Innovativ durch
Multi-Partner-Projekte

Dekarbonisierung, Wasserstoffabtrennung und Sektor Kopplung mit MemKoWI – Abtrennung von CO2- und Wasserstoff aus Industriegasen – aktuelle Entwicklung vom Labor zur Pilot-Anlage

CO2 und Wasserstoff spielen eine zentrale Rolle beim Klimaschutz durch die Dekarbonisierung der Industrie. Entsprechend liefert deren Rückgewinnung (durch Abtrennung) aus Industriegasen einen wichtigen Baustein für die Transformation der Industrie zu nachhaltiger CO2-armer Produktion. An diesem Punkt setzt das BMWE-geförderte MemKoWI-Projekt an: neun Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft entwickeln gemeinsam innovative Gastrennverfahren von der Idee im Labor bis hin zu Pilotanlagen in realer Industrieumgebung.

Verschiedene kontinuierlich weiterentwickelte Polymer- und Keramik-basierte Membran-Module vom Helmholtz-Zentrum Hereon und dem Forschungszentrum Jülich (FZJ) werden dabei in unterschiedlichen Konfigurationen getestet und optimiert. Die von den Projektpartnern gewonnenen Erkenntnisse aus Labor und Versuchen in Pilot-Anlagen helfen dabei, die Membran-Technologien in Richtung Industriereife voranzutreiben.

Für die spezifischen Anforderungen und Potenziale unterschiedlicher industrieller Anwendungen werden im MemKoWI-Projekt in Kooperation individuell angepasste Pilotanlagen konzipiert. Diese werden von den Partnern mit im Projekt dafür weiterentwickelter IT im laufenden Betrieb online überwacht und ausgewertet. Ziel ist, Bedingungen für die CO2-Abtrennung aus industriellen Großanlagen wie der Stahlerzeugung, der Zementindustrie und auch für Biomasse-Kraftwerke zu definieren. Das abgetrennte CO2 kann dann z.B. als Rohstoff in anderen Industrie-Prozessen genutzt werden und so CO2-Emissionen deutlich senken.

Die erste der Pilot-Anlagen ist bereits seit Januar 2024 erfolgreich im Versuchsbetrieb bei Dillinger in Betrieb. Mit der von Hereon konzipierten Anlage konnten – aus laufendem Versuchsbetrieb mit Rauchgas des Hütten-Kraftwerks durch unterschiedliche Membran-Konfigurationen – im Dauerbetrieb Schwachstellen und erforderliche Maßnahmen zur weiteren Optimierung abgeleitet werden. Die dabei untersuchten Potenziale zur Abtrennung von CO2 zeigten, dass bei entsprechender Konfiguration im kaskadierten Prozess mit Polymer-basierter Membran CO2 mit einer Reinheit von >95 % abgetrennt werden kann. Dies erlaubt die anschließende Nutzung als wertvollen Gas-Rohstoff für industrielle Anwendungen. Im dadurch gleichzeitig CO2-verarmten Rest-Gas konnten die verbliebenen CO2-Gehalte auf weniger als 50% verringert werden. Dieses hiermit erstmalig erzielte Ergebnis zeigt das Potenzial der Membran-Technologie auf und stellt für die von der EU formulierten Klimaschutzziele einen wichtigen Schritt dar.

Auch bei den mittlerweile ebenfalls angelaufenen Versuchen mit Keramik-basierten Membran-Modulen konnten wichtige Erkenntnisse zu deren Leistungsfähigkeit und weiteren Optimierung gewonnen werden. Hierbei zeigte sich unter anderem das Potenzial, die Membranen im Falle von erkennbar sinkender Trennleistung im Betrieb, anschließend regenerieren und erneut für die CO2-Abtrennung einsetzen zu können. Weitere Versuche hierzu laufen aktuell parallel zu Polymer-Membran-Modulen.

Basierend auf den Erkenntnissen der bisherigen Versuche ist eine weitere Pilotanlage zur CO2-Abtrennung von Hereon in Kooperation mit den Partnern für das Zementwerk eines Kunden der Thyssenkrupp Polysius spezifisch konzipiert und in Bau. Am Frischholzkraftwerk der Iqony Energies wird die im Moment bei der AG der Dillinger Hüttenwerke betriebene Anlage eingesetzt werden.

Mit der neu konzipierten Versuchsanlage für Abtrennung von Wasserstoff aus Hochofengichtgas und Koksofengas bei Dillinger beschreitet der Partner VDEh-Betriebsforschungsinstituts (BFI) neue Wege. In dieser Anlage werden erstmalig neu und weiterentwickelte H2-selektive Keramik- und Polymer-basierte Membran-Module an realen Industriegasen im Dauereinsatz getestet. Die bereits erfolgten Modellierungen und Labor-Versuche bei den Partnern deuten Potenziale zur Abtrennung von Wasserstoff mit über 95% Reinheit an. Dieser könnte dann, wie bei den anderen Pilot-Anlagen des Projektes, bei anschließender erfolgreicher Weiterentwicklung auf Demonstrator-Level in einem Folgeprojekt zur industriellen Nutzung der abgetrennten Gase als Rohstoff dienen.

Bis Herbst 2025 sollen diese drei Membran-basierten Pilot-Anlagen fertiggestellt werden und unter realen Industriebedingungen den Versuchsbetrieb mit verschiedenen Konfigurationen starten. Im Dauerbetrieb können so spezifische additive Anforderungen erkannt und für weitere Optimierung und Hochskalierung der Membran-Technologie genutzt werden.

Im weiteren Projektverlauf werden die Partner aus den gewonnenen Erkenntnissen Konzepte für weitere Hochskalierung und erste grobe Abschätzung von Kosten für spätere industrielle Anlagen entwickeln. Die Sektor Kopplung im Projekt der Industrie-Bereiche Stahl, Zement und Energie mit Einbindung einschlägiger Forschungsinstitute ermöglicht dabei, gewonnene Erkenntnisse ähnlicher und abweichender Bedarfe und Potenziale für deren zukünftige Nutzung auch für andere Sektoren abzuschätzen. Darüber hinaus ist auch die Abschätzung weiterer nachhaltiger klimafreundlicher Verwertungsmöglichkeiten für anfallende Produkte und Beiprodukte als Rohstoff für die anderen Sektoren angestrebt.

Das MemKoWI-Projekt-Konsortium ist dabei erfolgreich auf dem Weg, innovative Ideen über Labor- und Pilot-Anlagen-Versuche in Richtung industrieller Nutzung zur Erreichung der Klimaziele voranzutreiben.