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1 Einleitung und Zielsetzung
Einleitung und Zielsetzung
Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum führen zurzeit zu einem enormen Anstieg des
Energiebedarfs weltweit. Hierbei wird der Großteil der Energie durch die Verbrennung fossiler
Brennstoffe gewonnen, deren Verbrennungsprodukt CO2 in der Atmosphäre als Treibhausgas
wirkt. Nach Studien des „Intergovernmental Panel on Climate Change“ (IPCC) führt
der anthropogene CO2 Ausstoß zu einer Erhöhung der mittleren Erdtemperatur und somit zu
Veränderungen des Klimas weltweit [IPCC08]. Es wird erwartet, dass mit der zukünftigen
Veränderung des Klimas hohe volkswirtschaftliche Kosten und geopolitische Spannungen
einher gehen werden. Schätzungen der britischen Regierung zufolge betragen bis zum Jahr
2100 die erwarteten wirtschaftlichen Schäden der Klimaänderung 5-20% der globalen Wirtschaftsleistung
[STER07]. Auf politischer Ebene gibt es daher Bestrebungen die globale Erwärmung
durch Reduzierung der CO2 Emissionen zu begrenzen. Technologische Maßnahmen
zur Reduktion der CO2 Emissionen sind die Verbesserung der Energieeffizienz, der
Umbau der Energieversorgung hin zu erneuerbaren Energien sowie die übergangsweise
Abscheidung und Speicherung von CO2 (CCS).
Die wirtschaftlichste CO2 Abscheidung erfolgt an den größten Punktquellen, die z. Zt. fossil
befeuerte Kraftwerke darstellen. Die Integration der CO2 Abscheidung kann durch die Verfahren:
Post-Combustion, Pre-Combustion und Oxyfuel erfolgen. Beim Post-Combustion
Prozess wird das CO2 aus dem Rauchgas nach der Verbrennung abgetrennt. Pre-
Combustion erfordert ein neuartiges Kraftwerkskonzept, bei dem der fossile Brennstoff vergast,
partiell oxidiert und das Produkt H2 verstromt wird. CO2 fällt in diesem Prozess als reines
Gas an. Beim Oxyfuel Prozess wird der fossile Brennstoff in einem Gasgemisch aus
Sauerstoff und rezykliertem Rauchgas verbrannt. Das bei diesem Prozess entstehende
Rauchgas besteht größtenteils aus CO2, das abgetrennt werden kann. Sowohl im Pre-
Combustion als auch im Oxyfuel Verfahren werden große Mengen Sauerstoff benötigt. Die
einzige großtechnische Bereitstellung von Sauerstoff erfolgt z. Zt. über eine energieintensive
kryogene Luftzerlegung. Um den Energieaufwand für die Sauerstoffbereitstellung so gering
wie möglich zu halten, werden Membranen für die Abtrennung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft
erforscht.
Für eine O2/N2 Trennaufgabe eignen sich besonders keramische Membranen mit elektronischer
und ionischer Leitfähigkeit. Bei hohen Temperaturen und einem Sauerstoffpartialdruckunterschied
zu beiden Seiten der Membran leiten diese Materialien Sauerstoff durch
das Kristallgitter, wodurch hochreiner Sauerstoff hergestellt werden kann. Um den Energieeinsatz,
sowie Material- und Betriebskosten möglichst gering zu halten, müssen die Membranen
einen ausreichend hohen Sauerstoffdurchsatz pro Fläche aufweisen. Dieser hängt von
dem verwendeten Material, den Prozessbedingungen, sowie dem Membranaufbau ab. Als
Membranmaterial wird das gut untersuchte Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-� (BSCF) verwendet. Das in
einer perowskitischen Struktur kristallisiert. Trotz der bekannten Nachteile ist die Sauerstoff-
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