Vorteile der dezentralen Sauerstoffproduktion

Sauerstoff zählt mit einem weltweiten Verbrauch von ca. 500 Mio. Tonnen pro Jahr zu den am häufigsten benötigten Industriegasen. Großtechnisch wird Sauerstoff über die kryogene Luftzerlegung (Kryo LZA) hergestellt und in der Regel zum Kunden transportiert. Der Sauerstoffpreis steigt deshalb für geringe Abnahmemengen stark an. Zur lokalen Produktion wird die Druckwechseladsorption (PSA) oder deren Vakuumvariante (VPSA) eingesetzt. Allerdings ist die O₂-Reinheit dabei auf ca. 93 Vol.-% begrenzt und der hohe Stromverbrauch beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit des O₂-Einsatzes stark.

Zur kostengünstigen Sauerstofferzeugung vor Ort entwickelt das Fraunhofer IKTS sauerstoffpermeable keramische Membranen und darauf aufbauend Sauerstoffgeneratoren. Diese sogenannten mischleitenden Membranen (MIEC) benötigen zur Erzeugung von reinem Sauerstoff neben einer hohen Betriebstemperatur lediglich unterschiedliche O₂-Partialdrücke. Der Energiebedarf des Verfahrens ergibt sich demnach aus dem Wärmebedarf zur Aufrechterhaltung der  Betriebstemperatur und der erforderlichen Kompressionsenergie für die Gasverdichtung. Die Anwender der Sauerstoffgeneratoren bleiben unabhängig von Gaslieferanten.

Membranherstellung und Prozessführung

Das Fraunhofer IKTS gehört zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Stofftrennung mit keramischen Materialien. Bei der O₂-Abtrennung aus Luft mit mischleitenden Keramikmembranen ist das IKTS der einzige Anbieter von kommerziell nutzbaren Membranmodulen und Pilotanlagen mit technisch relevanten Durchsätzen. Dabei sind das Gerätekonzept und die patentierte Verfahrensführung auf minimale Betriebskosten und eine lange Lebensdauer ausgerichtet. Die Keramikmembranen basieren auf gut verfügbaren Rohstoffen.

Durch den Einsatz dünnwandiger Membranen wurden die erforderlichen Materialmengen bereits minimiert und der Sauerstoffdurchsatz gesteigert. Als Herstellungsverfahren wird das Strangpressen eingesetzt, das für große Stückzahlen ein hohes Potenzial zur weiteren Kostensenkung besitzt. Bei der Herstellung anfallendes Restmaterial wird vollständig recycelt. Die eingesetzten Membranen tolerieren hohe Heiz- und Kühlraten bzw. thermische Spannungen, sodass Membrananlagen mit kurzen Anfahrzeiten realisiert werden können. Bei Bedarf sind außerdem ein Stand-by-Betrieb sowie eine Variation des Sauerstoffdurchsatzes von ca. 10 bis 200 % gegenüber dem Normalbetrieb möglich.

Verfahrensvergleich

Während bei etablierten Verfahren die gesamte Energie als Elektrizität benötigt wird, können MIEC-Membranen durch Verbrennung von Gas oder mittels Abwärme von Hochtemperaturprozessen beheizt werden. Der Strombedarf liegt dann nur noch bei 40 % einer großindustriellen Luftzerlegungsanlage. Darüber hinaus ergeben sich weitere erhebliche Betriebskosteneinsparungen, da der Gaspreis häufig nur ein Viertel des Strompreises beträgt. Ein weiterer Vorteil liegt in der Reduzierung der CO₂-Emissionen. Bei der konventionellen Stromproduktion wird pro kWh deutlich mehr CO₂ erzeugt als bei der Verbrennung von Gas.