Neue Technologien eröffnen neue Möglichkeiten: Die additive Fertigung für Serienbauteile wird in der Thermoprozesstechnik einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende beisteuern. Die gesamte Wertschöpfungskette des Rekuperatorbrenners iRecu^® – von der Erstellung des CAD-Modells bis hin zur Herstellung des fertigen Produkts – verläuft 100 % digital und bedeutet maximale Flexibilität. Zudem werden Kosten- und Zeitaufwand verringert. Die digitale Wertschöpfungskette und die Freiheitsgrade des Herstellungsverfahrens ermöglichen es, „Custom-Made-Produkte“ in Serienfertigung anzubieten, die individuell für den Prozess des Kunden ausgelegt sind.

Die effizientere Wärmerückgewinnung bei der Verwendung von fossilen Brennstoffen reduziert die aufzubringende Energie und somit auch die CO2-Emissionen. Betriebskosten können signifikant gesenkt werden. Bei einem Prozess von 1.000 °C, der aktuell ohne vorgewärmte Luft mit Erdgas betrieben wird, bedeutet die Substitution durch unser System eine Energieeinsparung von 40 %.

Als Wärmetauscher werden bereits keramische und metallische Rekuperatoren eingesetzt. Bislang sind dies allerdings einfache Rohre, die zur Oberflächenvergrößerung mit Rippen oder Noppen besetzt werden. Das Optimierungspotential dieser Geometrien ist sehr gering und erfordert innovative Lösungsansätze, um die Effizienz der Wärmerückgewinnung zu steigern und die Energiewende zu beschleunigen.
Der neue, von Kueppers entwickelte Rekuperatorbrenner iRecu^® nutzt als Wärmetauscher eine mathematisch komplexe Struktur: die dreifach-periodische Minimaloberfläche (triply periodic minimal surface, im Folgenden TPMS), die ohne den 3D-Druck nicht herstellbar ist. Mit der Struktur lassen sich in den heute üblichen Baugrößen höhere Wirkungsgrade von 90 % erzielen. Zum Vergleich: Marktübliche Rekuperatorbrenner erreichen einen Wirkungsgrad von ca. 60 %.

Im Bereich der Rekuperatorbrenner sind neben der Effizienz vor allem auch die Stickoxidemissionen eine kritische Größe. Durch die Vorwärmung der Verbrennungsluft läuft die Verbrennungsreaktion insgesamt auf einem deutlich höheren Temperaturniveau ab. Die thermische Stickoxidbildung wird begünstigt. An diesem Punkt setzt Kueppers mit der neu entwickelten, additiv gefertigten Gas-Luft-Mischeinheit an, die trotz hoher Verbrennungslufttemperaturen gesetzliche Grenzwerte deutlich unterschreitet.

Die nationale Wasserstoffstrategie rückt Wasserstoff als regeneratives Brenngas in den Fokus. Aktuelle Brennersysteme müssen angepasst oder ersetzt werden, um die kombinierte Nutzung beider Brenngase zu ermöglichen. Die Dual-Fuel-Mischeinheit ermöglicht es, Erdgas, Wasserstoff oder auch sämtliche Gemische aus beiden Gasen stabil, gesichert und unter Einhaltung der gesetzlichen Emissionsgrenzwerte zu verbrennen, obwohl beide Brenngase sehr unterschiedliche Verbrennungseigenschaften haben. Realisierbar ist eine solche zweikanalige Mischeinheit nur im metallischen 3D-Druck, der über die entsprechenden Fertigungstoleranzen (+- 0,1 mm) und Freiheitsgrade verfügt.

Voraussichtlich werden in diesem Jahr erste Quellen für grünen Wasserstoff verfügbar sein. Die Menge wird jedoch in den nächsten Jahren nicht ausreichen, um sofort auf 100 % Wasserstoff umzustellen. Daher kann mit der Dual-Fuel-Mischeinheit im Hybridbetrieb abwechselnd die Produktion CO2-neutraler (mit Wasserstoff) und klassischer Produkte (mit Erdgas) erfolgen.

In näherer Zukunft ab ca. 2030 wird ausreichend grüner Wasserstoff verfügbar sein, um vom Hybridbetrieb auf eine 100 % CO2-freie Produktion umzustellen. Diese Umstellung ist dann ohne Anlagenumbau möglich. Lediglich der Brennstoffkanal für Erdgas wird an der Anlage außer Betrieb genommen und stillgelegt.

iRecu^® kann fossile und regenerative Brennstoffe einsparen und effizient Prozesswärme erzeugen. Unabhängig von den knappen regenerativen Brennstoffen können wir jetzt schon einen wichtigen Schritt in Richtung Energiewende gehen.
Der CO2-Ausstoss der Thermoprozessindustrie ist allein in Deutschland vergleichbar mit dem der Automobilbranche. Ein großer Markt, der unterschiedliche Branchen betrifft, ist vorhanden. Nahezu alle Prozesse, die eine hohe Temperatur von 600 °C bis 1500 °C benötigen, entwickeln auch entsprechend hochtemperierte Abgase. Dabei geht häufig ein großer Teil an Wärmeenergie verloren, die wir dem Prozess durch den Rekuperator wieder zuführen.