Aktuell / 30.10.2013

MEM-OXYCOAL: Keramik senkt Energieverbrauch der Luftzerlegung

Benötigte Membranfläche stark reduziert

Die Forscher erzielten starke Verbesserungen bei der Sauerstoffpermationsrate der Membran. „Noch vor Kurzem hätte die für einen membrangestützten Oxyfuel-Prozess in einem typischen 500-Megawatt-Kraftwerk erforderliche Membranfläche rund 20 Fußballfelder betragen“, sagt Dr. Michael Schroeder, Privatdozent am Institut für Physikalische Chemie der RWTH Aachen. Dem zu Grund liegt ein Sauerstoffdurchsatz von 1,8 m3/(m²*h). Nach den neusten Laborentwicklungen erreicht die Membran unter optimalen Bedingungen einen Durchsatz von 40 m³/(m²*h). Damit liegt die benötigte Membranfläche für ein typisches Kraftwerk nur noch bei der Größe eines Fußballfeldes. Dies würde zu beachtlichen Material- und Kosteneinsparungen bei der Umsetzung der Oxyfuel-Technik führen.

Der Querschnitt zeigt eine dünne Membranschicht bestehend aus dem Oxid (Ba,Sr)(Co,Fe) O3 mit einer Dicke von circa 20 µm auf einem porösen trägergleichen Material. Foto: Forschungszentrum Jülich

MEM-OXYCOAL: Aussichtsreiche Werkstoffe zur Luftzerlegung

Die Forschung im Projekt MEM-OXYCOAL identifizierte als aussichtsreiche Werkstoffklasse für CO2-stabile, Sauerstoff leitende Membranen (La,Sr)(Co,Fe)O3 (LSCF). Der perowskitische Werkstoff erwies sich in einer reinen CO2-Atmosphäre und in einem Modellgas bei einer Temperatur von 850 °C als stabil. Das Modellgas bestand aus 95 Prozent Kohlendioxid, fünf Prozent Sauerstoff und 400 ppm Schwefeloxid. Die Wissenschaftler untersuchten dabei unterschiedliche Zusammensetzungen, bei denen der La-und Sr-Gehalt variiert wurde.

 

Erste gasdichte, asymmetrische Membranen mit 30 µm Schichtdicke und einer Trägerdicke von 900 µm ergaben bei 850 °C einen Sauerstoffionenfluss von 1ml cm-2 min-1. Das Potential, den Fluss der Membran weiter zu erhöhen, liegt vor allem im Bereich der Oberflächenvergrößerung und Aktivierung.

Kompositmembranen als alternative Trennmembranen

Eine interessante Alternative zu perowskitischen Membranmaterialien sind Kompositmembranen, die aus einer Durchdringungsstruktur aus ionenleitender und elektronenleitender Phase bestehen. Die im Projekt MEM-OXYCOAL entwickelten Kompositmembranen basieren auf dotiertem Ceroxid, einem Oxidionenleiter, und Spinellen als Elektronenleiter. Die zweiphasigen Materialien zeigen unter CO2 eine stabile Sauerstoffpermeation und sind im Modellgas beständig. Sie sind darüber hinaus gegenüber Magnesiumoxid bei den Anwendungstemperaturen chemisch stabil und besitzen einen vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten. Dementsprechend kann poröses Magnesiumoxid als preiswertes Supportmaterial für asymmetrische Kompositmembranen eingesetzt werden. Die mechanischen Kennwerte, wie das Ausdehnungsverhalten, die Kriechrate oder Festigkeit der verwendeten Materialien, wie Magnesiumoxid, sind deutlich günstiger als die der bisher untersuchten Perowskite.

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.