CERPOR

CERPOR

Projektbeschreibung

CERPOR - Optimierung keramischer Bauteile für die Porenbrennertechnologie

In den letzten Jahren wurde ein neues Verbrennungskonzept, die so genannte Porenbrennertechnik am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen- Nürnberg entwickelt. Dabei findet die Verbrennung vollständig innerhalb der Poren eines meist keramischen Porenkörpers statt. Hiermit unterscheidet sich die Porenbrennertechnologie grundlegend von herkömmlichen Verbrennungstechniken, in denen Flammen im freien Raum (Diffusionsbrenner) oder an einer porösen Oberfläche (Oberflächenstrahlungsbrenner) stabilisiert werden. Aufgrund technologisch bedingter Vorteile (hohe Leistungsdichte, große Leistungs- und Luftzahldynamik, niedrige Emissionen) ist die Porenbrennertechnologie für viele unterschiedliche Anwendungen attraktiv. Bild 1 zeigt einen Porenbrenners im offenen Betrieb und dessen Funktionsweise.


[Bild 1: Porenbrenner im offenen Betrieb und dessen Funktionsweise]

Nachdem in einer Reihe von Forschungsprojekten die wichtigsten verbrennungstechnischen Fragestellungen der Porenbrennertechnologie geklärt und die Vorteile der Technologie in vielen Anwendungsgebieten an Funktionsmustern aufgezeigt werden konnten, ist die Entwicklung von langzeitstabilen Keramikwerkstoffen eine der wichtigsten noch verbleibenden Entwicklungsaufgaben. Bedingt durch die vollständige Verbrennung innerhalb der porösen Struktur, werden die im Brenner eingesetzten Materialien extremen thermischen und chemischen Bedingungen ausgesetzt. Durch intensive Entwicklungsarbeiten ist es in den vergangenen Jahren gelungen, die Lebensdauer der Materialien auf einige tausend Betriebsstunden zu erhöhen. Für die meisten Anwendungen werden jedoch deutlich höhere Standzeiten benötigt. Zusätzlich führt die schwankende Materialqualität zu unberechenbaren Ausfällen.

Ziel des vom BMWA geförderten Verbundprojektes CERPOR ist die Neu- und Weiterentwicklung von Keramikkomponenten, die zum einen die verbrennungstechnischen Anforderungen wie Porosität, Wärmeleitfähigkeit und Druckverlust und andererseits trotz extremer Beanspruchung eine ausreichende Lebensdauer aufweisen. Bild 2 zeigt die bisher in der Porenbrennertechnologie eingesetzten Werkstoffe.


[Bild 2: Materialien für den Porenbrenner, links: Aluminiumoxidplatte rechts: Siliziumkarbidschaum]

Kooperation

Die Weiterentwicklung und Optimierung der eingesetzten Keramiken ist ein aufwendiger Vorgang und erfordert interdisziplinäre Kompetenzen. Die am Projekt CERPOR beteiligten Keramikhersteller PTC SA, Duotherm Isoliersysteme und Pritzkow Spezialkeramik haben bisher Pionierleistungen erbracht, sind jedoch bisher nicht in der Lage, das für eine systematische Weiterentwicklung der Materialien und der Herstellprozesse notwendige Know-how und Instrumentarium an Analysegeräten aufzubringen. Außerdem sind bisher nur stark begrenzte Kapazitäten bei den drei beteiligten Brennerherstellern bzw. Systemlieferanten zur Durchführung von echten Dauertests sowie beschleunigten Lebensdauertests mit simultaner Charakterisierung des Betriebsverhaltens vorhanden, die für eine systematische Vorgehensweise unverzichtbar sind.
Im Projekt CERPOR sollen diese Hindernisse beseitigt werden, um in kurzer Zeit Materialien bereitzustellen, die eine schnelle Verbreitung der Porenbrennertechnologie ermöglichen. Durch die Kooperation mit auf Hochtemperaturkeramiken spezialisierten Instituten DLR Stuttgart und DLR Köln sowie der Eidgenössischen Materialprüfanstalt EMPA in der Schweiz werden die KMU's in die Lage versetzt, ihre Keramik-Produkte durch neues Know-how und erweiterte Analysemöglichkeiten zu optimieren. Die Anforderungen ihrer ebenfalls zukünftigen Kunden GoGaS, Enginion und DaimlerChrysler (Brennerhersteller bzw. Systemlieferanten) können bei der Weiterentwicklung berücksichtigt werden, da die wichtigsten Porenbrennerhersteller und -anwender ebenfalls im Projekt vertreten sind. Der LSTM-Erlangen, der als technologisches Zentrum der Porenbrennertechnologie gilt, bringt sein gebündeltes Know-how aus den bisherigen Erfahrungen ein. Zudem wurde hier eine Infrastruktur zur Untersuchung des Langzeitverhaltens aufgebaut, die erlaubt, dass Materialien anwendungsübergreifend auf ihre Langzeitstabilität untersucht werden können. Bild 3 zeigt den Prüfstand für die Untersuchung des Langzeitverhaltens von Porenbrennerkeramiken.


[Bild 3: Dauerprüfstände für Porenbrennerkeramiken]

Perspektiven

Mittlerweile sind bereits ca. 40 Anwendungen bekannt, in der die Porenbrennertechnologie eingesetzt werden kann. Die Anwendungsbreite reicht von einfachen Industriestrahlungsbrennern über Haushaltsbrenner bis hin zu Wärmequellen für miniaturisierte KWK-Anlagen und Komponenten im Brennstoffzellenumfeld.
Diese Potenziale der Porenbrennertechnologie können zukünftig nur genutzt werden, wenn die im Porenbrenner eingesetzten Komponenten eine ausreichende Lebensdauer besitzen. Während im Bereich der Hellstrahler eine Markteinführung kurz bevor steht, befinden sich viele andere Anwendungen noch im Entwicklungs- oder Erprobungsstadium und das Erreichen der Marktreife ist an die Existenz geeigneter Werkstoffe gekoppelt.
Daneben können Fortschritte im Bereich der Hochtemperaturkeramiken auch außerhalb der Porenbrennertechnologie genutzt werden. Poröse Keramikwerkstoffe werden bereits heute als Trägermaterial für Katalysatoren verwendet. Weitere innovative Anwendungsfelder für Keramikporenkörper sind beispielsweise im Luft- und Raumfahrtbereich und bei volumetrischen Solarreceivern vorhanden.

Pressemitteilungen

InnoNet Projekt CERPOR verhilft Porenbrennertechnologie zu Marktreife

Vor nahezu einem Jahr fiel der Startschuss für das vom Bundesministerium ü Wirtschaft und Arbeit BMWA geförderte Verbundprojekt CERPOR. Ziel des Projektes ist die Neu- und Weiterentwicklung von Keramikkomponenten für die Porenbrennertechnologie, einer neuartigen und vielseitigen Verbrennungstechnik.

Im Rahmen des BMWA Förderprogramms InnoNet wird für CERPOR eine Fördersumme von
1,2 Mio. € bereitgestellt. 210 T € werden von den beteiligten Unternehmen aufgebracht. Das BMWA unterstützt mit seinem Förderprogramm Projekte, die helfen sollen das Wissen von Forschungseinrichtungen in die praktische Anwendung zu transferieren und gleichzeitig die Marktorientierung der Forschung in öffentlichen und gemeinnützigen Forschungseinrichtungen zu erhöhen. Durch eine intensive Zusammenarbeit von mittelständischen Unternehmen mit den Forschungseinrichtungen sollen Forschungsergebnisse schneller als bisher in marktfähige Produkte und Verfahren umgesetzt werden.

Die Projektleitung für CERPOR hat der Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen übernommen, der als technologisches Zentrum der Porenbrennertechnologie gilt. Die entscheidende Innovation dieser Technologie stellt die Verbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches dar, das nicht mehr in einer freien Flamme, sondern innerhalb einer porösen Hochtemperaturkeramik abläuft. Die Nachteile offener Flammen, z.B. hohe Stickoxidemissionen, können damit künftig vermieden werden.

Die Weiterentwicklung der eingesetzten Keramiken ist ein aufwändiger Vorgang und erfordert interdisziplinäre Kompetenzen. Gemeinsam mit mittelständischen Keramikherstellern als auch Anwendern der Porenbrennertechnologie sollen keramische Bauteile für den Einsatz im Porenbrenner unter dem Gesichtspunkt der Lebensdauer entwickelt und optimiert werden.

Die am Projekt CERPOR beteiligten Keramikhersteller PTC SA, Duotherm Isoliersysteme und Pritzkow Spezialkeramik haben bisher Pionierleistungen erbracht, verfügen aber nicht über das Instrumentarium an Analysegeräten, das für eine systematische Weiterentwicklung der Materialien und Herstellprozesse notwendig ist. Außerdem sind bisher nur stark begrenzte Kapazitäten zur Durchführung von Dauertests sowie beschleunigten Lebensdauertests mit simultaner Charakterisierung des Betriebsverhaltens vorhanden.

Im Projekt CERPOR sollen diese Hindernisse beseitigt werden, um in kurzer Zeit Materialien bereitzustellen, die eine schnelle Verbreitung der Porenbrennertechnologie ermöglichen. Durch die Kooperation mit auf Hochtemperaturkeramiken spezialisierten Instituten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie der Eidgenössischen Materialprüfanstalt (EMPA) in der Schweiz werden die mittelständischen Unternehmen in die Lage versetzt, ihre Keramik-Produkte zu optimieren. Durch die Beteiligung der Firmen GoGaS, Enginion und DaimlerChrysler werden bereits in der Keramikentwicklung die Anforderungen zukünftiger Anwender der Porenbrennertechnologie berücksichtigt. Im Rahmen des Projektes wurde eine Infrastruktur zur Untersuchung des Langzeitverhaltens der entwickelten Materialien aufgebaut.

Die Implementierung von einfachen Methoden zur Qualitätskontrolle bei den mittelständischen Unternehmen zeigt erste Auswirkungen auf die Lebensdauer der verwendeten Keramikbauteile. So konnte ein Ziel, die Vermeidung von starken Schwankungen der Materialqualität, die großen Einfluss auf die Langzeitstabilität hat, gelöst werden. Nun soll durch gezielte Untersuchungen und Weiterentwicklung der Keramikbauteile eine weitere Erhöhung der Standzeiten erreicht werden.

Projektpartner

Projektträger

Dr. -Ing. Matthias Künzel  
VDIVDE-it GmbH  
Rheinstr. 108  
14513 Teltow  
http://www.vdivde-it.de/innonet  

Projektpartner Forschung

FAU Erlangen-Nürnberg - Lehrstuhl für Strömungsmechanik (Koordination)
Dr.-Ing. Franz v. Issendorff
Alexander Mach
Cauerstr. 4
91058 Erlangen
Tel.:
09131/85-29499
Fax:
09131/85-29503
E-Mail:
amach@lstm.uni-erlangen.de
Schwerpunkt:
Verbrennungstechnik

DLR - Institut für Werkstoffforschung
Dr. Martin Schmücker
Linder Höhe
51145 Köln
Tel.:
02203/6012462
Fax:
02203/696480
E-Mail:
martin.schmuecker@dlr.de
Schwerpunkt:
Oxidische Keramik

DLR - Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung
Dr. Jens Schmidt
Pfaffenwaldring 38-40
70569 Stuttgart
Tel.:
0711/68 62 335
Fax:
0711/68 62 227
E-Mail:
jens.schmidt@dlr.de
Schwerpunkt:
Nicht-oxidische Keramik

EMPA - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
Dr. Ulrich Vogt
Überlandstr. 129
CH - 8600 Dübendorf
Tel.:
+ 41-(0)18234160
Fax:
+41-(0)18234150
E-Mail:
ulrich.vogt@empa.ch
Schwerpunkt:
Nicht-oxidische Keramik

Projektpartner Industrie

DaimlerChrysler AG
Research and Technology
Dr. Andreas Docter
Jochen Schäfer
Wilhelm-Runge-Strasse 11
89081 Ulm
Postfch 2360
Tel. (Dr. Andreas Docter):
0731/505-2470
Tel. (Jochen Schäfer):
0731/505-2996
Fax:
0711/3052156008
E-Mail:
jochen.schaefer@daimlerchrysler.com
Branche:
Automotive
Schwerpunkt:
RBP/AS - Fuel Cell System Technology

Duotherm Isoliersysteme GmbH
Johannes Stark
Am Billig 1
53894 Satzvey
Tel.:
02256/1043
Fax:
02256/1080
E-Mail:
duotherm@t-online.de
Branche:
Keramische Isolierungen
Schwerpunkt:
Herstellung Oxidkeramiken

Enginion AG
Dr. Stephan Mößbauer
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin
Tel.:
030/46307492
Fax:
030/46307499
E-Mail:
Stephan.Moessbauer@enginion.com
Branche:
Energie- und Antriebstechnik
Schwerpunkt:
Einsatz Porenbrenner für Kraft-Wärme-Kopplung

GoGas Goch GmbH & Co.
Reinhold Krieger
Zum Ihnedieck 18
44265 Dortmund
Tel.:
0231/4650580
Fax:
0231/4650588
E-Mail:
anlagenbau@gogas.com
Branche:
Anlagenbau
Schwerpunkt:
Einsatz Porenbrenner in Trocknungstechnik

Walter E. C. Pritzkow Spezialkeramik
Walter Pritzkow
Gewerbestr. 16
70565 Stuttgart
Tel.:
0711/7826801
Fax:
0711/7826803
E-Mail:
pritzkow-wps@keramikblech.de
Branche:
Keramik
Schwerpunkt:
Oxidfaser verstärkte Oxidkeramik

PTC SA - Plasma-Jet Technical Coating
Manlio Molinari
Via Roncaglia 16
CH - 6883 Novazzano
Tel.:
+41-(0)916901128
Fax:
+41-(0)916901129
E-Mail:
info@ptc-sa.ch
Branche:
Keramik
Schwerpunkt:
Oxidkeramik