Membrantechnologie für die Abtrennung von CO₂ an Punktquellen
Die Transformation zur Klimaneutralität ist eine der größten Herausforderungen, denen sich moderne Industriegesellschaften in den nächsten Jahren stellen müssen. Aber das wird nicht ganz ohne CO2-Ausstoß gehen, z. B. bei der Zementherstellung. Hereon entwickelt Membrantechnologien, um dieses CO2 abzutrennen.
Die Transformation moderner Industriegesellschaften zielt darauf ab, sie klimaneutral zu gestalten und so zur Erfüllung der Abmachungen des Pariser Klimaabkommens beizutragen. Allerdings kann der Ausstoß von Gasen, die zum Klimawandel beitragen nicht ganz vermieden werden. So ist z. B. die Produktion von Zement nicht möglich, ohne dass CO2 entsteht. Ähnlich ist das bei einigen Produktionsprozessen in der chemischen Industrie und bei der Müll- oder Klärschlammverbrennung.
Membranverfahren können eingesetzt werden, um dieses CO2 abzutrennen. Sie haben sich in den letzten Jahrzehnten in der Gasaufbereitung etabliert. So werden sie z. B. für die Abtrennung von organischen Dämpfen oder CO2 aus Erdgas eingesetzt. Daher lag es nahe, Membranen auch für die Abtrennung von CO2 aus Abgasströmen einzusetzen. Dabei kommen überwiegend Polymermembranen zum Einsatz. Der selektive Stofftransport erfolgt in einem bis zu 50 nm dünnen, dichten Polymerfilm. Um die mechanische Stabilität zu gewährleisten, wird dieser durch eine poröse Stützstruktur gehalten. Die verschiedenen Bestandteile einer Gasmischung lösen sich unterschiedlich gut in der Membran und diffundieren unterschiedlich schnell durch sie hindurch. Somit ergibt sich eine Anreicherung der gut permeierenden Komponenten auf der Niederdruck(Permeat)seite der Membran, während sich die schlecht permeierenden Komponenten an der Hochdruck(Retentat)seite anreichern. Die Druckdifferenz über die Membran stellt dabei die treibende Kraft für das Trennverfahren dar. Das Trennverhalten wird durch die Kombination Membranwerkstoff-Gasgemisch bestimmt: so gibt es Membranmaterialien welche sich zur Abtrennung von Kohlendioxid aus Rauchgasen eignen.
Für den technischen Einsatz werden Membranen bei Hereon als Flachmaterial gefertigt und in Druckbehälter (sog. Membranmodule) verbaut. Die bei Hereon entwickelten Flachmembranmodule können bis zu 1.000 m2 Membranmaterial fassen. Wesentlich für den effizienten Einsatz der Membrantechnologie für die Trennung von Gasgemischen ist die Auslegung des Trennverfahrens, also die Bestimmung der optimalen, auf die Trennaufgabe angepassten Betriebsdrücke und -temperaturen. Dies geschieht auf Basis experimentell bestimmter Parameter, die das Transportverhalten eines Membranmaterials für verschiedene Gase beschreiben und speziell für Membranmodule erstellten Simulationsmodellen, welche das Einsatzverhalten der Membranmodule genau abbilden.
Die von Hereon entwickelte Membrantechnologie zur CO2-Abtrennung wurde in zahlreichen, praxisorientierten Forschungsprojekten erprobt. Z. B. für die Abtrennung von CO2 aus dem Abgas einer Heizungsanlage, um es Algenbioreaktoren zuzuführen. Im Rahmen des BMWE Projekts MemKoWI wird die Technologie zusammen mit Partnern aus Wirtschaft (AG der Dillinger Hüttenwerke, atech innovations GmbH, iqony GmbH, Linde GmbH, thyssenkrupp Polysius GmbH) und Wissenschaft (DVGW-Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut des KIT, FZ Jülich, VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH) für die Abtrennung von CO2 aus Ab- und Prozessgasen der Stahl- und Zementindustrie sowie bei erneuerbaren Energien untersucht. Zusammen mit dem Lizenznehmer Cool Planet Technologies arbeitet Hereon an der kommerziellen Umsetzung der Technologie in der Zementproduktion bei Holcim.
