Vom Maschinenbaustudium zur Promotion über die Ammoniak-Verbrennung. Bernd Feller ist als Werkstudent in die Energiebranche gekommen und hat vor, zu bleiben. Als Projektleiter beschäftigt er sich am Gas- und Wärme-Institut Essen (GWI) mit der Industrieverbrennung von Wasserstoff und Ammoniak.
Wie funktionieren eigentlich Industriebrenner? Welche Emissionen treten bei der Verbrennung auf? Und wo liegen die Unterschiede bei der Verbrennung von Erdgas, Wasserstoff und Ammoniak? Antworten darauf weiß Bernd Feller. Er beschäftigt sich seit Jahren mit dem Thema und forscht am GWI für seine Doktorarbeit speziell zur Verbrennung von Ammoniak (NH3).
Industriebrenner werden in industriellen Prozessen genutzt, um durch die Verbrennung von gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoffen die im Prozess benötigte Energie bereitzustellen. Innerhalb des Brenners werden der Brennstoff und die Verbrennungsluft gemischt und verbrannt, sodass eine stabile und möglichst schadstoffarme Verbrennung entsteht. Die Wärmeenergie der Flamme wird anschließend innerhalb eines industriellen Ofens genutzt, um beispielsweise Stahl, Glas oder Ziegel herzustellen oder zu veredeln. Grundsätzlich werden Brenner aber in allen industriellen Bereichen eingesetzt, sodass wir unbewusst gewissermaßen von ihnen abhängig sind.
Angefangen hat alles mit einem klassischen Maschinenbaustudium an der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Für Bernd war klar: Es soll sich um Zahlen drehen. Und auch das Ingenieurstudium hatte für ihn einen gewissen Reiz. Schon während des Bachelorstudiums war der heute 29-Jährige schnell überzeugt: „Im Maschinenbau kann man die ganzen mathematischen Grundlagen direkt mit einer konkreten Anwendung in Zusammenhang bringen. Mir ist es sehr wichtig, dass ich sehen kann, wofür die gelernten Inhalte gut sind.“
Bernds Lieblingsmodule im Grundstudium: Thermodynamik und technische Verbrennungen. Da passte es sehr gut ins Bild, dass er für eine Werkstudententätigkeit am GWI anfing. „Über das GWI habe ich die Brennerbranche kennengelernt“, erzählt Bernd. Vor allem Industriebrenner, die zwar ein Nischenthema sind, aber: „Indirekt begegnet man Brennern überall: zum Kaffee rösten oder um ein Glas oder einen Ziegelstein herzustellen.“
Neben Rechercheaufgaben konnte Bernd bei seiner ersten Tätigkeit am GWI in die Praxis einsteigen: Versuchsaufbauten, Messungen durchführen. „Wenn man die Daten selbst sammelt, bekommt man einen ganz anderen Bezug zu den Messdaten“, erzählt er.
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Nach dem Bachelor-Abschluss wollte Bernd erstmal arbeiten. Durch die Tätigkeit beim GWI lernte er den Geschäftsführer der Kueppers Solutions GmbH, einem Brennerhersteller, kennen und begann dort als Entwicklungsingenieur. Seine Aufgaben umfassten experimentelle Messungen und Entwicklungen, Brennerauslegung und Brenneroptimierung.
Nebenbei absolvierte Bernd das Masterstudium im Maschinenbau mit Schwerpunkt Energie- und Verfahrenstechnik an der RUB. Im Vergleich zum Grundstudium waren die Module nun deutlich spezifischer und auf die Energietechnik ausgerichtet. Themen waren beispielsweise Gasdynamik, Prozess- und Mischphasendynamik oder Computersimulationen von Fluidströmungen. Was Bernd anfangs nicht gedacht hätte: Viele der Grundlagen aus dem Studium konnte er im späteren Beruf noch verwerten.
Im Studium habe ich bei manchen Themen überlegt, ob ich das später nochmal benötige. Jetzt im Nachhinein kann ich sagen: Ja, das kann ich gebrauchen.
Bernd Feller
Projektleiter am GWI
Nach dem erfolgreichen Masterabschluss stieg Bernd in die technische Geschäftsleitung ein. Dadurch reduzierte sich der Anteil an technischen Aufgaben. Hinzu kamen dafür Projektkoordination, -akquise und -durchführung, aber auch Personalthemen.
In einem gemeinsamen Projekt mit dem GWI kam Bernd zum ersten Mal mit Wasserstoff in Berührung. „Damals nahm die ganze Wasserstoffthematik Fahrt auf und wir haben die ersten experimentellen Messungen mit Wasserstoff gemacht und einen wasserstofffähigen Rekuperatorbrenner entwickelt“ erzählt er. Ein Rekuperatorbrenner ist eine bestimmte Art von Industriebrenner, bei dem der Brenner mit einem Wärmetauscher gekoppelt wird, um die Wärme des Abgases effizient zu nutzen und den Prozess somit effizienter zu gestalten.
Untersuchung einer reinen Wasserstoffflamme am Laborprüfstand des GWI, Foto: GWI
Durch die Suche nach CO2-freien Alternativen ist mittlerweile auch Ammoniak ein Thema innerhalb der Energiebranche. Die ersten Grundlagenuntersuchungen zur Verbrennung von Ammoniak starteten am GWI, sodass Bernd diese durch die enge Kooperation mit dem Forschungsinstitut mitbekam. Er entschied sich für den Wechsel zum GWI und eine Promotion über die Ammoniakverbrennung.
Das Thema Ammoniak ist total spannend und war für mich ausschlaggebend, wieder zum GWI zurückzugehen und in dem Bereich meine Promotion zu machen.
Bernd Feller
Projektleiter am GWI
Als Projektleiter in der Abteilung Industrie- und Feuerungstechnik am GWI übernimmt Bernd heute neben der fachlichen Bearbeitung und Leitung der Forschungsprojekte unter anderem auch organisatorische Aufgaben: Projektakquise, das Schreiben von Förderanträgen, Recherche, neue Projekte und Projektideen ausarbeiten. Außerdem ist er für Industrieprojekte zuständig. „Kunden kommen zu uns, um ihre Brenner zu testen. Ich kümmere mich um die Durchführung, Betreuung und Auswertung der Versuche.“
Zusätzlich ist Bernd im Bereich der chemischen Reaktionskinetik tätig. Dabei geht es um die numerische Untersuchung der während der Verbrennung stattfindenden chemischen Reaktionen und der sich bildenden Schadstoffe. Er nimmt Berechnungen vor, um beispielsweise grundlegende Aussagen über die Verbrennung von Ammoniak treffen zu können. „Da die Nutzung von Ammoniak als Brennstoff erst recht neu ist, gibt es noch sehr viele offene Fragestellungen.“ So untersucht er beispielsweise die Stabilisierung der Flamme bei der Verbrennung oder Maßnahmen zur Minimierung von Schadstoffen.
Ich hatte früher noch keine konkrete Vorstellung von meinem zukünftigen Job. Mittlerweile kann ich aber sagen, dass der Ingenieurberuf für mich ein Traumberuf ist.
Bernd Feller
Projektleiter am GWI
In dem aktuellen Projekt „NH3-Preheat“ wird ein Rekuperatorbrenner entwickelt, der zu 100 % mit Ammoniak betrieben werden kann. Wichtig dabei: Die Flamme muss stabilisiert werden. Dazu wird der Ammoniak zunächst vorgewärmt. Gleichzeitig sollen innerhalb des Projektes die Stickoxid-Emissionen bei der Verbrennung von Ammoniak reduziert werden. Noch sind die Ergebnisse des Forschungsprojektes nicht veröffentlicht, aber Bernd verrät: „Wir haben sehr gute Werte erzielt und können mit dem Rekuperatorbrenner stabil und schadstoffarm Ammoniak verbrennen.“
Die Technologieneuheiten sollen nun patentiert werden und dann könnte der Brenner in die Industrie getragen werden. Ein Nachfolgeprojekt steht bereits in den Startlöchern.
Am Laborbrennerprüfstand führen Bernd und seine Kolleg*innen Grundlagenuntersuchungen zum Stabilisierungs- und Emissionsverhalten von Gasen in kleinem Maßstab durch. Foto: GWI
Berufsbegleitend schreibt Bernd Feller an seiner Doktorarbeit. Sein Thema ist die Verbrennung von Ammoniak und integriert sich dadurch sehr gut in seinen Arbeitsalltag. Für die Arbeit hat Bernd ein reaktionskinetisches Berechnungsmodell entwickelt, um damit die Ammoniak-Verbrennung von industriellen Brennersystemen zu optimieren. Auch hier geht es wieder um die Stabilität der Ammoniakflamme ebenso wie um die Reduzierung von Stickoxiden.
Mir macht das Thema Spaß, sodass es für mich keine große Belastung ist, mich zusätzlich zur Arbeit damit zu beschäftigen.
Bernd Feller
Projektleiter am GWI
Viele Fragen sind beim Umgang mit Ammoniak noch offen und müssen erforscht werden. In vielen Bereichen verhält es sich anders als Wasserstoff: Ammoniak kann gut gespeichert und transportiert werden, aber es ist reaktionsträge und der Zündbereich ist kleiner, das heißt, die Verbrennung ist anspruchsvoller. Für Bernd eine spannende Herausforderung: „Es ist ein wirklich cooles Thema, weil man über das Brenner-Design die Verbrennung massiv beeinflussen kann.“
Am GWI tauscht Bernd sich mit vier anderen Doktorand*innen aus. Regelmäßig kommen sie zu einer Runde zusammen und unterstützen sich gegenseitig. Halbjährlich gibt es ein Kolloquium, an dem auch der wissenschaftliche Vorstand des GWI, Prof. Dr. Christoph Wieland, teilnimmt und den Promovierenden Feedback gibt. Am Institut ist immer jemand greifbar, der bei Bedarf unterstützt. Im nächsten Jahr will Bernd seine Promotion abschließen, die Brenner sollen auch danach Teil seiner Arbeit bleiben.
