Next-Generation LNG Verdampfer
Konsortium: IKM Flux, Jiskoot Solutions, Valland, Intertec, ToffeeX, EOS Additive Minds | Fallstudie
Wie generatives Design und Metall-AM die Messwertschwankungen um mehr als 50% reduzieren
Um diese Herausforderungen zu lösen, hat ein branchenübergreifendes Konsortium, bestehend aus IKM Flux, Intertec, Jiskoot Solutions, ToffeeX, Valland und EOS, einen LNG-Verdampfer der nächsten Generation entwickelt.
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IKM Flux: Design und Tests des Probennahmesystems
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Intertec: Bereitstellung und Zertifizierung des integrierten Heizelements
- Jiskoot Lösungen: Konzeptentwicklung und Designführung
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ToffeeX: Generative-Design-Software
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Valland: Fertigung auf einer EOS M 290 (AlSi10Mg)
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EOS: AM Technologie und DfAM-Expertise zur Umsetzung des generativen Designs in ein zertifiziertes Produkt
Das Ergebnis ist ein monolithisches, additiv gefertigtes Aluminiumbauteil mit optimierten spiralförmigen Strömungskanälen, kontrollierten Turbulenzstrukturen und integrierten Vakuumisolationskammern. Bei Feldtests am LNG-Terminal von Equinor in Hammerfest im März 2025 reduzierte der neue Verdampfer die Schwankungen der GHV-Messwerte um über 50 %. Damit demonstriert er eindrucksvoll das Leistungspotenzial digital entwickelter thermo-fluidischer Systeme in Kombination mit Metall-AM.
Herausforderung
Die LNG-Verdampfung ist thermodynamisch hochsensibel. LNG tritt mit etwa –160 °C in den Verdampfer ein und muss vollständig verdampft sowie überhitzt werden. Konventionelle Verdampfer basieren meist auf koaxialen Heizkonzepten und spanend gefertigten Komponenten. Sie bieten nur eingeschränkte Kontrolle über: Wärmefluss, Temperaturverteilung, Phasenverhalten, Strömungsbedingungen.
Dies führt häufig zu ungleichmäßiger Verdampfung und damit zu instabilen GHV- und Wobbe-Index-Messungen. Auch der Druckverlust ist kritisch: Ein zu geringer Druckverlust reduziert Turbulenz und Wärmeübertragung. Ein zu hoher Druckverlust verschlechtert die Strömungskonditionierung. Gerade in arktischen oder Offshore-Installationen treten zudem erhebliche Wärmeverluste an die Umgebung auf.
Darüber hinaus begrenzt die konventionelle Fertigung die Kanalgeometrie, die Integration von Isolation und die Funktionsdichte. Um die Messgenauigkeit signifikant zu steigern, war daher ein Verdampfer erforderlich, der Wärmeübertragung, Druckstabilität, Strömungshomogenität und Isolation in einem kompakten, industrietauglichen und retrofit-fähigen System vereint. Der IKM Flux Vaporizer stellt eine grundlegende Neuentwicklung eines zentralen Elements der LNG-Infrastruktur dar.
Lösung
Ein durch generative Verfahren entwickelter LNG-Verdampfer, der mittels Metall-AM realisiert wurde.
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Physikbasiertes generatives Design
Das Konsortium definierte mehrere miteinander verknüpfte Leistungsziele: die Maximierung der Wärmeübertragung im Bereich der Heizschnittstelle, die Sicherstellung einer frühzeitigen und vollständigen Verdampfung, die Einhaltung definierter Druckverlustgrenzen, die Minimierung von Wärmeverlusten an die Umgebung sowie die Gewährleistung der Herstellbarkeit mittels Metall-AM.
Mithilfe der generativen Designplattform ToffeeX wurden diese Anforderungen durch multiphysikalische Simulationen erfüllt, die Konvektion, Wärmeleitung, Druckfeldverteilung und AM-spezifische Restriktionen berücksichtigten.
Die resultierende doppelte Spiralströmungsgeometrie erhöht die Verweildauer des LNG in den beheizten Bereichen und erzeugt kontrollierte Turbulenzen, die für einen gleichmäßigen Phasenübergang entscheidend sind. Strömungskonditionierung und Mischfunktionen entstanden direkt aus dem physikbasierten Optimierungsprozess und wurden nicht manuell konstruiert. Dieser Ansatz minimierte stagnierende Bereiche und unkontrollierte Strömungseffekte und führte zu einer stabilen Dampfqualität über den gesamten Betriebsbereich. -
Integrierte Isolierung und AM-First-Design
Ein zentrales Merkmal des neuen Designs ist die Integration von Vakuumisolationskammern direkt in die tragende Struktur des Verdampfers. Dadurch werden Wärmeverluste an die Umgebung erheblich reduziert, was insbesondere unter rauen Umgebungsbedingungen entscheidend ist und nur durch additive Fertigung realisierbar war.
Die Komponente wurde konsequent nach DfAM-Richtlinien (Design für additive Fertigung) entwickelt. EOS Additive Minds unterstützte die Auslegung einer vollständig selbsttragenden Innenarchitektur, die während der Metall-AM-Fertigung keine internen Stützstrukturen erfordert. Dies gewährleistet eine zuverlässige Pulverentfernung, reduziert den Materialeinsatz und verbessert die langfristige Betriebsstabilität.
Die topologieoptimierte Geometrie wurde mit Rhino/Grasshopper modelliert, während interne Gitterbereiche mithilfe impliziter Modellierung in nTop erzeugt und direkt im EOS-Build-Workflow verarbeitet wurden. -
Fertigung auf EOS-Systemen
Der Verdampfer wurde aus AlSi10Mg unter Verwendung der EOS-Metall-Laser-Pulverbettfusion gefertigt. Erste Entwicklungsbauteile entstanden auf einer EOS M 290, die finalen Komponenten wurden auf einer EOS M 400-4 produziert. Ein Parametersatz mit 40 µm Schichtdicke in Kombination mit einer Skip-Layer-Strategie ermöglichte eine hohe Oberflächenqualität und verkürzte gleichzeitig die Bauzeit, da Kernbereiche mit einer effektiven Schichthöhe von 80 µm gefertigt wurden.
Trotz einer Bauteilhöhe von 279 mm und komplexer Innengeometrie gewährleisteten optimierte Prozessparameter eine hohe Maßgenauigkeit, stabile Druckqualität und zuverlässige thermische Eigenschaften. Pulverentfernungsöffnungen wurden direkt in das Design integriert, sodass Restpulver vollständig aus den spiralförmigen Strömungskanälen und Isolationshohlräumen entfernt werden konnte.
Der fertige Verdampfer ist ein monolithisches Aluminiumbauteil ohne Schweißnähte, Verbindungsstellen oder interne Stützen. Er wurde auf 150 bar(g) geprüft, erfüllt die Anforderungen der ATEX-Klassifizierung und ist für den anspruchsvollen industriellen Betrieb ausgelegt.
Additiv gefertigter LNG-Verdampfer
Die Darstellung zeigt im Schnitt die generativ konstruierten Doppelspiral-Strömungskanäle und die integrierten Vakuumisolationshohlräume.
Ergebnisse
Während der Feldtests im März 2025 am LNG-Terminal von Equinor in Hammerfest wurde der additiv gefertigte Verdampfer unter identischen Betriebsbedingungen mit einem bestehenden Gerät verglichen.
Bei Durchflussraten von bis zu 1400 SL/h reduzierte sich die Standardabweichung der GHV-Messwerte um über 50 %, was auf eine deutlich verbesserte Verdampfungsstabilität und Wiederholbarkeit der Probenahme hinweist. Der integrierte 500-W-Keramikheizer erwärmte das LNG 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 Eliminierung der Messabweichungen sowie von einem deutlich besser vorhersagbaren Verhalten des Wobbe-Index 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 Kombination aus physikbasiertem generativem Design und additiver Metallfertigung Leistungssteigerungen ermöglicht, die mit konventionellen Verdampfertechnologien bislang nicht erreichbar waren.
Ergebnis und Auswirkungen auf die Branche
Der Verdampfer der nächsten Generation setzt neue Maßstäbe für Genauigkeit und Zuverlässigkeit im LNG-Custody-Transfer. Sein kompaktes, modulares Design ermöglicht sowohl sondenmontierte als auch eigenständige Durchflusskonfigurationen und eignet sich gleichermaßen für Neuinstallationen wie für die Nachrüstung bestehender Systeme.
Durch die Integration von Wärmemanagement, Strukturverhalten, Mischleistung und Isolation in einer einzigen digital entwickelten Geometrie bietet die Lösung folgende Vorteile:
- Verbesserte Messgenauigkeit im eichpflichtigen LNG-Verkehr
- Verbesserte Einhaltung regulatorischer Anforderungen
- Größere Sicherheit bei der Bestimmung des Energiegehalts
- Reduzierte Betriebsvariabilität
- Hohe Langzeitzuverlässigkeit durch monolithisches AM-Design
Der erfolgreiche Feldeinsatz bestätigt, dass die additive Metallfertigung für regulierte und sicherheitskritische Anwendungen im LNG- und Energiesektor bereit ist. Gleichzeitig eröffnet sie neue konstruktive Freiheitsgrade und ermöglicht messbare Leistungssteigerungen für thermo-fluidische Komponenten der nächsten Generation.
Das Projekt zeigt zudem, wie EOS den Übergang von simulationsgetriebenem Engineering hin zu vollständig zertifizierter industrieller Hardware im globalen Energiesektor unterstützt.
Weitere Themen
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