Weniger CO₂ im Erdgas

Solch „saures“ Erdgas ist in der Energiebranche nichts Neues. Jede Förderanlage besitzt deshalb Separationssysteme, die den Rohstoff aufbereiten und neben Kohlendioxid auch andere unerwünschte Elemente wie Wasser oder schwere Kohlenwasserstoffe trennen. Die Menge an saurem Erdgas nimmt jedoch seit einiger Zeit zu. „Die Nachfrage nach Erdgas ist so hoch, dass immer mehr Vorkommen mit sehr hohen CO₂-Anteilen erschlossen werden“, sagt Dr. Patrick Schiffmann vom Anlagenbauer Linde Engineering. „Wir beobachten steigende CO₂-Anteile, weil man seit einigen Jahren Kohlendioxid, das aus gefördertem Erdgas abgetrennt wurde, wieder ins Erdreich verpresst hat.“ Gasförderung und -reinigung werden somit immer anspruchsvoller.

Seit gut einem Jahr betreibt der Anlagenbauer auf einem Gasfeld in Südargentinien eine neue Separationstechnik, die das „Gas Sweetening“, wie die Aufbereitung in der internationalen Fachsprache genannt wird, grundlegend verändern könnte. Grundlage ist ein Produkt von Evonik, das sich auf anderen Gasmärkten bereits bewährt hat: SEPURAN_® – eine Kunststoffmembran, die anders funktioniert als alle Konkurrenzprodukte. Und die dadurch eine Schlüsselrolle spielen kann bei der Deckung des wachsenden Erdgasbedarfs.

Bis zu 50 Prozent beträgt der CO₂-Anteil des Erdgases in der Region, wo Linde mit der Evonik-Membran die Prozesse seines Kunden optimiert – der Grenzwert für die Einspeisung in Pipelines beträgt zwei Prozent. Bisher kam der Betreiber gerade einmal auf zehn Prozent, berichtet Prozessingenieur Schiffmann. Herzstück und Sorgenkind der Anlage sind die herkömmlichen Membranen aus Celluloseacetat, also Kunststofffasern auf Holzbasis. „Eigentlich ein wunderbares Material“, sagt Dr. Götz Baumgarten, bei Evonik verantwortlich für das Marktsegment Membranen. „Es hat nur zwei Probleme: Erstens halten die Membranen nicht lange, und jeder Austausch bedeutet Produktionsausfälle. Zweitens ist die Membran nicht besonders selektiv.“

Die Selektivität ist ein wichtiger Faktor dafür, wie wirtschaftlich eine Membran arbeitet: Idealerweise lässt sie nur eine Art von Molekülen durch und hält andere zurück. Beim rohen Erdgas etwa würde sich auf der einen Seite reines Methan sammeln und auf der anderen Seite das (unerwünschte) CO₂. So einfach ist es in der Realität leider nicht. Die Membran erkennt nicht, welches Molekül ­gerade passieren will – darum diffundiert immer auch ein Teil des wertvollen Methans.

Die Trennwirkung entsteht dadurch, dass verschiedene Moleküle unterschiedlich schnell durch die Membran wandern. Je größer die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen zwei Molekülen, desto sauberer kann man das Gas auftrennen. „Mit den klassischen Produkten gingen unserem Kunden zehn Prozent des Methans verloren“, sagt Linde-Experte Schiffmann. „Mit der Evonik-Technologie reduzieren wir den Verlust auf zwei Prozent. Bei einem Output von 25 Tonnen Erdgas pro Stunde ist das viel Geld, das nicht mehr verpufft, und eine Menge Treibhausgas, das nicht mehr entweicht. Die begrenzten Erdgasvorkommen lassen sich viel sinnvoller nutzen.“

Anders als klassische Membranen besteht SEPURAN® aus Poly­imid, einem Hochleistungskunststoff, den Evonik selbst entwickelt hat, produziert und zu Fasern verarbeitet. Die letzten beiden Schritte geschehen in Schörfling in Österreich. In der hohen Fertigungstiefe sieht Baumgarten einen großen Vorteil gegenüber der Konkurrenz: „Wir haben den ganzen Prozess selber in der Hand, vom Molekül- und Polymerdesign bis zu der Art, wie wir die Fasern wickeln und in ein Membranmodul bringen.“

Unter dem Elektronenmikroskop sieht man den komplexen Aufbau der Membran: Jede Faser ist hohl wie ein Strohhalm, innen ist das Material porös wie ein Schwamm. „Diese Struktur macht die Faser stabil“, erklärt Baumgarten. „Die Oberfläche dagegen bildet ein glatter Film, er sorgt für die Separationswirkung.“ In den Membrankartuschen sind die Fasern auf ­einem Stahlrohr aufgewickelt, das Konstrukt wirkt wie eine überdimensionierte Garnrolle. Das rohe Erdgas strömt an den Fasern entlang, Kohlendioxidmoleküle diffundieren durch die Membran­oberfläche ins Innere der Hohlfasern, das Gas wird auf seinem Weg durch die Kartusche immer ärmer an CO₂.