View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

Grundlagen und theoretische Methoden
mus durch Sauerstoffionenleitung ist theoretisch eine Reinheit des O2 von 100% möglich.
OTM müssen für einen ausreichend hohen Sauerstofftransport bei Temperaturen zwischen
700°C und 900°C betrieben werden. 2009 wurde eine erste Pilotanlage mit einer Kapazität
von 5 Tonnen O2 pro Tag, auf Basis von OTM durch AirProducts vorgestellt [CARO09]. Zielwert
für den Einsatz sind 10000 Tonnen pro Tag für ein 500 MW Braunkohlekraftwerksblock
[ANHE05].
Die Einbindung eines Membranmoduls in den Oxyfuel Prozess kann, wie Abb. 2.4 zeigt, im
3-End oder 4-End-Betrieb erfolgen [HSIE96]. Bei beiden Verfahren werden die beiden Gasräume
durch eine OTM getrennt. Auf der Seite der Sauerstoffzufuhr wird die Membran mit
einem sauerstoffreichen Feed-Gas (Luft) überströmt. Durch den geringeren Sauerstoffpartialdruck
auf der Produkt Seite (Permeat-Seite) findet der Transport (Permeation) von der
Feed-Seite zur Permeat-Seite statt. Der permeierte Sauerstoff muss anschließend auf der
Permeat-Seite abtransportiert werden.
3-End und 4-End Betrieb unterscheiden sich in der Art des O2-Abtransports. Beim 4-End
Betrieb (Abb. 2.4 (a)) wird das permeierte O2 durch ein sauerstoffarmes Sweep-Gas abtransportiert.
Als Sweep-Gas kann rezykliertes Rauchgas verwendet werden. Dieses Verfahren
ist im Vergleich zum 3-End Betrieb, aufgrund eines geringeren Energiebedarfs, kostengünstiger
[BEGG09]. Jedoch kommt die Membran in Kontakt mit Rauchgas. Viele der als
Membran verwendbaren Materialien (z.B. Perowskite) zeigen allerdings nur geringe, oder
keine Stabilität gegen die Rauchgaskomponenten CO2 und SOx [SUNA08] [THUR07].
Stabilitätsprobleme spielen beim 3-End Betrieb (Abb. 2.4 (b)) eine untergeordnete Rolle, da
auf ein Sweep-Gas verzichtet wird. Der permeierte O2 wird durch Unterdruck (technisches
Vakuum von 100-500mbar) abtransportiert und als reines O2 dem rezyklierten Rauchgas
zugeführt. So können Materialien verwendet werden, die eine hohe Sauerstofftransportrate,
aber geringe Stabilität gegen Rauchgaskomponenten aufweisen. Als nachteilig gilt der höhere
Energieaufwand im Vergleich zum 4-End Betrieb. Der höhere Energieaufwand ergibt sich
aus der benötigten Energie für die Bereitstellung eines Unterdrucks auf der Permeat-Seite
[CZYP10], um die benötigte Triebkraft für den Sauerstofftransport zu erzeugen. Der Energiebedarf
wird ebenfalls durch die Wärmebereitstellung beeinflusst, da diese lediglich über den
Feed-Gasstrom erfolgt. [BEGG09]. Neben den Kriterien Energieverbrauch und Rauchgasstabilität
beeinflusst der Sauerstoffpartialdruckgradient die Leistung der Membran entscheidend.
Hierauf wird in den folgenden Kapiteln eingegangen.
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