Die 4 Forschungsschwerpunkte des MEM-BRAIN Projektes


Das MEM-BRAIN Projekt befasst sich in zwei Forschungsthemen aus dem Bereich der Werkstoffwissenschaften mit der Entwicklung und Herstellung von neuen Werkstoffen und Membranschichten mittels verschiedener Prozesstechnologien.
Forschungsschwerpunkt 1 und 2 befassen sich mit der Synthese, den Herstellungsverfahren, der Charakterisierung und Modellierung von Gastrenn-Membranen.
In der praktischen Anwendung müssen diese Membranen in Kohlekraftwerke und ein Energiesystem integriert werden können. Hieraus leiten sich zusätzliche technologische Anforderungen an die Membranen ab. Es ist notwendig, die optimalen Einsatzbedingungen mit minimierten Leistungsverlusten und geringen Umwelteinflüssen zu identifizieren. Forschungsthema 3 und 4 betrachten daher die Integration von Technologien zur Gasabtrennung mittels Membranen im Kraftwerk und berücksichtigen das Energieversorgungssystem als Ganzes.

1. Entwicklung keramische Membranen für mittlere und hohe Temperaturen

2. Polymer und Hybrid-Membranen für Temperaturen bis 200 °C

3. Prozessengineering und Systemintegration

4. Energiesystemanalyse






    Forschungsschwerpunkt 1:
    Entwicklung keramischer Membranen für mittlere und hohe Temperaturen


    Ziel des 1. Themenschwerpunktes ist die Entwicklung von mikroporösen kristallinen oder amorphen Membranen und dichten anorganischen ionen- oder mischleitenden Membranen. Diese sollen für die verschiedenen Kraftwerkskonzepte die Trennung der technisch relevanten Gase O2/N2, CO2/H2 und CO2/N2 ermöglichen, um einen möglichst reinen Abgasstrom des Klimagases CO2 zu erreichen. Membranverfahren haben gegenüber den chemischen Abtrennverfahren den Vorteil, dass bei der Abtrennung deutlich geringere Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden müssen und besitzen im Hinblick auf Anwendung im Kraftwerk ein erhebliches Potenzial. Andererseits benötigen sie große Reaktionsflächen, die dementsprechend kostengünstig sein müssen.
    Eine wesentliche wissenschaftliche Herausforderung ist die Entwicklung von Membranensystemen mit einer hohen Permeabilität, spezifischen Selektivität und langfristigen Stabilität.
    Keramische Membranen, werden für die H2/CO2 Trennung bei mittleren Temperaturen (bis 400°C) entwickelt. Hierzu zählen insbesondere mikroporöse Zeolith-Membranen sowie Sol-Gel-Membranen. Dichte, Proton-/Elektron-mischleitende Membranen werden für Betriebstemperaturen oberhalb von 800°C entwickelt.
    Eine Demonstrationsmodell für die O2/N2-Gastrennmembran, wird im Projekt entwickelt und aufgebaut.

    Membranen mit folgenden Eigenschaften

    • Hoher Permeabilität & Selektivität
    • Langzeit-Stabilität unter Kraftwerksbedingungen
    • Mechanische Standsicherheit unter thermischer und mechanischer Belastung


    REM-Aufnahme einer dünnen, mischleitenden Perowskitschicht auf einem keramischen Trägersubstrat



    Charakterisierung der Membranen

    Eine wichtige Aufgabe bildet die Charakterisierung der im MEM-BRAIN Projekt entwickelten Membranen hinsichtlich Permeabilität, Selektivität und Durchflussrate.




    Die Bestimmung der Gaszusammensetzungen auf der Feed-, Permeat- und Retentatseite erfolgt mit Hilfe eines Massenspektrometers.



    Modellierung

    Das Verhalten der Membranen während des Trennvorgangs soll verstanden werden und mit Hilfe von Modellrechnungen beschrieben werden.




    HR-TEM-Aufnahme: Sauerstoff-Vakanzen in BaTiO3 [Jia and Urban, Science 303 (2004) ]



    Entwicklung und Test von Komponenten

    • Herstellungstechnologien für Komponenten (bulk and supported)
    • Löt- und Versiegelungs-Technologien
    • Komponenten-Tests (Permeabilität, chemische & mechanische Standsicherheit)
    • Entwicklung von Methoden zur Lebensdauervorhersage






    Forschungsschwerpunkt 2: Polymermembranen

    Der Fokus von Forschungsschwerpunkt 2 ist die Entwicklung von Polymer- und organisch- anorganischen Hybrid-Membranen zur Trennung von CO2 und N2 bei Temperaturen bis 200 °C. Mit keramischen Membranen ist dies schwieriger zu realisieren. Die momentan verfügbaren Polymer- und Hybrid-Membranen sind ungeeignet für die Abtrennung von CO2 aus Abgasen, da diese nicht selektiv und beständig genug sind.
    Ein Teil der Forschungsarbeiten konzentriert sich auf die H2/CO2-Abtrennung. Hierzu sollen Wasserstoff-selektive Zeolith-Pulver, die im Forschungsschwerpunkt 1 entwickelt werden, zur Herstellung von organisch-anorganischen Hybrid-Membranen eingesetzt werden.

     

    Entwicklung von Polymer- und Hybrid Membranen mit einer hohen CO2-Permeabilität

    • Neuartige CO2-selektive Membranen
    • Neue organisch/anorganische Hybrid Werkstoffe
    • Eingebaute asymmetrische Membranen mit ultradünnen, mehrschichtigen Verbundmembranen
    • fixierte Träger- Membranen







    Entwicklung und Test von Komponenten

    • Herstellungstechniken für Komponenten (Polymere, Membranen und Module)
    • Membran-Charakterisierung (Morphologie, Gas-Löslichkeit und Diffusionsvermögen)
    • Test von Komponenten (Permeablilität, Selektivität, thermische und mechanische Stabilität)

    Material Synthese und Produktion Komponenten & upscaling








    Forschungsschwerpunkt 3: Prozess Engineering und Systemintegration


    In Forschungsschwerpunkt 3 werden die Kraftwerks-Prozesse hinsichtlich einer mgöglichen Verwendung der Membranen für die CO2 -Abtrennung modelliert und ihr Reduktionspotenzial für CO2 analysiert. Die verfahrenstechnische Membranumgebung und der übrige Kraftwerksprozess werden hierzu aufeinander abgestimmt. Aussichtsreich erscheinende Kraftwerkskonzepte, insbesondere mit Trennmembranen, werden mit einem kommerziellen Anlagenprogramm in den Grundzügen energetisch simuliert. Die dafür verwendeten Prozess-Daten sind die Selektivität, Permeationsraten sowie thermische und chemische Stabilität der Membranen. Die Daten hierfür werden im Forschungsschwerpunkt 1 und 2 ermittelt. Sie bilden die Grundlage für die Prozesssimulation, um die Leistungsfähigkeit der verschiedenen CO2 Trennverfahren bewerten zu können. Die so optimierten Kraftwerke mit Membrantechnologie und die konkurrierenden Kraftwerke ohne Membranen sollen hinsichtlich des Kraftwerks-Wirkungsgrades miteinander verglichen werden.

    Bei Erdgas- und Kohlekraftwerken werden drei Klassen von CO2-Abtrennverfahren unterschieden:
    • Post combustion: CO2-Abtrennung nach der Verbrennung mit CO2/N2-Membranen oder einem anderen CO2-Trennverfahren


    • Pre combustion: CO2-Abtrennung vor der Verbrennung, z. B. nach Kohlevergasung und CO-Shift, mit H2/CO2-Membran oder einem CO2-Trennverfahren


    • Oxyfuel-Prozess: Verbrennung mit reinem Sauerstoff anstelle von Luft, erspart die Abtrennung von CO2, hierzu ist jedoch O2-Gewinnung mit O2/N2-Membranen oder einer Luftzerlegungsanlage erforderlich






    Integration von Membranen in Kraftwerken

    • Identifizierung der optimalen Betriebsbedingungen:
      Temperatur, Druck, Gas-Zusammensetzung, Aufstellung
    • Minimierung von Wirkungsgrad-Verlusten
    • Vergleich mit konkurrierenden Trennverfahren
    • Design und Integration von Membran-Modulen



    Fließschema zur Heißgasreinigung






    Forschungsschwerpunkt 4: Energiesystem Analyse


    Im Forschungsschwerpunkt 4 erfolgt die Bewertung der verschiedenen ökonomischen und umweltrelevanten Aspekte der CO2-Abtrennung mit Hilfe von Membranen. Hierbei wird die Prozesskette der großtechnischen CO2-Abscheidung inklusive Transport und Speicherung untersucht.
    Auf Grundlage der Ergebnisse der drei anderen Forschungsschwerpunkte, sollen mit Hilfe einer Ökobilanz (Life Cycle Assessment LCA), stoffliche In- und Outputs über den gesamten Lebensweg der zu entwickelnden Membranen bilanziert werden. Ziel ist die Quantifizierung der ökologischen und energiewirtschaftlichen Auswirkungen des Einsatzes von Gastrennmembranen zur CO2-Abscheidung als Teil einer Klimaschutzstrategie.



    CO2-Abtrennung und Lagerung

    • Charakterisierung technologisch-wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Trennungstechnologie von nachfolgenden Prozessen 
    • Entwicklung von Szenarien für das technologisch-wirtschaftlichen Potential einer CO2 Abtrennung mit Hilfe von Membranen im Energieversorgungssystem
    • Messung und Bewertung des Einflusses auf die Umwelt und die natürlichen Ressourcen
    • Bestandsaufnahme des relevanten Input und Output von Prozessketten - Analyse des Umwelteinflusses


    Prozesskette für die CO2-Abtrennung

    letzte Änderung 07.05.2008 | | Ausdrucken