Wissenschaft

Messergebnisse: Was leistet die katalytische Wasserstoffverbrennung?

Alle Zahlen auf dieser Seite stammen aus der Dissertation von Simon Hahn (FAU Erlangen-Nürnberg, 2025) und beziehen sich auf die flammenlose katalytische Verbrennung von Wasserstoff. Wo ein Wert aus einer validierten Prozesssimulation statt aus einer Messung stammt, ist das ausgewiesen.

Welchen Wirkungsgrad erreicht der Prozess?

Der thermische Wirkungsgrad des rekuperativen katalytischen Prozesses beträgt 101 % bezogen auf den unteren Heizwert (LHV) bei Wärmeabgabe an Thermalöl mit 300 °C — möglich, weil das Abgas bis knapp unter seinen Taupunkt abgekühlt wird und ein Teil der Kondensationswärme des Wasserdampfs nutzbar wird. Bei Niedertemperaturanwendungen (Abgastemperatur 35 °C) steigt der Wert auf bis zu 115 %; das theoretische Maximum für Wasserstoff liegt bei etwa 118 % (Verhältnis Brennwert zu Heizwert). Diese Werte stammen aus einer Aspen-Plus-Prozesssimulation, deren Umsatz- und Temperaturvorhersagen experimentell auf unter 5 % Abweichung validiert wurden. Ein konventioneller wasserstoffbefeuerter Flammen-Thermalölerhitzer erreicht bei gleicher Prozesstemperatur 89 % — ein Vorteil von rund 12 Prozentpunkten. Am Labor-Demonstrator des daraus entwickelten Hyca-Heat-Systems wurden 98 % Brennstoffwirkungsgrad (LHV) gemessen.

Wie kompakt ist die katalytische Verbrennung?

Am Referenzbetriebspunkt erreicht das katalysatorbestückte Reaktionsrohr eine Leistungsdichte von 3,3 MW pro Kubikmeter, bei Vollumsatz wurden bis zu 4,1 MW/m³ gemessen. Eine Wasserstoff-Flammenverbrennung liegt bei etwa 1,3 MW/m³ — sie benötigt für dieselbe Leistung rund das dreifache Brennraumvolumen. Der Druckverlust über den Katalysator bleibt am Auslegungspunkt unter 2 mbar; das Rezirkulationsgebläse verbraucht dafür etwa 1 W elektrische Leistung je kW thermischer Leistung und mbar Druckverlust.

Welche Temperaturen treten auf?

Die adiabate Verbrennungstemperatur des rezirkulierten Gemischs beträgt rund 550 °C (bei 300 °C Eintrittstemperatur) — unterhalb der Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff (560 °C) und weit unter der Bildungsschwelle von thermischem NOx (~800 °C). Die Wandtemperatur der Reaktionsrohre blieb in allen Experimenten unter 350 °C. Der Umsatz ist dabei nahezu unabhängig von Temperatur und Volumenstrom (scheinbare Aktivierungsenergie 0,25 kJ/mol, diffusionslimitiert) — das macht das Teillastverhalten außergewöhnlich robust: kein Abriss, keine wandernden Hotspots.

Wie schonend ist die Wärmeübertragung an den Prozess?

Im Rohrbündel-Thermalölerhitzer der Dissertation lag die Gastemperatur nur etwa 10 K, die Rohrwandtemperatur maximal 1 K über der Thermalöltemperatur — eine Flamme mit über 1.200 °C erfordert dagegen aufwendige Maßnahmen gegen kritische Filmtemperaturen des Öls. Die vollständige Übertragung der Verbrennungswärme wurde kalorimetrisch nachgewiesen, indem die katalytische Beheizung (375 W) durch elektrische Beheizung substituiert wurde: Die elektrische Ersatzleistung entsprach der Verbrennungsleistung innerhalb der Messgenauigkeit.

Wie stabil läuft der Katalysator?

Ein Dauerversuch über 192 Stunden — mit bewusst verunreinigtem Wasserstoff (1.000 ppm Toluol) — zeigte konstanten Umsatz und keine messbare Deaktivierung des kommerziellen Katalysators. Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen werden dabei vollständig zu CO2 oxidiert statt in den Prozess verschleppt.

Was ist noch nicht vermessen?

Zur ehrlichen Einordnung: Die Dissertation belegt den Betrieb mit Wasserstoff; der Erdgasbetrieb des Hyca-Heat-Systems basiert auf den Folgearbeiten und Patenten am Forschungszentrum Jülich. Umschaltzeiten zwischen elektrischer und katalytischer Beheizung sowie Degradation über Jahre werden im laufenden Demonstrator-Programm (Ziel TRL 7, Technikumsbetrieb ab 2027) vermessen. Ein in der Dissertation eigenentwickelter Beschichtungs-Katalysator deaktivierte nach einem Versuchstag — das Produkt setzt deshalb auf die industriell etablierten Edelmetall-Katalysatoren.

Das Funktionsprinzip hinter diesen Zahlen erklärt Wie funktioniert flammenlose katalytische Verbrennung?; den Systemvergleich zieht Katalytische vs. Flammenverbrennung.