IAM - Werkstoffe der Elektrotechnik

Gasseparationsmembranen

Keramische Sauerstoffseparations-Membranen aus mischleitenden Metalloxiden

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Funktionsweise einer dichten keramischen Sauerstoffseparations-Membran: Durch den Druckunterschied zwischen beiden Gasräumen existiert ein Gradient im chemischen Potential des Sauerstoffs, der für einen Sauerstoffionentransport durch die Membran sorgt.

Trotz des zunehmenden Beitrags an erneuerbaren Energien und höherer Kraftwerkseffizienz ist zukünftig mit einer steigenden Menge fossiler Energieträger zu rechnen, die jährlich umgesetzt werden. Aus Klimaschutzgründen besitzen deshalb Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen zur Effizienzsteigerung der Energiewandlungsprozesse und zur Abtrennung von CO2 eine außerordentliche Bedeutung für bestehende fossile Kraftwerke, aber auch für das "emissionsfreie" Kraftwerk der Zukunft. Für die Separierung von CO2 in Kraftwerksprozessen mit fossilen Primärenergieträgern existieren verschiedene mögliche Routen. Dabei spielt auch die Zerlegung der Luft (Trennaufgabe: O2/N2) und anschließende Verbrennung mit reinem Sauerstoff ("Oxyfuel-Prozess") eine wichtige Rolle. Hier versprechen Konzepte mit Hochtemperatur-O2-Membranen (im Gegensatz zu großtechnisch etablierten kryogenen Verfahren) einen geringeren Energieaufwand zur O2-Bereitstellung bei höchsten O2/N2-Trennselektivitäten: Mittels einer dichten, keramischen Membran lässt sich bei hohen Temperaturen (um 800 °C) elementarer Sauerstoff aus Luft abtrennen (vgl. nebenstehende schematische Skizze). An eine solche Gasseparationsmembran werden zahlreiche Anforderungen gestellt: von der Elektrochemie des zugrundeliegenden Materialsystems über die chemische Stabilität in verschiedenen Gasatmosphären und chemische Kompatibilität zu angrenzenden Materialien in einem fertigen Membranmodul bis hin zu den mechanischen Eigenschaften (Stabilität bei hohen Drücken wie z.B. 20 bar in verdichteter Luft). 

Keramische Membranen sind für die oben genannten Anwendungen derzeit noch in der Entwicklungsphase und kommerziell nicht verfügbar. Hier besteht erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf für geeignete Werkstoffe hinsichtlich ihrer chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften. Im Rahmen eines Materials Screenings sind mischleitende Metalloxide wie etwa die Perowskite (La,Sr)(Co,Fe)O3 [LSCF] oder (Ba,Sr)(Co,Fe)O3 [BSCF], in denen simultan elektronischer und Sauerstoffionen-Ladungstransport auftritt, als vielversprechende Kandidaten identifiziert worden.

Die Arbeiten am IWE zielen auf ein grundlegendes Verständnis der in einer Membran ablaufenden Transportprozesse und Degradationsphänomene ab. Hierzu ist die Bestimmung der für die Defektchemie und den Ladungstransport relevanten charakteristischen Materialparameter im Temparaturbereich von 700...900 °C erforderlich. Weiterhin gilt es, die grundlegenden Transportmechanismen in den funktionalen Schichten der Membran detailliert aufzulösen und Zusammenhänge zwischen Betriebsbedingungen und Degradation zu erkennen. Hierzu stehen elektrische (Leitfähigkeitsmessungen in verschiedenen Gasatmosphären und als Funktion der Zeit) sowie elektrochemische Charakterisierungsverfahren (Impedanzspektroskopie, Leitfähigkeitsrelaxationsmessungen) zur Verfügung. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Modellierungsarbeiten (modellgestützte Optimierung neuer mehrschichtiger Membrankonzepte).

Die Arbeiten am IWE finden im Rahmen des Helmholtz-Portfoliothemas MEM-BRAIN statt.

Die Institutsveröffentlichungen zum Forschungsthema Gasseperationsmembranen finden Sie hier.