Edle Gase trennen

Die meisten Menschen setzen dagegen den Begriff edel mit wertvoll gleich, und auch sie haben recht: Platin ist bekanntlich wesentlich teurer als etwa Eisen. Und ein Kubikmeter gasförmiges Helium kostet zwischen 8 und 30 €; der genaue Preis hängt unter anderem von Abnahmemenge und Reinheit ab. Zum Vergleich: Für einen Kubikmeter Erdgas zahlt der Privatkunde nur rund 60 Eurocent.

Ein Grund für den hohen Preis von Helium: Es ist begehrt. Denn mit dem Gas werden Magnetresonanztomografen in Kliniken gekühlt und Ballons und Luftschiffe gefüllt. Zum Einsatz kommt es außerdem bei der Glasfaserproduktion, beim Schweißen, in der Elektronikindustrie und bei der Suche nach Lecks in Anlagen und Geräten. Andererseits ist Helium selten. Das Edelgas wird derzeit aus einigen wenigen Erdgasquellen weltweit gewonnen, in denen sein Anteil üblicherweise zwischen zwei und acht Prozent liegt. Den Weltmarkt teilen die Förderländer USA, Algerien, Katar, Russland und Polen bislang unter sich auf.

Seit August 2016 ist auch Kanada mit im Rennen. In Mankota nahm eine einzigartige Anlage ihren Betrieb auf, die täglich aus 250.000 Kubikmeter gefördertem Gas vollautomatisch 99,999-prozentiges Helium gewinnt. Erbaut wurde sie von der Engineering Division des Konzerns The Linde Group. Das Besondere an der Anlage: Linde hat hier ein etabliertes Verfahren  zur Gastrennung mit der neuen Membrantechnologie SEPURAN® Noble von Evonik kombiniert. Dieses Hybridverfahren ermöglicht eine besonders effiziente Anreicherung des geringen Heliumanteils in der kanadischen Quelle – er liegt deutlich unter zwei Prozent. Damit konnte Linde den Besitzer der Gasquelle, das Unternehmen Weil Group Resources, überzeugen und sich im weltweiten Bieterwettbewerb durchsetzen. 

SEPURAN®-Membranen bestehen aus dem Hochleistungskunststoff Polyimid, der seine Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen und aggressive Chemikalien schon seit Jahrzehnten unter anderem bei der Heißgasfiltration in Zement- und Stahlhüttenwerken unter Beweis stellt. Spinnanlagen im Evonik-Werk Schörfling in Österreich stellen das Material als Fasern her, die eine ganz spezielle Architektur besitzen: Im Innern sind die Fasern hohl. Zu diesem Hohlraum hin ist das Material recht porös. Nach außen hin werden die Poren immer kleiner. Eine relativ dichte Schicht, die weniger als 100 Nanometer dick ist, bildet die Oberfläche der Fasern.

Diese Schicht können Gase, deren Moleküle sehr klein sind (kinetischer Durchmesser), schneller durchwandern als Gase aus großen Teilchen. Dadurch kann die Schicht zwischen verschiedenen Gasen unterscheiden, zum Beispiel zwischen Kohlendioxid und Methan oder zwischen Helium und Methan. Der poröse Rest der Fasern hilft nicht bei der Gastrennung, weil die Poren dafür zu geräumig sind. Er dient vielmehr als Stützkörper und verleiht dem Material seine mechanische Stabilität. Evonik bündelt Zehntausende dieser Hohlfasern zu je einem Membranmodul in einem Edelstahlgehäuse.

Die SEPURAN® Green-Membranmodule, die weltweit in mehr als 100 Anlagen zur Aufbereitung von Biogas im Einsatz sind, wären für die Heliumgewinnung nicht perfekt geeignet. Denn sie würden das Edelgas aufgrund seines geringen Anteils im Erdgas nicht ausreichend anreichern. Gefragt ist eine Membran, die Helium noch besser als SEPURAN® Green vom restlichen Gas selektieren kann. Die Evonik-Spezialisten haben es geschafft, eine solche Membran zu produzieren, indem sie den Spinnprozess zur Faserherstellung verändert haben. Diese Membran vermarktet Evonik unter dem Namen SEPURAN® Noble.

Wer denkt, eine im Vergleich zu SEPURAN® Green verbesserte Trennwirkung gelte auch für Methan und Kohlendioxid und könne somit auch die Biogasaufbereitung noch weiter voranbringen, liegt grundsätzlich nicht falsch. Doch SEPURAN® Noble würde zu wenig von beiden Gasen hindurchlassen: Die höhere Selektivität dieser SEPURAN®-Variante ginge einher mit einer geringeren Produktivität. Bei Helium ist dieser Punkt nicht entscheidend, weil das Edelgas sehr viel schneller durch die Membran wandern kann als etwa Kohlendioxid. Die Kunst des SEPURAN®-Teams besteht somit darin, die
Eigenschaften der Hohlfasermembran für die jeweilige Anwendung maßzuschneidern. Auf diese Weise bringt es die ohnehin sehr guten Gastrenneigenschaften von Polyimid voll zur Geltung.

In der Hybrid-Referenzanlage in Mankota reichern die SEPURAN®-Module das Rohgas auf einen Heliumanteil von rund 50 Prozent an. Aus dem resultierenden Gasgemisch wird dann durch sogenannte Druckwechseladsorption nahezu reines Helium gewonnen. Bei diesem etablierten Verfahren, das auch unter dem englischen Begriff Pressure Swing Adsorption (PSA) bekannt ist, wird das Gasgemisch bei erhöhtem Druck durch eine Feststoffschüttung geleitet. Helium adsorbiert nahezu nicht an diesen Feststoff, während die anderen Gasbestandteile sich an- oder einlagern. Sobald das Adsorptionsvermögen des Feststoffs erschöpft ist, wird er durch Druckabsenkung regeneriert. Damit die PSA trotzdem kontinuierlich Helium liefert, werden zwei Feststoffschüttungen parallel betrieben. Von diesen befindet sich abwechselnd eine im Adsorptions- und eine im Regenerationszustand.

Das PSA-Verfahren funktioniert nur gut bei einem Heliumgehalt von mindestens 25 Prozent, und es ist umso effektiver, je höher der Gehalt ist. Daher ist die vorherige Anreicherung des Rohgases mittels SEPURAN®-Membranen nötig. Beide Verfahren ergänzen sich auch deshalb perfekt, weil das Membranverfahren ein druckloses Heliumgasgemisch produziert, das durch die PSA unter Druck gesetzt wird. Das am Ende resultierende reine Helium steht dann ebenfalls unter Druck, was die Kosten für seinen Transport verringert.

Weil Helium teuer ist, kann es sich für Großverbraucher lohnen, das verwendete Edelgas zurückzugewinnen. Auch sie können bereits von SEPURAN® Noble profitieren, zum Beispiel die Hersteller optischer Fasern. Diese Fasern übertragen Internetdaten und Telefongespräche. Das Helium dient dazu, die Glasfaser beim Ziehen aus der heißen Schmelze besonders effektiv abzukühlen. Dadurch lässt sich die Produktionsgeschwindigkeit erhöhen: Eine einzige Anlage stellt auf diese Weise über zwei Kilometer Faser pro Minute her.

Doch das hat seinen Preis: Manche Glasfaserproduktionsstätten müssen pro Jahr mehrere Hunderttausend € für Helium ausgeben. Das Unternehmen Nextrom hat nun für die Glasfaserherstellung eine Lösung entwickelt, die auf SEPURAN® Noble basiert. Das weltweit führende Anlagenbauunternehmen für die Glasfaserindustrie bietet ein System an, bei dem das verwendete Helium aufgefangen, gereinigt und sofort wieder zur Kühlung eingesetzt wird. So lassen sich 90 Prozent des Heliums zurückgewinnen.

Dass SEPURAN® Noble bereits knapp zwei Jahre nach der Markteinführung in der Glasfaserindustrie angekommen ist, verdankt das SEPURAN®-Team auch der Unterstützung durch Kollegen aus dem Bereich Silane, die mit dieser Branche vertraut sind. Außerdem lässt sich die Membrantechnik besonders leicht in die Glasfaserproduktion integrieren, weil das aufbereitete Helium weder flüssig noch extrem rein sein muss – im Unterschied zu anderen Heliumanwendungen wie zum Beispiel der Magnetresonanztomografie. Daher wird es dort etwas länger dauern, bis die SEPURAN® Noble-Technologie Fuß fasst. Die Membranexperten sind jedoch überzeugt, dass sich ihre Technologie auch in Anwendungen abseits optischer Fasern durchsetzen wird.