aus der Forschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht, Zentrum für Material- und Küstenforschung

Denn der hohe CO₂-Anteil in Biogas schränkt seine Verwendbarkeit  ein. Will man das Biogas nicht gleich vor Ort nutzen – etwa zur dezentralen Energieerzeugung in Blockheizkraftwerken – sondern in das Erdgasnetz einspeisen, muss es gereinigt werden. Und das bedeutet insbesondere, das CO₂ abzutrennen. Am Helmholtz-Zentrum Geesthacht entwickeln Forscher Membranen und Membranverfahren, die für diese Aufgabe spezialisiert sind.

CO₂-Abtrennung mit Polymermembranen

Zwar gibt es bereits alternative Verfahren dafür, zum Beispiel die Adsorption an Aktivkohle und die Gaswäsche, bei der Wasser unter hohem Druck das CO₂ entzieht. Doch die Helmholtz-Forscher setzen bewusst auf Membranen. Der Vorteil: „Das ist apparativ einfacher zu realisieren, bei etwa gleichem energetischen Aufwand“, sagt Torsten Brinkmann, Abteilungsleiter Polymertechnologie am Zentrum für Membranen und Strukturierte Materialien. Das Gas strömt unter Druck an der Membran vorbei. Deren Material ist so gewählt, dass es eine hohe Affinität zu CO₂ hat. So wandern die CO₂-Moleküle in die Membran und lösen sich dort. Durch Niederdruckbedingungen auf der anderen Seite wird es wieder frei. Es kann abgelassen oder für eine Speicherung oder stoffliche Verwertung aufgefangen werden.

Die Idee, Membranen zur Abscheidung von CO₂ zu nutzen, ist nicht neu. Beispielsweise wurden auch im Rahmen der Helmholtz-Allianz „MemBrain“ Membranen dafür entwickelt. Allerdings sind sie für den Einsatz in Kohlekraftwerken gedacht und sollen dort etwa 15 Prozent CO₂ aus den Rauchgasen, vornehmlich von Stickstoff, trennen, um es anschließend unterirdisch speichern zu können (CCS-Technologie). In Biogasanlagen sind die Bedingungen ganz andere: 40 Prozent CO₂ sind aus 60 Prozent Methan zu filtern bei erheblich geringeren Durchflussmengen. Sie betragen in der Biogasanlage typischerweise 500 Kubikmeter pro Stunde, im Kohlekraftwerk hingegen 1,7 Millionen Kubikmeter pro Stunde.

Anforderungen an das Material

Trotzdem lieferten die Entwicklungen in MemBrain die entscheidende Vorlage: „Einige der dort getesteten Materialien zeigten gute Trenneigenschaften für CO₂ von Methan und eine ausgezeichnete Durchlässigkeit für CO₂“, erläutert Brinkmann. Das sind die wichtigsten Grundeigenschaften, die die Materialien brauchen. Darüber hinaus müssen sie gut zu verarbeiten und im Dauerbetrieb belastbar sein. Die Membranen werden mehrschichtig aufgebaut. Die Grundlage bildet ein Vlies aus verpressten Polymerfäden. Dieses Standardmaterial wird in mehreren Lagen immer feiner mit speziellen Kunststoffen beschichtet. Die äußere Lage hat nur noch eine Dicke von 70 Nanometern und ist besonders selektiv für CO₂.

Das neu entwickelte Material kann im 100-Quadratmeter-Maßstab reproduzierbar hergestellt werden und wird in ein speziell dafür entwickeltes Membranmodul eingebaut und getestet. Die Helmholtz-Forscher untersuchen, wie durchlässig, selektiv und haltbar verschiedene Membranen unter variierenden Bedingungen wie Druck, Temperatur und Zusammensetzung des Gases sind. Und sie vergleichen die Ergebnisse der Messungen mit den mathematischen Simulationen, die die gesamte Entwicklung begleiten.

Härtetest in der Biogasanlage

Wie sich die Membranmodule im Dauereinsatz in einer Biogasanlage bewähren, sollten die Tests mit dem Industriepartner Borsig Membrane Technology zeigen, den man als langjährigen Lizenznehmer von Membrantechnologie mit ins Boot geholt hat.

Fazit: „Die Membranen sind geeignet, um auch Biogas von CO₂ zu befreien und die notwendigen Qualitäten zu erreichen, die für die Einspeisung ins Erdgasnetz erforderlich sind“, resümiert Brinkmann. „Weder lange Einsatzzeiten noch die realen Umgebungsbedingungen führen zu einem Leistungsabfall. Wir haben mit der Membrantechnologie also eine Alternative zu den anderen Verfahren.“
Allerdings ist zurzeit noch der Methanschlupf zu groß: mit dem CO₂ gelangt zuviel Methan hindurch, nämlich 20 bis 35%. Um das zu optimieren, haben die Helmholtz-Forscher zwei Strategien: Zum einen suchen sie nach alternativen Materialien, die eine noch größere Selektivität für CO₂ besitzen. Derzeit arbeiten sie daran, einen vielversprechenden Kandidaten als dünne Schicht herzustellen. Zum zweiten ist es möglich, das Verfahren mehrstufig zu gestalten, um die Methanausbeute zu steigern.

Uta Deffke