HyInHeat: EU-Projekt für Nutzung von Wasserstoff in der Aluminium- und Stahlindustrie

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HyInHeat – Hydrogen technologies for decarbonization of industrial heating processes – so lautet der Name des neuen Großprojektes, das mit 28 Partnern aus 12 europäischen Ländern an den Start gegangen ist. Das Projekt nimmt den Einsatz von Wasserstoff in der Aluminium- und Stahlindustrie in den Blick, mit dem übergeordneten Ziel, einen wertvollen Beitrag zur Dekarbonisierung der Industrien leisten zu können: Das von der EU mit 17,7 Mio. Euro geförderte Forschungsprojekt untersucht, wie sich eine effiziente Nutzung, bzw. Verbrennung von Wasserstoff in die Erwärmungs- und Schmelzprozesse einbinden lässt und so einen wichtigen Beitrag zu Dekarbonisierung entlang der Prozessketten dieser Sparten beizutragen. Koordiniert wird das Vorhaben durch das Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) der RWTHA. 

Hauptziel des EU-Projektes ist die Integration von Wasserstoff als Brennstoff für Hochtemperaturheizprozesse in den energieintensiven Industrien. Denn insbesondere bei energieintensiven Prozessen des Schmelzens und der Wärmebehandlung birgt der Ersatz fossiler Brennstoffe durch grünen Wasserstoff ein großes Potential zur Einsparung von CO₂. Um der zunächst noch nicht flächendeckend gewährleisteten Verfügbarkeit großer Mengen grünen Wasserstoffs entgegenzuwirken, wird der Betrieb im Brennstoff-Mix aus Erdgas und Wasserstoff bis hin zu reinem Wasserstoff untersucht. Ein Fokus liegt zudem auf der Verbrennung mit reinem Sauerstoff, der bei der Produktion grünen Wasserstoffs über Elektrolyse als sekundäres Produkt anfällt und eine Steigerung der feuerungstechnischen Wirkungsgrade ermöglicht.

Wasserstoff zur Dekarbonisierung der Aluminium- und Stahlindustrie

Im Rahmen der Arbeitspakete, die das Projekt umfasst, wird im hauseigenen Technikum des IOB der Einfluss von Verunreinigungen im Brennstoff auf die Instrumentierung der Gasversorgung und den Brennerbetrieb getestet. Die durch den erhöhten Wasseranteil veränderten Bedingungen im Abgas werden im Hinblick auf die notwendigen Anpassungen im Bereich der Emissionsmesstechnik analysiert. Die konventionelle Messung der Stickoxid-Emissionen im trockenen Abgas wird in diesem Zusammenhang hinterfragt und es werden alternative Messprinzipien erprobt. Im Bereich Modellierung und Simulation konzentrieren sich die Aktivitäten sowohl auf die Abbildung einzelner Brenner sowie auf die Abbildung gesamter Öfen, inklusive der Produkte und peripherer Anlagenkomponenten. Dabei werden neben der direkten Beheizung in Schmelzöfen für die Aluminiumindustrie und Erwärmungsöfen für die Warmformgebung von Stahl auch die indirekte Beheizung mit Strahlheizrohren untersucht. Für die Simulation ergeben sich mit dem erhöhten Wasseranteil im Abgas andere Bedingungen im Vergleich zu Erdgas, sodass geeignete Modelle für die Wärmestrahlung evaluiert werden. Ein vertretbarer numerischer Aufwand wird durch Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) Simulationen erreicht, die auf den teils neu geschaffenen Server-Kapazitäten am IOB gelöst werden. Die Methodik wird gegen die präzisen Simulationsergebnisse der LES und Daten aus den Laboren und Industrie-Demonstratoren validiert. Die Simulationen unterstützen das Design von Brennern, Ofenprozessen und die Umrüstung bestehender Anlagen auf den Betrieb mit Wasserstoff. Parallel werden fortwährend die Ökobilanzen der Prozesse und Produkte bewertet, um das Erreichen des übergeordneten Projektziels sicherzustellen: Einen merkbaren Beitrag zur Dekarbonisierung der Stahl- und Aluminiumindustrie zu leisten.

Volle Power für das Projekt: 28 starke Partner aus 12 Ländern

Unter den Partnern aus 12 europäischen Ländern finden sich nicht nur Stahlproduzenten, sondern auch diverse große Unternehmen aus dem Sektor Aluminium. Die Automobilindustrie ist ebenfalls vertreten, weiterhin engagiert sind Gaslieferanten und Technologieanbieter sowie Ofenbauer. Die europäischen Verbände ESTEP und European Aluminium leisten ihren Beitrag mit der Erhebung und Bereitstellung von Daten für Szenarioanalysen und helfen bei der Verbreitung der Ergebnisse.  Zusätzlich zu den Unternehmen und Verbänden sind vier Forschungseinrichtungen involviert und auf Seiten der Hochschule ist auch die RWTH Aachen University selbst noch mit drei Instituten vertreten: Das Institut für Gesteinshüttenkunde (GHI) widmet sich den feuerfesten Ofenmaterialien. Proben aus den industriellen Anlagen sowie neu entwickelte Werkstoffe werden auf die Interaktion mit den neuen Ofenatmosphären untersucht, die sich hinsichtlich der Temperaturen und Atmosphäre im Vergleich zur Verbrennung mit Erdgas verändern. Das Institut für Technische Verbrennung (ITV) stellt nach Versuchsreihen in der institutseigenen sphärischen Brennkammer den kinetischen Reaktionsmechanismus für die Wasserstoffverbrennung bereit, der in nachfolgenden CFD-Simulationen die Verbrennungsreaktionen abbildet. In den Forschungseinrichtungen wird zudem eine Methodik für die Large-Eddy-Simulation (LES) der Wasserstoffverbrennung erarbeitet, durch die sich die Flammendynamik unter gegebenen Betriebszuständen vorhersagen lässt.