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Eine Wissenschaftliche Mitarbeiterin arbeitet an einem Hochtemperatur-Ofen an der RWTH Aachen.
© IPC, RWTH Aachen
Membranen zur Sauerstoffgewinnung
31.10.2013

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.
© Forschungszentrum Jülich

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.

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.

EU-Projekt GREEN-CC erforscht Rissstabilität der Membranen

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. 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 unter diesem Link.

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 Kohlendioxid 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.

Weitere Details zu den Ergebnissen des Projektes MEM-OXYCOAL, welches vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert wurde, unter KraftwerkForschung.info.

(cg)

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RWTH Aachen, IPC