Werkstoffsysteme zur additiven Fertigung von H2-Komponenten (wAM2H2)
Projektleiter: Prof. Dr.-Ing. V. Wesling / Projektkoordination: Dr.-Ing. Henning Wiche
Förderzeitraum: 01.09.2024 – 31.08.2027
Förderstelle: EFRE / Land Niedersachsen
Antragsnummer: ZW7-8701 1686
Das übergeordnete Projektziel des Verbund-Forschungsvorhabens (Additive Fertigung multimaterieller Komponenten zur nachhaltigen Energiewandlung -AM2H2) ist eine Effizienzsteigerung von Wasserstoffreformern durch den Einsatz multimaterieller additiver Fertigung. In diesem Rahmen entwickeln die Projektpartner Reformerkomponenten mit einem hohen Maß an Funktionsintegration sowie die dafür notwendigen neuartigen Materialien. Diese Materialien sind auf die spezifischen Anforderungen des Anwendungszwecks und der additiven Fertigung anzupassen. Des Weiteren werden im Projekt der additive Fertigungsprozess sowie eine neuartige Prozesstechnik entwickelt, die die Fertigung der genannten Multi-Material-Reformer ermöglichen.
Die Zielstellung des Teilprojektes wAM2H2 besteht in der Bereitstellung von Materialsystemen zum Aufbau von monolithischen Reaktoren (in Abgrenzung zu Schüttreaktoren) zur Ammoniakaufspaltung mittels additiver Fertigung. Ein monolithischer Reaktor bietet allgemein die Möglichkeit die Durchströmungsbedingungen der Prozessgase definierter einzustellen. Durch die Kombination mit der additiven Fertigung ergeben sich weitere Freiheitsgrade. Die Kernstruktur / Substrat der Reaktionseinheit kann dabei sowohl aus metallischen als auch keramischen Werkstoffen bestehen. Die Verarbeitung der metallischen Werkstoffe erfolgt direkt (Pulver oder drahtbasiert) im Laser Metal Deposition-Prozess. Bei der Fertigung keramischer Strukturen ist die Herstellung eines Grünkörpers auf Basis des selektiven Trocknens von Keramikschlicker mittels Laserbelichtung und anschließender thermischer Behandlung angedacht (laserinduzierter Schlickerguss). Der metallisch-keramische Katalysator wird auf diese Kernstrukturen in einem ersten Schritt klassisch über wash-coating aufgebracht und anschließend kalziniert. In einem zweiten Schritt kann auch hier die direkte Aufbringung / Trocknung im additiven Prozess erfolgen. Vorteile der additiven Fertigung sind die (nahezu) freie geometrische Wahl der Substratstruktur sowie die lokale Anpassbarkeit des Katalysators (im Hinblick auf Zusammensetzung, Dichte, Volumen) in Abhängigkeit der geänderten Randbedingungen (lokaler Druck, NH3 / H2 / N2 - Gehalte) beim Durchströmen des Reaktors mit den Prozessgasen. Optional besteht die Möglichkeit zur Einbringung weiterer Gaskanäle, versehen mit Pt-Membranen, in die Struktur, um so eine Abscheidemöglichkeit des Wasserstoffs direkt in den Ammoniakspalter zu integrieren. Höhere Wirkungsgrade bei hohen Reinheitsgraden des erzeugten Wasserstoffs sind so realisierbar. Entsprechende Materialsysteme für die additive Generierung derartiger Strukturen existieren bis dato nicht. Sie sollen im Rahmen des Projektes entwickelt werden. Ferner müssen weitere Materialsysteme für zusätzliche Stützstrukturen der Reformerkerneinheit entwickelt werden. Diese gilt es im Hinblick auf die Gesamtwärmeausdehnung und Wärmeableitung auf den Kernreformer für bestmögliche Wirkungsgrade anzupassen.
Projektpartner: Leibniz Universität Hannover, Laser Zentrum Hannover, Hochschule Hannover
Hintergrund:
Kommerziell verfügbare Technologien für den Transport und die Speicherung von reinem Wasserstoff bedingen hohe Arbeitsdrücke sowie tiefkalte Temperaturen. Da im Umgang mit Wasserstoff Explosionsgefahr besteht, sind die Sicherheitsanforderungen während des Handlings und der Speicherung als sehr hoch anzusehen. Aufgrund dieser Gefahr stellt auch die gesellschaftliche Akzeptanz eine große Herausforderung bei der Einführung von Wasserstoff als Energiespeicher dar. Eine vielversprechende Lösung der Speicherung stellt die reversible Bindung von Wasserstoff in synthetischen Kraftstoffen wie Ammoniak oder Methanol dar, die keine aufwendigen, kryogenen Lager- und Transportbedingungen benötigen. Da eine direkte Verbrennung von Methanol oder Ammoniak in einer Brennstoffzelle einen niedrigen Wirkungsgrad aufweist oder für weitere industrielle Anwendungen nicht in Frage kommt, sind sogenannte Reformer zu bevorzugen, die das synthetische Fluid mittels eines Katalysators zu einem wasserstoffhaltigen Synthesegas umwandeln. Der so gewonnene Wasserstoff reagiert in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff und erzeugt Strom und Prozessabwärme.