Membranverfahren

Für die Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Gasstrom kommen neben Absorptionsverfahren wie Aminwäsche, Ammoniakwäsche oder Carbonate Looping und den Adsorptionsverfahren auch Membranverfahren in Frage.

Der Einsatz von Membranen ist in allen drei CO₂-Abscheideverfahren denkbar:

• CO₂-selektive Membranen für Post-Combustion zur Trennung von CO₂ und N₂.
• H₂-selektive Membranen für Pre-Combustion zur Trennung der Synthesegas-Bestandteile H₂ und CO₂.
• O₂-selektive Membranen für Oxyfuel zur Trennung von O₂ und N₂, um reinen Luftsauerstoff für den Oxyfuel-Verbrennungsprozess bzw. für den Pre-Combustion-Kohlevergasungsprozess zu gewinnen.

Membranen sind Materialien, deren Werkstoffstrukturen eine selektive Permeation von Gasen erlauben. Die Selektivität der Membranen für die Durchlässigkeit verschiedener Gase hängt im Wesentlichen vom Membranmaterial und den Transportmechanismen ab.

Der Stoffstrom des Gases durch die Membran wird maßgeblich durch die Partialdruckdifferenz der Gase zwischen Permeatseite und Retentatseite beeinflusst. Hohe Drücke des zu behandelnden Gasstromes, die z. B. beim Pre-Combustion-Verfahren vorliegen, sind daher normalerweise für den Membraneinsatz von Vorteil.

Die Trennung von Gasen mittels Membranen findet in der Industrie bereits Anwendung, z. B. bei der Abtrennung von CO₂ aus dem Erdgas. Membranverfahren für die Anwendung im Kraftwerksbereich befinden sich dagegen noch in einem sehr frühen Entwicklungsstadium. Sie werden daher auch als CCS-Verfahren der zweiten Generation bezeichnet.

Zur Entwicklung von Membranen wurden u. a. die Forschungsprojekte MEM-BRAIN, MEM-OXYCOAL, OXYMEM sowie METPORE eingerichtet. Bei METPORE stehen metallgetragene keramische Membranen für die Trennung von H₂ und CO₂ im Fokus. Das Projekt MEM-BRAIN verfolgt die Entwicklung von polymerbasierten und keramischen Membranen zur Trennung von CO₂ und N₂, O₂ und N₂ sowie von H₂ und CO₂. Die Projekte OXYMEM, inzwischen beendet und MEM-OXYCOAL haben die Entwicklung rein keramischer Membranen für die Trennung von O₂ und N₂ zum Ziel.

Die folgende Tabelle enthält einen Überblick über einige der derzeit diskutierten Membrantypen für die 3 CO₂-Abscheiderouten Post-Combustion, Pre-Combustion und Oxyfuel:

Begriffssynonyme:

• Synonym für Permeation: Durchlässigkeit
• Synonym für Membran: Membrane
• Synonym für MPEC: Mixed Proton-Electron Conducting Membrane
• Synonym für MIEC: Mixed Ionic Electron Membrane
• Synonym für MCM: Mixed Conducting Membran
• Synonym für OTM: Oxygen Transport Membrane
• Synonym für ITM: Ion Transport Membrane

Begriffserläuterungen:

• Permeat ist das Gas, das beim Trennprozess die Membran durchdringt.
• Retentat ist das Gas, das beim Trennprozess von der Membran zurückgehalten wird.
• Membranmaterialien sind z. B. für MPEC Membranen Silikate, Zeolithe, Kohlenstoff oder Aluminiumoxide.
• Zeolithe sind nanoporöse Gerüstsilikate.
• MEM-BRAIN: Entwicklung von Membranen zur Abtrennung von CO₂, O₂ und H₂. MEM-BRAIN ist eine Allianz von Helmholtz-Zentren, Forschungszentren, Universitäten und Industrieunternehmen.
• OXYMEM: Entwicklung keramischer Membranen für die Reinstgaserzeugung und selektive katalytische Oxidation mit Membranreaktoren.
• METPORE: Nanostructured Ceramic and Metal Supported Membranes for Gas Separation. Übersetzt: Nanostrukturierte, metallgetragene Keramikmembranen für die Gastrennung.
• MEM-OXYCOAL: Sauerstoffpermeable keramische Membranen für kohlebefeuerte Kraftwerke.