Membranen für Pre-Combustion

Bei der Pre-Combustion-Verfahrensroute kann die Trennung der Synthesegasbestandteile H₂ und CO₂ auch durch Membranverfahren erfolgen. Die Druckverhältnisse beim Pre-Combustion Verfahren sind hierfür günstige Randbedingungen.

Es können wahlweise H₂- oder CO₂-selektive Membranen eingesetzt werden.

Besonders geeignet für die Pre-Combustion Verfahrensroute sind H₂-selektive Membranen.

Beim Trennprozess steigt bei H₂-selektiven Membranen die H₂-Konzentration auf der Permeatseite, während sich auf der Retentatseite die CO₂-Konzentration anreichert. Bei CO₂-selektiven Membranen sind die Verhältnisse umgekehrt.

Der Vorteil der H₂-selektiven Membranen liegt vor allem darin, dass sie auf der Permeatseite den Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage als Spülgasstrom nutzen können. Durch den Spülgasstrom kann der Partialdruck des Wasserstoffs auf der Permeatseite niedrig gehalten werden.

Der Druck des Spülgasstroms entspricht dem Niveau des druckbetriebenen Pre-Combustion Verfahrens von z. B. 30 bar. Da der abgetrennte Wasserstoff und der Spülgasstrom dem Gasturbinenprozess zugeführt werden, entfällt die Verdichtung des H₂ auf den Eintrittsdruck der Gasturbine.

Der Druck des auf der Retentatseite zurückgehaltenen CO₂ bleibt unverändert hoch. Dies senkt den Energieaufwand für die Verdichtung des CO₂ auf das Transportdruckniveau von z. B. 200 bar.

Bei CO₂-selektiven Membranen können keine Spülgase verwendet werden. Spülgase würden die Reinheit des abgetrennten CO₂ erheblich reduzieren. Die Permeatseite der CO₂-selektiven Membran muss daher bei niedrigen Drücken betrieben werden, um die notwendige Partialdruckdifferenz zu erzielen. Dies erhöht den Energieaufwand für die Verdichtung des CO₂.

F&E-Arbeiten zur Entwicklung H₂-selektiver Membranen betreffen u. a. mikroporöse Zeolithmembranen und Sol-Gel-Membranen sowie Mixed Proton-Electron Conducting Membranen, abgekürzt MPEC. Auch Polymermembranen, die in einem Temperaturbereich bis 400 °C einsatzfähig sind, wie z. B. die Polybenzimidazol Membran, kommen für das Pre-Combustion Verfahren in Frage.

Im Forschungsprojekt COORETEC wird als eines der langfristigen Ziele der Weiterentwicklung der Kohle-Kombikraftwerk Technologie, die Entwicklung einer katalytischen Hochtemperatur-H2-Membran in Verbindung mit einer Heißgasreinigung genannt.