Helium-Abtrennung mittels anorganischer Membranen
Helium wird derzeit ausschließlich aus Erdgas gewonnen. Bei der Förderung von Erdgas enthalten Quellen üblicherweise Konzentrationen um 0,1 – 0,3 Vol.%. Nur wenige Quellen weltweit weisen höhere Konzentrationen auf. Andere, derzeit nutzbare Helium-Quellen existieren nicht. Damit ist es notwendig:
- verfügbare Helium-Quellen bis zum Ende der Erdgasförderung zu nutzen
- durch verbesserte Gewinnungstechnologien neue Helium-Quellen nutzbar zu machen und
- Helium in den aktuellen Anwendungen zurückzugewinnen und idealerweise im Kreislauf zu fahren.
Die Gewinnung von Helium erfolgt durch Verflüssigung des Erdgases. Mit zunehmender LNG-Herstellung stieg die Zahl der nutzbaren Helium-Quellen. Dennoch werden eine Vielzahl von Erdgasen mit Helium-Konzentrationen < 0,2 – 0,3 mol% auf Grund des hohen Energiebedarfs der Verflüssigung für die Helium-Gewinnung nicht genutzt. Andere Helium-Quellen, die kein Erdgas enthalten, schieden von vornherein aus wirtschaftlichen Gründen aus. Membranen könnten mit erheblich geringerem Energieaufwand das Helium aus dem Erdgas und anderen Gasgemischen abtrennen und anreichern. Es gibt einige wenige Polymermembranen, die dazu genutzt werden können. Deren Selektivität und Fluss sind jedoch begrenzt und die mechanische Stabilität gegenüber hohem Druck (Kompaktierung) und die chemische Stabilität gegenüber Kohlenwasserstoffen oder Schwefelverbindungen sind gering.
Im Projekt sollen deshalb anorganische Membranen (Zeolithe und Kohlenstoff) synthetisiert und untersucht werden, die einerseits chemisch und thermisch stabil sind, andererseits aber eine deutlich höhere Selektivität aufweisen. Mit den neuen Membrantypen öffnet sich neben der Helium-Gewinnung auch das Feld der Helium-Rückgewinnung. Als Beispiel sollen im Projekt analytische Geräte, konkret die Gaschromatographie untersucht werden. Helium wird dabei an verschiedenen Stellen eingesetzt, eine Rückgewinnung und Reinigung soll untersucht werden. Untersuchung zur Abtrennung von Wasserstoff aus Erdgas haben gezeigt, dass Kohlenstoffmembranen H2 auf Reinheiten von > 99,99 mol% anreichern kann, so dass die Gewinnung von hochreinem Helium ebenfalls möglich scheint.
Das Vorgehen orientiert sich entlang der Wertschöpfungskette beginnend bei der Trägerherstellung, Trägertestung, Membranentwicklung und anwendungsnahe Charakterisierungsmöglichkeiten.
Das Vorhaben zielt auf zukunftsorientierte Trennprozesse ab unter Verwendung einer keramischen Membran mit hoher He-Permeanz und Selektivität. Durch Verwendung einer solchen Membran könnten kostenintensive Trennoperationen, wie bspw. die kryogene Gastrennung, durch energieeffiziente und ressourcenschonende Membranverfahren abgelöst werden.
