Keramische Membranen für die H2-Abtrennung in CO-Shift-Reaktoren

Der stetig wachsende globale Energiebedarf führt zu einem ebenfalls stark steigenden Interesse an Wasserstoff als Energieträger [JEN07]. Damit verbunden ist ein akuter Bedarf an neuartigen Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen im Bereich der Gastrennung, wie etwa zur Wasserstoff-Erzeugung. Die Entwicklung selektiver H2-Transport-Membranen ist dabei von großer Bedeutung für Einsatzgebiete wie der Herstellung [PHA06] und der Aufreinigung [LU07] von H2. Wie unten dargelegt, ist auch der Einsatz von H2-selektiven Membranen für die Abtrennung von CO2 in fossilen Kraftwerken. Der seit den 1950er Jahren anhaltende Trend erhöhter Jahresdurchschnittstemperaturen ist mit großer Wahrscheinlichkeit auf die steigenden Emissionen anthropogener (griech. ánthropos = Mensch, genes = entstehen) Treibhausgase wie CO2 und Methan (CH4) zurückzuführen [BAR07]. Methan besitzt zwar ein größeres Treibhauspotenzial als CO2, dieses gilt jedoch aufgrund der hohen Emissionen als schädlichster und somit wichtigster Vertreter der Treibhausgase [FRA12]. Der durchschnittliche weltweite pro-Kopf-Ausstoß/a von CO2 ist zwischen 1950 und 2008 von 0,65 auf 1,3 t/a angestiegen [BOD10]. Die Abtrennung von CO2, wie z. B. durch eine selektive, membranbasierte Entfernung von Wasserstoff aus dem Gasgemisch, führt aufgrund des damit verbundenen, prozessbedingt erhöhten Energieaufwandes zu Wirkungsgradverlusten bis hin zu 10 %-Punkten [FRA12]. Es besteht daher ein sehr großes Interesse daran, den Abtrennprozess zu optimieren, um diese Effizienzverluste so stark wie möglich zu reduzieren. Eine sehr vielversprechende Möglichkeit dazu stellt die Integration des sogenannten Pre-Combustion-Capture in den Prozess eines IGCC-Kraftwerkes (integrated gasification combined cycle) dar. In einem IGCC-Kraftwerk wird im Gegensatz zu konventionellen, kohlebasierten Dampfkraftwerken aus einem festen Brennstoff mittels Vergasung zunächst ein gasförmiger Brennstoff erzeugt, der im Wesentlichen aus CO und H2 (Synthesegas) besteht. Dieses Synthesegas wird gereinigt und dann einem kombinierten Gas- und Dampfturbinen-Prozess (GuD) zugeführt.