das Team des Forschungsprojekts BrEEGa ansetzen und einen innovativen Brenner entwickeln. Dieser soll verschiedene, insbesondere erneuerbare Gase nutzen können und sich im laufenden Betrieb flexibel anpassen lassen. Durch eine optimale Strömungsführung, Flammenausbildung und Luftzufuhr verbraucht der Brenner deutlich weniger Energie als herkömmliche Systeme: Bezogen auf alle in Frage kommenden Anlagen in Deutschland, geht das Projektteam hier von jährlichen Einsparungen um rund 8.000 Gigawattstunden (GWh) aufwärts aus. Das entspricht der Energiemenge, die rund zwei Millionen Zweipersonenhaushalte in einem Jahr verbrauchen. Die Forschenden in BrEEGa haben zudem berechnet, dass Industrieunternehmen in Deutschland ihre CO2-Emmissionen jährlich um rund 2,42 Millionen Tonnen senken könnten, wenn die innovativen Brenner für 30 Prozent der bereitgestellten Energie verwendet würden. Dies liegt zum einen an der gesteigerten Effizienz der Brennersysteme, zum anderen daran, dass mit ihnen vermehrt erneuerbare Gase anstatt Erdgas nutzbar sind.

Wasserstoff und erneuerbare Gase flexibel einsetzen

Die Besonderheit am innovativen Brennersystem aus BrEEGa wird sein, dass sich dieses im laufenden Betrieb flexibel an die verschiedenen Gase anpassen lässt.

Verschiedene Gase: Warum eine flexible Brennertechnik notwendig ist

Ein Brenner, der verschiedene Gase als Energieträger nutzen kann, muss einer entscheidenden Herausforderung begegnen: Unterschiedliche Gase haben unterschiedliche verbrennungstechnische Eigenschaften. Wasserstoff hat beispielsweise einen deutlich niedrigeren Heizwert als Methan. Um trotzdem eine konstante Brennerleistung zu erreichen, muss dieser Unterschied über den Volumenstrom, also über die Menge des zugeführten Gases, kompensiert werden. Ähnlich unterschiedlich ist der Luftbedarf der beiden Gase. Bei einer Brennerleistung von 100 Kilowatt (kW) fallen für die Verbrennung von Wasserstoff rund 17 Prozent weniger Luft an als für die von Methan. Entsprechend gilt es, das Verhältnis von Brennstoff zu Verbrennungsluft anzupassen.

Um diese Veränderungen auch im laufenden Betrieb vornehmen zu können, sollen im BrEEGa-Brenner flexible Düsen zum Einsatz kommen. Sie regeln die Brenngas- und Luftzufuhr und können jeweils auf das Gas abgestimmte Bedingungen schaffen. Der Regelbereich der Brennerleistung soll so deutlich höher liegen als es bei vergleichbaren Anlagen üblich ist. Das steigert die Energieeffizienz im Brennerprozess erheblich.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Brennern, die nur für einen bestimmten Brennstoff optimiert sind, könnten hiermit unterschiedliche regenerative Gase sowie Prozessgase aus der Industrie in ein und derselben Anlage genutzt werden. Die individuell abgestimmten Verhältnisse im Brenner sollen dazu führen, die Gase besonders effizient zu verbrennen und so Energie einzusparen. Als das zweite Forschungsprojekt der Technologieoffensive Wasserstoff betrachten die Forschenden in BrEEGa dabei insbesondere grünen Wasserstoff. (industrie-energieforschung.de berichtete bereits über das erste Forschungsprojekt in der Technologieoffensive Wasserstoff : OptiLBO)

Wasserstoff-Erdgas-Gemische schadstoffarm verbrennen

Das Projektteam arbeitet jedoch nicht nur daran, den innovativen Brenner technisch umsetzen zu können. Zusätzlich untersuchen die Forschenden, wie sich die alternativen Gase in Industrieöfen verhalten und wie Schadstoff-Grenzwerte eingehalten werden können.

Wie wird Gas aus erneuerbaren Energien hergestellt?

Gase aus erneuerbaren Quellen können mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Gemeinsam haben sie alle, dass die dazu genutzte Energie regenerativ ist.

So beispielsweise Wasserstoff, der für die chemische Industrie und weitere große Abnehmer wichtig ist. Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser mittels elektrischen Stroms in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Stammt der genutzte Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Photovoltaik-Anlagen, ist dieses Verfahren CO2-neutral.

Ein weiteres Beispiel ist Biogas: In Biogasanlagen werden organische Abfälle wie Pflanzenabfälle oder Mist zersetzt. Das so entstandene Rohgas enthält hauptsächlich Methan und Kohlenstoffdioxid. Dieses kann entweder direkt verwendet oder zu Biomethan weiterverarbeitet werden, welches dann ins Erdgasnetz eingespeist wird.

Auch synthetisches Erdgas kann aus erneuerbaren Quellen gewonnen werden: In einem sogenannten Methanisierungsverfahren aus Wasserstoff und Kohlendioxid. Wenn der Wasserstoff per Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt wurde und das CO2 aus einer Biogasanlage stammt, kommt auch dieses Gas ohne fossile Grundstoffe aus.

Neben Wasserstoff, Ammoniak und Rohbiogas betrachten sie auch erneuerbar erzeugtes und im Gasnetz gespeichertes Methan sowie ausgewählte Prozessgase der Industrie. Das flexible Brennersystem soll ebenfalls in der Lage sein, ein Gemisch aus Erdgas und Wasserstoff schadstoffarm zu verbrennen. Somit könnte der Brenner auch mit einem steigenden Wasserstoffanteil im Erdgasnetz umgehen.

Im Forschungsprojekt BrEEGa arbeiten das Gas und Wärme-Institut Essen und der Industriebrenner-Hersteller Friedrich Ley als Projektpartner zusammen. (ks)

Eine schematische Darstellung der Brenner-Düsen für BrEEGa ist zu sehen.
© GWI und Fried. Ley
Flexible Düsen sollen die Brenngas- und Luftzufuhr regeln und so jeweils auf das Gas abgestimmte Bedingungen schaffen.
Das Düsenkonzept von BrEEGa ist im Heißbetrieb zu sehen.
© GWI und Fried. Ley
Buntes Farbspektakel: Das Düsenkonzept von BrEEGa ist nicht nur technisch eine Besonderheit, auch im Heißbetrieb sieht es beeindruckend aus.

BrEEGa: Entwicklung eines innovativen Brennersystems zur Einsparung von fossilem CO2 durch die flexible Nutzung von Gasen erneuerbaren Ursprungs und Prozessgasen der Industrie

För­der­kenn­zei­chen: 03EN2070

Projektlaufzeit
01.09.2021 31.08.2024 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Energiesparende Industrieverfahren — Industrieöfen

För­der­sum­me: rund 1,37 Millionen Euro

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BrEEGa ist das zweite Forschungsprojekt der Technologieoffensive Wasserstoff.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert in diesem Rahmen innovative Wasserstofftechnologien und trägt so dazu bei, die Nationale Wasserstoffstrategie der Bundesregierung umzusetzen.

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