Das Fraunhofer IKTS entwickelt für die Gastrocknung von Erdgas, Biomethan und Wasserstoff einen Membranansatz, der auf keramischen Strukturen und nanoporösen Schichten basiert. Durch diese Konstruktion wird Wasser aus den Gasströmen selektiv abgeführt, sodass die bisherigen, chemisch gestützten und thermisch belastenden Schritte der Trocknung perspektivisch ersetzt werden können. Die Technologie richtet sich an Betreiber von Leitungsnetzen, die Energieaufwand, Emissionen und Anlagenbelastungen verringern möchten.
Die Funktionsweise beruht auf einer mikrometerdünnen Schicht, deren Nanoporen Wassermoleküle aufgrund ihrer geringen Größe passieren lassen und damit einen gezielten Abtrennprozess ermöglichen. Dieses Verfahren bietet eine Alternative zur konventionellen Gastrocknung, die mit absorbierenden Chemikalien und hohen Temperaturen verbunden ist und dadurch sowohl Energieverbrauch als auch Emissionen verursacht. Das Fraunhofer IKTS stellt damit einen Ansatz bereit, der Energiegase sauber und mit deutlich reduziertem Aufwand trocknen kann.
Membrantechnik als Grundlage der Gastrocknung
Die neue Methode stützt sich auf eine Keramikröhre, deren Innenwand mit einer mikrometerdünnen Membran versehen wird. Diese Schicht ist nanoporös aufgebaut und verfügt über Poren von 0,4 Nanometern. Wassermoleküle mit einem Durchmesser von 0,28 Nanometern können die Membran passieren und werden durch den porösen keramischen Träger nach außen geleitet, während die größeren Moleküle der Energiegase im Hauptstrom verbleiben.
Damit entfällt der Einsatz von Triethylenglycol, das bisher Wasser absorbiert und anschließend durch Destillation bei rund 200 Grad Celsius regeneriert werden musste. Diese thermische Belastung führte zur Entstehung unerwünschter Crack-Produkte, die verbrannt werden mussten, was sowohl Energie als auch CO₂ verursachte. Die Membranlösung des Fraunhofer IKTS vermeidet diese Prozesse vollständig und reduziert den Energieaufwand der Gastrocknung um bis zu 90 Prozent.
Dr. Hannes Richter, Leiter der Abteilung Nanoporöse Membranen, zählt die Vorteile auf: „Bei diesem Prozess benötigen wir kein TEG, dementsprechend entfallen die Destillation und das Verbrennen von Rückständen. Gegenüber der herkömmlichen Technik der Gastrocknung sparen wir bis zu 90 Prozent Energie, und es fallen auch keinerlei CO2-Emissionen an.“
Dr. Adrian Simon, Gruppenleiter für Zeolith- und Kohlenstoffmembranen, betont: „Das nanoporöse Material auf dem Keramikträger muss eine perfekte geschlossene Schicht bilden, sonst kann es seine Funktion als Membran für die Wassermoleküle nicht erfüllen und würde auch größere Moleküle passieren lassen.“
Zwei Membranvarianten für flexible Gastrocknung
Um unterschiedliche Gasströme zuverlässig trocknen zu können, entwickelte das Fraunhofer IKTS zwei Membrantypen. Für Erdgas und Wasserstoff wird eine Zeolith-Membran eingesetzt. Dazu wird eine Zeolith-Lösung in das Keramikrohr gegossen und nach dem Erhitzen in einer Syntheselösung zu einer geschlossenen Kristallschicht zusammengeführt. Diese Struktur bildet die Voraussetzung für eine selektive und langlebige Wasserabtrennung.
Die zweite Variante basiert auf Kohlenstoff und ist für die Trocknung von Biomethan ausgelegt. Ein organischer Precursor wird in das Rohr eingebracht und bildet eine dünne Polymerschicht, die anschließend unter Sauerstoffausschluss erhitzt wird. Bei Temperaturen über 700 Grad Celsius wandelt sich die Schicht in eine geschlossene Kohlenstoffmembran um. Beide Varianten ermöglichen eine passgenaue Umsetzung der Gastrocknung für die jeweilige Gaszusammensetzung.
Das Fraunhofer IKTS optimierte die Herstellungsprozesse über zahlreiche Tests hinweg. Die Kombination aus keramischem Know-how und Erfahrung in der Highend-Membrantechnologie erwies sich als entscheidend, um reproduzierbare Schichtqualitäten zu erzielen. Diese technologische Grundlage ist zugleich wichtig, um die Membranen für industrielle Anwendungen zu skalieren.
Derzeit wird die Technologie vom Technikumsmaßstab in größere Einheiten überführt. Dr. Richter beschreibt diese Skalierung als entscheidenden Schritt, um Erdgas, Biomethan und Wasserstoff in realen Netzen schnell, sauber und energiearm zu trocknen und damit das Einsatzspektrum der Gastrocknung zu erweitern.
Industrielle Perspektiven für Energieversorger
Für Betreiber von Leitungen bedeutet die Membranlösung eine deutliche Entlastung. Sie schützt Ventile, Sensoren und Leitungsabschnitte vor den Folgen von Wasseranteilen und senkt zugleich die Betriebskosten. Da keine chemischen Regenerationsschritte und keine Verbrennungsprozesse mehr nötig sind, entsteht ein robustes Verfahren, das auf energieeffizientem Molekültransport basiert. Die Gastrocknung wird dadurch sowohl wirtschaftlicher als auch technisch stabiler.
Das Fraunhofer IKTS unterstützt Energieversorger, Netzbetreiber und Anlagenbauer bei der Planung und Umsetzung von Pilotanlagen. Konzepte für den industriellen Aufbau ermöglichen eine frühe Integration in reale Systeme. Die Technologie findet Anwendung in Biomethan-, Erdgas- und Wasserstoffnetzen und schafft Einsparungen bei Energie und Emissionen.
Die Forschungsarbeiten wurden im Projekt »Hybiodirect« durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt gefördert. Als Partner war die DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH beteiligt. Erste Tests erfolgten im Vorhaben H2well-compact, das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt unterstützt wurde.