Membranbasierte H2-Abtrennung nach H2-Speicherung und Transport in der Erdgasinfrastruktur - H2Sep; Teilprojekt DBI: Membrantestung und Feldtest

Abstract

Im Projekt H2Sep wurden verschiedene Kohlenstoff-, Zeolith- und Palladiummembranen vom Projektpartner IKTS entwickelt und am DBI untersucht. Zunächst wurden verschiedene Laborversuche an den Membranen durchgeführt. Während umfangreicher Pilotversuche konnten insgesamt neun Kohlenstoffmembranen untersucht und optimiert werden, sodass die Technologie der H2-Abtrennung mittels CBM nun auf TRL 5 steht. Die bereitgestellten Membranen wurden hinsichtlich ihrer Permeanzen und Selektivitäten untersucht. Dabei wurden die folgenden wesentlichen Ergebnisse zusammengetragen:

Alle untersuchten Membranen zeigten erwartungsgemäß ihre höchsten Selektivitäten bei niedrigen Drücken. Die CBM der Pilotversuche waren aber bei höheren Drücken nahezu genauso selektiv. Die Temperaturoptima lagen für die CBM bei ca. 75 °C, für die Zeolithmembranen bei unter 50 °C und für die Pd-Membranen bei 450 °C oder darüber. Eine Temperaturerhöhung ging für alle Membranen mit steigenden Permeatflüssen einher. Die Abtrennung von H2 aus H2/Erdgas-Gemischen erzielte mittels CBM vergleichbare Ergebnisse, wie die Aufbereitung von H2/CH4-Gemischen. Bei niedrigen H2-Konzentrationen von <5 Vol.-% war die Selektivität der CBM niedriger als bei H2-Konzentrationen >10 Vol.-%. Wasser und THT verringerten die Permeanzen reversibel. Die Pilottests mit den CBMs zeigten, dass für 1 Nm³/h Permeat 0,4 m² Membranfläche benötigt werden. Während der Pilottests zeigte sich eine geringfügige Verringerung des Permeatflusses. Bei den Zeolithmembranen beeinflusste die Variation der Feedgaszusammensetzung die Permeanzen kaum. Auch hier verringerte Wasser die Permeanz reversibel. Die Pd-Membranen zeigten hohe Feedgasflüsse dank hoher H2-Permeanzen von bis zu 4.000 Nl/m²-h-bar. Gas mit einer Qualität von 95 Vol.-% H2 kann einstufig mittels CBM auf eine Permeatkonzentration von bis zu 99,9 Vol.% H2 angereichert werden. Die Kosten der CBM könnten künftig bei ca. 679 €/m² ohne Gehäuse, bzw. 2003 €/m² inklusive Gehäuse liegen. Der Kostenanteil der Membranen liegt damit bei 4 Cent/kg aufbereitetes Gas.