LNG-Verdampfer der nächsten Generation
Konsortium: IKM Flux, Jiskoot Solutions, Valland, Intertec, ToffeeX, EOS Additive Minds | Fallstudie
Wie generatives Design und Metall-AM eine Reduzierung der Messabweichungen um mehr als 50 % ermöglichen
Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat ein branchenübergreifendes Konsortium, bestehend aus IKM Flux, Intertec, Jiskoot Solutions, ToffeeX, Valland und EOS, einen LNG-Verdampfer der nächsten Generation entwickelt.
-
IKM Flux: Oüberwachte die Konstruktion und Erprobung des Probenahmesystems
-
Intertec: Pbereitgestellt und zertifizierte die integrierte Heizung
- Jiskoot Lösungen: onzeptentwicklung und Designleitung
-
ToffeeX: Dlieferte die generative Design-Software
-
Valland: Hersteller der Komponente mit einem EOS M 290 mit AlSi10Mg Aluminium .
-
EOS: Lieferung der AM-Technologie und des Know-hows im Bereich Design für AM, wodurch das physikbasierte generative Design zu einer zertifizierten, einsatzbereiten Komponente wurde.
Das Ergebnis ist ein monolithisches, additiv gefertigtes Aluminiumbauteil mit optimierten spiralförmigen Strömungskanälen, kontrollierten Turbulenzstrukturen und Vakuumisolationshohlräumen. Bei der Feldanwendung im LNG-Terminal von Equinor in Hammerfest im März 2025 reduzierte der neue Verdampfer die Schwankungen bei der GHV-Messung um über 50 % und demonstrierte damit die Leistungsvorteile digital entwickelter thermofluidischer Systeme, die mit Metall-AM hergestellt wurden.
Herausforderung
Die Verdampfung von LNG ist ein thermodynamisch sensibler Prozess. LNG gelangt mit einer Temperatur von etwa -160 °C in den Verdampfer und muss vollständig verdampft und überhitzt werden, um eine repräsentative Probenahme zu gewährleisten. Herkömmliche Verdampferkonstruktionen – in der Regel basierend auf koaxialen Heizkonzepten und konventionell bearbeiteten Komponenten – bieten nur begrenzte Möglichkeiten zur Steuerung der Wärmeflussverteilung, der Temperaturgradienten und des Phasenverhaltens entlang des Strömungswegs.
Infolgedessen kann es zu einer ungleichmäßigen Verdampfung kommen, was zu einer instabilen Qualität führt und die GHV- und Wobbe-Index-Messungen verfälscht. Der Druckabfall sorgt für zusätzliche Komplexität: Ein unzureichender Druckverlust verringert die Turbulenz und die Wärmeübertragungseffizienz, während ein übermäßiger Druckabfall die Strömungskonditionierung negativ beeinflusst. Wärmeverluste an die Umgebung – insbesondere in arktischen oder Offshore-Anlagen – destabilisieren die Leistung des Verdampfers zusätzlich.
Herkömmliche Fertigungsverfahren schränken die Kanalgeometrie, die Integration von Isolierungen und die Dichte der Funktionsmerkmale ein. Um eine konsistente, hochpräzise LNG-Probenahme zu erreichen, war daher ein neu konstruierter Verdampfer erforderlich, der in der Lage ist, die Wärmeübertragung, Druckstabilität, Strömungshomogenität und thermische Eindämmung in einem kompakten, einsatzbereiten System zu optimieren – und dabei vollständig fertigungsfähig und nachrüstkompatibel zu bleiben.
Lösung
Ein generativ konstruierter, metallischer AM-fähiger LNG-Verdampfer
-
Physikbasiertes generatives Design
Das Konsortium definierte mehrere miteinander verbundene Leistungsziele: Maximierung der Wärmeübertragung in der Nähe der Heizschnittstelle, Sicherstellung einer frühzeitigen und vollständigen Verdampfung, Einhaltung definierter Druckabfallgrenzen, Minimierung des Wärmeverlusts an die Umgebung und Sicherstellung der Herstellbarkeit mittels Metall-AM.
Mithilfe der generativen Designplattform ToffeeX wurden diese Ziele durch multiphysikalische Simulationen gelöst, die Konvektion, Wärmeleitung, Druckfeldverteilung und AM-Beschränkungen abdeckten.
Die daraus resultierende doppelte Spiralströmungsgeometrie erhöht die Verweildauer von LNG in beheizten Bereichen und induziert gleichzeitig kontrollierte Turbulenzen, die für einen gleichmäßigen Phasenübergang unerlässlich sind. Die Strömungskonditionierungs- und Mischfunktionen entstanden direkt aus dem physikalisch gesteuerten Optimierungsprozess und wurden nicht manuell von Ingenieuren eingeführt. Dieser Ansatz minimierte stagnierende Bereiche und unkontrollierte Strömungsphänomene, was zu einer stabilen Dampfqualität über den gesamten Betriebsbereich führte. -
Integrierte Isolierung und AM-First-Design
Ein charakteristisches Merkmal des neuen Designs ist die Integration von Vakuumisolationskammern direkt in die tragende Struktur des Verdampfers. Dies reduziert den Wärmeverlust an die Umgebung erheblich – was für eine stabile LNG-Probenahme unter rauen Umgebungsbedingungen entscheidend ist – und ist nur durch additive Fertigung möglich.
Die Komponente wurde nach strengen Vorgaben entwickelt. Design für additive Fertigung (DfAM) Richtlinien. EOS Additive Minds unterstützte die Entwicklung einer vollständig selbsttragenden Innenarchitektur, die während des Metall-AM keine internen Stützstrukturen benötigt. Dies gewährleistet eine zuverlässige Pulverentfernung, reduziert den Materialverbrauch und verbessert die langfristige Betriebsstabilität.
Die topologieoptimierte Geometrie wurde mit Rhino/Grasshopper rekonstruiert, während interne Gitterbereiche durch implizite Modellierung in nTop generiert und nativ im EOS-Build-Workflow verarbeitet wurden. -
Fertigung auf EOS-Systemen
Der Verdampfer wurde hergestellt in AlSi10Mg unter Verwendung der EOS-Metall-Laser-Pulverbettschmelztechnologie. Während die ersten Entwicklungsversuche auf einem EOS M 290Die endgültigen Komponenten wurden auf einem EOS M 400-4Ein Parametersatz mit einer Schichtdicke von 40 µm in Kombination mit einer Skip-Layer-Strategie ermöglichte eine hohe Oberflächenqualität und beschleunigte gleichzeitig die Bauzeit, indem Kernbereiche mit einer effektiven Schichthöhe von 80 µm gedruckt wurden.
Trotz der Höhe des Bauteils von 279 mm und seiner komplexen Innengeometrie sorgten optimierte Prozessparameter für eine hervorragende Maßgenauigkeit, stabile Druckqualität und zuverlässige thermische Leistung. Pulverabsaugöffnungen wurden direkt in das Design integriert, sodass Restpulver vollständig aus den spiralförmigen Strömungskanälen und Isolierhohlräumen entfernt werden konnte.
Der endgültige Verdampfer ist ein einzelnes, monolithisches Aluminiumbauteil – ohne Schweißnähte, ohne Verbindungsstellen und ohne interne Stützen –, das auf 150 bar(g) geprüft wurde, um die strengen Anforderungen der ATEX-Klassifizierung zu erfüllen, und für den anspruchsvollen industriellen Betrieb geeignet ist.
Additiv gefertigter LNG-Verdampfer
In AlSi10Mg, im Schnitt dargestellt, um die generativ konstruierten Doppelspiral-Strömungskanäle und integrierten Vakuumisolationshohlräume zu zeigen.
Ergebnisse
Während der Feldtests im März 2025 am LNG-Terminal von Equinor in Hammerfest wurde der additiv gefertigte Verdampfer unter identischen Betriebsbedingungen mit einem älteren Gerät verglichen.
Bei Durchflussraten von bis zu 1400 SL/h wurde die Standardabweichung der Bruttoheizwertmessungen (GHV) um über 50 % reduziert, was auf eine deutlich verbesserte Verdampfungsstabilität und Wiederholbarkeit der Probenahme hinweist. Der integrierte 500-W-Keramikheizkörper erhöhte die LNG-Temperatur zuverlässig von -160 °C auf etwa +60 °C, während die optimierte Spiralgeometrie eine frühzeitige und vollständige Verdampfung sicherstellte. Die Betreiber berichteten von einer nahezu vollständigen Beseitigung der Messabweichung und einem deutlich besser vorhersagbaren Wobbe-Index-Verhalten über längere Probenahmezyklen hinweg. Der Verdampfer ließ sich nahtlos in die bestehende Messinfrastruktur integrieren und bestätigte damit seine Eignung als Drop-in-Nachrüstlösung.
Diese Ergebnisse zeigen, dass die additive Fertigung mit Metallen und physikalisch orientiertes generatives Design Leistungsverbesserungen ermöglichen, die mit herkömmlichen Verdampfertechnologien bisher nicht erreichbar waren.
Ergebnis und Auswirkungen auf die Branche
Der Verdampfer der nächsten Generation setzt neue Maßstäbe für Genauigkeit und Zuverlässigkeit beim LNG-Custody-Transfer. Sein kompaktes, modulares Design ermöglicht sowohl sondenmontierte als auch eigenständige Durchflusskonfigurationen und unterstützt sowohl Neuinstallationen als auch Nachrüstungen in bestehenden Systemen.
Durch die Integration von Wärmemanagement, Strukturverhalten, Mischleistung und Isolierung in einer einzigen digital entwickelten Geometrie bietet die Lösung folgende Vorteile:
- Verbesserte Messgenauigkeit für den eichpflichtigen Verkehr mit LNG
- stärkere Einhaltung gesetzlicher Vorschriften
- höheres Vertrauen in die Bestimmung des Energiegehalts
- reduzierte Betriebsvariabilität
- Langfristige Zuverlässigkeit durch monolithisches AM-Design
Der erfolgreiche Einsatz vor Ort bestätigt, dass die additive Fertigung mit Metallen für regulierte, sicherheitskritische Anwendungen im LNG- und Energiesektor bereit ist und neue Gestaltungsfreiheiten sowie messbare Leistungssteigerungen für thermische und strömungssteuernde Komponenten der nächsten Generation ermöglicht. Das Projekt zeigt, wie EOS den Übergang von simulationsgesteuertem Engineering zu vollständig zertifizierter industrieller Hardware im globalen Energiesektor ermöglicht.
Weitere Themen
EOS M 400-4
Metallmaschine
Erfolgsgeschichten Energie
ERFOLGSGESCHICHTEN | Energie
EOS Aluminium AlSi10Mg
Metallmaterial
Leitfaden von Additive Minds
Additive Minds Gruppe
Technische Beratungsabteilung, die 3D-Druck-Know-how aus verschiedenen Branchen vereint. Unser Additive Minds-Team arbeitet mit Ihren Ingenieuren zusammen, um industrielle 3D-Druckprozesse zu optimieren und zu skalieren.
