Anwendungsgebiete von Sauerstoff-Membrananlagen zur dezentralen Sauerstoffproduktion

Metallurgie

Durch Verbrennung mit Sauerstoff können in bestehenden Ofenanlagen zur Aluminium-, Kupfer- und Stahlproduktion wesentlich größere Energiemengen eingebracht und somit die Produktionskapazität gesteigert werden. Darüber hinaus wird eine Wärmerückgewinnung aus dem Abgas wegen der stark verminderten Abgasmengen überflüssig. Damit vereinfacht sich das Anlagendesign erheblich: Anlagenkosten, Brennstoffbedarf und CO₂-Emissionen sinken. Durch die Erzeugung des Sauerstoffs vor Ort fallen die zugehörigen Betriebskosten nur bei entsprechender Anlagenauslastung an. Sie sind wesentlich geringer als der Sauerstoffpreis bei einer Belieferung. Im Prozess entsteht außerdem konkonzentriertes CO₂, dessen Abtrennung normalerweise einen hohen Energieaufwand erfordert. Nachfolgende Prozesse zur Sektorenkopplung, d. h. zur Umwandlung von Strom in synthetische Grund- bzw. Kraftstoffe, könnten davon zukünftig immens profitieren.

Glas- und Keramikindustrie

Das Schmelzen von Glas und das Sintern von Keramik benötigen sehr hohe Temperaturen, die meist durch Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt werden. Zur Senkung der thermischen Verluste und des Brennstoffbedarfs wird meist die Verbrennungsluft mit Abgas vorgewärmt. Dadurch wird der  Verbrennungstechnische Wirkungsgrad erhöht. Hohe Vorwärmtemperaturen werden dabei aufgrund der steigenden NO_x-Emissionen jedoch meist vermieden. Alternativ kann der Wirkungsgrad durch Verbrennung mit sauerstoffangereicherter Luft oder mit reinem Sauerstoff (Oxyfuel-Technologie) erhöht werden. Durch die Integration von Sauerstoffmembranen kann der benötigte Sauerstoff so direkt am gasbefeuerten Industrieofen bedarfsgerecht bereitgestellt und somit insbesondere bei hohen Prozesstemperaturen ein Großteil an thermischer Energie eingespart werden. Der zusätzliche Strombedarf für die Beheizung der Membranen liegt dabei lediglich bei 0,2 kWh/m³ O₂ und damit nur bei einem Bruchteil der Einsparungen. Bei einer Verbrennung mit reinem Sauerstoff können die NO_x-Emissionen deutlich vermindert werden. Da außerdem reines CO₂ anfällt, wird wiederum eine hocheffiziente Sektorenkopplung möglich.

Zement- und Kalkindustrie

Die Kalk- und Zementproduktion ist aufgrund ihrer Prozesstemperaturen und der kontinuierlichen Fahrweise besonders gut für eine thermische Integration des Membrantrennprozesses geeignet. Der erzeugte Sauerstoff kann nicht nur zur Effizienzsteigerung der Verbrennung verwendet werden, sondern er fördert auch das Ausbrennverhalten schwieriger Ersatzbrennstoffe. Neben der Senkung des Brennstoffbedarfs und der brennstoffbedingten CO₂-Emissionen kommt es durch eine Sauerstoff-Anreicherung der Verbrennungsluft zu einer Steigerung der CO₂-Konzentration im Abgas und zur Senkung der Abgasmengen. Damit sinkt der Aufwand für eine CO₂-Abtrennung mit konventionellen Verfahren.

(De)zentrale medizinische Versorgung

Der Sauerstoff-Trennprozess findet bei etwa 850 °C statt, so dass der erzeugte Sauerstoff stets steril anfällt. Brennbare oder biologisch aktive Substanzen werden dabei vollständig zerstört und die auf der Luftseite potenziell entstehenden Reaktionsprodukte gelangen nicht in den Sauerstoff. Die sehr hohe Reinheit des produzierten Sauerstoffs ermöglicht eine einfache Dosierung bzw. eine unkomplizierte Herstellung definierter Gasmischungen. Eine Versorgung einzelner Patienten ist ebenso möglich wie die von Krankenhäusern oder Lazaretten. Der aus den Investitions- und Betriebskosten resultierende Sauerstoffpreis liegt merklich unter dem einer Belieferung mit Sauerstoff.

Abwasserbehandlung

Kläranlagen verursachen etwa 20 % des kommunalen Energieverbrauchs, wobei etwa die Hälfte auf die Belüftung des Belebungsbeckens entfällt. Industriegasproduzenten haben bereits gezeigt, dass bei Verwendung von Sauerstoff anstelle von Luft die einzublasende Gasmenge auf ca. 4 % gesenkt werden kann, also auf den Eintrag von 40 l Sauerstoff anstelle von 1000 l Luft. Außerdem können mit Sauerstoff auch hochbelastete Industrieabwässer behandelt oder Kläranlagen mit stark wechselnder Belastung einfacher an die Befrachtung angepasst werden. Für eine dezentrale Sauerstofferzeugung kann das in Faultürmen entstehende Klärgas vorteilhaft für die Beheizung der Sauerstoffgeneratoren genutzt werden. Der verbleibende Elektroenergieverbrauch ist mit 0,2 kWh/m³ O₂ niedrig. Da die erforderliche Sauerstoffmenge deutlich geringer als die benötigte Luftmenge ist, kann dadurch der gesamte Stromverbrauch um mehr als 60 % gesenkt werden.

Aquafarming

In der professionellen Fischzucht kann durch Begasung mit Sauerstoff die Krankheitsresistenz verbessert, die Futteraufnahme und das Wachstum beschleunigt sowie die Besatzdichte erhöht werden. Bei Wassertemperaturen über 15 °C und sinkender Löslichkeit der Gase wird deshalb häufig Sauerstoff eingebracht. Die üblichen geringen Sauerstoffmengen von kleinen und mittleren Teichanlagen oder von Aquafarming-Betrieben führen bei einer Belieferung mit Sauerstoff jedoch aufgrund der aufwändigen Logistik zu hohen Kosten. Mit Sauerstoffgeneratoren auf Basis mischleitender Membranen kann der Fischzüchter den benötigten Sauerstoff preisgünstig selbst erzeugen.