COOMem
CO2-Abtrennung mittels Membranen
CO2 Abtrennung in Verbindung mit precombustion Verfahren
Membranen finden in zahlreichen Prozessen ihre Anwendung und gelten dank ihrer steten Weiterentwicklung als aussichtsreiche energieproduktivere Alternativen zur konventionellen Trennverfahren wie Rektifikation, Absorption oder Adsorption; dies gilt aufgrund seiner physikalisch chemischen Eigenschaften insbesondere auch für die Abtrennung von CO2. Für Membranverfahren resultiert aus ihrem vergleichsweise einfachen, kompakten Systemaufbau mit geringen Kapital- und Wartungskosten ein hohes technisches und ökonomisches Potenzial sowie eine verbesserte Nachhaltigkeit, da zum Betrieb keine Hilfsmittel oder energieintensive Phasenumwandlungen nötig sind. Durch das Einsparpotenzial beim Treibhausgas CO2 wird Deutschlands Rolle als Wegbereiter für den Klimaschutz gestärkt.
Dabei gibt es verschiedene unzureichend adressierte Probleme, die unter Nutzung der hier zu entwickelnden Membranen einer möglichen Lösung zugeführt werden können. Das gilt z.B. für die nach einer klein-skaligen CO2-Abtrennung aus Biogas mögliche Einspeisung ins allgemeine Erdgasnetz, wodurch sich die in einer herkömmlichen dezentralen Verstromung anfallenden Abwärmeverluste einsparen ließen. Ein weiteres Beispiel ist die CO2-Abtrennung aus Erdgas. Rund 20 % des Erdgases werden einer CO2-Abtrennung unterworfen, wobei Membranverfahren nur rund 2% des Marktes ausmachen.[1] Alternative Verfahren dominieren, da mit verfügbaren Membranen nur in wenigen Regionen die Reinheitsanforderungen ökonomisch erreicht werden können (z.B. NATCO, Thailand, 830.000 Nm3/h, 16 % CO2). Verbesserte Membranen könnten strengere Anforderungen erfüllen (USA, EU: <2 % CO2) und größere Teile dieses signifikanten Marktes zugänglich machen. Ein weiteres aussichtsreiches Einsatzfeld der Membrantechnologie stellt die Synthesegasreinigung dar.
Im Speziellen könnte mittels hochselektiver Membranen zur Entfernung von CO2 aus Synthesegas klimaneutraler Wasserstoff (z.B. aus biogenen Rohstoffen) für nachhaltige Mobilität bei hohem Druck und somit geringerem Kompressionsaufwand zur Speicherung geführt werden. Die CO2-Abtrennung aus Prozessabgasen oder Rauchgasen (PCC) ist für Membranen eine deutlich größere Herausforderung, die durch Anschlussentwicklungen langfristig auch adressierbar werden soll. Durch die skizzierte Entwicklung in der CO2 - Abtrennung kann grundsätzlich die internationale Konkurrenzfähigkeit mindestens mittelfristig gewahrt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Verwendung neuartiger Membrantechnologie zwei generelle Möglichkeiten zur Reduzierung der CO2-Emissionen eröffnet:
- Durch verbesserte Membranen werden die Energieeffizienzverluste in der CO2-Abtrennung verringert
- Die Kopplung mit der stofflichen Verwertung des abgetrennten CO2 zum Energieträger CH4 reduziert die Förderung fossiler Energieträger und den CO2-Ausstoß.
Für die Reduktion des CO2-Footprints bei der industriellen Wasserstofferzeugung sowie bei der Stromproduktion in Kombikraftwerken mit Kohlevergasung durch Membranverfahren ist die unter Prozessbedingungen realisierbare CO2 Permselektivität der Membran ausschlaggebend. In diesen Anwendungen muss sich das hier anvisierte Verfahren mit etablierten physikalischen oder chemischen Waschverfahren sowie mit den auch in fortgeschrittenem Entwicklungsstadium befindlichen H2-selektiven-Membranen messen. Im Vergleich zu chemischen Absorptionsverfahren wie z.B. MEA/aMDEA-Wäsche, wo die in Form von Niederdruckdampf für die Regenerierung der beladenen Amin-Lösung zur Verfügung gestellte Energie für ca. 75 % der CO2-Emission verantwortlich ist, könnte die bei der Sequestrierung emittierten CO2-Menge durch die Anwendung hochselektiver Membranen (CO2/H2 > 200) in einem einstufigen Membranprozess um ca. 60 % reduziert werden. Bei einer Selektivität von ca. 50 wird das CO2-Footprint aufgrund des zusätzlichen Kompressionsschrittes (zweistufiges Membranverfahren) verschlechtert, es können aber immer noch um ca. 40 % niedrigere CO2 Emissionen pro Tonne abgetrenntes CO2 erzielt werden. Die oben genannten Zahlen beziehen sich auf die Annahme von einem CO2- Abscheidungsgrad von 90 % bei einem CO2 Reinheit von > 99,9 % (nach CO2 Aufreinigung) und einer Wasserstoffverlust von < 1 % im Abtrennungsprozess. Ist eine Aufreinigung des CO2 (Reinheit ca. 95 %) nicht notwendig, können - abhängig von gewähltem Prozess - weitere 10 - 15 % CO2 – Emissionen eingespart werden.
[1] A.D. Ebner and J. A. Ritter; State-of-the-art adsorption and membrane separation processes for carbon dioxide production from carbon dioxide emitting industries; Sep. Sci. and Tech. 2009, 44, 1273-1421.