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CO 2 -Abscheidung
CO 2 -Abscheidung Membranverfahren für die Abtrennung von CO 2 aus dem Abgas von Zementwerken Torsten Brinkmann, Heiko Notzke, Jan Pohlmann, Thorsten Wolff, Andrew Corner, Simon Gorringe Im Zementwerk Höver erforschte Holcim Deutschland bereits seit 2023 mit seinen Partnern Cool Planet Technologies und dem Helmholtz-Zentrum hereon in einer Pilotanlage die Abtrennung von CO 2 aus dem Rauchgas von Zementwerken. Bild: Holcim Membrantechnologie für die Abtrennung von CO 2 ist seit vielen Jahren eine in der Öl- und Gasindustrie etablierte Technologieoption. Die Entwicklung neuer Membranmaterialien kombiniert mit Studien zur Verfahrensauslegung und Untersuchungen im Pilotmaßstab haben auch die Anwendbarkeit für die CO 2 -Abtrennung aus Rauchgasen nachgewiesen. Die Versuche konzentrierten sich anfänglich auf Kohlekraftwerke und wurden dann auf andere Industriesegmente erweitert. Unter Verwendung der von Hereon entwickel ten PolyActive Dünnfilmkompositmembran wurde in drei vom deutschen Ministerium für Wirtschaft und Klima schutz (BMWK) geförderten Projekten der Langzeitbetrieb in einund zweistufiger Anlagenkonfiguration nachgewiesen und die Erreichung einer CO 2 -Anreicherung auf 95 Mol-% demonstriert. Basierend auf diesen Ergebnissen scheint die Technologie gut dafür geeignet zu sein, in der Zement industrie angewendet zu werden. Dieses Potenzial wird nachfolgend vorgestellt. 1. Einleitung Die Verringerung des Treibhausgas- Fußabdrucks ist ein Schlüsselfaktor für die Sicherung einer nachhaltigen und lebensfähigen Industriegesellschaft in der Zukunft. Das wichtigste Treibhausgas ist CO 2 . Sein Ausstoß muss drastisch reduziert werden, um bis 2045 eine „Netto-Null“-Gesellschaft zu erreichen. Bei mehreren industriellen Prozessen lässt sich CO 2 nicht vollständig vermeiden, da es ein Nebenprodukt des eigentlichen Produktionsprozesses ist. Einer dieser Prozesse ist die Zementherstellung, bei der 2/3 der CO 2 -Emissionen durch die Kalzinierungsreaktion selbst verursacht werden. Um diese Emissionen zu vermeiden, Kohlenstoffkreisläufe zu schließen und das erzeugte CO 2 als Rohstoff für die Verwertung bereitzustellen, muss es aus dem Rauchgas abgeschieden werden. Für diese Aufgabe werden verschiedene Abscheidetechnologien diskutiert. Dies sind z.B. chemische und physikalische Absorptionsverfahren, Adsorption in porösen Feststoffen, kryogene Verfahren sowie Membran verfahren. Die erfolgreichen Anwendungen bei der Aufbereitung von Erdgas und Bio gas gaben den Anstoß zur Erforschung von Membran materialien und -technologien für die Abtrennung von CO 2 aus verschiedenen Rauch- und industriellen Prozessgasen. Anfänglich konzentrierten sich die Untersuchungen auf den Energiesektor und zielten auf kohlebefeuerte Kraftwerke ab. Die in diesem Sektor gemachten Erfahrungen führten dazu, dass auch andere Industriezweige, wie die Zementherstellung in Betracht gezogen werden. 38 GREENEFFICIENTTECHNOLOGIES 2024
CO 2 -Abscheidung Abb. 1: Mehrschichtkompositmembran für die Gastrennung 2. Membranen port erfolgt durch die Lösung eines Moleküls in der Polymermatrix, die Membranen zur Gastrennung bestehen aus dünnen Schichten fester Materi alien, die einige Komponenten eines Gasgemischs leichter passieren lassen als andere. In diesem Beitrag geht es um Polymermembranen. Sie bestehen aus einem dünnen, dichten anschließende Diffusion des Moleküls entlang eines Triebkraftgradienten durch das Polymer und schließlich der Desorption des Moleküls in die Gasphase. Die Triebkraft ist der Unterschied in den Fugazitäten der Komponenten, die über die Memtur Film, der auf eine Trägerstrukbran anliegt. Die Fugazitätsdiffe aufgebracht wird. Der Gastransrenz kann durch den Unterschied im Partialdruck ersetzt werden, wenn ein ideales Gasverhalten angenommen werden kann. Die Trennung wird durch unterschiedliche Löslichkeit und Diffusionskoeffizienten der verschiedenen Gaskomponenten im Membranmaterial verursacht. Um hohe Transmembranflüsse zu erreichen, sind die Trennschichten extrem dünn. Sie sind in der Regel durch eine hochpermeable Schicht geschützt, die häufig aus Silikongummi besteht und auf eine weitere hochpermeable Silikongummischicht aufgetragen, die einen leichten Zugang zu der asymmetrischen porösen Träger struktur ermöglicht, welche für die mechanische Festigkeit sorgt. Abbildung 1 zeigt die Membranstruktur und den Transportmechanismus. Die Leistungsparameter von Gastrennmembranen sind Permeanz und Selektivität. Erstere wird berechnet als Volumendurchfluss einer Komponente durch die Membran bei Normbedingungen (0°C, 1,01325 bar) pro Membranfläche und Fugazitätstriebskraft. Die Selektivität wird als a) b) Abb. 2a und 2b: Aufbau von Taschenmembranmodulen, runde Geometrie (a), rechteckige Geometrie (b) GREENEFFICIENTTECHNOLOGIES 2024 39
