Dissertation: Aufbereitung von Wasserstoff aus der Biomassevergasung mittels Membrantechnologie
Kurzfassung
Wasserstoff wird als wichtiger Bestandteil im „grünen“ Energiemix der Zukunft gesehen. Die Erforschung nachhaltiger Herstellungsverfahren ist daher ein logischer und wichtiger Schritt. Die Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasung stellt eine industrieerprobte Plattformtechnologie dar, auf deren Basis im Zuge des Polygeneration-Konzepts mehrere chemische Produkte, Elektrizität und Wärme ausgehend von Biomasse, erzeugt werden können.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abtrennung von nachhaltig produziertem Wasserstoff aus dem Produktgas der Biomassedampfvergasung unter Anwendung der Gaspermeation. Es wurde in mehr als 1200 Versuchsstunden Wasserstoff aus dem vom Biomassekraftwerk Oberwart stammenden Gas abgetrennt und bis zur in einer Brennstoffzelle benötigten Qualität gereinigt. Zur Erreichung der benötigten Reinheit sind mehrere Prozessschritte erforderlich und die Gaspermeation stellt einen dieser Schritte dar.
Die erforderlichen Untersuchungen wurden an einem eigens für die Gaspermeation entwickelten Versuchsstand durchgeführt. Weiters erfolgte die Umsetzung von wesentlichen Erweiterungen des Versuchsaufbaus, welche verschiedene Versuche erst ermöglichten. Die Implementierung industrieller Prozessgasanalytik, der Einbau einer Gasvorwärmung, der Ausbau auf ein zweistufiges System mit beheizbaren Membranmodulen sowie die Zusammenführung der Steuerung aller Systeme in einem professionellen Prozessautomationssystem stellen die wesentlichsten Schritte dar.
Im Zuge der Arbeit galt es das Trennverhalten zweier industrieller, seitens Air Liquide® bereitgestellter Hohlfasermembranmodule unter Labor- und Industriebedingungen zu untersuchen. Die Module wurden mit Reingasen aus Flaschen sowie mit Prozessgas betrieben. Versuchsserien, bei denen Druck, Temperatur und Zuflussmenge variiert wurden, bildeten die Grundlage für die Charakterisierung der Trennleistung. Durch Versuche mit einer einstufigen sowie mit einer zweistufigen Membrananordnung erfolgte die grundsätzliche Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Gaspermeation für die Abtrennung von Wasserstoff aus Produktgas. Langzeitversuche führten zur Überprüfung der Prozessstabilität in Bezug auf Alterungs- bzw. Verunreinigungseffekte der eingesetzten Hohlfasermembranmodule. Besonders zu erwähnen ist die Nutzung von Gas aus einer industriellen Biomassedampfvergasungsanlage. Die untersuchten Membranen wurden somit realen Bedingungen ausgesetzt, die Schwankungen in der Zusammensetzung sowie Spurengase und Verunreinigungen beinhalteten.
Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass sich Membranen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen gut zur Abtrennung von Wasserstoff aus Produktgas eignen. Während der gesammelten Betriebsstunden konnte keine Abnahme der Trennleistung der eingesetzten Module beobachtet werden.
Neben der Arbeit mit kommerziellen Membranwerkstoffen erfolgten auch erste Vorversuche mit dem Ziel, ein revers selektives Material zum Einsatz zu bringen, bei welchem der Wasserstoff auf der Druckseite verbleibt.
Öffentlich zugängig ab 2018 unter dem unter diesem Link.
Siehe auch:
www.membran.at
Thermische Verfahrenstechnik TU Wien