DE202016006700U1

DE202016006700U1 - Carbonfaser

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Publication number: DE202016006700U1
Application number: DE202016006700.2U
Authority: DE
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Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2026-11-02
Also published as: BR112019008977B1; US11898275B2; MX2019005128A; US20200056304A1; CN110168153B; CA3042282A1; JP2019536919A; RU2019115459A; AU2022213744B2; JP7075062B2; KR102471716B1; US20220081806A1; ZA201903224B; CL2019001201A1; AU2017366602A1; EP3610057A1; AU2022213744A1; KR20190087447A; WO2018095559A1; PE20191164A1

Abstract

Carbonfasern, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Herstellung der Carbonfasern benötigte Polyacrylnitril unter Anwendung der Fischer-Tropsch-Synthese über die Erzeugung von Propen aus Methanol gewonnen wird.

Description

Das Paris-Agreement vom Dezember 2015 stellt die Staatengemeinschaft vor die Herausforderung die Erhöhung der mittleren Erdtemperatur bis 2100 und darüber hinaus unter einem Wert von 2°C zu halten. Zu diesem Zweck sind Maßnahmen erforderlich, die durch einen erhöhten Aufwand der Prozesstechnik bewirken, dass die Effizienz der Umwandlung von CO₂ in brauchbares regenerativ erzeugtes Material deutlich gesteigert wird. Dieses Material setzt sich im wesentlichen aus zwei Kategorien von Materialien zusammen, welche die Weltwirtschaft treiben. Die eine Kategorie umfasst Materialien wie Treibstoffe, Schmieröle und andere flüssige oder gasförmige Brennstoffe für den Betrieb von Gasturbinen, Dieselkraftwerken, den Antrieb von Flugzeugen, Fahrzeugen und Schiffen, sowie die Heizung von Gebäuden oder auch den Betrieb von Kochherden.
Die zweite Kategorie umfasst die Erzeugung von Bau- und Konstruktionsmaterialien, die aus CO₂ hergestellt werden können.
Aus den Berechnungen der Klimaforschung geht hervor, dass ein quasi-linearer Zusammenhang zwischen CO₂-Konzentration in der Atmosphäre und der Erderwärmung in Form der Erhöhung der mittleren Erdatmosphärentemperatur besteht. Diese wissenschaftliche Erkenntnis legt nahe, dass eine weitere Konzentration von CO₂ in der Atmosphäre verhindert werden muss und idealerweise auch wieder auf vorindustriellen Level zu senken ist.
Um dies zu erreichen werden verschiedene Maßnahmen diskutiert. Einerseits sollen durch die Einführung von regenerativen Energiequellen wie Wind-, Wasser- und Sonnenkraft fossile Brennstoffe für die Energieerzeugung ersetzt werden. Die Erfahrung mit der Einführung der Windkraft- und Photovoltaikanlagen zum Beispiel in Deutschland hat zu der Erkenntnis geführt, dass diese Maßnahmen zwar zielführend sind, jedoch nicht ausreichen, um die globale Erd-Temperatur unter Kontrolle zu halten. Der Stand der Technik beschreibt Verfahren, mit denen entweder über die Erzeugung von Biomasse wie zum Beispiel durch Algenwachstum mit sequestriertem oder natürlichem CO₂ Treibstoffe wie Biodiesel oder Kerosin gewonnen werden, oder auch mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese diese industrie-relevanten Stoffe aus sequestriertem CO₂ und Wasserstoff gewonnen werden. Beide Verfahren sind technisch möglich, haben jedoch unterschiedliche Wirkungsgrade und damit verbunden unterschiedliche Kosten. Beide Verfahren haben jedoch auch unterschiedliche Ausgangsstoffe und unterschiedliche wertvolle Nebenprodukte, insbesondere auch dann, wenn der durch Elektrolyse gewonnene Wasserstoff als Nebenprodukt Sauerstoff abwirft.
Eine weitere zielführende Möglichkeit der Begrenzung der Erderwärmung ist also die Wandlung von CO₂, welches aus fossilen oder natürlichen Quellen stammt, in Treibstoffe und Baumaterialien. CO₂-Sequestrierungsmaßnahmen sind zu Beginn einer solchen neuen Materialerzeugungs-Prozesskette deshalb notwendig, da das benötigte CO₂ aus diesen Quellen wesentlich kostengünstiger zu gewinnen bzw. zu sequestrieren ist, als direkt aus der Luft, die nur eine vergleichsweise niedrige CO₂-Konzentration hat. Eine Alternative der Gewinnung natürlichen CO₂ ist die Verstromung, Vergasung oder sonstigen energetischen Verwertung von natürlicher Algenmasse und ggfls. die Sequestrierung des CO₂ aus deren Rauchgasen. Um die Energie-Erzeugungsprozesse so schnell wie möglich in einen regenerativen Status zu fahren und dem Umstand Rechenschaft zu tragen, dass derzeit ein Abschalten von fossilen Stromerzeugungssystemen nicht möglich ist, ohne die Weltwirtschaft zu gefährden, andererseits die Emission von CO₂ so schnell wie möglich zu stoppen ist, müssen Prozesse eingeführt werden, welche CO₂ so schnell es geht in einen festen stabilen Aggregatzustand von Kohlenstoff-Verbindungen versetzen. Zu diesem Zweck wird mit diesem Verfahren auf kostengünstige Weise mit vertretbarem Flächenbedarf aus dem CO₂ Carbonfaser erzeugt, die einen über Millionen Jahre stabilen festen Aggregatzustand hat. Zunächst wird aus zum Beispiel Kohlekraftwerken sequestriertes CO₂ zusätzlich zu dem aus der Luft aufgenommenem CO₂ in Algentanks eingeleitet, um zu verhindern, dass dieses CO₂ in die Atmosphäre gelangt. Da bei den hier beschriebenen Prozessen jede Menge Biodiesel als Basis für Treibstoff entsteht, kann dieser in einer späteren Phase der Installation von Anlagen in Biodiesel-Kraftwerken zur Stromerzeugung verbrannt werden, wobei das dabei sequestrierte CO₂ wieder in die Algentanks geleitet wird und auf diese Weise im Kreis geführt ist. Zusätzlich zu dem sequestrierten CO₂ nehmen die vorzugsweise in sonnenreichen Gegenden installierten Algentanks freies CO₂ aus der Umgebungsluft auf.
Die eigentliche Neuheit jedoch basiert auf der Erkenntnis, dass neben Treibstoff aus den oben beschriebenen Verfahren auch Polyacrylnitril gewonnen werden kann, welches das Ausgangsmaterial für die Carbonfaserherstellung darstellt. Carbonfasern werden zwar schon heute als das Material der Zukunft gehandelt, sind jedoch vor dem Hintergrund der Klimaproblematik bisher wenig diskutiert worden, weil zu energieaufwändig in der Materialherstellung und deshalb zu gering in der Masse, um klimarelevant zu sein. Das wird sich mit dieser Erfindung ändern. Die Herstellung von Carbonfasern aus Algenmaterial, zum Beispiel über das Nebenprodukt Glycerin, ist zwar bereits ansatzweise beschrieben, unklar ist bisher gewesen, ob die notwendigen Mengen aus Algenmaterial auf vertretbaren Flächen überhaupt möglich sind. Zudem stellt sich die Frage, ob diese Prozesse in sonnenreichen Regionen allein darstellbar sind, in denen keine CO₂-Emissionen anfallen, so wie in den klimatisch eher kalten Industrieregionen. Bei entsprechenden Berechnungen ist die Erkenntnis entstanden, dass sowohl die Algensynthese mit dem Nebenprodukt Glycerin, wie auch das Fischer-Tropsch-Verfahren über den Umweg der Methanol-Produktion in der Lage sind Acrylnitril als Basisstoff für die Produktion von Carbonfasern zu erzeugen. Das Methanol wird zu diesem Zweck zunächst in Propen gewandelt, welches dann im nächsten Schritt Acrylnitril und anschließend Polyacrylnitril produzierbar macht.
Beide Verfahren haben Vorteile und Nachteile. Der Vorteil der Algensynthese sind die Kosten. Da bei der Produktion von Glycerin jede Menge Biodiesel anfällt, der für die Energieversorgung in Form von Treibstoff, Stromerzeugung und Heizung genutzt werden kann und aufgrund seines hohen Wertes als regenerativer Energieträger die Kosten der Glycerin-Produktion klein hält und damit die Kosten des Acrylnitril, hat das Verfahren den Nachteil, dass ein relativ großer Flächenverbrauch mit diesem Verfahren verbunden ist.
Die Fischer-Tropsch-Synthese als Basis für die Erzeugung von Acrylnitril aus Propen über den Zwischenschritt Methanol ist bisher im Stand der Technik nicht beschrieben und hat im Vergleich zur Herstellung aus Algenbiomasse den Vorteil eines vergleichsweise geringen Flächenverbrauchs, hat aber auch den Nachteil der im Vergleich höheren Kosten, die jedoch über einen zunächst entsprechend hohen CO₂-Emissionshandelspreis ausgeglichen werden können. Am Ende jedoch möchte man langfristig ohne Emissionsrechte auskommen und deshalb den Herstellungspreis senken.
Dies kann erreicht werden durch eine Kombination der Verfahren, und zwar durch ein Mischungsverhältnis, welches der nötigen industriellen Transformation zufolge an diese neuen Verfahren angepasst werden kann. Ein Mischungsverhältnis von je 50 Prozent erscheint nach den Berechnungen derzeit langfristig als ein optimales Maß für dieses Verhältnis, welches sich aber durchaus durch Optimierung von Technologie auf der einen und auch der anderen Seite verändern kann. Sollte sich die Algeneffizienz über die Zeit zum Beispiel erhöhen, kann der Algenanteil heraufgefahren werden, um den Preis für die Polyacrylnitrilfaser immer weiter abzusenken, bei gleichbleibendem Flächenverbrauch.
Der bei der Elektrolyse für die für das Fischer-Tropsch-Verfahren benötigten Mengen an Wasserstoff werden Sauerstoffmengen frei, die den Prozess der Produktion von Acrylnitril aus der Algenmasse benötigt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Gesamteffizienz und somit zu einer Senkung des Preises der Polyacrylnitrilfasern. Aus der Kombination der Verfahren ergeben sich weitere Vorteile als Nebenprodukt.
Einer der wesentlichen Vorteil der hier beschriebenen Kombination von Verfahren der algenbasierten Carbonfaser–Herstellung und des Fischer-Tropsch-Verfahrens, welches sich zunächst insbesondere für Industrien in der bereits industrialisierten Welt zur Herstellung von Carbonfasern anbietet, ist ein allmählicher, sanfter Transfer von Technologie in sonnenreiche und deshalb in der Regel ärmere Länder und die Verlagerung der Prozesse in solche Regionen, die heute wirtschaftlich noch benachteiligt sind, während die Klimaverhandlungen immer stärker auch dadurch bestimmt werden, dass ein gerechter Ausgleich des derzeit bestehenden Nord-Süd-Gefälles Schritt für Schritt eingeführt werden muss.

Claims

Carbonfasern, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Herstellung der Carbonfasern benötigte Polyacrylnitril unter Anwendung der Fischer-Tropsch-Synthese über die Erzeugung von Propen aus Methanol gewonnen wird.
Carbonfasern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fischer-Tropsch-Verfahren mit der Erzeugung von Polyacrylnitril aus aus Algen gewonnenem Glycerin gekoppelt wird.
Carbonfasern nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Polyacrylnitril-Algensynthese benötigte Prozess mit dem dafür notwendigen Sauerstoff aus der für das Fischer-Tropsch-Verfahren benötigten Elektrolyse versorgt wird.
Carbonfasern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Polyacrylnitril-Algensynthese benötigte CO₂ aus den Rauchgasen von fossilen Kraftwerken und aus natürlichen Quellen stammt.
Carbonfasern nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Polyacrylnitril-Algensynthese benötigte CO₂ aus den Rauchgasen von regenerativen Biodiesel-Kraftwerken und aus natürlichen Quellen stammt.
Carbonfasern nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Polyacrylnitril-Algensynthese benötigte CO₂ aus den Rauchgasen von verstromter natürlicher Biomasse stammt.
Carbonfasern nach Anspruch 1 bis 6, durch gekennzeichnet, daß das für die Polyacrylnitril-Algensynthese benötigte CO₂ aus den Rauchgasen von verstromtem Biodiesel aus natürlicher Algenbiomasse stammt.