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H2MemClean H2MemClean – Reinigung von fermentativ erzeugtem Wasserstoff mittels Membrantrennverfahren

Bei der Herstellung von Wasserstoff mittels Dunkelfermentation entsteht ein Rohgas, das bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur vorliegt und neben Wasserstoff als Hauptkomponenten Kohlendioxid und Wasserdampf enthält. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Reinigung des wasserstoffreichen Gases basierend auf Membrantechnik, das flexibel und kostengünstig in kleinem Maßstab einsetzbar ist. Mittels Membrandaten aus der Literatur werden durch Prozesssimulation Massen- und Energiebilanzen berechnet um geeignete Membranen für ein anschließendes Screening im Labor auszuwählen. Aus Laborergebnissen zur Trenncharakteristik ergeben sich das Prozessdesign und die Betriebsparameter des Trennprozesses, der in Form einer Versuchsanlage umgesetzt wird. Das Verhalten der Versuchsanlage wird im realen Betrieb an einem Wasserstofffermenter untersucht um detaillierte Informationen über Betriebsdaten und erzielbare Gasqualitäten erhalten. Die Versuchsergebnisse dienen der weiteren Entwicklung des Simulationsmodells welches zur Berechnung unterschiedlicher Trennsequenzen eingesetzt wird. Diese werden zusammen mit einer umfassenden Bilanzierung zur Abschätzung der erforderlichen Investitions- und Betriebskosten einer Gasreinigungsanlage herangezogen.

Ausgangssituation

Derzeit basiert die Produktion von Wasserstoff großteils auf fossilen Rohstoffen. Eine Alternative dazu ist die Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Rohstoffen auf einem biotechnologischen Weg mittels anaerober Wasserstofffermentation. Das dabei entstehende Gas besteht aus 65-70 vol% H₂ und 30-35 vol% CO₂, einigen Spurenkomponenten wie organische Säuren und Ammoniak. Für einen industriellen Einsatz muss jedoch die Wasserstoffreinheit erhöht und damit CO₂ und die Spurenkomponenten abgetrennt werden.

Neben den bekannten absorptiven und adsorptiven CO₂-Abtrennungsverfahren stellt speziell das Membranverfahren eine interessante Alternative dar. Ziel des Projektes ist daher die Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Reinigung eines wasserstoffreichen Gases basierend auf Membrantechnik. Das wasserstoffreiche Gas stammt aus einer fermentativen Produktion basierend auf landwirtschaftlichen Reststoffen sowie Reststoffen der Lebensmittelindustrie. Das zu behandelnde Gas liegt bei niedrigem Druck und Temperatur vor. Neben Wasserstoff sind die Hauptkomponenten Kohlendioxid (etwa 35 vol%) und Wasserdampf (gesättigt). Das Reinigungsverfahren soll flexibel und kostengünstig in kleinem Maßstab einsetzbar sein.

Projektverlauf

Projektzeitraum vom 01.10.2011 bis 31.12.2013

AP 1 – Datenerhebung und Rahmenbedingungen 10-12/2011

AP 2 – Bilanzierung Einzelprozesse/stufen und Reinigungskonzept 12/2011-12/2013

AP 3 – Membrantest Labor/Aufbau/Test Versuchsanlage 02/2012 – 08/2013

AP 4 – Untersuchung unter realen Bedingungen 05/2012 – 12/2013

AP 5 – Gasnutzungskonzepte und Wirtschaftlichkeit 06-12/2013

AP 6 – Projektmanagement 10/2011 – 12/2013

Meilensteine

Membranauswahl für Simulationsarbeit
Simulationsmodelle verfügbar und getestet
Membran(en) und Parameter für Screeningversuche
Designparameter Versuchsanlage
Screening-Versuchsstand einsatzbereit
Betriebsparameter für die Feldversuche ermittelt
GP-Abtrenneinheit für den Einsatz an den Standort Behamberg übersiedelt
Erfolgreiche Inbetriebnahme der Fermentereinheit
Fermenterbetrieb und Testbetrieb mit kontinuierlicher Gasreinigung abgeschlossen
Analyse der Verwertungsszenarien
Vergleich mit Benchmark-Prozess

"Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf absehbare Zeiten hinaus die Energieversorgung der Erde sichern"

– Jules Verne –

Ergebnisse

Als Ausgangssituation wurde für den Feed ein Volumenstrom von 250 L_N/h bestimmt, wobei der volumenmäßige Anteil an Wasserstoff und Kohlendioxid 66% bzw. 34% beträgt. Als Membranmaterial hat sich ein Polyimid als geeignet erwiesen, wobei das Membranscreening gezeigt hat, dass die zu erwartenden Trenneigenschaften sogar noch übertroffen werden konnten.

Das Simulationsmodell wurde an die Aufgabenstellung angepasst und mittels der Messergebnisse aus den Feldversuchen bzw. Messungen im Labor entsprechend validiert und adaptiert.

Anhand der festgelegten Rahmenbedingungen wurde ein mobiler Versuchsaufbau für die On-Line Fermentergas-Messungen ausgelegt und angefertigt. Dieser bestand aus einem Vorreinigungssystem, einem Kompressor zu Herstellung der notwendigen Druckdifferenz, entsprechenden Durchfluss-, Temperatur- und Druckmessstellen und den Mebranmodulen. Für den „Proof of Concept“ wurde der Versuchsaufbau einem Fermenter nachgeschaltet.Der Betrieb der On-Line Aufbereitung des Fermentergases gab Aufschlüsse über das Verhalten der Membran. Es wurden noch zusätzliche Messungen unter Laborbedingung durchgeführt, welche die gewonnen Erkenntnisse bestätigten. Die Messungen ergaben eine H₂/CO₂-Selektivität von 2,23 womit sich zeigte dass die im Labor bestimmte ideale Selektivität von 3,3 nicht erreicht werden kann.

Eine Betrachtung der technisch und wirtschaftlich Nutzungsszenarien wurden BHKWs der 150kW-Klasse, der 175kW-Klasse bzw. der 300kW-Klasse angenommen. Betrachtet man die spezifischen Kosten pro Leistungseinheit ergeben sich Vorteile für den größeren Gasmotor, da dieser mit 1850 €/kWel Investitionskosten deutlich geringer ist. Im Vergleich dazu ergeben sich für die kleinere Klasse 2430 €/kWel spezifische Investitionskosten.

Aus wirtschaftlicher Sicht betrachtet, würden sich Gesamtkosten für ein Reinigungskonzept mittels Membranen geringere Kosten verglichen mit den Kosten für den Benchmarkprozess der Druckwechsel Adsorption, jedoch lassen sich wesentlich höhere Reinheit erzielen.

Downloads

BGR0092014EEneueEnergien2020.pdf

Univ.Prof. Dr. Dipl.-Ing. Anton Friedl

Projektleitung

Von 1978-1984 Studium der Technischen Chemie an der Technischen Universität Wien; Studienzweig Chemieingenieurwesen, gefolgt von Anstellungen als Vertrags- und Universitätsassistent an der TU-Wien bis 1996 und Doktoratsabschluss 1990.

Forschungsaufenthalten von Oktober 1989 bis März 1990 an der Massey University, Department of Biotechnology in Palmerston North, Neuseeland und von März 1991 bis Juni 1991 an der University of California, Department of Chemical Engineering, Berkeley, California, USA

In der Zeit von 1996-1999 Industietätigkeit im Unternehmen „Austrian Energy and Environment-SGP/Waagner Biro Ges.m.b.H.“ (AE&E) des VA-TECH Konzerns (später Babcock Borsig Power) im Bereich Kraftwerke und Großkessel in der Abteilung Projektabwicklung; Tätigkeiten als F&E Koordinator; F&E Projektleiter und Projektleiter eines Industrieauftrages „Biomasseverbrennung in Schottland“.

Von 1999 bis jetzt – Lehr- und Forschungstätigkeit an der TU-Wien. 2013 Berufung zum Universitätsprofessor für Verfahrenstechnik an der TU-Wien und 2014 Bestellung zum Vorstand des Instituts für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften.

anton.friedl@tuwien.ac.at