Membranen für Oxyfuel

Für das Oxyfuel-Verfahren wird reiner Sauerstoff benötigt. Die Erzeugung des Sauerstoffs kann durch Luftzerlegung mittels Kryogentechnik oder Membrantechnik erfolgen. Die kryogene Luftzerlegung ist Stand der Technik. Die Membrantechnik zur Trennung von O₂ und N₂ ist noch Gegenstand grundlegender F&E-Arbeiten.

Als Werkstoffe für O₂-selektive Membranen werden derzeit hauptsächlich oxidkeramische Materialien z. B. Perowskite oder Fluorite untersucht. Diese Werkstoffe sind bei Raumtemperatur gasdicht. Erst wenn hohe Temperaturen und ein Druckgradient vorliegen, werden oxidkeramische Sauerstofftrennmembranen durchlässig für Sauerstoffionen.

Der Diffusionsprozess der Membranen muss daher thermisch aktiviert werden. Dazu werden die Membranen und die anströmende Frischluft auf Temperaturen zwischen 700 °C bis 900 °C erhitzt.

Für die Aufheizung der Membran und der anströmenden Luft werden derzeit zwei Konzepte favorisiert: der sogenannte 4-End Prozess und der sogenannte 3-End Prozess.

Beim 4-End Prozess wird der Retentatseite der Membran rezirkuliertes Rauchgas als Spülgas zugeführt. Das Spülgas erhitzt die Membran und erhöht außerdem den Sauerstoffstrom über die Membran.

Die zu zerlegende Luft wird zunächst verdichtet und mittels Rauchgas vorgewärmt, bevor sie der Permeatseite der Membran zugeführt wird.
Durch die Kompression der Luft und die Verwendung eines Spülgasstroms wird ein hohes O₂-Partialdruckverhältnis erreicht, was zu einer hohen Permeationsrate führt.
Das auf der Rentatseite anfallende Rauchgas-Sauerstoffgemisch, auch O₂-angereichertes Rauchgas genannt, wird über ein Heißgasgebläse dem Kohle-Verbrennungsprozess zugeführt.
Der 4-End Prozess erfordert neben der Entwicklung der Membran die Entwicklung eines Heißgasgebläses, das bei ca. 600 °C arbeitet, sowie die Entwicklung einer Heißgasentschwefelung, die bei ca. 800 °C arbeitet.

Beim 3-End Prozess entfällt die Durchströmung der Retentatseite mit Rauchgas.

Hier erfolgt die Aufheizung der Membran durch die zu zerlegende Luft. Dazu wird die anströmende Luft zunächst verdichtet, anschließend im Dampferzeuger des Kraftwerks auf ca. 850 °C erhitzt und dann der Permeatseite der Membran zugeführt.
Um bei Wegfall des Spülgasstroms das notwendige O₂-Partialdruckverhältnis zu erzielen, wird beim 3-End Prozess auf der Retentatseite ein niedriger Permeatdruck mit Hilfe eines Vakuumsystems erzeugt.

Die Vorteile des 3-End Prozesses gegenüber dem 4-End Prozess sind, dass weder Rauchgas resistente Membranmaterialien noch Heißgasgebläse erforderlich sind.

Die Vorteile des 4-End Prozesses gegenüber dem 3-End Prozess sind, dass mit etwas geringeren Wirkungsgradeinbußen und geringeren Membranflächen zu rechnen ist.

F&E-Arbeiten zu beiden Prozessvarianten gibt es u. a. im Rahmen der Forschungsvorhaben AC-Oxycoal und MEMBRAIN.

Begriffssynonyme:

Synonym für 3-End Prozess: 3-End Verfahren; 3-End Betrieb
Synonym für 4-End Prozess: 4-End Verfahren; 4-End Betrieb
Synonym für Spülgas: sweep gas
Synonym für Dampferzeuger: Dampfkessel