title: Sichere, emissionsfreie und effiziente Wärmebereitstellung mit Hilfe einer flammenlosen, katalytischen Wasserstoffverbrennung
Creators: name: Hahn, Simon
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025

description: Ein neuartiger, vielversprechender Prozess zur Wärmebereitstellung, welcher auf der katalytischen Verbrennung von Wasserstoff basiert, wurde erfolgreich entwickelt, validiert und patentiert. Im Rahmen der Entwicklung wurden sicherheitstechnische Modellierungen in Kombination mit der Simulation des Prozesses durchgeführt. Der innovative Prozess ist durch 3 wesentliche Kernmerkmale gekennzeichnet, die im Vergleich zu alternativen Verfahren der Wasserstoffverbrennung eine Reihe von Vorteilen bieten. 1. Die katalytische Verbrennung von Wasserstoff erfolgt außerhalb des Explosionsbereichs. Der Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff in einem Gasgemisch, bei dem die Sauerstoffkonzentration unterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration bei Reaktionsbedingungen liegt. Die niedrige Sauerstoffkonzentration wird durch das Rezirkulieren des inerten Produktgases erreicht. Dadurch wird ein inhärent sicherer Prozess realisiert. 2. Die katalytische Verbrennung erfolgt bei einem nahezu stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis. Die Abgaswärmeverluste werden dadurch minimiert, was zu einer Steigerung des Wirkungsgrads führt. Eine weitere Wirkungsgradsteigerung wird durch die Vorwärmung von Luft und Wasserstoff durch das Abgas erreicht. Der Wirkungsgrad ist somit signifikant höher als bei alternativen Technologien. 3. Aufgrund der geringen Verbrennungstemperatur entstehen keine giftigen NOx-Emissionen. Im Vergleich zur Flammenverbrennung von Wasserstoff ist dies ein großer Vorteil. Es handelt sich also um eine echte Null-Emissionen-Technologie. Unter den Reaktionsbedingungen des neu entwickelten Prozesses wurde die katalytische H2-Verbrennung schließlich erfolgreich im Labor untersucht. Kommerzielle Katalysatoren in Form von Katalysatornetzen wurden anhand von Key-Performance-Indikatoren wie Druckverlust und Umsatz charakterisiert. Zum einen konnte die Machbarkeit der katalytischen H2-Oxidation unter den entwickelten Prozessbedingungen gezeigt werden, zum anderen dienen die gewonnenen Erkenntnisse zur Auslegung des Prozesses. Es konnten hohe Leistungsdichten bei vollständigem Umsatz und niedrigem Druckverlust erreicht werden. Der niedrige Druckverlust ist entscheidend, um den elektrischen Aufwand für das Rezirkulationsgebläse zu minimieren. Zur Optimierung des Druckverlustes und des Wärmetransportes wurden spezielle Katalysatorhülsen aus Kupfer auf der Rohrinnenseite katalytisch beschichtet. Dazu wurde ein neuartiges Beschichtungsverfahren mittels elektrochemischer Verzinnung und anodischer Oxidation etabliert. Der gewünschte Effekt eines geringeren Druckverlustes bei gleichzeitig verbessertem Wärmetransport konnte erfolgreich nachgewiesen werden. Die katalytisch aktiven Kupferhülsen verloren jedoch nach kurzer Zeit ihre Aktivität. Hier besteht weiterer Entwicklungsbedarf. Alternativ wurden Edelstahlrohre mit bekannten Washcoat-Verfahren von innen beschichtet und damit aktive und stabile Katalysatoren erzeugt. Multiphysikalische Simulationen lieferten weitere Optimierungsmöglichkeiten der Katalysatorhülse hinsichtlich des Druckverlusts und des Wärmeübergangs. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Strömungsbrecher in Form eines Stabs im Zentrum des Rohrs zu positionieren, um die Diffusionsstrecke der Edukte H2 und O2 zur Rohrinnenseite zu verkürzen. Des Weiteren wurden Simulationen zur Skalierung durchgeführt, um Rohre und Rohrbündel für Leistungsklassen zu konfigurieren, die für industrielle Anwendungen relevant sind. Schließlich wurde die katalytische Verbrennung zur Wärmebereitstellung beispielhaft für zwei wichtige Prozesse untersucht. Zum einen die industriell relevante Thermalölerhitzung, zum anderen die Beheizung einer endothermen Wasserstofffreisetzungsreaktion. In beiden Fällen konnte eine erfolgreiche Wärmebereitstellung demonstriert werden. Insbesondere für die Beheizung der Wasserstofffreisetzungsreaktion ergeben sich deutliche Vorteile hinsichtlich der Platzersparnis und des Effizienzgewinns bei gleicher Dehydrierungsperformance wie bei konventionellen Reaktorkonzepten. Zusammenfassend konnte durch den Einsatz kommerzieller sowie maßgeschneiderter Katalysatoren und unterstützender Simulationen ein sicherer, emissionsfreier und hochgradig effizienter Prozess präsentiert werden. Die Demonstration der praktischen Anwendbarkeit sowie die aufgezeigten Skalierungsmöglichkeiten ebnen den Weg für den industriellen Einsatz dieser Technologie. Der nächste Entwicklungsschritt ist bereits initiiert und umfasst die Skalierung sowie die Demonstration der Durchführbarkeit des Gesamtprozesses im größeren Maßstab. Derzeit wird dafür eine entsprechende Demonstratoranlage entwickelt und aufgebaut.
description: A novel, promising process for heat generation based on the catalytic combustion of hydrogen was successfully developed, validated and patented. As part of the development, modeling of explosion parameters was carried out in combination with simulation of the process. The innovative process is characterized by 3 essential core features that offer a number of advantages compared to alternative hydrogen combustion processes. 1. The catalytic combustion of hydrogen takes place outside the explosion range. The hydrogen reacts with oxygen in a gas mixture in which the oxygen concentration is below the limiting oxygen concentration at reaction conditions. The low oxygen concentration is achieved by recirculating the inert product gas. This results in an inherently safe process. 2. Catalytic combustion takes place at an almost stoichiometric fuel air ratio. The exhaust gas heat losses are thus minimized, which leads to an increase in efficiency. A further increase in efficiency is achieved through the preheating of air and hydrogen by the exhaust gas. The efficiency is therefore significantly higher than with alternative technologies. 3. Due to the low combustion temperature, no toxic NOx emissions are produced. Compared to the flame combustion of hydrogen, this is a major advantage. It is therefore a genuine zero-emission technology. Finally, catalytic H2 combustion was successfully tested in the laboratory under the reaction conditions of the newly developed process. Commercial catalysts in the form of catalyst nets were characterized on the basis of key performance indicators such as pressure loss and conversion. On the one hand, the feasibility of catalytic H2 oxidation was demonstrated under the developed process conditions, and on the other hand, the knowledge gained was used to design the process. High power densities with complete conversion and low pressure loss were achieved. The low pressure loss is crucial in order to minimize the electrical effort for the recirculation fan. To optimize the pressure loss and heat transfer, special catalyst tubes made of copper were catalytically coated on the inside of the tube. For this purpose, a new type of coating process was established using electrochemical tinning and anodic oxidation. The desired effect of lower pressure loss combined with improved heat transfer was successfully demonstrated. However, the catalytically active copper tubes lost their activity after a short time. There is a need for further development here. Alternatively, stainless steel tubes were coated from the inside using known washcoat processes to produce active and stable catalysts. Multiphysical simulations provided further options for optimizing the catalyst tube in terms of pressure loss and heat transfer. It proved advantageous to position flow breakers in the form of a rod in the center of the tube in order to shorten the diffusion distance of the reactants H2 and O2 to the inside of the tube. Furthermore, scaling simulations were carried out to configure tubes and tube bundles for performance classes relevant for industrial applications. Finally, catalytic H2 combustion for heat generation was examined as an example for two important processes. Firstly, the industrially relevant thermal oil heating and secondly, the heating of an endothermic hydrogen release reaction. In both cases, successful heat transfer was demonstrated. The heating of the hydrogen release reaction in particular offers significant advantages in terms of space savings and efficiency gains with the same dehydrogenation performance as conventional reactor concepts. In summary, a safe, emission-free and highly efficient process was presented through the use of commercial and customized catalysts and supporting simulations. The demonstration of the practical applicability as well as the demonstrated scaling possibilities pave the way for the industrial use of this technology. The next development step has already been initiated and involves scaling up and demonstrating the feasibility of the overall process on a larger scale. A corresponding demonstrator plant is currently being developed and set up for this purpose.