Eine weitere Möglichkeit, Feststoffe zum Carbon-Capture einzusetzen ist die Membranfilterung. Anders als bei festen oder flüssigen Absorbern beruht die Abscheidung des CO2 nicht auf einer selektiven Bindung des CO2, sondern einer selektiven Diffusion: Die Membran ist semipermeabel und lässt CO2 durch, nicht aber andere Gase.
Trennung durch selektive Permeabilität
Der große Vorteil: Anders als bei Absorber-Abscheidungen kann die Membran dauerhaft im Einsatz bleiben, ohne dass ein energieaufwendiger Resorptionsschritt eingeschaltet werden muss. „Verglichen mit anderen konventionellen CO2-Capture-Methoden haben Membranen den Vorteil eines kleineren Footprints und einer vergleichsweise einfachen Installation und Operation“, erklären Shigenori Fujikawa von der Kyushu Universität und seine Kollegen.
Allerdings ist die Membran-Abscheidung nur dann effizient, wenn die Membran ausreichend selektiv und durchlässig für CO2 ist und wenn das CO2-Konzentrationsgefälle zwischen den beiden Seiten der Membran ausreichend groß ist. In der Praxis bedeutet dies bisher häufig, dass der Abgasstrom für eine möglichst vollständige CO2-Abtrennung vor der Membranpassage komprimiert werden muss oder aber eine Pumpe auf der Rückseite für den nötigen Sog sorgen muss. Weltweit arbeiten Forschungsteams aber daran, die Membranen so zu optimieren, dass sie auch ohne aufwändige Begleitanlagen arbeiten.
Optimiert auch fürs Rauchgas
Filtermembranen sind schon länger zur Abtrennung von relativ homogenen Gasen in der chemischen Industrie oder bei der CO2-Abscheidung aus Biogas oder Syngas. Meist handelt es sich dabei um spezielle Polymere, deren Porengröße und chemische Eigenschaften für die selektive Durchlässigkeit für CO2 sorgen. Mehrere Unternehmen haben bereits neuartige Polymermembranen entwickelt, die auch für das CO2-Capture aus Rauchgas geeignet sein sollen.
Eine Pilotanlage mit einer dieser Membranen, Polaris von der Firma MTR, wird zurzeit in einem Kraftwerk in Wyoming für einen großtechnischen Versuch installiert. Sie soll eine zehnmal höhere selektive Permeabilität für CO2 haben als gängige Gasabscheide-Membranen und rund 70 Prozent des CO2 aus dem 85 Grad heißen Rauchgas des Kraftwerks filtern. Das Rauchgas enthält vor der Abscheidung gut zwölf Prozent CO2 und 18 Prozent Wasserdampf.
Graphen als Membran-Basis
Auf eine ganz neue Membrantechnologie setzen dagegen Forscher um Kumar Agrawal von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Sie nutzen eine nur eine Atomlage dicke Graphenschicht, an die maßgeschneiderte Polymerketten angehängt sind – die gesamte Filtermembran ist nur 20 Nanometer dünn. „Nanoporöses Graphen durch CO2-selektive Polymerketten zu funktionalisieren, erlaubt es uns, ultradünne und trotzdem selektive Membranen herzustellen“, sagt Agrawal.
Nach Angaben des Forschungsteam erzielten diese Verbundmembranen aus Graphen und Polymeren in Tests eine mehr als sechsfach höhere Permeabilität als die zurzeit gängigen Membranfilter. „Die zweidimensionale Natur der Graphenmembran erhöht die Permeabilität für CO2 drastisch, was die Membranfilterung noch attraktiver für das Carbon-Capture macht“, so Agrawal.
Noch sind die verschiedenen Membranvarianten für das CO2-Capture im Teststadium. Viele Experten halten diese Filtertechnologie aber für eine der vielversprechendsten, weil sie sich als eine der günstigen und am vielseitigsten einsetzbaren Lösungen für die CO2-Abscheidung erweisen könnte. Einigen Unternehmen zufolge könnten ihre Membranlösungen künftig ein Carbon-Capture für nur 20 bis 40 US-Dollar pro Tonne CO2 ermöglichen.
Auch fürs CO2-Capture aus der Luft geeignet
Sogar an Membranen für das Direct-Air-Capture (DAC), das wegen des minimalen CO2-Gehalts der Luft ungleich schwieriger und teurer ist, wird bereits geforscht. Weil die Atmosphäre nur gut 400 ppm CO2 enthält – 0,04 Prozent – müssen die Membranen für eine CO2-Abscheidung aus der Umgebungsluft durchlässiger und selektiver sein als die bei Rauchgasen verwendeten. „Die Durchlässigkeit ist der Schlüsselfaktor dafür, dass ein membrangestütztes DAC praktikabel wird“, erklärt Shigenori Fujikawa. Gemeinsam mit seine Kollegen hat er untersucht, welche Eigenschaften eine solche Membran haben muss und wie machbar ein membrangestütztes DAC wäre.
Ihren Berechnungen zufolge dürften Membranen für eine CO2-Abscheidung aus der Luft nicht dicker sein als rund 100 Nanometer und müssen eine Durchlässigkeit von mindestens 10.000 GPU (Gas Permeance Unit) aufweisen. Zum Vergleich: Die am stärksten optimierte Graphenmembran der EPFL-Forscher erreichte eine Durchlässigkeit von rund 11.700 GPU. Der Druck auf der Seite der einströmenden Luft sollte mindestens 30 Prozent höher liegen als auf der Rückseite der Membran – dieser Faktor bestimmt, wie viel Energie für das Abpumpen benötigt wird.
Wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, dann könnten sich Membranen durchaus als praktikable und günstige Methode des Direct-Air-Capture erweisen, sagen Fujikawa und seine Kollegen. „Um beispielsweise eine Tonne CO2 pro Tag aus der Luft zu entfernen, bräuchte man weniger als 5.000 Quadratmeter Membranfläche“, so das Team. „In einer Anlage mit mehrere Schichten installiert, ergäbe dies einen Würfel von nur 2,50 Meter Kantenlänge.“
