Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Eine wesentliche Emission des Treibhausgases CO2 stammt aus der energetischen Nutzung fossiler Brennstoffe. Eine Alternative stellt die Verwendung nachwachsender Rohstoffe zur Energiegewinnung dar. Da nachwachsende Rohstoffe in der Wachstumsphase CO2 binden, gilt deren energetische Nutzung als nahezu CO2-neutral. Biogas wird durch die Fermentation von Biomasse gewonnen. Durch den hohen Gehalt an CO2, ist dessen Einsatzspektrum als Rohgas begrenzt. Eine direkte Einspeisung ins Erdgasnetz ist nicht m\u00f6glich. Brenngase f\u00fcr Brennstoffzellenanwendungen sollten m\u00f6glichst frei von CO2 sein. Im gemeinschaftlichen Forschungsvorhaben sollen deshalb Verfahren entwickelt werden, die eine membrangest\u00fctzte Aufbereitung des Biogases bis auf Erdgasqualit\u00e4t sowie f\u00fcr die potentielle Nutzung in Brennstoffzellen gestattet. Es werden Kostenvorteile gegen\u00fcber der Gasreinigung mit herk\u00f6mmlichen Verfahren (DWW, PSA, Aminw\u00e4sche) gesehen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Kern der Untersuchungen stand die Entwicklung einer mikropor\u00f6sen Zeolithmembran, die die Abtrennung von CO2 aus Biogas durch Gasfiltration gestattet. Dazu wurden d\u00fcnne, trennaktive Membranschichten auf der Innenseite grobpor\u00f6ser, keramischer Tr\u00e4gerrohre abgeschieden und mittels CO2\/CH4-Gemischen charakterisiert. Aussichtsreichen Membranen wurden im Ma\u00dfstab vergr\u00f6\u00dfert und eine Technikumsanlage mit 0,1 m\u00b2 Membranfl\u00e4che konstruiert und aufgebaut. In dieser Anlage wurden die Membranen in direkter Anbindung an eine Biogasanlage mit realem Biogas getestet und der Einfluss von Ver-unreinigungen (insbes. H2O, H2S) \u00fcberpr\u00fcft.
\nEine mikropor\u00f6se Membran zur Abtrennung von CO2 aus CH4-haltigen Gasen ist bisher weltweit nicht er-h\u00e4ltlich. Bei erfolgreicher Projektbearbeitung w\u00fcrde ein neues, innovatives Verfahren zur CO2\/CH4-Trennung mittels energiesparender Membrantechnologie bereitstehen. Damit st\u00fcnde erstmalig ein membrangest\u00fctztes Verfahren zur Aufbereitung von Biogas auf Erdgasqualit\u00e4t sowie f\u00fcr die Anwendung in der Brennstoffzellentechnologie zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Ziel des vorliegenden Projektes war es, CO2-selektive, mikropor\u00f6se keramische Membranen f\u00fcr die Biogasveredlung zu entwickeln. Im Fokus der Untersuchungen standen dabei Zeolithe. Im Rahmen des Projektes gelang es jedoch nicht, Zeolithmembranen herzustellen, die eine f\u00fcr eine wirtschaftliche Anwendung hinreichend gutes Trennverhalten (CO2\/CH4-Permselektivit\u00e4ten) aufzeigten.
\nAm IKTS vorhandene Kohlenstoffmembranen zeigten bei Gemischgasmessungen ausgezeichnete CO2\/CH4-Permselektivit\u00e4ten von 163 bei einer CO2-Permeanz von 1,9 m\u00b3\/(m\u00b2 h bar). Bei Variation von Feedzusammensetzung und -druck wurden nahezu konstante CO2-Permeanzen gefunden, was auf ein molsiebendes Verhalten der Membran hinweist. Dies erlaubt einen breiten Einsatz der Membran auch bei hohen Dr\u00fccken ohne ma\u00dfgeblichen Verlust der Permselektivit\u00e4t, wodurch hohe Permeatfl\u00fcsse realisiert werden k\u00f6nnen. Bei hohen CO2-Konzentrationen im Feed konnte \u00fcber die Membran auch reines CO2 gewonnen werden.
\nIn Anwesenheit von H2S und H2O verschlechtern sich die Trenneigenschaften. Dennoch bleibt die Membran CO2-selektiv. Nach Abschalten der St\u00f6rgase wurden die Ausgangswerte wieder erreicht.
\nDurch \u00dcbertragung der Kohlenstoffmembransynthese auf 0,5 m lange Einkanalrohre erfolgte ein up-scaling um den Faktor 5. Die Membranen wiesen ein adsorptionsselektives Verhalten auf und zeichneten sich durch eine sehr hohe CO2-Permeanz bei guter CO2\/CH4-Permselektivit\u00e4t aus.
\nMembranen mit einer Membranfl\u00e4che von 0,1 m\u00b2 wurden in eine eigens konstruierte Technikumsanlage eingebaut und an einer Biogasanlage direkt mit Biogas beaufschlagt. \u00dcber den gesamten Messzeitraum von ca. 2 Monaten trennten die Membranen mit hoher Selektivit\u00e4t bis zu 86 %iges CO2 ab. Mit einer maximalen CO2\/CH4-Permselektivit\u00e4t von 15 war der angestrebten Werte von PSCO2\/CH4 > 10 deutlich erreicht worden. Auch bei einer Beaufschlagung mit H2O und H2S zeigten sich die Membranen robust. Bei einer anschlie\u00dfenden Verfahrensoptimierung im Labor konnten Bedingungen gefunden werden, unter denen die Kohlenstoffmembranen in nur einer Stufe eine Methananreicherung auf 94 % realisierten.
\nDamit war es im Projekt gelungen, mikropor\u00f6se Membranen zu entwickeln, eine Anlage zu konstruieren und aufzubauen und Verfahrensparameter zu finden, mit denen unter realen Bedingungen Biogas gereinigt und auf > 90 % aufkonzentriert werden kann. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung konnte gezeigt werden, dass f\u00fcr die CO2-Abtrennung aus Biogas mit den entwickelten keramischen Membranen im Vergleich zu herk\u00f6mmlichen Verfahren Kostenvorteile bis zu 50% realisiert werden k\u00f6nnen. Damit sollte eine Biogasaufbereitung zur Einspeisung in das Erdgasnetzt oder Verwertung in Brennstoffzellen auch f\u00fcr kleine und mittlere Biogasanlagen wirtschaftlich interessant sein. Die im Projekt geplanten Ziele waren damit im vollen Umfang erreicht.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
1)\tH. Richter, Gas separating zeolite membranes, MEMBRAIN Summer School, 27.-28.10.2008, Aachen, Vortrag
\n2)\tI. Voigt, N. Kaltenborn, H. Richter, P. Puhlf\u00fcr\u00df, R. Kriegel; Gas separation by ceramic membranes, Keynote lecture, Achema, 11-15 May 2009, Frankfurt
\n3)\tH. Richter, M. Weyd, J.-Th. K\u00fchnert, I. Voigt, R. Mothes, U. Lubenau, E. Tusel, H. Br\u00fcschke; Ceramic membranes in biogas upgrading and bioethanol drying; International Biomass Conference, 04.-05.05.2010, Leipzig
\n4)\tU. Lubenau, Einsatz anorganischer Membranen zur CO2-Abtrennung aus Biogas, 6. Fachtagung Biogas, 08.-09.06.2011, Braunschweig<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
F\u00fcr die Biogasaufbereitung wurde eine Vielzahl anorganischer, mikropor\u00f6ser Membranen entwickelt, charakterisiert und getestet. Es zeigte sich, dass alle untersuchten Zeolithmembranen nur ungen\u00fcgende CO2\/CH4-Trenneigenschaften aufwiesen. Am Fraunhofer IKTS vorhandene Kohlenstoffmembranen hingegen zeigten im Labor ein exzellentes CO2\/CH4-Trennverhalten. Die Membranen erf\u00fcllten alle Meilen-steinparameter und zeigten sich robust gegen Gasverunreinigungen, wie H2O und H2S. Kohlenstoffmembranen konnte erfolgreich auf 0,5 m langen Einkanalrohren hergestellt werden und die Membranen bewiesen ihre Funktionalit\u00e4t in einer eigens konstruierten Testanlage in direkter Anbindung an eine Biogasanlage. Damit liegen mikropor\u00f6se Membranen vor, die sich f\u00fcr eine praktische Biogasaufbereitung eignen. Die weitere Qualifizierung und Ma\u00dfstabsvergr\u00f6\u00dferung der Membranen, der Bau einer Pilotanlage zur Gewinnung von Biomethan als Kraftstoff sowie die Nutzung der Membrantechnik zur Gewinnung von reinem CO2 stehen im Mittelpunkt fortschreitenden Aktivit\u00e4ten der Projektbeteiligten in Kooperation mit weiteren Partnern.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Eine wesentliche Emission des Treibhausgases CO2 stammt aus der energetischen Nutzung fossiler Brennstoffe. Eine Alternative stellt die Verwendung nachwachsender Rohstoffe zur Energiegewinnung dar. Da nachwachsende Rohstoffe in der Wachstumsphase CO2 binden, gilt deren energetische Nutzung als nahezu CO2-neutral. Biogas wird durch die Fermentation von Biomasse gewonnen. Durch den hohen Gehalt […]<\/p>\n","protected":false},"author":0,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[47,51,71,52,53],"class_list":["post-24857","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-klimaschutz","tag-ressourcenschonung","tag-thueringen","tag-umweltforschung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"26357\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"A-26357.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"250.240,00","dbu_projektdatenbank_firma":"Fraunhofer-Institut\nf\u00fcr Keramische Technologien und Systeme IKTS","dbu_projektdatenbank_strasse":"Michael-Faraday-Str. 1","dbu_projektdatenbank_plz_str":"07629","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Hermsdorf","dbu_projektdatenbank_p_von":"2008-04-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"2010-09-30 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"2 Jahre und 6 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"03 66 01\/93 01-39 03","dbu_projektdatenbank_inet":"www.ikts.fraunhofer.de","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Th\u00fcringen","dbu_projektdatenbank_foerderber":"121","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"DBU-Abschlussbericht-AZ-26357.pdf","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/24857","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/24857\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":37860,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/24857\/revisions\/37860"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=24857"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=24857"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=24857"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}