Bei der Herstellung keramischer Produkte wie Mauerziegel, Pflasterklinker, Fliesen oder Sanitärkeramik werden bislang große Mengen CO2 freigesetzt. Auf dem Weg zu einer klimaneutralen Wirtschaft müssen diese drastisch sinken. Forschende des Fraunhofer IKTS haben dafür eine Lösung entwickelt: einen Hochtemperatur-Sinterofen, der sich sowohl mit Erdgas als auch mit Wasserstoff betreiben lässt. Letzteres soll CO2-freie Brennprozesse bei gleichbleibender Qualität ermöglichen.
Zwar gab es auch zuvor schon wasserstoffbetriebene Brennöfen, diese erlauben aber in der Regel keinen Erdgasbetrieb. Der am Standort Arnstadt (Thüringen) des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (Fraunhofer IKTS) entwickelte Ofen kann mit beiden Brennstoffen betrieben werden. „Das ist bisher weltweit einzigartig“, sagt Dr. Olga Ravkina, Gruppenleiterin Hochtemperaturmembranen und -speicher am IKTS. Der Ofen eignet sich sowohl für die Herstellung von Baukeramik als auch für Sanitär-, Haushalts- und Industriekeramik.
Umstellung komplex
Die Herstellung keramischer Produkte ist energieintensiv, weil die Ausgangsmaterialien – insbesondere Ton und Lehm – nach der Formgebung und Trocknung bei hohen Temperaturen gebrannt werden. Die meisten baukeramischen Produkte – zum Beispiel Mauerwerkziegel und Pflasterklinker – müssen bei mindestens 1.200 °C gebrannt werden, damit es zur Sinterung kommt und die mineralischen Bestandteile schmelzen.
Die Öfen, in denen solche Sinterungsprozesse stattfinden, liefen früher durchweg mit fossilen Brennstoffen. Dabei wurden (und werden) große Mengen klimaschädliche CO2-Emissionen freigesetzt. Grundsätzlich lassen sich keramische Produkte aber auch mit Wasserstoff brennen, und erste Hersteller haben auch bereits mit entsprechenden Öfen experimentiert.
Die Umstellung von Erdgas auf Wasserstoff ist allerdings ein komplexer Prozess, bei dem vieles zu beachten ist. Wasserstoff erfordert nicht nur eine angepasste Ofentechnik. Auch der Brennprozess selbst läuft in einem wasserdampfhaltigen Ofen anders ab. Das kann zu veränderten Produkteigenschaften – etwa hellere Farben – führen. Hersteller, die auf Wasserstoff-Hochtemperaturöfen setzen wollen, können anfangs also einige Überraschungen erleben.
Flexible Einsetzbarkeit
Gerade der letztgenannte Punkt macht den neuartigen Ofen des Fraunhofer IKTS interessant. „Damit sind wir in der Lage, Brennprozesse mit Erdgas sowie mit Wasserstoff an verschiedenen keramischen Werkstoffen vergleichend zu untersuchen“, erläutert Olga Ravkina. „Der Einfluss des Brenngaswechsels auf die finale Produktqualität lässt sich auf diese Weise sehr gut beurteilen.“
Auch Hersteller von Keramikprodukten hätten mit dem Ofen theoretisch die Möglichkeit, vergleichende Versuche für ihre konkreten Sinterprozesse durchzuführen. Sie könnten dann den Umstieg auf klimafreundlichen Wasserstoff zunächst nur bei solchen Produkten praktisch realisieren, bei denen ihre Versuche zu zufriedenstellenden Ergebnissen geführt haben. Andere Brennprozesse könnten sie zunächst auch weiterhin mit Erdgas fahren.
Das Sinterofen-Projekt des Fraunhofer IKTS wurde durch das Land Thüringen im Rahmen der Sonderfinanzierung „Industrielle Wasserstofftechnologien Thüringen“ mit 10,3 Mio. Euro gefördert. Umgesetzt wurde es in Kooperation mit dem Nürnberger Ofenbauer Riedhammer.
Sinterofen für Feldversuche
Der bislang entwickelte Sinterofen bietet einen Nutzraum von 500 l, eine ideale Größe für Feldversuche, um letztlich die Ergebnisse auf Industrieöfen übertragen zu können. Die maximale Temperatur liegt bei 1.700 °C und die installierte Ofenleistung bei 1.000 kW. Pro Brennversuch sind 150 kg Material brennbar.
Der Brennraum sowie die Temperaturverteilung bleiben beim Brennstoffwechsel gleich. Lediglich die fünf Brennerköpfe müssen ausgetauscht werden. Auch herkömmliche Öfen lassen sich mit neuen Brennköpfen relativ kostengünstig auf Wasserstoffbetrieb umrüsten. Bei einem solchen Betrieb wird lediglich Wasserdampf als Abgas ausgestoßen. Unternehmen mit umfangreichen Brennprozessen können so die gesetzlichen Vorgaben für reduzierte CO2-Emissionen erfüllen.
Seinen neuen wasserstoffkompatiblen Sinterofen für Feldversuche hat das Fraunhofer IKTS zudem mit umfangreicher Sensortechnik und einem digitalen Monitoring ausgestattet. So können die Forschenden komplette Brennprozesse – mit Wasserstoff oder Erdgas – genau beobachten und protokollieren. Produzierende Unternehmen sind häufig gar nicht in der Lage, solche Testläufe in den eigenen Fertigungshallen durchzuführen, weil das Unterbrechen der laufenden Fertigung sehr kostspielig wäre.
Im neuen IKTS-Ofen erfassen mehrere Thermoelemente die Temperaturen an unterschiedlichen Stellen im Ofen sowie bei der Nachverbrennung. Aufheizgeschwindigkeit, Aufheizrate, Haltephasen sowie die Atmosphäre gehören zu den Überwachungsgrößen. Das Brennmittel-Luft-Verhältnis lässt sich für oxidierende und reduzierende Bedingungen einstellen. Deshalb können sogar Entbinder-Prozesse – also das thermische Entfernen von organischen Zusatzstoffen aus der Keramik – vergleichend getestet werden.
Zu wenig grüner Wasserstoff
Am nachhaltigsten sind die Brennprozesse natürlich, wenn grüner Wasserstoff zum Einsatz kommt, der per Elektrolyse mit Strom aus Solar- oder Windenergie hergestellt wurde. Grüner Wasserstoff ist in Deutschland allerdings noch knapp. Diese Situation behindert hierzulande einstweilen die Umstellung industrieller Brennprozesse auf Wasserstoffbetrieb.
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So hat beispielsweise der Hersteller Hagemeister Klinkerwerk in seinem Werk Nottuln (NRW) das Klinkerbrennen mit Wasserstoff bereits 2023 erfolgreich erprobt, die dauerhafte Umstellung pausiert aber seitdem, weil grüner Wasserstoff bisher noch viel zu knapp und teuer sei. „Sowohl die technische als auch die optische Qualität der mit Wasserstoff gebrannten Klinker war hervorragend“, wird Geschäftsführer Christian Hagemeister in einer Pressemitteilung des Unternehmens von Dezember 2023 zitiert. „Wenn ich momentan den zehnfachen Preis von Erdgas habe, ist das nicht wirtschaftlich“, musste Hagemeister damals aber leider hinzufügen.
In der Pressemitteilung von Hagemeister wird zudem das Problem fehlender Wasserstoff-Pipelines thematisiert. Da sich ein hauseigener Elektrolyseur betriebswirtschaftlich nicht rechne, wäre aktuell nur ein Wasserstoffbezug per Lkw möglich, was auf Dauer aber keine Lösung sei. Aus Sicht des Herstellers bleibt damit nur das Warten auf die Pipeline – und so etwas kann in Deutschland bekanntlich dauern.
„Die Fernleitung soll erst 2029 fertig werden, und der Verteilnetzbetreiber muss dann noch 3 km zum Übergabepunkt vor Ort legen“, erklärte Christian Hagemeister in der angesprochenen Pressemitteilung von 2023. In Nottuln werde daher wahrscheinlich erst 2030 Wasserstoff in die Klinker-Brennöfen strömen.
