Aktuell / 30.10.2013

MEM-OXYCOAL: Keramik senkt Energieverbrauch der Luftzerlegung

Die kryogene Luftzerlegung, ein Verfahren um reinen Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen, ist energieaufwendig. Dadurch leidet auch die Effizienz von einigen Industrieprozessen und der bisherigen Verfahren zur Kohlendioxidabtrennung aus Abgasen. Im Forschungsprojekt MEM-OXYCOAL unter der Leitung der RWTH Aachen entwickelten Wissenschaftler Membranen, welche die Sauerstoffabscheidung energetisch verbessern.

Eine Wissenschaftliche Mitarbeiterin arbeitet an einem Hochtemperatur-Ofen an der RWTH Aachen. Foto: IPC, RWTH Aachen

Sie sind absolut porenfrei. Im Gegensatz zu porösen Membranen benötigen Hochtemperaturmembranen keine Poren für den Trennprozess des Sauerstoffs aus der Luft. Die Trennung funktioniert durch den Einbau von molekularem Sauerstoff aus der Luft in die Kristallstruktur des oxidischen Membranmaterials. Der Trick: Beim Einbau wird der Sauerstoff selbst zu einem Bestandteil des Membranmaterials. Andere Komponenten der Luft werden dagegen nicht eingebaut.

 

Im Gegensatz zu anderen Membrantypen können die Hochtemperaturmembranen auch bei hohen Durchsätzen eine hundert prozentige Selektivität für Sauerstoff erreichen – solange sie frei von Poren und Rissen bleiben. Im Forschungsvorhaben MEM-OXYCOAL identifizierten Wissenschaftler unter der Leitung des Instituts für Physikalische Chemie der RWTH Aachen Werkstoffe für Hochtemperaturmembranen zur Sauerstoffabscheidung. Die gefundenen keramischen Materialien optimierten die Wissenschaftler so, dass sie in einer Rauchgasatmosphäre mit viel Kohlendioxid bestehen und nicht durch Carbonatbildung degradieren.

 

Anwendungspotenziale der Luftzerlegung

Die energieaufwendige kryogene Luftzerlegung wird in Industrieunternehmen genutzt, die reinen Sauerstoff benötigen. Das ist zum Beispiel bei der Herstellung von Stahl und Glas der Fall, bei Oxidationsprozessen in der chemischen Industrie sowie bei medizinischen Anwendungen.

 

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die CO2-Abtrennung bei der Energieumwandlung. Um den Kohlendioxid-Ausstoß bei der Verbrennung von Biomasse, Kohle und Gas zu senken, gibt es mehrere technische Routen. Beim Oxyfuel-Verfahren findet die Verbrennung in einer reinen Sauerstoff-Umgebung statt. Das hat einen entschiedenen Vorteil für die Kohlendioxid-Abscheidung: Es entstehen bei der Verbrennung nur CO2 und Wasserdampf, die beim Abkühlen des Gasgemisches leicht getrennt werden können. Durch den bisher hohen Energieverbrauch, um reinem Sauerstoff zu gewinnen, würde das Oxyfuel-Verfahren allerdings den Wirkungsgrad eines Kohlekraftwerkes um circa zehn Prozent senken. Die Entwicklung der keramischen Membranen verspricht die Wirkungsgradeinbußen zu verringern. Auch beim Pre-Combustion-Verfahren kann die Membran eingesetzt werden. Nach der Vergasung von Kohle oder Biomasse wird reiner Sauerstoff für eine partielle Oxidation benötigt.

Kryogene Luftzerlegung

Bei der kryogenen Luftzerlegung wird Sauerstoff mittels Verflüssigung aus Luft gewonnen. Für die Sauerstofferzeugung ist das Linde-Verfahren großtechnisch verfügbar. Damit können gasförmiger und flüssiger Sauerstoff und Stickstoff sowie Argon hergestellt werden.

Projektleitung MEM-OXYCOAL

Prof. Dr. Manfred Martin

Institut für Physikalische Chemie

RWTH Aachen

Landoltweg 2

52056 Aachen

Telefon: +49(0)241 8094712

Fax: +49(0)241 8092128

www.ipc.rwth-aachen.de/martin

GREEN-CC

An der Verbesserung der Langzeitstabilität und des Sauerstoffdurchsatzes arbeiten die Projektpartner im aufbauenden EU-Projekt GREEN-CC, welches im September 2013 startete. Weitere Informationen zur laufenden Forschung.