Aufbereitung von Wasserstoff aus der Biomassevergasung mittels Membrantechnologie

Abstract

Wasserstoff wird als wichtiger Bestandteil im -grünen- Energiemix der Zukunft gesehen. Die Erforschung nachhaltiger Herstellungsverfahren ist daher ein logischer und wichtiger Schritt. Die Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasung stellt eine industrieerprobte Plattformtechnologie dar, auf deren Basis im Zuge des Polygeneration-Konzepts mehrere chemische Produkte, Elektrizität und Wärme ausgehend von Biomasse, erzeugt werden können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abtrennung von nachhaltig produziertem Wasserstoff aus dem Produktgas der Biomassedampfvergasung unter Anwendung der Gaspermeation. Es wurde in mehr als 1200 Versuchsstunden Wasserstoff aus dem vom Biomassekraftwerk Oberwart stammenden Gas abgetrennt und bis zur in einer Brennstoffzelle benötigten Qualität gereinigt. Zur Erreichung der benötigten Reinheit sind mehrere Prozessschritte erforderlich und die Gaspermeation stellt einen dieser Schritte dar. Die erforderlichen Untersuchungen wurden an einem eigens für die Gaspermeation entwickelten Versuchsstand durchgeführt. Weiters erfolgte die Umsetzung von wesentlichen Erweiterungen des Versuchsaufbaus, welche verschiedene Versuche erst ermöglichten. Die Implementierung industrieller Prozessgasanalytik, der Einbau einer Gasvorwärmung, der Ausbau auf ein zweistufiges System mit beheizbaren Membranmodulen sowie die Zusammenführung der Steuerung aller Systeme in einem professionellen Prozessautomationssystem stellen die wesentlichsten Schritte dar. Im Zuge der Arbeit galt es das Trennverhalten zweier industrieller, seitens Air Liquide® bereitgestellter Hohlfasermembranmodule unter Labor- und Industriebedingungen zu untersuchen. Die Module wurden mit Reingasen aus Flaschen sowie mit Prozessgas betrieben. Versuchsserien, bei denen Druck, Temperatur und Zuflussmenge variiert wurden, bildeten die Grundlage für die Charakterisierung der Trennleistung. Durch Versuche mit einer einstufigen sowie mit einer zweistufigen Membrananordnung erfolgte die grundsätzliche Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Gaspermeation für die Abtrennung von Wasserstoff aus Produktgas. Langzeitversuche führten zur Überprüfung der Prozessstabilität in Bezug auf Alterungs- bzw. Verunreinigungseffekte der eingesetzten Hohlfasermembranmodule. Besonders zu erwähnen ist die Nutzung von Gas aus einer industriellen Biomassedampfvergasungsanlage. Die untersuchten Membranen wurden somit realen Bedingungen ausgesetzt, die Schwankungen in der Zusammensetzung sowie Spurengase und Verunreinigungen beinhalteten. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass sich Membranen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen gut zur Abtrennung von Wasserstoff aus Produktgas eignen. Während der gesammelten Betriebsstunden konnte keine Abnahme der Trennleistung der eingesetzten Module beobachtet werden. Neben der Arbeit mit kommerziellen Membranwerkstoffen erfolgten auch erste Vorversuche mit dem Ziel, ein revers selektives Material zum Einsatz zu bringen, bei welchem der Wasserstoff auf der Druckseite verbleibt.

Hydrogen is considered as important component of an environment-friendly energy mix for future generations. Thus research on sustainable hydrogen production processes is a logical effort. The dual fluidized bed biomass steam gasification process is a state of the art technology. By following the polygeneration concept, this process can be used as reliable starting point for the production of several chemical products, electricity and heat out of renewable resources. The work in hand has its focus on the separation of sustainably hydrogen from the product gas of the biomass steam gasification process. For executing this task the gas permeation technology was used. The gas source for all experiments performed was a bypass stream from the biomass steam gasification plant located in Oberwart, Burgenland. Experiments were executed for in total more than 1200 operation hours and the generated hydrogen reached fuel cell specification. To reach this goal, several process steps were necessary and gas permeation was one of them. The experiments were executed with a tailor made installation for gas permeation. Within the ongoing work this setup was upgraded to enable several tests. With this procedure a process gas analyzer, a gas preheating device, shell heated membrane modules and a second membrane stage were implemented. The control of all these devices as well the already installed ones was merged in a professional process control system. In the frame of this work, the separation performance of two hollow fiber polymer membrane modules prepared by Air Liquide® was investigated. The testing took place under laboratory and industrial site conditions and sample gas was taken from gas cylinders as well as from a bypass stream of the plant. Parameter variation experiments using real process gas and including pressure, temperature and flow variation were the basis for the performance characterization of the modules. In one-stage and two-stage experiments the performance of gas permeation technology for separation hydrogen from product gas from the biomass steam gasification was evaluated. During long term experiments with process gas the process reliability was investigated. A special interest was given to scaling or aging effects of the used hollow fiber membrane modules. It has to be highlighted that the experiments were executed under real process conditions, including fluctuation and gas composition and also stressing the modules with trace gas components from biomass gasification process. The results show that the gas permeation process is well-suited for the separation of hydrogen from the product gas of biomass gasification process. Depending on process conditions different performances could be reached. Throughout the whole duration of the experiments, no performance decrease of the membrane modules could be measured. Beside the experiments with commercial membranes also first preliminary experiments for producing reverse selective membrane materials were executed. The target was to develop a membrane material which holds the hydrogen on the pressure side and allows the carbon dioxide to permeate trough the membrane.