Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft haben eine Technologie entwickelt, mit der sich Wasserstoff und Erdgas kostengünstig und effizient voneinander trennen lassen. Die Membran-Technologie macht es damit möglich, die beiden Stoffe gemeinsam durch das bundesweite Erdgasnetz zu leiten und am Zielort voneinander zu trennen. Für den Transport und die Verteilung des Energieträgers Wasserstoff ist dies ein großer Fortschritt.
An Lösungen für dieses Projekt arbeitet die Projektinitiative HYPOS (Hydrogen Power Storage & Solutions East Germany). Ziel ist, eine intelligente Infrastruktur aus Verteilernetzen und Speicherstationen zu schaffen, die den sauberen Energieträger in allen Regionen zur Verfügung stellt.
Die Projektpartner in HYPOS verfolgen unter anderem den Ansatz, den Wasserstoff (H2) gemeinsam mit dem Erdgas (Hauptbestandteil Methan, CH4) zu transportieren. Schließlich verfügt Deutschland über ein 511 000 km langes Gasnetz und 33 Orte mit Gasspeichern.
Hier kommt der Kohlenstoff ins Spiel. Dieser befindet sich als hauchdünne Schicht auf einem porösen, keramischen Trägermaterial und dient als Membran, die Erdgas und Wasserstoff voneinander trennt. Die Membranherstellung umfasst mehrere Schritte, beginnend mit der maßgeschneiderten Polymersynthese. Polymere sind Stoffe, die aus verzweigten Ketten von Makromolekülen bestehen. Diese werden anschließend auf das poröse Trägermaterial aufgebracht. Durch Erhitzen unter gleichzeitigem Ausschluss von Sauerstoff bildet das Polymer an seiner Oberfläche eine Kohlenstoff-Schicht aus. Im Kohlenstoff haben die Poren einen Durchmesser von unter einem Nanometer, wodurch sie sich gut für die Gastrennung eignen. Das Trennverhalten der Membran lässt sich durch physikalische und chemische Prozesse noch weiter einstellen. Bei der Entwicklung der röhrenförmigen Kohlenstoff-Membranen hat das Fraunhofer IKTS mit dem Leipziger Unternehmen DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH zusammengearbeitet.
Im Trennungsprozess werden Wasserstoff und Erdgas durch die röhrenförmigen Module getrieben. Dabei werden die kleineren Wasserstoffmoleküle durch die Poren der Membran gedrückt und gelangen als Gas nach außen, die größeren Methanmoleküle hingegen bleiben zurück. Auf diese Weise erhält man Wasserstoff mit einer Reinheit von 80 %. Die verbliebenen Erdgasreste werden in einer zweiten Trennstufe ausgefiltert , um eine Reinheit von über 90 % zu erzielen.
Emissionsfreie Strom- und Wärmeversorgung in Gebäuden
Wasserstoff mit diesem Reinheitsgrad lässt sich für verschiedene Anwendungen nutzen, beispielsweise in der Stahlproduktion. Hier ersetzt er im Hochtemperaturofen den Kohlenstoff bei der Reduktion von Eisenerz zu Eisen und liefert damit einen wichtigen Beitrag zur CO2-Reduktion. Auch bei der klimafreundlichen Energieversorgung von Gebäuden ist Wasserstoff eine attraktive Option. Bei der Verbrennung entstehen Strom und Wärme, als Nebenprodukt fällt lediglich Wasser an. So könnten beispielsweise Blockheizkraftwerke (BHKW) einzelne Gebäudekomplexe oder Stadtviertel mit sauberem Strom und Wärmeenergie beliefern. Auch der Einsatz in Gasthermen ist denkbar.
Derzeit arbeiten die Forschenden des Fraunhofer IKTS daran, die Technik so zu skalieren, dass auch größere Volumina Erdgas und Wasserstoff getrennt werden können. Hierfür ist der Bau von Prototypen bereits in Planung.
(Quelle: Fraunhofer IKTS)
