Wissenschaft

Wie funktioniert flammenlose katalytische Verbrennung?

Die katalytische Verbrennung setzt die Energie eines Brenngases ohne Flamme frei: Das Gas reagiert nicht in der Gasphase, sondern an der Oberfläche eines Festkörperkatalysators. Diese Seite fasst das Funktionsprinzip zusammen, wie es in der Dissertation von Simon Hahn (FAU Erlangen-Nürnberg, 2025) für Wasserstoff wissenschaftlich beschrieben und experimentell nachgewiesen wurde.

Was unterscheidet katalytische Verbrennung von einer Flamme?

Eine Flamme ist eine homogene Gasphasenreaktion: Sie benötigt ein zündfähiges Gemisch innerhalb des Explosionsbereichs und erreicht lokal Temperaturen von über 1.900 °C (Erdgas) bis 2.120 °C (Wasserstoff). Die katalytische Verbrennung ist dagegen eine heterogene Reaktion: Der Katalysator senkt die Aktivierungsenergie so weit, dass Brenngas und Sauerstoff schon weit unterhalb der Zündtemperatur an seiner Oberfläche reagieren — bei Wasserstoff beginnt diese Reaktion je nach Katalysator bereits zwischen 60 und 200 °C. Es gibt keine Flammenfront, keine lokalen Temperaturspitzen und keine Zündquelle.

Wie bleibt das Gemisch außerhalb des Explosionsbereichs?

Der patentierte Kernprozess (DE102023200245B3) rezirkuliert rund 91 % des heißen, inerten Verbrennungsabgases — im Wasserstoffbetrieb besteht es nur aus Stickstoff und Wasserdampf — und mischt es dem Brenngas zu. Dadurch sinkt die Sauerstoffkonzentration unter die Sauerstoffgrenzkonzentration: Das Gemisch am Reaktoreintritt (rund 3 % H2, 2 % O2, Rest Inertgas) ist unter keinen Umständen zündfähig, obwohl die Verbrennung insgesamt nahezu stöchiometrisch abläuft (λ ≈ 1,02). Das ist primärer Explosionsschutz: Die Anlage vermeidet die explosionsfähige Atmosphäre, statt sie zu beherrschen. Ein Flammenrückschlag ist prinzipbedingt unmöglich — auch mit reinem Wasserstoff.

Warum entsteht kein Stickoxid (NOx)?

Thermisches NOx bildet sich aus dem Stickstoff der Verbrennungsluft ab etwa 800 °C, deutlich ansteigend ab 1.200 °C. Die katalytische Verbrennung erreicht im beschriebenen Prozess maximal rund 550 °C — die NOx-Bildung ist damit thermodynamisch ausgeschlossen, nicht bloß reduziert. Es sind keine Sekundärmaßnahmen wie gestufte Verbrennung, Dampfeindüsung oder SCR-Katalysatoren nötig, die bei Wasserstoff-Flammenbrennern Wirkungsgrad kosten und Komplexität erzeugen. Da Wasserstoff weder Stickstoff noch Kohlenstoff enthält, entstehen auch kein Brennstoff-NOx und kein CO2.

Welche Katalysatoren werden eingesetzt?

Die Experimente der Dissertation nutzen kommerziell verfügbare Edelmetall-Katalysatoren (Platin, Palladium) auf metallischen Trägerstrukturen — verwandt mit den Drei-Wege-Katalysatoren aus dem Automobilbau, die im Industriemaßstab produziert werden. Weil die Reaktionstemperatur moderat bleibt, ist die thermische Alterung (Sintern) des Katalysators minimiert; ein Langzeitversuch über 192 Stunden zeigte keine messbare Deaktivierung. Der Katalysator bleibt gleichwohl ein Bauteil mit endlicher Lebensdauer, dessen Edelmetall am Lebensende recycelt wird.

Wie startet die Anlage — und was macht sie hybrid?

Ein Kaltstart direkt am Katalysator wurde in der Dissertation bei Raumtemperatur nachgewiesen; alternativ heizt eine elektrische Widerstandsheizung den Reaktor vor. Im Hyca-Heat-Produkt ist diese elektrische Beheizung als vollwertiger zweiter Energiepfad in demselben Apparat ausgeführt (eigene lizenzierte Patentfamilie): Die Anlage liefert dieselbe Wärme wahlweise aus Strom oder aus der katalytischen Verbrennung von Wasserstoff bzw. Erdgas und wechselt im laufenden Betrieb. Wie das wirtschaftlich wirkt, steht auf Dekarbonisierung der Industrie.

Konkrete Zahlen — Wirkungsgrade, Leistungsdichten, Temperaturen — stehen unter Messergebnisse der katalytischen Verbrennung; die Gegenüberstellung mit Flammenbrennern unter Katalytische vs. Flammenverbrennung.