Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Bundesrepublik Deutschland (BRD) hat sich mit ihrer Klimapolitik zum Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen drastisch zu reduzieren. Der erste Schritt besteht darin, die Treibhausgasemission bis zum Jahr 2020 um 40 Prozent, im Vergleich zur Emission aus dem Jahr 1990, zu senken, bis 2030 um 55 Prozent, bis 2040 um 70 Prozent und bis 2050 um 80 \u0096 95 Prozent. Im Sinne der Klimapolitik der Bundesrepublik Deutschland stellt die Verwendung von Biogas und auf regenerativem Wege erzeugter Wasserstoff eine zukunftsorientierte und tragf\u00e4hige L\u00f6sung f\u00fcr den Einsatz als Energietr\u00e4ger dar. Der Einsatz dieser alternativen gr\u00fcnen Energietr\u00e4ger ist mit unterschiedlichen Restriktionen behaftet. Biomethan bspw. wird aus Biogas erzeugt, muss jedoch vor der eigentlichen Nutzung zahlreiche Aufreinigungsschritte durchlaufen, die zumeist direkt am Ort der Einspeisung erfolgen m\u00fcssen.
\nGrundlegende Idee und damit Zielstellung des Projektes ist die Trocknung von Gasen mit nanopor\u00f6sen, anorganischen Membranen. Die Trocknung soll direkt, das bedeutet ohne Zwischenschaltung eines Absorbens, erfolgen. Bei diesem Verfahren w\u00fcrde das Wasser durch die Nanoporen einer anorganischen, keramischen Membran aus dem Gasstrom gefiltert werden. Die Vorteile dieser Membranen lassen sich zweifelsfrei wie folgt beschreiben: hohe Flussleistung, hohe Druckstabilit\u00e4t und hohe chemische Stabilit\u00e4t. Erg\u00e4nzend muss die geringe Anf\u00e4lligkeit f\u00fcr Gasbegleitstoffe z. B. in Biogas erw\u00e4hnt werden.
\nGerade f\u00fcr kleine Volumina (< 1000 m\u00b3\/h Gas) ist die Aufgabe interessant. Je kleiner die Membranfl\u00e4che, desto geringeren Anteil haben die Membrankosten an den Gesamtkosten der Anlage. Anorganische Membranen sind teurer als Polymermembranen, weisen aber h\u00e4ufig deutlich bessere Trenneigenschaften (hier Selektivit\u00e4t und Stabilit\u00e4t) auf.\n\n\n\nDarstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Fokus des ersten Projektschritts lag darin, die Machbarkeit der Trocknung von Methan und Wasserstoff mittels Membrantechnik zu demonstrieren. F\u00fcr diese Aufgabe wurden entsprechende Membranen auf keramischen Substraten am IKTS entwickelt. Es wurden bin\u00e4re Gemische aus H?O\/H? und H?O\/CH? eingesetzt, um die Selektivit\u00e4ten der Membranen zu bewerten. Nach der Charakterisierung und Auswertung der Membranperformance wurden im zweiten Projektteil die aussichtsreichsten Membranen auf gr\u00f6\u00dfere Geometrien hochskaliert. Diese Membranen wurden anschlie\u00dfend in einer Laboranlage unter realit\u00e4tsnahen Versuchsbedingungen untersucht und evaluiert. \nDie Messungen zeigten, dass die definierten Zielgr\u00f6\u00dfen (Selektivit\u00e4ten f\u00fcr H?O\/H? > 50 und f\u00fcr H?O\/CH? > 75) mit einem Typ Molsiebmembranen (NaA) erreicht wurden. Auch f\u00fcr Kohlenstoffmembranen konnten beide Trennaufgabe sicher bew\u00e4ltigt werden.
\nDie Trennwirkung der einzelnen Membranen hing dabei von den gew\u00e4hlten Parametern ab. \u00dcber Laborversuche unter Variation von Druck, Temperatur, Sweepgaseinsatz und Gasfeuchte konnte der Prozess der hochselektiven Kohlenstoffmembran weiter optimiert werden. Es zeigte sich, dass die vom IKTS bereitgestellten C-Membranen hoher Selektivit\u00e4t ein gro\u00dfes Potenzial f\u00fcr die Trocknung von Biogas haben. Dies betrifft die 105-mm-Membranen, aber auch insbesondere die hochskalierten 500-mm-Membranen. Weitere Optimierungen zu h\u00f6heren Wasserpermeanzen k\u00f6nnten den Prozess langfristig zu einer Alternative bestehender Trocknungsprozesse machen.
\nF\u00fcr die Trocknung von Wasserstoff haben sich in diesem Projekt NaA-Membranen als aussichtsreiche Kandidaten herausgestellt, wobei f\u00fcr eine praktikable Anwendung weiterer Entwicklungsbedarf bei der Selektivit\u00e4t besteht. Auch die hochskalierten 500-mm-C-Membranen zeigten bei 50 \u00b0C sehr gute Selektivit\u00e4ten und moderate bis gute H?O-Permeanzen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
F\u00fcr das Projekt HyBioDirect wurden Zeolithe der Strukturtypen CHA und DD3R f\u00fcr die trennaktive Schicht synthetisiert. Zus\u00e4tzlich wurde als Alternativmembranmaterial NaA verwendet.
\nWeiterhin waren Kohlenstoffmembranen mit Poren im Nanometerbereich von Interesse. F\u00fcr die Kohlenstoffmembranen wurden zwei Precursoren verwendet. Einerseits ein unges\u00e4ttigtes Polyesterharz (UPH) und andererseits ein Polyfurfurylalkohol (PFA). Die Membrancharakterisierung erfolgte mittels Einzelgaspermeationsmessungen und weiterf\u00fchrend mit einem Messstand, der eine definierte Beladung von Gasstr\u00f6men mit Feuchtigkeit erlaubt. Bei der CHA-Membransynthese entsteht stehts eine kleine Menge an Pulvermaterial. Dieses wurde auf Phasenreinheit untersucht und somit R\u00fcckschl\u00fcsse auf die Zeolithschichten gezogen. Die Zeolithpulver wurden mittels XRD charakterisiert. Die erhaltenen Diffraktogramme wurden mit den Diffraktogrammen der IZA (International Zeolite Association) verglichen.
\nDie Stabilit\u00e4tstests der avisierten Membranmaterialien sind entscheidend f\u00fcr eine sp\u00e4tere Anwendung. F\u00fcr diese Untersuchungen wurden die Kohlenstoffmaterialien als Ausgussmaterial verwendet. F\u00fcr die Zeolithproben wurde sich auf SAPO-34 beschr\u00e4nkt. Bei beiden Kohlenstoffmaterialien konnten keine signifikanten Unterschiede vor und nach der hydrothermalen Behandlung nachgewiesen werden. Es ist anhand der experimentellen Befunde davon auszugehen, dass die Kohlenstoffmaterialien unten den getesteten Bedingungen stabil sind. Beiden Syntheserouten gemein ist die Reinphasigkeit der Zeolithphase. Die Kristallinit\u00e4t ist unterschiedlich stark ausgepr\u00e4gt, was sich in der Gestalt der R\u00f6ntgenreflexe widerspiegelte. In Hinblick auf die Stabilit\u00e4t der Zeolithe, synthetisiert mit DPA und TEAOH, l\u00e4sst sich erkennen, dass die Reflexintensit\u00e4t mit zunehmender Behandlungsdauer abnimmt, was auf eine Degradation hindeutet.
\nDie CHA Membranen wurden mittels Einzelgasmessungen charakterisiert. Es zeigen sich unterschiedliche Gr\u00f6\u00dfenordnungen f\u00fcr die einzelnen Permeanzen. Auff\u00e4llig hierbei ist die Beobachtung, dass die Membranen, welche mit Templat synthetisiert wurden, als einziges ein selektives Verhalten zeigen. Ebenso wurden auch Kohlenstoffmembranen unter Verwendung eines UPH Precursors in der Einzelgaspermeation vermessen. Bei Betrachtung der Messwerte ergeben sich visuell Schwankungen, zum Teil lassen sich die Einzelwerte aber auch Ausrei\u00dfern zu ordnen. Die gr\u00f6\u00dfte Streubreite zeigt die CO2-Permeanz gefolgt von der H2-Permeanz. Offensichtlich ist die extrem hohe Standardabweichung von SF6. Die Messung mit feuchten Gasen ist zentraler Bestandteil dieses Forschungsvorhabens. Am IKTS wurde zun\u00e4chst die Membran CHA-1 vermessen. Durch die Reduzierung des Anteils an Fl\u00fcssigphase und der Absenkung der Temperatur wurde eine H2O\/H2 Selektivit\u00e4t von 73 nachgewiesen. Durch die Verblockung der Zeolithporen wurde ein geringer Permeatfluss von 0,87 Nl\/h gemessen. F\u00fcr die Trocknung von Biogas wurden H?O\/CH?-Selektivit\u00e4ten von deutlich \u00fcber 75 gemessen. Theoretisch betragen diese \u0084unendlich\u0093, da mit der zur Verf\u00fcgung stehenden Messperipherie kein Permeatfluss der Gasphase detektiert werden konnte.
\nAm DBI wurden die drei Molsiebmembrantypen CHA, NaA und SAPO-34 untersucht und die Messparameter optimiert. Dabei zeigten die CHA-Membranen H?O\/CH?-Selektivit\u00e4ten von bis zu 60 und H?O\/H?-Selektivit\u00e4ten von bis zu 16. Die NaA-Membranen zeigten beachtliche H?O\/CH?-Selektivit\u00e4ten von bis zu 120 und H?O\/H?-Selektivit\u00e4ten von etwa 60. Die SAPO-34-Membranen schnitten mit H?O\/CH?-Selektivit\u00e4ten von bis zu 26 und H?O\/H?-Selektivit\u00e4ten von ca. 5 etwas schlechter ab. Besonders hervorzuheben sind die Ergebnisse der Kohlenstoffmembranen, die H?O\/CH?-Selektivit\u00e4ten von \u00fcber 1000 lieferten, da kein Methan im Permeat nachweisbar war. Daf\u00fcr konnte bei diesen Membranen Wasserstoff permeieren bei H?O\/H?-Selektivit\u00e4ten von bis zu 10.
\nIm weiteren Projektverlauf wurden die Membrangr\u00f6\u00dfen bei der CHA-Membran auf 250 mm und bei der Kohlenstoffmembran auf 500 mm hochskaliert. Dabei war bei der CHA-Membran eine etwas geringere Selektivit\u00e4t zu beobachten, die der Kohlenstoffmembranen blieb nahezu konstant.
\nDie beachtliche H?O\/CH?-Selektivit\u00e4t der Kohlenstoffmembran macht sie f\u00fcr den technischen Einsatz interessant. Dadurch k\u00f6nnte Sie zuk\u00fcnftig mit anderen Verfahren der Biogastrocknung in Konkurrenz treten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Bislang hat es keine Publikationen zu diesem Projekt gegeben.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Im Rahmen des Projektes wurden unterschiedliche Molsieb- sowie Kohlenstoffmembranen auf deren Eignung f\u00fcr die Methan- bzw. Wasserstofftrocknung untersucht. Dabei konnten beachtliche Selektivit\u00e4ten bei NaA-Membranen sowie bei den Zeolithmembranen erzielt werden. \u00dcber Laborversuche unter Variation von Druck, Temperatur, Sweepgaseinsatz und Gasfeuchte konnte der Prozess der hochselektiven Kohlenstoffmembran weiter optimiert werden. Es zeigte sich, dass die vom IKTS bereitgestellten C-Membranen hoher Selektivit\u00e4t gutes Potenzial f\u00fcr die Trocknung von Biogas haben. Dies betrifft die 105-mm-Membranen, aber auch insbesondere die hochskalierten 500-mm-Membranen. Weitere Optimierungen zu h\u00f6heren Wasserpermeanzen k\u00f6nnten den Prozess langfristig zu einer Alternative bestehender Trocknungsprozesse machen.
\nF\u00fcr die Trocknung von Wasserstoff haben sich in diesem Projekt NaA-Membranen als aussichtsreiche Kandidaten herausgestellt, wobei f\u00fcr eine praktikable Anwendung weiterer Entwicklungsbedarf bei der Selektivit\u00e4t besteht. Auch die hochskalierten 500-mm-C-Membranen zeigten bei 50 \u00b0C sehr gute Selektivit\u00e4ten und moderate bis gute H?O-Permeanzen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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