Das Erhitzen ist der teure Teil
Raffinerien trennen Rohöl seit einem Jahrhundert auf dieselbe Weise: Sie erhitzen es über 350 °C, damit es verdampft, und kühlen dann den Dampf ab, um verschiedene Fraktionen zu gewinnen. Die Rohöldestillation verbraucht weltweit rund 1.100 Terawattstunden Energie pro Jahr, etwa die Leistung von 130 Kernkraftwerken im Gigawatt-Maßstab, die ohne Unterbrechung laufen. Membranen, die einen Teil dieser Arbeit übernehmen könnten, werden seit Jahren untersucht, doch die konventionelle Bauweise erfordert eine ultradünne selektive Beschichtung auf der Membranoberfläche, die teuer herzustellen und im großen Maßstab anfällig für Defekte ist.
Das Öl seine eigenen Kanäle bauen lassen
Ein Team unter der Leitung von Professor Dong-Yeun Koh am KAIST, in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Ryan Lively am Georgia Tech, versuchte den umgekehrten Ansatz. Sie pressten Rohöl direkt durch eine blanke poröse Polyacrylnitril-Membran, ein stabiles und günstiges Polymer, das normalerweise als Trägerschicht verwendet wird. Schwere Kohlenwasserstoffe lagerten sich an den Porenwänden ab und verengten die Öffnungen zu selbstorganisierten Kanälen von weniger als 2 Nanometern. Leichte Fraktionen wie Naphtha, Benzin und Kerosin passierten schnell; schwerere Bestandteile wurden zurückgehalten.
Fouling, das Problem, das Membranen normalerweise verschlechtert, wurde zum Mechanismus, der die Trennung ermöglichte. Die Membran zeigte laut der in Nature veröffentlichten Studie eine etwa 23-mal höhere Permeation als frühere Systeme und lief 28 Tage lang stabil. Prozesssimulationen legen nahe, dass ihr Einsatz vor der Destillation den Energieverbrauch um etwa 32 %, Kohlendioxid um 38 %, Kühlwasser um 21 % und Betriebskosten um 36 % senken würde.
Von der Laborbank zum Raffinerietor
Nichts davon ist bisher in einer arbeitenden Raffinerie installiert, und die Lücke zwischen einem 28-Tage-Test und einer Anlage, die jahrelang läuft, ist der Punkt, an dem die meisten Trennideen scheitern. Raffinerien sind Schwerindustrie: Pumpen, Kompressoren, Wärmetauscher und Kolonnen sind um einen Destillationstrain herum dimensioniert, und jede Nachrüstung muss dazu passen. Unabhängig davon haben Forscher am Dalian Institute of Chemical Physics in China Laboreinsparungen von rund 91 % für ein molekulares Raffinierungsverfahren gemeldet, das verschiedene Ölmoleküle in maßgeschneiderten Membranen einfängt. Beide Arbeitsrichtungen weisen in dieselbe Richtung. Wenn eine von ihnen kommerzielle Größe erreicht, winkt als Preis eine Raffinerieindustrie, die weniger Wärme verbraucht, weniger emittiert und kleiner gebaut werden kann.
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