Weniger Emissionen dank 3D-Drucker: Wasserstoff wird umweltfreundlicher
Die Bedeutung von Wasserstoff hat zugenommen. Allerdings entstehen bei seiner Verbrennung viele Stickoxide. Einer Forschergruppe gelang nun der Durchbruch: Sie stellte eine spezielle Brennkammer her, mit der sich Kosten einsparen und Emissionen deutlich senken lassen.
Forschenden gelang es erstmals, im additiven Laser Powder Bed Fusion-Verfahren Teile einer besonderen Brennkammer für Wasserstoff herzustellen.
Foto: Fraunhofer IPT
Hätten Sie das gewusst? Bei der Verbrennung von Wasserstoff entstehen mehr Stickoxide als bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Dabei gilt doch der Energieträger Wasserstoff als Geheimwaffe gegen den Klimawandel. Ausgerechnet dieser Energieträger besitzt eine nicht ganz so reine Weste hinsichtlich seiner Ökobilanz. Deshalb beschäftigen sich zahlreiche Forschende damit, diese Bilanz zu verbessern. Eine Lösung haben nun diese Partner gefunden: FH Aachen, das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologien IPT und die Präwest Präzisionswerkstätten GmbH & Co. KG.
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Die Basis der Idee ist ein besonderes Design einer Wasserstoff-Brennkammer sowie das spezielle MicroMix-Brennverfahren (MMX), das von Harald Funke, Professor am Fachbereich Luft- und Raumfahrttechnik der FH Aachen entwickelt worden ist. Ein herkömmliches Brennverfahren setzt in der Regel auf wenige und dafür große Flammen. Beim MMX kommen dagegen sehr viele und vor allem kleine Flammen zum Einsatz. Die Forschenden haben bei dem Design der Brennkammer besonders darauf geachtet, dass sich das Gas darin optimal mit der Luft, die zugeführt wird, vermischen kann. Denn genau dadurch entstehen bei der Verbrennung von Wasserstoff erheblich weniger Stickoxide. Die kleinen Flammen weisen in der Regel keinen hohen Flammenrückschlag aus. Deshalb ist es möglich, diese Kammern nicht nur für stationäre Gasturbinen, sondern auch für Anwendungen zum Beispiel in der Luftfahrt zu verwenden.
Spezielle Anforderungen an Wasserstoff-Brennkammer aus 3D-Drucker
Einen Haken gab es zusätzlich noch beim MMX-Brennverfahren: Es sei relativ schwierig, die dafür notwendigen Brennkammern herzustellen. Das liege vor allem daran, dass nur sehr geringe Fertigungstoleranzen erlaubt sind. Die Grundvoraussetzung des Betriebs einer Brennkammer mit flüchtigem Wasserstoff sei vor allem: Das System müsse dauerhaft dicht bleiben. Da in der Kammer ein besonderes Strömungsverhalten notwendig sei, wären die Ansprüche an alle Funktionselemente, die in der Kammer verbaut sind, sehr hoch. Zum Beispiel müssten Luftleitbleche sehr präzise zueinander ausgerichtet sein. Stellt man solche Bauteile durch das sogenannte subtraktive Fertigungsverfahren her, also zum Beispiel mittels Fräsen und Bohren, werden sie extrem teuer.
Die Projektpartner versuchten deshalb, ihren Prototypen per additivem Verfahren herzustellen, genauer gesagt mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Dabei kann die Brennkammer aus einem Metallpulver hergestellt werden. Das funktioniert so: In einem Pulverbett wird durch Mikroschweißen die Querschnittfläche des Bauteils Schicht für Schicht aufgeschmolzen. Die Stärken der Schichten sind dabei extrem dünn, wodurch es gelingt, die komplexen Bauteile und ihre Geometrie in hoher Auflösung zu produzieren. Dadurch reduziert sich zeitgeich der Aufwand erheblich hinsichtlich einer Nachbearbeitung.
Wasserstoff-Brennkammer: weniger Emissionen, günstiger in der Herstellung
Sofern die Brennkammer mithilfe additiver Fertigung herstellbar ist, bleiben am Ende nur wenige Nachbearbeitungsschritte, die das Fräsen und Bohren erforderlich machen. Die filigranen, beweglichen Luftleitbleche könnten zum Beispiel in einem Fräsprozess entstehen, während sich die Bohrungen für den Teil, an deren Stelle der Wasserstoff austritt, im Nachgang einfügen ließen. Durch diese spezielle Kombination der bekannten Verfahren sei es den Partnern gelungen, deren Schwächen im Einzelnen zu kompensieren und sie gleichzeitig zu einer synergetischen Prozesskette zu verbinden.
Einen ersten Testbetrieb hat das MMX-System bereits erfolgreich absolviert. Nach Angaben der Aachener Forschenden führt der Einsatz von LPBF dazu, dass sich der zeitliche Aufwand für die Montage erheblich reduziert und sich zugleich auch die Kosten senken ließen. Damit würde eine solche Brennkammer 90% weniger Kosten produzieren. Dieses Verfahren böte nicht nur ökologische und ökonomische Vorteile, sondern gestalte auch den Fertigungsprozess nachhaltiger. Denn es seien weniger Ressourcen notwendig im Vergleich zur herkömmlichen Art der Herstellung aus einzelnen Komponenten. Diese würden aufwendig und unter hohem Materialverbrauch zusammengefügt. Auf der Messe Formnext, die vom 16. bis 19. November in Frankfurt stattfindet, präsentieren die Projektpartner ihren ersten funktionsfähigen Prototypen.
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