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Neue Membrantechnologie für effiziente CO2-Abscheidung

Eine Gasabscheidung, die auf Membrantechnologie anstelle konventioneller Abscheidungsverfahren basiert, kann bessere Ergebnisse im Hinblick auf die Senkung der Kohlenstoffdioxid (CO2)-emissionen durch Kraftwerke und durch die Zementherstellung ermöglichen, sowie Verluste in der Produktionseffizienz mindern.
Neue Membrantechnologie für effiziente CO2-Abscheidung
Eine der effektivsten Methoden für die Abscheidung von CO2 aus industriellen Quellen ist die Oxyfuel-Verbrennung, bei der der erforderliche Sauerstoff (O2) vor der Verbrennung aus der Luft entzogen wird. Diese O2-reiche, stickstofffreie Atmosphäre führt letztlich zu Abgasen, die hauptsächlich aus CO2 und Wasser bestehen und so für einen konzentrierteren CO2-Strom sorgen, der die Reinigung vereinfacht.

Der wesentliche Energiebedarf bei dieser Methode geht auf die O2-Herstellung zurück, die üblicherweise durch die Verflüssigung von Luft erreicht wird. Dieser Energiebedarf wird durch die Anwendung thermisch integrierter Abscheidungsmodule, die auf O2-Transport-Keramikmembranen basieren, erheblich verringert. Dies könnte im Vergleich zu einer Abscheidung durch kryogene Luftzerlegung zu einer Reduktion des Abscheidungsenergiebedarfs um bis zu 60 % führen. Im Vergleich zu Abscheidungsverfahren nach der Verbrennung ist eine Senkung des Energiebedarfs um bis zu 40 % möglich.

Stark durchlässige Membranmaterialien zeigen gegenüber CO2 und anderen Abgaskomponenten eine chemische Instabilität. Das EU-finanzierte Projekt GREEN-CC ging diese Herausforderung durch die Entwicklung sehr stabiler Membranen und eines Konzeptnachweismoduls (Proof of Concept, PoC) für die integrierte O2-Herstellung bei der Zementproduktion und für Kombikraftwerke mit Oxyfuel-Verbrennung und mit integrierter Kohlevergasung an.

Erhöhte Leistung

Forscher untersuchten unter Verwendung einer numerischen Methode für die Berechnung der Strömungsdynamik und unter Verwendung einer Finite-Elemente-Methode für die Belastungsanalyse vier mögliche PoC-Designs. Nach einer Überprüfung der Vorteile und Nachteile jedes Konzepts wurde das aussichtsreichste Konzept ausgewählt. „Dieses bestand aus zwei asymmetrischen Membranen, die auf einer Zwischenschicht gegenüberliegen und mechanische Stabilität sowie Strömungskanäle für das abgelassene Gas ermöglichen. Die Komponenten werden in einem Metallgehäuse untergebracht, das das Modul bildet“, erklärt Projektkoordinator Dr. Wilhelm Meulenberg.

Die Projektpartner identifizierten und synthetisierten zudem eine Vielzahl von Materialien im Labormaßstab, die für hohe Leistung und Stabilität sorgen. Es wurden ferner Permeationsexperimente und Stabilitätstests für CO2- und Schwefeloxid (SOx)-haltige Atmosphären durchgeführt. LSCF (Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite), das unter CO2-Abgasbedingungen stabil ist, wurde zur Verwendung als Referenzmaterial für das PoC-Modul nach oben skaliert. Es wurden dünne LSCF-Membrankomponenten in voller Größe (7 cm x 10 cm) entwickelt, in dem PoC-Modul abgedichtet und unter realistischen Betriebsbedingungen 650 Stunden lang getestet.

Wissenschaftler untersuchten die Eigenschaften von Dual-Phase-Verbundwerkstoffmaterialien im Hinblick auf eine hohe Stabilität unter CO2- und SOx-Umgebungen. „Zur Steigerung der Leistung der Membranen wurden mehrere katalytisch aktive Materialien, die vor allem auf Praseodym- und Ceriumoxiden basierten, getestet und zur Verwendung als poröse Oberflächenschicht auf den Membranen ausgewählt“, erklärt Dr. Meulenberg. „Es wurden Stabilitätstests für diese Materialien in CO2- und SOx-haltigen Atmosphären durchgeführt und ihre Leistung wurde gemessen.“

Ein großes Anwendungsspektrum

Das Konsortium fokussierte die Demonstration seiner Membrantechnologie auf eine asymmetrische Dünnfilm-O2-Transportmembran mit einer ausgezeichneten Leistung im Hinblick auf eine hohe O2-Permeation, mit einer unendlichen O2-Selektivität und einer hohen Stabilität. Es werden zudem ggf. weitere optimierte PoC-Module unter Verwendung von Standard-LSCF- und Dual-Phase-Membranen gebaut.

Sehr stabile Materialien, die von den Projektpartnern identifiziert worden sind, bieten zudem aussichtsreiches Potenzial für die Verwendung mit Technologien wie katalytischen Membranreaktoren zur Herstellung chemischer Energieträger. „Zusätzlich zur CO2-Abscheidung kann GREEN-CC auf dem Gebiet der katalytischen Membranreaktoren für die Herstellung von Grundchemikalien, chemische Energieträger, CO2-Nutzung, Abfallproduktezersetzung oder Reingasabscheidung angewandt werden“, merkt Dr. Meulenberg an.

Die Erfolge von GREEN-CC werden Mitgliedern der Wissenschaftsgemeinschaft, die an Gasabscheidungsmembranen und katalytischen Membranreaktoren arbeiten, sowie weiteren Industrien, in denen Membranen verwendet werden, zugutekommen. Auch die breitere Öffentlichkeit wird hiervon aufgrund der CO2-Abscheidung und des Klimaschutzes profitieren.

Schlüsselwörter

GREEN-CC, Gasabscheidung, CO2-Abscheidung, Oxyfuel, O2-Transportmembranen
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