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CO2-Membranfiltrierung für Kraftwerke

Die EU hat sich Ziele im Hinblick auf eine drastische und dennoch kostengünstige Reduzierung der CO2-Emissionen aus Kohlekraftwerken gesetzt. Eine spezielle Art von Kompositmembran könnte diesen Zweck erfüllen.
CO2-Membranfiltrierung für Kraftwerke
CO2 ist ein wichtiges Treibhausgas, das von Kohlekraftwerken in großen Mengen freigesetzt wird. Auch wenn derartige Anlagen eines Tages veraltet sein werden, entfernen die Betreiber in der restlichen Betriebszeit so viel CO2 wie möglich aus deren Emissionen.

Ein neuer Materialtyp, sogenannte Polymermembranen, können bestimmte Gase selektiv aus der Luft herausfiltern. Die Membranen können jedoch nur entweder Selektivität oder Permeabilität gewährleisten, nicht beides gleichzeitig. Mit Mischmatrixmembranen (Mixed-Matrix-Membran) ist diese Einschränkung theoretisch überwindbar, obwohl bisher noch kein Leistungsgewinn erzielt wurde.

Mixed-Matrix-Membranen

Mit einem neuen und relativ wenig getesteten Membrantyp mit der Bezeichnung M4 – Mischmatrixmembranen auf Basis metallorganischer Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs) – sollen die Inkompatibilitäten zwischen Membranen und Polymeren beseitigt werden. MOFs sind aus organischen Vernetzungsmitteln und anorganischen Knoten aufgebaute poröse kristalline Materialien. Sie funktionieren im Grunde als sorgfältig konzipierte Siebe, die in Abhängigkeit vom Verwendungszweck bestimmte Moleküle durchlassen und andere nicht.

Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts M4CO2 wurde ein energieeffizientes CO2-Filtersystem auf Grundlage einer M4-Membran entwickelt. Zweck des Ganzen war es, die Einhaltung der EU-Pläne im Hinblick auf eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 90 % bei weniger als 25 EUR pro Tonne CO2 zu ermöglichen. Das Projekt entwickelte außerdem neue MOFs und Polymere, und es verbesserte das theoretische Verständnis der Wechselwirkung zwischen den Komponenten. Das Team erschuf ferner dem Machbarkeitsnachweis dienende Prototypen und Verfahren zur Hochskalierung.

„Neben zahlreichen anderen war unser wichtigstes Ergebnis die erfolgreiche Entwicklung und Vorführung einer neuen M4-Technologie, die zur kontinuierlichen CO2-Abscheidung geeignet ist“, berichtet Projektleiter Professor Freek Kapteijn.

Wirkungsvolle und kostengünstige Filtration

Die Forscher schätzten die Kosten für die M4-CO2-Abtrennung vor der Verbrennung unter Einsatz der neuen Technik auf weniger als 20 EUR pro Tonne CO2. Und die Kosten könnten abhängig vom Druck in einem dreistufigen Prozess weiter auf 16 EUR pro Tonne gesenkt werden. Eine Abtrennung nach der Verbrennung dürfte bei rund 28 EUR pro Tonne liegen. Ein zweistufiger Prozess, bei dem hochempfindliche Low-Flux-Membranen mit ihren Gegenstücken kombiniert werden, hielte dem Vergleich mit den besten Verfahren zur Kohlendioxidwäsche stand. Bei dieser Wäsche zirkuliert eine Flüssigkeit, die CO2 bei niedriger Temperatur absorbiert und es bei hoher Temperatur freisetzt.

Das Team entwickelte außerdem Hohlfasermembranmodule, die in einem zylindrischen Gehäuse angeordnete Hohlfaserbündel enthalten. Das der Abtrennung zu unterziehende Gasgemisch wird an einem Modulende eingespeist, strömt dann um die Fasern herum und aus dem anderem Ende hinaus. „Eine große Herausforderung stellte die Maßstabsübertragung bei der Produktion der Hohlfasermembranen dar“, merkt Prof. Kapteijn an. „Die Membranen funktionierten im Labormaßstab gut, erbrachten jedoch in den Feldversuchen nicht die erwartete Leistung.“ Ungeachtet aller Rückschläge lernte das Team, wie Materialien und Module hergestellt werden müssen.

Die M4CO2-Membrantechnologie kann bei jedem beliebigen CO2-haltigen Gas Anwendung finden. Mit der Technik kann nicht nur das CO2 aus den Kohleabgasen nach der Verbrennung und vor der Freisetzung in die Atmosphäre, sondern auch CO2 aus den Gasen vor der Verbrennung abgetrennt werden. Dabei wird wasserstoffreiches Gas erzeugt, das zur sauberen Verbrennung geeignet ist.

In anderen Kontexten könnte die M4CO2-Technologie gleichermaßen bei Wasserstofferzeugungseinheiten Anwendung finden, was auch für die vom HyGear-Projekt der EU entwickelten Einheiten gilt. Jeder Typ der Abtrennung erfordert seinen eigenen optimierten Membranaufbau.

Obgleich das Projekt abgeschlossen ist, wird die Arbeit im Rahmen von MEMBER, einem neuen Horizont 2020-Projekt, mit vielen der ehemaligen Partner fortgesetzt. Das neue Projekt wird die Entwicklung verschiedener Anwendungen der kontinuierlichen CO2-Abscheidung fortführen und die Marktaussichten prüfen.

Schlüsselwörter

M4CO2, CO2, MOFs, Emissionen, Mischmatrixmembranen, Mixed-Matrix-Membranen, Filtration, Kohlekraftwerk, Polymermembran, metallorganische Gerüstverbindungen
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