Das Ziel der Untersuchungen - die als Fortführung und Ergänzung eines vorhergehenden Projektes zum Einsatz von Keramikmembranen in der kommunalen Abwasserreinigung anzusehen sind - ist die Verbesserung der Durchsatzleistung der Membranen. Dieses Ziel soll durch eine Kombination von angepassten Membranmaterialen, Oberflächeneigenschaften sowie durch die verbesserte Kontrolle der Deckschichtbildung erreicht werden. Die geplanten Untersuchungen sollen Rückschlüsse auf die Membraneigenschaften und insbesondere die Eigenschaften von Stützschicht und Trennschicht bringen. Dazu sollen im Rahmen von orientierenden Untersuchungen im Sommer 2005 verschiedene Kombinationen von Materialien und Produktionsverfahren erprobt werden. Für die Untersuchungen der Material- und Membraneigenschaften wird eine Versuchsanlage in einem kleinen Maßstab ( Versuchsstand) konzipiert, an dem die Eigenschaften der Membran mit Hilfe von Kontaktoren mit kleinem Durchmesser getestet werden.
Die Gesamtzielstellung des Teilprojektes besteht darin, entscheidende Prozessschritte für eine alternative auf Membrantrennprozessen basierende Produktionsroute für Soda und Natron zu entwickeln und zu erproben. Zentral sind dabei die Abtrennung und Reinigung von CO2 aus Biogas bzw. aus (biogenen) Verbrennungsgasen, die Entwicklung von elektrochemischen Membranverfahren und von Adsorptionseinheiten für die Überführung von Salzsole (NaCl) in Soda-/Natronlösung mittels Salzspaltung/Metathese und die Untersuchung des Einsatzes geothermischer Energie für die weiterhin notwendigen thermische Prozessschritte zur perspektivischen Substitution von Erdgas im Zuge der Produktreinigung und -konfektionierung. Die Prozesse sollen bis TRL 5 entwickelt und erprobt werden. Auf diese Weise ließen sich mehr als eine Mio. t/a CO2 vermeiden. Mit den gewonnenen Daten und Informationen werden eine LCA und die Planung der nächsten Umsetzungsstufe vorgenommen.
Ziel des Projektansatzes ZeoClean ist die Entwicklung und Erprobung nanoporöser Materialien als Membranmaterial für die Aufbereitung und Bereitstellung von Biomethan. Der große Vorteil bei Verwendung einer Membran im Vergleich zur Adsorption, zum Strippen oder zur kryogenen Trennung ist einerseits die hohe erzielbare Flussleistung, andererseits auch die chemische und mechanische Stabilität. Hierbei grenzen sich die anorganischen, keramischen Membranen deutlich von den Polymermembranen ab. Adressiert wird im Rahmen dieses Forschungsantrages die Entwicklung anorganischer, keramischer Membranen für Volumina im Bereich bis zu 1.000 m³/h. ZeoClean richtet sich auf die Trennaufgabe von CO2 und CH4 mittels Membrantechnologie aus und verfolgt einerseits die Membranentwicklung mit einer CO2/CH4 Selektivität von mehr als 50 und einer CO2-Permenaz von mindestens 1 m³/(m²hbar) und andererseits die Umsetzbarkeit anhand eines experimentellen Nachweises in realem Biogas. Im Rahmen von ZeoClean soll eine neue und hoch selektive Zeolithmembran entwickelt werden, die nahezu undurchlässig für CH4, sehr hohe CO2-Flüsse aufweist und überaus robust gegen Störstoffe ist. Am meisten interessieren die Zeolithe CHA und DD3R. Für das Erreichen dieser Ziele ist das Vorhaben in zwei Projektphasen gegliedert. Die erste Projektphase 'Materialentwicklung und Funktionsnachweis' adressiert die Entwicklung dieser Membranen. In Abhängigkeit der Entwicklungsergebnisse wird eine zweite Projektphase 'Prototypenentwicklung und Technologie' angestrebt, wo es vordergründig um Skalierung und Pilotierung der Membransynthese, aber auch der Technologieentwicklung im Ganzen gehen soll. Der Fokus de DBI (TV 2) liegt die Testung der am Fraunhofer IKTS entwickelten Membran. Dies beginnt im Labor, wird aber primär an einer Biogas- bzw. Klärgasanlage im Projekt erfolgen. Damit wird gewährleitet, dass die Membran auch bezüglich Stabilität und Trennverhalten im realen Anwendungsfall getestet und bewertet wird.
Membranverfahren für die Gasseparation haben das Potenzial eine Schlüsselrolle in einer zukünftigen Industriegesellschaft einzunehmen, die sich durch CO2-Emissionsvermeidung und -Kreislaufführung, der Verwendung von H2 sowie der Sektorenkopplung auszeichnet. Das Vorhaben MemKoWI adressiert dies durch die Erforschung von mehrstufigen Membranverfahren für die Abtrennung von CO2 aus: Rauchgas von Gichtgaskraftwerken der Stahlindustrie, Hochofengas der Stahlindustrie, Rauchgas von Frischholzkraftwerken, Abgasen der Zementindustrie und die Abtrennung von H2 aus Prozessgasen der Stahlindustrie. Hierbei sollen sowohl die modifizierte Anlage aus den Vorgängerprojekten zum Einsatz kommen als auch neue, modulare Membrananlagen konzipiert, gebaut und betrieben werden. Die darin verwendeten Membran- und Modultechnologien sollen weiter erforscht und ihre Eignung für die geschilderten Anwendungen soll nachgewiesen werden. Hierbei werden Polymer- und Keramikmembranen betrachtet und in Membranmodule integriert. Das Mehrstoffpermationsverhalten der Membranen wird experimentell untersucht werden und die Basis für die Modellierung des Trennverhaltens bilden. Diese wird zusammen mit der Beschreibung der Strömungsführung in Simulationstools für Membranmodule einfließen, welche wiederum in Prozesssimulationswerkzeuge integriert werden. Simulationen werden für die Auslegung der Anlagen, die Auswertung von Versuchsergebnissen, die Entwicklung von Verfahrensalternativen, die Übertragung auf andere Anwendungen und die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit verwendet. Die Fernüberwachung der Anlagen wird es ermöglichen, experimentelle Daten fortlaufend mit Simulationsergebnissen abzugleichen und Regelungs- und Automatisierungsaspekte zu adressieren. Ziel des Vorhabens ist es Membranverfahren als skalierbare, bedarfsgerecht einsetzbare und einfach zu integrierende Technologie für die CO2- und H2-Abtrennung in einer sich der CO2-Neutralität annähernden Industriegesellschaft zu etablieren.