Bevor Erdgas, Biomethan oder Wasserstoff eingespeist oder industriell genutzt werden künnen, muss darin enthaltenes Wasser zuverlässig entfernt werden. Übliche Verfahren basieren auf der Absorption mit Triethylenglycol (TEG) und einer anschließenden energieintensiven Destillation bei hohen Temperaturen. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS haben nun eine alternative Lösung entwickelt, die ohne Chemikalien und hohe Wärmeeinträge auskommt.
Die neue Methode nutzt nanoporöse Keramikmembranen, durch die Wassermoleküle gezielt aus dem Gasstrom abgetrennt werden. Das Gas strömt dabei durch ein keramisches Rohr, dessen Innenwand mit einer extrem dünnen, porösen Membranschicht versehen ist. Aufgrund ihrer geringen Größe können Wassermoleküle die Poren passieren, während die Gasmoleküle zurückgehalten werden.
Bis zu 90 Prozent geringerer Energiebedarf
Nach Angaben des Fraunhofer IKTS lassen sich mit der Membrantechnologie gegenüber herkömmlichen Verfahren bis zu 90 Prozent Energie einsparen. Da weder TEG eingesetzt noch Rückstände verbrannt werden müssen, entstehen zudem keine CO₂-Emissionen aus dem Trocknungsprozess. Neben der deutlich verbesserten Energieeffizienz reduziert die Technologie auch den Anlagenaufwand und vermeidet unerwünschte Nebenprodukte.
Die Membranen weisen Porengrößen von rund 0,4 Nanometern bei einer Schichtdicke im Mikrometerbereich auf. Wassermoleküle mit einer Größe von etwa 0,28 Nanometern können die Membran passieren, während größere Moleküle zurückgehalten werden. Um eine selektive Trennung sicherzustellen ist eine vollständig geschlossene Membranschicht entscheidend.
Unterschiedliche Membranen für verschiedene Gase
Das Forschungsteam entwickelte zwei Varianten der Membrantechnologie: Kohlenstoffbasierte Membranen für Biomethan sowie Zeolith-Membranen für Erdgas und Wasserstoff. Während die Zeolith-Schichten aus kristallinen Strukturen auf Silizium-Aluminium-Basis bestehen, entstehen die Kohlenstoffmembranen durch Pyrolyse eines polymeren Precursors bei Temperaturen über 700 Grad Celsius. Beide Ansätze bauen auf der langjährigen Expertise des Fraunhofer IKTS im Bereich keramischer Hochleistungsmembranen auf.
Skalierung für den industriellen Einsatz
Aktuell wird die Technologie für industrielle Anwendungen weiter skaliert. Das Ziel ist, Betreibern von Gasnetzen, Energieversorgern und Anlagenbauern eine wirtschaftliche Alternative zur konventionellen Gastrocknung bereitzustellen. Das Verfahren trägt zu geringen Betriebskosten sowie auch zur Reduzierung klimaschädlicher Emissionen bei und unterstützt damit den Ausbau erneuerbarer Energien und einer künftigen Wasserstoffwirtschaft.
Die Forschungsarbeiten wurden unter anderem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt gefördert. Zudem wurde die Technologie bereits in weiteren Forschungsprojekten zur dezentralen Wasserstoffversorgung erprobt.