Weltgrößte Membrananlage zur Erzeugung von Reinst-Sauerstoff

Sauerstoff wird industriell in sehr großen Mengen benötigt, z. B. zur Vergasung von Kohle, in der Metallurgie (Stahl, Kupfer, Aluminium) sowie der chemischen Industrie. Zudem ermöglicht die Verbrennung mit reinem O₂ eine hocheffiziente CO₂-Abtrennung und die Einsparung von Primärbrennstoff. Für kleinere Wärmebehandlungsanlagen ist eine Belieferung mit O₂ meist nicht wirtschaftlich, da der Preis mit sinkender Abnahmemenge stark steigt. Die alternative Erzeugung vor Ort mit PSA-Anlagen (Pressure Swing Adsorption) liefert bei relativ hohem Energieverbrauch nur ca. 93 Vol.-% O₂, diese Reinheit ist häufig unzureichend. Von einer energieeffizienten und preiswerten Erzeugung reinsten O₂ vor Ort würden viele Industrieprozesse profitieren. Das Fraunhofer IKTS entwickelt keramische MIEC-Membranen (Mixed Ionic Electronic Conductor), die bei hoher Temperatur nur für Reinst-O2 permeabel sind. Seit 2009 wurden mehrere Versuchsanlagen mit diesen Membranen realisiert. Das Diagramm zeigt, dass seitdem der O₂-Durchsatz der Anlagen erhöht und Energieverbrauch sowie Gerätekosten deutlich gesenkt werden konnten. Seit 2015 verfolgt das BMBF-Projekt MedPROmM das Ziel, den spezifischen Energieverbrauch einer großindustriellen kryogenen Luftzerlegungsanlage (< 0,5 kWh/Nm³ O₂, N – Normzustand) zu unterschreiten. Mit Partnern aus der Industrie hat das Fraunhofer IKTS das patentierte Anlagenkonzept (Bild 1) in einer Versuchsanlage (Bild 2) umgesetzt. Während des Baus der Membrananlage ergab sich ein enormer Anpassungs- und Änderungsbedarf der CAD-Konstruktion, da an vielen Stellen neue technische Lösungen erarbeitet werden mussten. Der tatsächliche Energieverbrauch der Versuchsanlage lag mit 0,72 kWh/Nm³ O₂ merklich höher als konzipiert (0,46 kWh/Nm³ O₂), da sie noch Wärmebrücken am Gehäuse aufwies und einige regenerative Wärmetauscher eine deutlich verminderte Wärmerückgewinnung zeigten. Der Energiebedarf für die O₂-Verdichtung (0,2 kWh/Nm³ O₂) stimmt jedoch mit dem Zielwert sehr gut überein, der O₂-Durchsatz von 9,8 Nm³ O₂/h macht die Anlage zur größten ihrer Art weltweit. Bei 8000 Jahresstunden, zehn Jahren Nutzungsdauer und 0,1 €/kWh_el ergibt sich ein O₂-Preis von 0,43 €/Nm³ O₂ für die Anlage. Eine Belieferung mit Flüssig-O₂ ist fast doppelt so teuer und würde Zusatzkosten von ca. 29 000 € im Jahr verursachen.