Der Energiesparbrenner aus dem 3D-Drucker

Düsseldorf/Dortmund, 22.11.2023 • Industriebrenner sorgen bei der Produktion von Stahl, Glas oder Lebensmitteln für die nötigen Temperaturen und laufen oft rund um die Uhr. Das junge Team von Kueppers Solutions führt nun mit innovativen Technologien die Brennerbranche ins Zeitalter der Energieeffizienz. Und ist mit seiner Brennertechnik nominiert für den Deutschen Zukunftspreis 2023.

Ein Industriebrenner funktioniert im Grunde wie ein Gasherd oder der Bunsenbrenner im Chemieunterricht: Gas wird durch eine Düse fein verteilt, mit Luft vermischt und entzündet. Eine möglichst vollständige Verbrennung erkennt man an der Flammenfärbung. Blau bedeutet optimale Verbrennung. Auf diese Weise spart man Gas und erreicht höhere Temperaturen. Das Prinzip ist seit Jahrhunderten bekannt.

Frischen Wind in die Branche bringt jetzt die Kueppers Solutions GmbH aus Dortmund: ein kleines Unternehmen, das Durchschnittsalter der Mitarbeitenden ist niedrig. „Unser Mindset geht ein bisschen Richtung Start-up“, sagt Sonja Schlegel. Sie arbeitet als Projektingenieurin in diesem jungen Team, das auf eine lange Tradition aufbauen kann. Das Unternehmen geht zurück auf die Firma Küppersbusch, die seit 1875 Kohleherde und -öfen in Gelsenkirchen-Schalke produzierte. Im Laufe ihres Bestehens wurde die Firma mehrfach verkauft und umstrukturiert. Der ehemalige „Küppersbusch Fachbereich Wärmetechnik“ startete 2016 schließlich neu als Kueppers Solutions GmbH, mit neuen Gesellschaftern und neuer Philosophie: Die Reduktion von CO₂-Emissionen durch innovative Technologien ist heute ein übergeordnetes Ziel des Unternehmens.

„Unser Rekuperatorbrenner kommt mit bis zu 15 Prozent weniger Energie aus als ein konventionelles Modell und reduziert damit auch die CO₂-Emissionen“, sagt Sonja Schlegel, die sich als Maschinenbauerin ursprünglich mit Triebwerkstechnik für Luft- und Raumfahrt befasst hat. „Und verglichen mit einem herkömmlichen Kaltluftbrenner sparen wir sogar 50 Prozent.“

Das Einsparpotenzial der optimierten Brenner ist für jeden Controller ein echtes Argument, weil Kueppers in extrem energieintensiven Industriebereichen seine Kunden hat. „Unsere Kunden produzieren häufig 24 Stunden am Tag, 7 Tage die Woche. Jedes Prozent Einsparung bei den Brennern bewirkt eine Menge. Wenn man die Technologie von unserem Rekuperatorbrenner flächendeckend in Deutschland einsetzen würde, könnten wir damit 2,1 Millionen Tonnen CO₂ im Jahr vermeiden.“ Zum Vergleich: Geschätzt ein Drittel der Waldfläche Nordrhein-Westfalens würde benötigt, um diese Menge jährlich zu speichern.

Die hohe Energieeffizienz des neuen Rekuperatorbrenners beruht auf einem computergestützten Entwicklungs- und Fertigungsverfahren.  Ein Rekuperator ist ein Wärmetauscher. Als Teil eines Brenners nimmt er kontinuierlich Wärme aus dem Abgasstrom auf und verwendet diese, um die Verbrennungsluft vorzuwärmen, die später in der Brennkammer gezündet wird. Auf diese Weise verläuft der Prozess insgesamt effizienter und benötigt weniger Energie, also weniger Gas. Um diese Wirkung zu verstärken, wurden entscheidende Bauteile bei Kueppers vollständig am Computer entwickelt. Denn insbesondere die Form des Rekuperators ist ein wichtiger Faktor für seine Wirkung. „Der 3D-Druck gibt uns völlig neue Möglichkeiten in der Formgebung. Deshalb haben wir unseren Rekuperator wesentlich effizienter gestalten können, als das bisher möglich war“, erläutert die Ingenieurin. „Am Computer entsteht zunächst ein Modell des Bauteils, mithilfe einer Simulation können wir seine optimale Form entwickeln und testen. Erst dann wird gefertigt und das räumliche Modell des Bauteils im 3D-Drucker Schicht für Schicht aus einer hochtemperaturfesten Nickel-Chrom-Legierung aufgebaut.“

Mit dem gleichen Verfahren hat das Unternehmen eine weitere Neuheit in den innovativen Gasbrenner zu integriert. Denn so wichtig Energieeffizienz heute ist, so dringlich wird der komplette Abschied von fossilen Energieträgern wie Erdgas. Um diesen möglichst umfassend vorzubereiten, sind die neusten Brenner von Kueppers für zwei Brennstoffe ausgelegt: Erdgas und Wasserstoff. „Die Investitionen in neue Brennertechnik sind in der Regel sehr hoch und müssen sich über viele Jahre bezahlt machen. Deshalb bieten wir unseren Kunden ein Produkt, das ohne Umrüstung auch mit Wasserstoff funktioniert“, sagt Schlegel. „Sobald grüner Wasserstoff verfügbar ist, muss man nur den Hebel umlegen. Der Brenner arbeitet problemlos und nahezu emissionsfrei mit dem klimafreundlichen Brenngas – oder abhängig von der Verfügbarkeit auch im Mischbetrieb.“ Die dazu notwendige Mischeinheit stammt ebenfalls aus dem 3D-Drucker und wurde durch das Unternehmen erfolgreich zum Patent angemeldet.

In nur sieben Jahren hat die Kueppers Solutions tragfähige Forschungspartnerschaften aufgebaut und Kunden mit ihren innovativen Brennern überzeugt, die zudem „customized“ in Serie gefertigt werden. „Wir zeigen unseren Kunden in der Regel vorher, mit welchen Einsparungen sie rechnen können. Dazu bauen wir erstmal für den Betrieb einen individuellen Musterbrenner, der im Rahmen von simulativen Studien absolut perfekt auf die Gegebenheiten vor Ort und den Kundenprozess angepasst ist. Damit können wir dann beim Kunden erste Versuche fahren. Wenn die Ergebnisse überzeugend sind, kann der angepasste Brenner dann in beliebiger Stückzahl gefertigt werden. Wir schöpfen die Freiheitsgrade des 3D-Drucks komplett aus, um unseren Kunden alle Möglichkeiten zu bieten“, sagt Schlegel.

Der Markt scheint es zu honorieren, schon liegen erste Anfragen aus Asien und den USA vor und in den kommenden Jahren sollen die Umsätze kräftig anziehen. Das junge Unternehmen mit seinen traditionsreichen Wurzeln sieht sich bestätigt und investiert bereits in künftiges Wachstum. Vor diesem Hintergrund ist auch ein Umzug nach Dortmund zu verstehen, der den nötigen Raum dazu schaffen soll. Dem Ruhrgebiet als Standort ist das Unternehmen aus guten Gründen treu geblieben: „Das Netzwerk von Kunden und Zulieferern ist hier für unsere Branche einzigartig. Und auch die Hochschulen und Forschungsinstitutionen in der Nachbarschaft sind wichtig für uns“, sagt Sonja Schlegel, „Wir sind hier am richtigen Ort, um die Transformation der Industrie mitzugestalten.“