Erdgas, Biomethan, Wasserstoff: Bevor sie ins Leitungsnetz dürfen, müssen Anteile von Wasser entfernt werden. Das geschieht bislang mit Chemie und viel Wärme. Eine neue Technologie von Fraunhofer-Forschenden schafft das mit nanoporösen Membranen – schnell, sauber und mit sehr geringem Energieaufwand. Anbieter von erneuerbaren Energien senken damit klimaschädliche Emissionen und die Kosten.
Wasser in Wasserstoff, Erdgas oder Biomethan kann in Leitungen Korrosion verursachen und die Funktionsfähigkeit von Ventilen oder Sensoren gefährden. Bisher werden die Gase vor der Einleitung ins Netz mit Triethylenglycol (TEG) in Kontakt gebracht, das Wasser absorbiert. Vor der erneuten Verwendung der Chemikalie wird das absorbierte Wasser durch Destillation bei etwa 200 Grad Celsius entfernt. Die hohe Temperatur verursacht Crack-Prozesse im TEG, es entstehen unerwünschte Gase, die verbrannt werden müssen. Eine insgesamt sehr energieintensive Prozedur, die auch CO2-Emissionen verursacht.
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS am Standort Hermsdorf haben eine innovative Methode entwickelt, die das Wasser mithilfe von Membrantechnologie aus dem Gas extrahiert. Das Gas wird durch eine Keramikröhre geleitet. Deren Innenwand ist mit einer extrem dünnen, nanoporösen Schicht, die als Membran wirkt, bedeckt. Da Wassermoleküle kleiner sind als Gasmoleküle, schlüpfen sie durch die Poren und werden dann durch den ebenfalls porösen Keramikträger nach außen geleitet.
Dr. Hannes Richter, Leiter der Abteilung Nanoporöse Membranen, zählt die Vorteile auf: »Bei diesem Prozess benötigen wir kein TEG, dementsprechend entfallen die Destillation und das Verbrennen von Rückständen. Gegenüber der herkömmlichen Technik der Gastrocknung sparen wir bis zu 90 Prozent Energie, und es fallen auch keinerlei CO2-Emissionen an.«
Um die Abtrennung des Wassers von den Gasen zu ermöglichen, mussten die Fraunhofer-Forschenden eine nanoporöse Membran entwickeln. Deren Schichtdicke liegt im Mikrometer-Bereich, die Poren sind 0,4 Nanometer groß. Diese Membran wird auf einem keramischen Träger aufgebracht. Wassermoleküle sind 0,28 Nanometer groß, können also die Poren passieren. Dr. Adrian Simon, Gruppenleiter für Zeolith- und Kohlenstoffmembranen, beschreibt die Herausforderung: »Das nanoporöse Material auf dem Keramikträger muss eine perfekte geschlossene Schicht bilden, sonst kann es seine Funktion als Membran für die Wassermoleküle nicht erfüllen und würde auch größere Moleküle passieren lassen.«
Das Forschenden-Team hat zwei Membran-Typen entwickelt: Einen auf Kohlenstoff-Basis für die Trocknung von Biomethan und einen auf Basis von Zeolithen für Erdgas und Wasserstoff. Zeolith ist ein Kristall aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff. Für die Membran wird eine Zeolith-Lösung in das Keramikrohr gegossen, dort haftet sie an den Innenwänden. Nach dem Erhitzen des Rohrs in einer Syntheselösung wachsen die Zeolith-Kristalle zu einer geschlossenen Schicht zusammen.
Die Version mit Kohlenstoff entsteht auf Basis eines organischen Precursors, der ebenfalls in das Rohr gegossen wird. Dabei scheidet sich eine dünne Polymerschicht mit definierten Eigenschaften ab, die dann unter Ausschluss von Sauerstoff erhitzt wird. Bei Temperaturen über 700 Grad Celsius wandelt sich das Polymer in eine geschlossene Kohlenstoffschicht um.
Die Optimierung des Herstellungsprozesses ist dem Forschenden-Team nach zahlreichen Tests und Entwicklungsschritten gelungen. Dabei setzte das Fraunhofer-Institut aus Hermsdorf auf eine jahrelange Expertise in der Highend-Membran-Technologie und im Umgang mit Keramik.
Fraunhofer-Forscher Richter erklärt den nächsten Schritt: »Wir skalieren die Technologie gerade vom Technikums-Maßstab hoch für den industriellen Einsatz.«
Für Betreiber von Leitungen eröffnet die Fraunhofer-Technologie die Chance, Biomethan, Erdgas oder Wasserstoff schnell, sauber und mit niedrigem Energieaufwand zu trocknen. Damit schonen sie ihre Anlagen und senken die Kosten. Die Expertinnen und Experten des Fraunhofer IKTS können Energieversorger, Netzbetreiber oder auch Anlagenbauer beim Bau von Pilotanlagen beraten oder Konzepte hierfür erstellen.
Die Forschungsarbeiten wurden durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt im Projekt »Hybiodirect« unterstützt. Als Projektpartner war die DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH involviert. Erprobt wurde die Technik auch schon im vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt unterstützten Vorhaben H2well-compact, das die Entwicklung einer dezentralen Wasserstoffwirtschaft in der Region Main-Elbe vorantreiben will.
Fraunhofer-Gesellschaft