Wissenschaft

Katalytische vs. Flammenverbrennung: Was ändert sich mit Wasserstoff?

Wer einen Gasbrenner auf Wasserstoff umstellt, löst das CO2-Problem — und verschärft ohne Gegenmaßnahmen das NOx-Problem. Diese Seite vergleicht beide Verbrennungsprinzipien anhand der in der Dissertation von Simon Hahn (FAU Erlangen-Nürnberg, 2025) belegten Daten, einschließlich der Fälle, in denen die Flamme oder eine ganz andere Technologie die bessere Wahl ist.

Warum erzeugen Wasserstoff-Flammen mehr NOx?

Thermisches NOx entsteht aus dem Stickstoff der Verbrennungsluft ab etwa 800 °C und nimmt ab 1.200 °C stark zu. Eine Wasserstoffflamme erreicht adiabat bis zu 2.120 °C — noch mehr als eine Erdgasflamme (bis 1.930 °C). Eine nahstöchiometrisch betriebene H2-Flamme überschreitet ohne Gegenmaßnahmen die NOx-Grenzwerte; üblich sind deshalb gestufte Verbrennung, hoher Luftüberschuss, kalte Abgasrückführung, Dampfeindüsung oder SCR-Nachbehandlung — alles Maßnahmen, die Wirkungsgrad kosten oder Komplexität hinzufügen. Die katalytische Verbrennung bleibt mit maximal rund 550 °C von vornherein unter der Bildungsschwelle: keine NOx-Bildung, keine Sekundärmaßnahmen.

Was bedeutet der Wechsel für die Sicherheit?

Wasserstoff hat einen Explosionsbereich von 3,9 bis 75,2 Vol.-% (bei 20 °C), eine rund fünffach höhere Flammengeschwindigkeit als Erdgas und eine unsichtbare Flamme — Flammenrückschlag und Überwachung werden zur zentralen Auslegungsfrage jedes H2-Brenners, der prinzipbedingt im Explosionsbereich arbeiten muss. Der katalytische Prozess kehrt die Logik um: Durch Rezirkulation des inerten Abgases liegt das Gemisch dauerhaft außerhalb des Explosionsbereichs („total inert"); selbst bei Lufteintritt oder Gasaustritt entsteht kein zündfähiges Gemisch, und die maximale Prozesstemperatur bleibt unter der Selbstentzündungstemperatur von Wasserstoff (560 °C).

Der direkte Vergleich

Wo ist die katalytische Verbrennung nicht die beste Lösung?

Ein ehrlicher Vergleich braucht auch die Gegenrichtung. Für Prozesse oberhalb von rund 550 °C — Schmelzen, Brennen, Hochtemperatur-Öfen — liefert die Flamme die nötigen Temperaturen, die der katalytische Prozess prinzipbedingt nicht erreicht. Die niedrigere Gastemperatur bedeutet zudem kleinere Temperaturdifferenzen und damit größere Wärmeübertragungsflächen. Unterhalb von etwa 150–200 °C ist bei nutzbarer Abwärmequelle und hohen Volllaststunden eine Hochtemperatur-Wärmepumpe die effizienteste Option. Und der Katalysator bleibt ein Bauteil mit endlicher Lebensdauer sowie das Rezirkulationsgebläse ein zusätzlicher Verbraucher (rund 1 W elektrisch je kW thermisch und mbar Druckverlust) — beides wird durch Edelmetall-Recycling bzw. den Entfall von NOx-Sekundärmaßnahmen gedämpft, verschwindet aber nicht.

Das Zielband der Hyca-Heat-Systeme ist daher Prozesswärme von 100 bis 500 °C — Dampf, Thermalöl, Heißgas — mit dem zusätzlichen Vorteil des hybriden Strombetriebs im selben Apparat. Anwendungsbeispiele: Dampferzeugung in der Papierindustrie, Einbrennofen-Retrofit und Fernwärme-Spitzenlast.