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Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Anordnung zur simultanen Erzeugung von Baumaterial aus Kohlenstoff und Strom mit Hilfe von Sonnenlicht. Das Verfahren basiert auf der grundsätzlichen Idee der
europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 09796616.2 , welche beschreibt, wie aus dem Kohlenstoff in der Atmosphäre oder dem Ozean in Form von CO
2 druck- und zugstabile Bau- und Konstruktionswerkstoffe basierend auf Kohlefaser und Hartgestein (z. B.
EP 106 20 92 ) entstehen, wobei die Kohlefaser aus Algenöl und die benötigte Herstellungsenergie aus gebündeltem Sonnenlicht gewonnen wird, um anthropogen verursachte Treibhausgase innerhalb von 350 Jahren dauerhaft zu binden. Die vorliegende Erfindung beschreibt, wie dies technisch effizient und ökonomisch vertretbar umgesetzt werden kann.
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Ohne druck- und zugstabile Materialien, so wie bisher durch Materialien wie Stahl-Beton, Stahl, Glas und Aluminium abgedeckt, ist eine moderne Gesellschaft und die dafür notwendige industrielle Fertigung von Einrichtungen und Konsumgütern eines modernen Lebensstandards mit Gebäuden, Mobilität und Arbeitsmaschinen heute nicht mehr denkbar. Die Herstellung dieser Materialien, die vom Menschen künstlich geschaffen werden, benötigen jedoch für deren Herstellung große Mengen an Energie, die derzeit in ausreichendem Maß nur dadurch gewonnen werden kann, dass zu 70–80% fossile Brennstoffe diese Energie liefern. Dabei werden nach wie vor immer größere Mengen an CO2 freigesetzt, trotz steigendem Anteil an regenerativ erzeugter Energie, weil die Weltwirtschaft ebenfalls stetig weiter wächst.
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Vor dem Hintergrund der mittlerweile unbestrittenen Klimaerwärmung und der Notwendigkeit die damit verbundene Temperaturerhöhung der Atmosphäre durch anthropogen verursachte Treibhausgase auf einen Anstieg um 2°C zu begrenzen und so schnell wie möglich auf vorindustrielle Werte rückzuführen, wird es wichtig neben der Reduzierung der Emissionen von Treibhausgasen durch regenerative Energie (Mitigation) der Atmosphäre gleichzeitig Kohlenstoff nachhaltig – so dauerhaft wie möglich – zu entziehen und zu speichern (Decarbonisation). Diese Speicherung sollte unkompliziert, gefahrlos und mit wenig Energieaufwand möglich sein. Wünschenswert wäre es darüber hinaus, wenn der gespeicherte Kohlenstoff einfach zugänglich ist und nach Bedarf wiederverwendet werden kann. Da die Rückführung von Kohlenstoff in einen festen Aggregatzustand energetisch aufwändig ist, muss diese Herstellung möglichst energieeffizient durchgeführt und idealerweise mit anderen Prozessen verknüpft werden und parallel beziehungsweise gleichzeitig zur Produktion von kohlenstoffbindenden Verfahren noch anderen Zwecken dienen, zum Beispiel der Material und Stromerzeugung. Da der Aufwand Kohlenstoff rückzuführen von der existierenden Weltwirtschaft in vertretbaren Zeiträumen mit derzeit verfügbarer Technologie zu realistischen Kosten nur über Jahrtausende bewerkstelligt werden kann, müssen neue Mechanismen entwickelt werden, um diese Rückführung von Kohlendioxid-Emissionen anthropogenen Ursprungs in einem vertretbaren Zeitraum von ca. 300 bis spätestens 400 Jahren durchzuführen, was etwa der Zeitspanne entspricht, die Johann Wolfgang von Goethe für die Wiederaufforstung des deutschen Waldes angesetzt hatte, nachdem dieser zu seiner Zeit fast völlig abgeholzt war, weil Holz nicht nur zum Heizen, sondern auch für die Metallerzeugung genutzt wurde. Die Verwendung von Kohle schaffte hier die notwendige Erleichterung, um die Wälder zu schonen und wieder aufforsten zu können, was dann wiederum zur Ursache des Klimawandels wurde. Dass die Industrialisierung langfristige Schäden verursacht ist also nicht neu und deren langfristige Beseitigung auch nicht, wie die Bemühungen von Goethe und seinen Zeitgenossen eindrucksvoll durch einen mittlerweile wieder intakten deutschen Wald bewiesen haben.
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Die Vermeidung künftiger Kohlenstoffemissionen bei gleichzeitiger Decarbonisierung innerhalb erträglicher Zeiträume soll mit dieser Erfindung in den Bereich des Möglichen rücken. Dafür muss die Energieeffizienz der Ursachen für die Emissionen erhöht werden und die CO
2-Emissionen freie Herstellung von Werkstoffen eingeführt werden, so wie von der
09796616.2 vorgeschlagen und gleichzeitig bei oder mit der Materialerzeugung Kohlenstoff, idealerweise und nach Möglichkeit im Baumaterial selbst, gebunden werden. Die Produktion von Materialien in der oben beschriebenen Weise kann dadurch „sauber” werden, daß Kohlenstoffasern auf Basis von Algenöl und nicht mehr wie bisher auf Basis von Erdöl hergestellt werden und am Ende einer solchen Prozesskette Kohlenstoff in einer langfristig gebundenen Form übrig bleibt.
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Dies ist möglich, wenn Kohlenstoff selbst zum Baumaterial wird. Wenn es dann noch gelingt, diese Kohlenstoffaser wie in der
09796616.2 nahegelegt, auf energieeffiziente Weise mit Hilfe von Sonnenlicht zu produzieren, dann sind die oben gewünschten Bedingungen für eine vollständige Rückführung der Kohlendioxid-Emissionen aus der Vergangenheit durch die Wirtschaft selbst und die Kontrolle über künftige Emissionen erfüllt.
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Die dafür notwendige Energie kann deshalb heute nicht aufgebracht werden, weil die Nutzung der Sonnenenergie mit Hilfe von gebündeltem Sonnenlicht in Solarthermie-Kraftwerken heute nur mit einer Effizienz van ca. 30% arbeitet, die restliche eingefangene Sonnenenergie geht in Form von Wärme verloren und die für signifikante Mengen an Karbonfasern benötigte Produktionsenergie um die heute verwendeten Baustoff Stahl, Stahlbeton und Aluminium zu ersetzen, wird bei heutiger Energieeffizienz fast den gesamten weltweiten jährlichen Energiebedarf von derzeit ca. 140.000 TWh verschlingen. Durch den hier vorgeschlagenen Prozess wird ein Großteil der in herkömmlichen Solarthermie-Kraftwerken verlorenen Wärme-Energie primär zunächst für die Carbonfaserherstellung und die Wärme anschließend für die Stromproduktion genutzt, der Strom entsteht dabei als „Abfallprodukt”. Nach der Bündelung der Sonnenenergie wird der Materialproduktionsprozess der Stromerzeugung vorgeschaltet und die gesamte Wärme, inklusive der heute bei der Stromerzeugung verlorenen Wärme, zuvor für die Carbonisierungsprozesse der Kohlefaserherstellung genutzt. Dadurch wird eine Effizienzsteigerung des Faktors 3 erreicht. Die Erfindung handelt davon, wie dies technisch umgesetzt wird.
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Bei dem in
09796616.2 beschriebenen Verfahren der Decarbonisierung der Atmosphäre und der Ozeane und gleichzeitig den Kohlenstoff in dem zu produzierenden Baumaterial aus Carbonfasern dauerhaft zu binden, wird der Biosphäre durch die gesamte Prozesskette inklusive der größtenteils regenerativen Erzeugung von Baumaterialien mehr Kohlenstoffdioxid entzogen, als bei dessen Herstellung entsteht. Von zentraler Bedeutung ist dafür die Bereitstellung von ausreichenden Meeresflächen zur Algenproduktion und ggfls. zusätzliche Landflächen zur Produktion geeigneter Pflanzenöle.
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Als geeignetes Baumaterial und dauerhafte Kohlenstoffsenke wird der oben angegebenen Argumentation folgend hier der konsequente Einsatz von Carbonfasern vorgeschlagen, da sich diese in hervorragender Weise als Baustoff verwenden lassen und gleichzeitig Kohlenstoff in dieser Form dauerhaft binden, wenn die für die Carbonfaserherstellung notwendigen Ausgangsstoffe aus Pflanzenöl hergestellt werden. Ausgangsstoffe sind zum Beispiel Fasern aus Polyacrylnitril (PAN-Faser), die heute in einem relativ einfachen Prozess aus Erdöl und einer Spinnlösung hergestellt werden. Diese Ausgangslösung wird künftig mit Algenöl hergestellt, was technisch keinen Unterschied macht. Die Lösung wird in einem Spinnbad durch eine Vielzahl feinster Düsen gepresst und vernetzt sich bei diesem Vorgang zu dünnen Fäden. Diese dünnen endlos hergestellten Polyacrylnitril-Fäden vernetzen sich im Spinnbad, werden anschließend weitertransportiert, gewaschen, getrocknet, gestreckt und oberflächenbehandelt, bevor sie in einem Ofen bei 300°C oxidiert und anschließend in einem Pyrolyse-Prozess unter Sauerstoffausschluss bei 800°C bis 1800°C oder 3000°C verkohlt bzw. carbonisiert werden. Bei der Carbonisierung gasen fast alle Bestandteile der PAN-Faser bis auf den Kohlenstoffanteil aus und die Kohlenstoffatome vernetzen sich neu zu einem extrem zugstabilen Atomgitter. Das Endprodukt besteht je nach Qualität aus 95% bis 98% reinem Kohlenstoff.
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Die Erfindung schlägt vor den energieaufwändigen Teil der Oxidation und Carbonisierung mit Hilfe von gebündeltem Sonnenlicht in einem neu entwickelten Sonnenlicht-Carbonisierungsreaktor durchzuführen. Im Unterschied zu anderen Materialien wird das Faser-Material dabei nicht wie Stahl, Zement oder Aluminium in großen Töpfen, Schalen oder Becken zunächst in loser oder flüssiger Form erhitzt, sondern zunächst in relativ kalter Umgebung zu dünnen endlosen Faserbündeln hergestellt, die den Heizprozessen bereits in fester und halbwegs zugstabiler Form zugeführt und somit problemlos in den Brennpunkt zum Beispiel einer Parabolspiegelrinne eingebracht und in diesem fortbewegt werden. Nur eine faserartige Material-Konsistenz ermöglicht eine einfache, effiziente und praktikable Bewegung in Brennpunkt eines Spiegels oder einer Linse zur Aufheizung des Materials selbst mit Hilfe von Sonnenlicht, vorausgesetzt, die Farbe der Faser ermöglicht die anfängliche Erhitzung, was durch Einfärbung der anfänglich hellen und lichtreflektierenden PAN-Faser mit dunklen Pigmenten erreicht wird. Die Voraussetzung der weiteren Erhitzung der Fasern, die im weiteren Verfahren bei hoher Temperatur oxidieren, wobei die Farbpigmente verbrennen und ihre Wirkung verlieren, wird dadurch gewährleistet, dass die Faser an sich bei fortschreitendem Oxidationsprozess immer dunkler wird und beim Carbonisieungsprozess durch den steigenden Kohlenstoffanteil der Grad an Schwärze stetig zunimmt. Dies verstärkt den Grad der Fähigkeit des Materials Licht in Wärme zu wandeln und damit die Effizienz der Lichtausbeute, die mit zunehmender Schwärzung auf mehr als 90% ansteigt. Der Carbonisierungsprozess selbst sorgt für den Anstieg auf die für eine ausreichende Carbonisierung notwendigen Temperaturen, andererseits muss prozessbedingt die entstehende Wärme zum Schutz des Equipments und der notwendigen Führungs-Apparaturen abgeführt werden und dient anschließend quasi als Abfallprodukt der Stromerzeugung. Man kann sich de facto kein anderes Material vorstellen, welches die Bedingungen erfüllt möglichst viel Licht in Wärme zu wandeln, um den energieintensiven Teil des Herstellungsprozesses fast vollständig auf Basis direkter regenerativer Energiequellen möglichst effizient zu machen und gleichzeitig als hochwertiges Baumaterial zu dienen. Energie- und umwelteffizienter kann kein Baumaterial hergestellt werden, welches zudem Gewichtsvorteile und Zugfestigkeitsvorteile gegenüber allen bekannten Werkstoffen hat. Eine Stahlproduktion oder Zementproduktion durch Erhitzung des Materials direkt mit Sonnenlicht ist in keinem Fall so effizient und einfach vorstellbar.
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Carbonfasern sind auch deshalb interessant, weil sie in der Anwendung und der Entsorgung einfach handhabbar sind und vor allem über Hunderte von Millionen Jahren durch einen stabilen Aggregatzustand inaktiv bleiben, weil aufgrund der hohen Herstellungstemperatur nur schwer reaktionsfähig, wenn das Material unter normalen Umgebungsbedingungen gehalten wird. Deshalb lässt sich das Material mit wenig Aufwand gefahrlos endlagern, ohne in die Umwelt zurück zu gelangen.
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Da die Herstellung solch chemisch stabiler Carbonfasern mit einem entsprechend hohen Energie-Einsatz verbunden ist, muss diese Energie nicht nur CO2-neutral erzeugt werden, wenn der Entzug von Carbon aus der Biosphäre in einer Weise erreicht werden soll, so dass eine Negativ-Bilanz an Kohlenstoffkonzentration in der Atmosphäre entsteht, die mit heute verfügbarem technischen und finanziellen Aufwand darstellbar ist, sondern die Herstellung an sich muss energieeffizienter werden.
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Aus diesem Grund wird eine Methode vorgeschlagen, die deshalb neu ist, da sie den für die Carbonfaserherstellung notwendigen Pyrolyse-Prozess unter direkter Wärmeerzeugung durch gebündeltes Sonnenlicht mit Hilfe einer Apparatur vorschlägt, bei der primär nur das zu produzierende Material selbst aufgeheizt wird, wobei die gleichzeitig prozessbedingte Wärme für die Stromerzeugung verwendet wird, nachdem Sie für die Carbonisierung der Faser genutzt wurde. Der erzeugte Strom kann für einige der übrigen Prozessschritte und der Überschuss für die generelle Stromversorgung verwendet werden.
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Die Bündelung des Sonnenlichts, um die notwendigen hohen Pyrolyse-Temperaturen zu erreichen, erfolgt mit Hilfe von Parabolspiegeltechnologie oder Linsen, wie zum Beispiel Fresnel-Gläsern oder anderen Geometrien aus Glas oder Quarzglas, bei der nicht über den Umweg der Erzeugung elektrischen Stroms mit Hilfe von Solarthermie und konventionellen Dampfturbinen-Generatoren die Carbonisierungsenergie erzeugt wird, sondern das Licht auf der bzw. durch die zu erzeugende Faser selbst zur Pyrolyse-Energie.
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Vorstellbar wären auch Erhitzungsmethoden mit Hilfe von im Brennpunkt angeordneten Gefäßen oder Tellern aus erhitzbarem wärmeleitendem Material, wie zum Beispiel durch das Licht erhitzte Walzen, welche die Wärme mittelbar auf die Faser übertragen. Auf solche üblichen Verfahren wird durch eine relativ einfache Anordnung verzichtet, die zudem die Verarbeitung eines Endlosstranges von Faserbündeln ermöglicht, so dass die üblichen Herstellungsprozesse der Carbonfaserherstellung nahtlos weiterverwendet werden können.
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Die Erhitzung des Carbonstrangs durch Sonnenlicht bei gleichzeitiger Erzeugung von Strom nutz die Sonnenenergie mit einem 3-fach höheren Wirkungsgrad im Unterschied zu einem Szenario, bei dem der Strom zunächst in Solarthermie-Kraftwerken hergestellt und dann in den Carbonfaserbrennöfen zur Aufheizung der Fasern verwendet wird, da beide Prozesse mit hohen Wärmeverlusten und zudem der Stromtransport mit Leitungsverlusten behaftet sind.
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Die vorgeschlagene Anordnung nutzt die Solarenergie zu 45% für die Carbonisierung und die gesamte erzeugte Wärme steht wie zuvor auch der Stromerzeugung zur Verfügung, die in der Wüste mit einem Wirkungsgrad von ca. 30% arbeitet. Auf diese Weise wird die zur Verfügung stehende Menge an Sonnenlicht zu etwa 75% genutzt. Im Vergleichsszenario liegt die Nutzung bei 30% abzüglich 20% Leitungsverlust und Wärmeverlust im Carbonisierungsofen, was einen Gesamtwirkungsgrad von knapp 25% zur Folge hat beim konventionellen Verfahren, bei denen das Sonnenlicht nicht unmittelbar, sondern über den Umweg der Stromerzeugung für die Materialproduktion genutzt wird.
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Bei der kombinierten Material- und Stromerzeugung mit gebündeltem Sonnenlicht wird in Wüstengebieten mit Solarthermie mit einer Steigerung der Gesamt-Effizienz um den Faktors 3 gerechnet, in kalten Hochebenen kann der Wirkungsgrad sogar höher liegen.
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Diese Effizienzsteigerung verschafft der Wirtschaft diejenigen Reserven, die für die Anstrengungen der Rückführung von 1430 Gigatonnen CO2 auf vorindustrielle Werte benötigt werden und die bei jetzigen Technologien und Wirtschaftsstrukturen völlig unrealistisch sind, da sie wegen fehlender Effizienz zu große Zeiträume von weit über 1000 Jahre in Anspruch nehmen würde, gerechnet mit heutiger Weltwirtschaftsleistung und bestehender Technik.
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Wenn ein solches Szenario jedoch in 350 Jahren realisierbar wird, ist die Motivation den Weg des Ersatzes von Beton, Stahl und Aluminium durch Karbonfasern schnell und konsequent zu beschreiten deutlich attraktiver.
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Um diese Mengen an Materialien zu ersetzen, müssen, – wie später noch gezeigt wird – jährlich 1,1 Gigatonnen Kohlefasern aus ca. 4 Gigatonnen CO2 mit Hilfe von zum Beispiel Algenwachstum hergestellt werden.
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Die Herstellung von 1 kg Carbonfasern erfordert einen Energieeinsatz von ca. 360 MJ bzw. 100 kWh.
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Für die Herstellung von 1,1 Gigatonnen Carbon werden demzufolge 110.000 TWh Energie benötigt, was dem heutigen gesamten Weltverbrauch an Energie nahe kommt.
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Die Berechnungen auf Basis der Daten des Desertec-Projektes mit einer jährlichen Kapazität der Energieerzeugung von 700 TWh und Kosten in Höhe von 400 Milliarden Euro in 2050 haben ergeben, dass bei einer Effizienzsteigerung um den Faktor 3 diese Energiemenge mit dem Einsatz von 50 Kraftwerken der Größenordnung von Desertec erzeugbar ist. Bei einer solchen theoretischen Modellrechnung entstehen jährlich ca. 1,1 Gigatonnen Carbonfasern und 35.000 TWh Energie in Form von elektrischer Leistung, was etwa dem für das Jahr 2050 erwarteten Weltstromverbrauch entspricht. Die Kosten für einen solchen Kraftwerkspark betragen auf Basis der Rechnungen für Desertec 20 Billionen Euro, gerechnet auf 20 Jahre Abschreibung sind das jährliche Kosten von 1000 Milliarden Euro, die von der Weltgemeinschaft aufgebracht werden müssten. Rechnet man weitere 1000 Milliarden für Unterhalt und Betrieb pro Jahr, dann kostet das vorgeschlagene Szenario 3,5% der Weltwirtschaft, die bei derzeit 60 Billionen Euro Brutto liegt. Dabei entsteht das Material, welches die CO2-intensiven Materialien ersetzt und 25.000 TWh Energie einspart, die derzeit jährlich für die Produktion von Stahlbeton, Stahl und Aluminium aufgewendet werden, sowie dadurch jährlich erzeugte Emissionen von 4,2 Gigatonnen CO2, zufälligerweise etwa genau so viel, wie über das Algenwachstum in der Carbonfaser gebunden wird. Die jährlich erzeugte elektrische Energie von 35.000 TWh deckt dabei den Weltstrombedarf in 2050 und damit auch den Strombedarf, um mit 2000 TWh bis anfänglich max. 3000 TWh pro Jahr die Hartgesteinsplatten zu schneiden, welche der Carbonfaser zugefügt werden müssen, um die notwendigen jährlichen Mengen von 25 Gigatonnen an Stahlbeton, 0,8 Gigatonnen Stahl und 40 Megatonnen Aluminium zu ersetzen.
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Dafür reichen, das hat der Bau von Prototypen aus Verbund-Materialien aus Carbonfasern und Granit wie Hauswände (HTW-Chur) und Träger als Stahl- und Aluminiumersatz gezeigt, 1,1 Gigatonnen Kohlefaser in Verbindung mit maximal 6 Gigatonnen Granit aus, das entspricht einem Würfel mit der Kantenlänge von 1,3 km. Hartgestein wie Granit ist bezogen auf diese Dimension in grenzenlosen Mengen überall auf der Erde in für diese Anwendungen perfekter Qualität verfügbar.
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Für den Ersatz von Stahlbeton, Stahl und Aluminium bietet sich die in
EP 106 20 92 vorgeschlagene Lösung an, geschnittenes Hartgestein als mineralische Komponente zu verwenden, da diese mit geringem Energieaufwand durch einfaches Sägen von Steinblöcken hergestellt werden kann. Die Verbindung zwischen den Carbonfasern und der mineralischen Komponente wird mit Harzen, beispielsweise Epoxid-Harzen – realisiert. Wir sprechen im Folgenden von MCC, das steht für Mineral Carbon Composites. Anstatt CO
2-haltigen Kalkstein für die Zementherstellung zu feinem Staub zu zermahlen und zu brennen, wobei CO
2 direkt aus dem Kalk frei wird, können mit einem Drittel der für die Herstellung von Beton benötigten Energie (das entspricht einem Achtel der für die Stahlproduktion benötigten Energie) Hartgesteinsblöcke aus zum Beispiel Granit in Platten geschnitten werden, welche der Carbonfaser zugefügt werden, um in Kombination den Stahlbeton zu ersetzen.
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Für eine Menge von 4 Gigatonnen Zement – Verbrauch in 2013 – müssen ca. 20 Gigatonnen Kies, Sand und Wasser und eine Gigatonne Stahl eingesetzt werden, um die jährlich benötigten Mengen von 25 Gigatonnen Stahlbeton zu stellen.
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Auch Stahl selbst und Aluminium sind durch MCC in gleicher Weise ersetzbar, wenn durch Vorspannung die nötige Flexibilität in den MCC-Verbund gebracht wird, wie in der
europäischen Patentanmeldung 08850169.7 beschrieben, da Granit fast das gleiche spezifische Gewicht hat, wie Aluminium und im Verbund mit dem noch leichteren Carbon das MCC ein geringeres Gewicht aufweist, als Aluminium.
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Modellrechnungen zeigen, dass sowohl beim Ersatz von Stahlbeton wie auch Stahl und Aluminium durch MCC bereits zum Beginn des Prozesses mit einer Energieeffizienzsteigerung des Faktors 2 zu rechnen ist, selbst wenn die Carbonfaser zu Beginn noch mit herkömmlichen Methoden hergestellt wird. Wie oben erwähnt beträgt die jährliche Energiemenge um Stahlbeton, Stahl und Aluminium zu produzieren 25.000 TWh, die MCC-Produktion um diese Mengen an Material zu ersetzen benötigt dafür mit einem minimalen Anteil an Carbon 13.500 TWh bei einem deutlich Vorteil des Faktors 2–3 im Transportgewicht.
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Eine Menge von anfänglich ca. 6 Gigatonnen Granit bis später, wenn der Carbonanteil steigt, 4 Gigatonnen Granit sind technisch darstellbar um jährlich 25 Gigatonnen Stahlbeton, 1 Gigatonne Stahl und 40 Megatonnen Aluminium zu ersetzen, je nachdem wie viel Carbonfasern zu einem bestimmten Zeitpunkt produziert werden können. Dies ist mit in Summe 6–8 Gigatonnen MCC zu bewerkstelligen, bestehend aus 4–6 Gigatonnen Granit, 1,1 Gigatonnen Kohlefaser und 0,9 Gigatonnen Harz.
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Rechnet man mit einem Kosten-Faktor 2 – in Bezug auf die 3,5% Kosten der Weltwirtschaft für die Produktion der Carbonfaser basierend auf Algenöl – für das für die Produktion von MCC benötigte Harz, die Verarbeitung zu Endprodukten und die Weiterentwicklung von Anwendungstechnik, dann werden für den Ersatz von Aluminium, Stahl und Stahlbeton durch Kohlenstoffasern, Harz und Stein in Summe 7% der Weltwirtschaft benötigt.
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Mit einem Anteil von 15% der Weltwirtschaft allein im Bausektor wird ein industrieller Umbau der Wirtschaft vor dem Hintergrund dieser Kostenrechnung innerhalb von 20–30 Jahren finanziell somit nachvollziehbar, ohne dass finanzielle Nachteile entstehen, da die übrigen Branchen der Stahl- und Aluminium verarbeitenden Industrie mit einem erheblichen Anteil dazukommen und auch deren Materialien mit diesen 7% der Weltwirtschaft ersetzt werden. Die Kosten von Desertec sagen auch, daß diese 7% der Weltwirtschaft dafür reichen würden, die Kosten für einen künftig steigenden Bedarf an Stromenergie zu decken, da mit dem beschriebenen Szenario die in 2050 benötigte Stromenergie gedeckt wird, unsere Modellrechnung aber von einer Wirtschaftsleistung von 2013 ausgeht. Bis 2050 wird die Wirtschaftsleistung erwartungsgemäß durch die Zunahme der Weltbevölkerung noch einmal deutlich wachsen, wodurch auch eine Finanzierung des Umbaus der Industrie gefördert wird.
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Mit einer Kraftwerksleistung von 50 Desertec-Kraftwerken – das entspricht einer Fläche von einem Drittel von Frankreich – und einer Effizienzsteigerung des Faktors 3 durch die kombinierte Produktion von Carbonmaterial und Strom können 1,1 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Kohlefaser also zu realisierbaren Kosten aus dem Ozean und der Atmosphäre gebunden werden, wenn die dafür benötigte Menge an Pflanzenöl zur Verfügung steht. Damit können die von den Menschen eingebrachte Menge von 388 Gigatonnen Kohlenstoff – das entspricht 1430 Gigatonnen CO2 – in der absehbaren Zeit von 350 Jahren rückgeführt und in der Kohlefaser dauerhaft gebunden werden (Sustainable Decarbonisation). Damit ist aller Voraussicht nach dem heutigen Stand der Klimaforschung sichergestellt, dass die für die mittlere Erderwärmung kritische Marke von 2°C in 2100 nicht überschritten wird und sich diese bis in 350 Jahren wieder auf vor-industriellem Niveau normalisiert, selbst wenn kurzfristig mit einem weiteren Anstieg an CO2 Emissionen zu rechnen ist, bis die hier beschriebenen Prozesse eingeführt werden können, allerdings nur dann, wenn mit dem Umbau der Industrie sofort begonnen wird.
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Selbst wenn sich ein reales Scenario, auch wegen der notwendigen Anlaufzeiten, am Ende um 30% von diesen Zielgrößen entfernt, und es gelingt 70% der heute verbauten Mengen an Stahl, Stahlbeton und Aluminium zu ersetzen, dann scheint es heute möglich diesen Gap mit anderen CO2-bindenden Maßnahmen zu schließen, wie die Aufforstung der Regenwälder und Rekultivierung von Böden durch Einbringen von gebundenem Kohlenstoff in Form von (verkohlter) Biomasse, anstatt weitere Urwaldflächen für die Gewinnung von Bauxit für die Aluminiumherstellung abzuholzen. An einem ehrgeizigen 350 Jahre-Ziel sollte in jedem Fall festgehalten werden, um überhaupt das von der Klimaforschung als notwendig geforderte 2° – Ziel in 2100 zu erreichen.
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Die weltweit benötigte Ozean-Fläche zur Erzeugung des für die Carbonfaserherstellung der Menge von 1,1 Gigatonnen benötigten Algenmaterials – das entspricht der Bindung von 4 Gigatonnen CO2 jährlich – ist auf einer Fläche von weltweit verteilt 1 Mio km2 möglich, das entspricht einer Fläche der Hälfte Algeriens. Für die Produktion des benötigten Harzes kommt etwa die gleiche Fläche noch einmal hinzu, wenn auch die Harze aus Algenöl hergestellt werden, was mittelfristig zusätzlich CO2 bindet. Die Herstellungsenergie des Harzes aus Algenöl, sowie die Energie für das Sammeln, den Transport und das Raffinieren des Öls ist bei dieser Berechnung bereits in der benötigten Menge Algen enthalten.
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Bei der hier vorgeschlagenen Technik – und dies wird zum Kern der Erfindung – wird primär ausschließlich die Faser selbst im Brennpunkt des Spiegels durch das Sonnenlicht erhitzt, unter Sauerstoffzufuhr oxidiert und in der Endphase des Prozesses unter Ausschluss von Sauerstoff verkohlt bzw. carbonisiert. Die Stärke der zu erhitzenden Faser oder Faserstranges ist dabei zunächst völlig unerheblich, da sich dieser Prozess von den kleinsten Dimensionen bis hin zu starken Faserbündeln skalieren lässt. Es sind auch viele kleine oder kleinste Miniatur-Produktionseinheiten denkbar, die in großer Anzahl parallel arbeiten.
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Dafür wird zum Beispiel ein in einer Achse (z-Achse) longitudinal gradlinig ausgeführter Spiegel verwendet, der in der x-y-Ebene eine parabolische Form aufweist. Der Brennpunkt (F) liegt auf einer Linie mit konstanter xy-Koordinate. Wir sprechen in Folge von dem linearen Brennpunkt oder kurz Brennpunkt, der eigentlich kein Punkt ist, sondern tatsächlich eine Vielzahl von linear aneinandergereihten Brennpunkten, also einer Brennlinie. Der Spiegel wird vom Sonnenlicht (S) angestrahlt und in der x-y-Ebene so nachgeführt, dass der Brennpunkt der Parabel stets von den Sonnenstrahlen getroffen wird. In diesem Brennpunkt wird die zu produzierende Faser positioniert und entlang der Brennlinie stetig fortbewegt, wobei sich die Faser stetig aufheizt. Dafür wird eine für die Carbonfaserherstellung geeignete Ausgangsfaser aus zum Beispiel Polyacrylnitril, kurz PAN-Faser, von einem Ende des Linear-Parabolspiegels linear in die Brennlinie des Parabolspiegels eingeführt und mit angepasster Geschwindigkeit entlang der Brennlinie in einem sauerstoffhaltigen Gaskontinuum so lange weiterbewegt und erhitzt, bis die zunächst helle PAN-Faser oxidiert und bei diesem Oxidationsprozess immer dunkler wird, bis sie mit Abschuss der Oxidationsphase bei ca. 300°C fast ganz schwarz geworden ist. Die Faser wird dann unter Ausschluss von Sauerstoff – zum Beispiel in einem Gas aus vorwiegend Stickstoff – so lange entlang der Brennlinie weiterbewegt und in der Pyrolysephase unter Sauerstoffabschluss zunächst bis auf 800°C und dann je nach Qualität weiter auf 1800°C oder 3000°C aufgeheizt, bis der Carbonisierungsprozess am Ausgang des Linear-Parabolspiegels abgeschlossen ist. Dabei wird die oxidierte PAN-Faser mit steigendem Carbonanteil in der Pyrolysephase immer schwärzer und nimmt durch diesen selbstverstärken Effekt von selbst immer höhere Temperaturen an, die von außen durch Kühlung kontrolliert werden. Die den Faserstrang umgebenden Gase müssen lichtdurchlässig sein, um die Aufheizung des Faserstrangs nicht zu behindern. Um diese notwendigen Gas-Medien zu führen, werden ebenfalls lichtdurchlässige feste Gefäße in rechteckiger oder zylindrischer Röhrenform verwendet. Diese können aus durchsichtigem bzw. lichtdurchlässigem Glas oder einem anderen temperaturbeständigen und durchsichtigen bzw. lichtdurchlässigem Festkörper wie Quarzglas oder hochtemperaturfestem Kunststoff bestehen. Aufgrund der entlang der Brennlinie stetig steigenden Gastemperaturen müssen die Glasgefäßwände in der Pyrolysephase von außen gekühlt werden, damit sie nicht schmelzen.
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Diese Kühlung erfolgt mit Gas oder Flüssigkeiten, die zwischen dem inneren und einer weiteren Gefäßwand, der ebenfalls ein transparentes, rechteckiges oder zylindrisches Rohr ist, fließen. Das kühlende Gas oder die Kühlflüssigkeit sind ebenfalls lichtdurchlässig bzw. transparent, um das Licht ungedämpft zum Carbonfaserstrang durchzulassen. Hier kann Luft, Wasser oder temperaturstabile Öle, wie Silikonöle zum Einsatz kommen. Die Wärme wird über Wärmetauscher an einen Wasserkreislauf weitergegeben, der Dampfturbinengeneratoren für die Produktion von Strom treibt.
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Damit der Carbonfaserstrang in Folge der Schwerkraft nicht durchhängt und damit aus dem Brennpunkt gerät, muss er geführt werden. In der Oxidationsphase gibt es hier keine Materialprobleme, es können für die Führung Edelstähle Verwendung finden, korrodierendes Material sollte vermieden werden. In der Pyrolysephase müssen die für die Zentrierung der Fasern im Brennpunkt verwendeten Materialien so temperaturfest sein, dass sie bei den jeweils anliegenden Temperaturen nicht schmelzen. Dafür bieten sich hochtemperaturbeständige Metalle wie zum Beispiel Molybdän oder Wolfram an, dessen Schmelzpunkt höher ist, als die maximale bei der Pyrolyse erreichbare Temperatur, oder andere hochtemperaturbeständige Materialien. Durch konzentrisch angeordnete Düsen in den Wänden der Glasrohre werden die Brennräume mit nachströmenden Führungsrohrgas versorgt, in der Oxidationsphase mit sauerstoffhaltigem Gasnachschub und in der Pyrolysephase mit Stickstoff zum Beispiel, um ein Verbrennen der Faser durch Oxidation mit Sauerstoff zu vermeiden und den Carbonisierungsprozess zu beenden.
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Der Wolframdraht wird dabei nicht so heiß, dass er den Schmelzpunkt von ca. 3.400° Celsius erreicht, da die Faser bei max. 3.100° Celsius vollständig karbonisiert ist.
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Da die Führungsröhren entsprechend lang sein müssen, werden diese aus gleichartigen Teilen zusammengesetzt. Mit der hier beschriebenen Methode zur Herstellung von Carbonfasern entsteht in der Carbonisierungsphase eine große Wärmemenge, die abgeführt wird, damit das Führungsrohr nicht zu heiß wird und nicht schmilzt. Der Wärmetransport wird durch ein weiteres umhüllendes Rohr sichergestellt und die Wärmemenge wird über Wärmetauscher genutzt, um elektrische Energie zu produzieren und ggfls. die Restwärme zusätzlich auch zum Heizen genutzt, da der Prozess vorzugsweise deshalb in kalten Hochebenen implementiert wird, weil dort die Effizienz der Stromerzeugung steigt und die Verfügbarkeit von Sonnenlicht optimal erscheint, wie zum Beispiel in den Hochebenen von Peru, Bolivien oder Tibet.
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Zusätzlich muss das erhitzte Gas, welches durch die oben beschriebenen Düsen in die Carbonisierungsrohre eingeleitet wird, am Ende des Rohrs, wo die Carbonfaser den Pyrolyse-Prozess verläßt, in gewissem Umfang abgesaugt werden. Dieses erhitzte Gas wird ebenfalls über Wärmetauscher abgekühlt und am Anfang des jeweiligen Prozesses dem Rohrsystem in abgekühltem Zustand wieder zugeführt. Die Wärmetauscher erhitzen ebenfalls den Wasserkreislauf, der die Dampfturbinen treibt. Das abgekühlte Gas wird danach durch die oben beschriebenen Düsen in das Carbonisierungsrohr rückgeführt, wobei dem Gas während der Oxidationsphase verbrauchter Sauerstoff zugeführt werden muss.
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Durch die beschriebene Anordnung werden drei positive Effekte auf einmal erzielt:
Erstens wird die hohe Energie zur Herstellung von Carbonfasern durch rein regenerative Energiequellen – in diesem Fall die Sonne – bereitgestellt. Da die Energie durch die Erwärmung eines maximal schwarzen Körper gewonnen wird, und nicht über den Umweg der Stromerzeugung oder die Erhitzung anderer, weniger schwarze Körper, ist die Energie des über einen gewissen technischen und finanziellen Aufwand verfügbar gemachten Sonnenlichts optimal genutzt und maximal energie- und damit kosteneffizient.
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Zweitens wird mit diesem Sonnenlicht nicht nur hochwertigstes Baumaterial erzeugt, sondern die bei diesem Prozess entstehende Wärmeenergie genutzt, um wie bisher mit solarthermischen Kraftwerken Strom zu erzeugen, zum Beispiel mit Hilfe herkömmlicher Dampfturbinen, wenn die beim Carbonisierungsprozess entwickelte Wärme gezielt abgeleitet und über Wärmetauscher durch eine Dampfturbine in elektrischen Strom gewandelt wird. Strom entsteht dabei als „Abfallprodukt” zusätzlich zum Ausstoß von Bau- und Konstruktionsmaterial. Die dabei immer noch übrigbleibende Wärme kann zum Heizen von Gebäuden genutzt werden, da sich solche Kraftwerke vorzugsweise in kalten Regionen wie Hochebenen besser installieren lassen, weil wegen der höheren Temperaturgradienten die Stromerzeugung effizienter ist, als in warmen Wüstengebieten, die zwar ebenfalls rund um die Uhr Sonne bieten, aber dort wegen möglicher Wüstenstürme mit einer Schädigung der empfindlichen Glas- und Spiegeloberflächen durch feinen, reibenden Sand zu rechnen ist.
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Drittens entsteht bei dieser Art der kombinierten Material- und Stromerzeugung ein Material, welches das Potenzial hat der Atmosphäre dauerhaft so viel Kohlenstoff zu entziehen, daß eine CO2-Konzentration auf dem vorindustriellen Niveau von 280 ppm in absehbaren Zeiträumen wieder erreicht werden kann. Auf diese Weise können der Atmosphäre und/oder den Ozeanen im Laufe von 380 Jahren bei einer Anlaufzeit des Prozesses von 30 Jahren 388 Gigatonnen Kohlenstoff entzogen werden, wenn 350 Jahre lang jährlich eine Menge von 1,1 Gigatonne Kohlenstoffasern produziert werden, die auf Basis von pflanzlichen Ölen produziert wurden.
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Vor dem Hintergrund, dass im Jahr 2013 ca. 4 Gigatonnen Zement und 0,8 Gigatonnen Stahl erzeugt wurden, um ca. 25 Gigatonnen Stahlbeton hervorzubringen, erscheint diese Menge durch die wesentlich leichteren und belastbareren Kohlenstofffasern ersetzbar, wenn diese wie in der
EP 106 20 92 beschrieben durch Naturstein ergänzt werden können, der wesentlich energieärmer abgebaut und gewonnen werden kann, als die energieintensive und mit viel zusätzlicher CO
2 – Emission belastete Herstellung von Zement. Wünschenswert wäre, daß der Kohlefaseranteil rasch steigt, womit der Granitanteil sinkt, um die 350 Jahre für die Rückführung von CO
2 abzukürzen. Die Weltwirtschaft hat jede Freiheit unter dem beschriebenen Scenario die Wirtschaftsleistung anzukurbeln, um die Prozesse zu beschleunigen. Dies wird durch das Wirtschaftswachstum per se passieren, welcher Effekt in der Berechnung der 350 Jahre noch nicht berücksichtigt wurde und es künftigen Generationen vorbehalten bleibt diese Möglichkeiten zu untersuchen und zu nutzen. Die vorliegende Erfindung hat den Zweck das Prinzip eines neuen Carbonzeitalters argumentativ anzubieten und – wenn die Argumente plausibel sind – einzuführen. Im Gegenteil kann dann zur Befriedung der existierenden Industrien argumentiert werden, daß wenn es einen sicheren industriell getrieben Mechanismus zum dauerhaften Entzug von Kohlenstoff aus der Atmosphäre gibt – so wie in dieser Applikation vorgeschlagen – der Mensch sich in gewissem Rahmen die weitere Herstellung von Stahl und Stahlbeton für bestimmte Anwendungen, zum Beispiel in einem Rahmen von bisher 30% dann „leisten” kann, wenn die Gesamtbilanz der CO
2-Emissionen deutlich negativ bleibt. Unter dem beschriebenen Scenario werden nicht einmal Emissionszertifikate benötigt, sofern konsequent ein auf Kohlenstoff basierter Ersatzwerkstoff eingeführt wird. Emissionszertifikate werden jedoch aller Voraussicht nach notwendig, um die Prozesse in Gang zu bringen.
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Sofern die Ausgangsstoffe zur Herstellung der Carbonfasern (PAN-Fasern) aus pflanzlichen Rohstoffen wie Pflanzenöl oder Algenöl gewonnen wurden, wird in der Carbonfaser der Kohlenstoff gebunden, der sich zuvor als Kohlendioxid in der Atmosphäre oder im Ozean befunden hat, wobei in einem zusätzlich immer wichtiger werdenden Aspekt durch die Photosynthese des Pflanzen- oder Algenwachstums der Natur wertvoller Sauerstoff zurückgegeben wird, der bei steigenden CO2-Gehalt selbst abnimmt, was derzeit nur unzureichend thematisiert wird, jedoch die Lungenatmung in einigen hundert Jahren unmöglich machen kann, sollten die CO2-Emissionen in dem heute beobachteten Raten weiter bis auf ein Niveau von 1000 ppm steigen und der Sauerstoffanteil dadurch überproportional sinkt.
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Die Frage nach dem Recycling des Carbonmaterials stellt sich in diesem Scenario nur sekundär, da die Carbonfaser-Produkte nach deren Gebrauch einfach und sicher entsorgt werden können, da der Kohlenstoff sich in einem absolut stabilen Zustand befindet und da das Carbon – nur auf die Oberfläche des Steins aufgebracht – leicht wieder vom Naturstein trennbar sind. Das geht deshalb, weil das die beiden Komponenten verbindende Harz mechanisch die schwächste Komponente darstellt und sich die wesentlich steifere Carbonfaserschicht ohne großen Aufwand durch Schälen – im Unterschied zu der zum Beispiel wesentlich weniger steifen Glasfaser – ohne zu reißen komplett von der Steinschicht wieder lösen lässt. Sie wird nach Gebrauch schlicht entsorgt, mit wenig Energieaufwand in unterirdische Lager verbracht, wie zum Beispiel die leerstehende Kohleflötze in Deutschland oder andere Minen.
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Auf diese Weise kann die mit dieser Erfindung hergestellte Kohlenstofffaser einen wesentlichen Beitrag zu einem langfristigen Geo-Engineering von Treibhausgasen leisten, wobei die Wirtschaft durch die Verwendung von Carbonfasern als Ersatz von CO2-intensiven Werkstoffen wie Stahl, Aluminium und Stahlbeton nunmehr nicht mehr als Umweltverschmutzer fungiert, sondern sich zum Motor für eine nachhaltige Bindung von Kohlenstoff wandelt, der nach dem Gebrauch eingelagert wird, bis er eines Tages evtl. von nachfolgenden Generationen Wiederverwendung findet.
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Nicht mehr benötigte und entsorgte Kohlefaser kann auf diese Weise von künftigen Generationen ohne großen Aufwand reaktiviert werden, wenn nötig als wertvolle Kohlenstoffreserve dienen, wenn zum Beispiel die Sonnenaktivität im Laufe der Jahrhunderte oder Jahrtausende nachlässt, und der Kohlenstoff für die Erwärmung der Atmosphäre durch Verbrennung zu CO2 wieder aktiviert werden muss, wodurch der Kohlefaser-Kohlenstoff in einen langfristig geschlossenen Recyclingprozess geführt wird, dessen Handling mit dem und die Kontrolle über den unschädlichen Kohlenfaser-Kohlenstoff einfach und gefahrlos ist.
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So entsteht auf höchstem und zukunftsfähigstem Niveau ein einfaches, aber nachhaltiges „Cradle to Cradle” Prinzip, welches für die lebenswichtigsten Funktionen von Atmosphäre und Biosphäre langfristig notwendig ist: ein kontrollierbarer Kohlenstoff- und Sauerstoffhaushalt für das Wachstum von Pflanzen und Erhalt der Lungen- sowie Kiemenatmung.
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Das Verpressen von Kohlenstoff in unterirdische tiefer gelegene Schichten, des sogenannte Carbon(dioxide)Storage (CS) erscheint vor dem Hintergrund des oben beschriebenen Szenario als völlig ungeeignet, das CO2-Problem zu adressieren. Die Abspaltung bzw. Sequestierung von CO2 beim derzeitig noch notwendigen Verfeuern fossiler Brennstoffe, um mittelfristig oben beschriebenes Szenario und den damit verbundenen Umbau der Industrie energetisch zu realisieren, erscheint dagegen als äußerst hilfreich, da das sequestierte CO2 ebenfalls einem Algenwachstum zugeführt werden kann.
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Bei dem Verpressen von CO2 in tiefere Steinschichten oder leergepumpte Öl- und Gasquellen wird wesentlich mehr Raum benötigt als bei der Speicherung von reinem Kohlenstoff, so wie er in der Kohlefaser mit mehr als 95% Anteil Kohlenstoff vorliegt, da mit jedem Kohlenstoffatom zwei wertvolle Sauerstoffatome verloren gehen. Das Verbringen von reinem Kohlenstoff in Form der Kohlenstoffaser in leerstehende Kohleflötze ist zudem ein wesentlich energieärmeres Verfahren, als das energieintensive Verpressen von CO2 in die Erde, wo dann nicht nur der wertvolle Kohlenstoff unwiederbringlich landet, sondern auch der damit gebundene Sauerstoff, was in der bisherigen Diskussion zu diesem Thema vergessen wird. Der im CO2 gebundene Sauerstoff verschwindet deshalb unkontrollierbar, weil heute niemand sagen kann, in welcher Zeit das verpresste CO2 seinen Weg in die Atmosphäre zurück findet.
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Die hier beschrieben Erfindung bietet dagegen einen kontrollierten und kontrollierbaren Umgang mit Kohlenstoff und Sauerstoff an. Alle bisherigen Verfahren zur Baumaterialherstellung produzieren derzeit langfristig unkontrollierbare Mengen an CO2, verbrauchen Strom und binden Sauerstoff. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung werden diese Verhältnisse samt und sonders umgekehrt. Das vorgestellte Verfahren produziert gleichzeitig Baumaterial und Strom und schafft Kontrolle über die CO2-Konzentration durch deren Reduktion und setzt lebenswichtigen Sauerstoff frei.
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Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in den und eine Anordnung mit konventionellen Linear-Parabolspiegeln (10) oder alternativ in einer Reihe angeordneten Fresnel-Brenngläser oder in einer Linie aufgereihte Brennkugeln, in deren Fokus (F) bzw. deren Fokussen sich jedoch im Unterschied zu einem herkömmlichen Kraftwerk auf Basis von gebündeltem Sonnenlicht (S) kein primär aufzuheizendes Rohr mit einer ihrerseits aufzuheizenden Flüssigkeit befindet, sondern aufzuheizende Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kohlenstofffasern, zum Beispiel in Form von Polyacrylnitril- oder kurz PAN-Fasern (1a) ( ). Diese Fasern werden einzeln oder im Bündel mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch den longitudinal ausgebildeten Brennpunkt (F) oder die aufgereihte Brennpunkte, also entlang einer Brenn-Linie, geführt und dabei durch das gebündelte Sonnenlicht (S) langsam aber stetig aufgeheizt. Der Prozess dauert so lange, wie die Kohlenstoffaser benötigt, um mit der Ausgangsfaser aus Polyacrylnitril die nötige Wärme für den Oxidationsprozess bis ca. 300°C und den anschließenden Carbonisierungs-Prozess unter Sauerstoffabschluss bis 1500–1600°C oder auch bis 3000°C aufzunehmen. Zu diesem Zweck wird die PAN-Faser in einem durchsichtigen Rohr aus zum Beispiel Glas oder Glaskeramik (2) geführt, welches in der Oxidationsphase und der Carbonisierungsphase mit unterschiedlichen Gasen (2a) in der Oxidationsphase ( ) und (2b) in der Pyrolysephase ( ) gefüllt ist. In der Oxidationsphase in befindet sich das Faserbündel in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch (2a) und wird während dieser Phase auf bis zu 300°C aufgeheizt. Das das Faserbündel umgebende Glasrohr (2) wird dabei keinen kritischen Temperaturen ausgesetzt, die eine Kühlung der Rohre notwendig machen würde, da die Schmelztemperatur von Glas nicht erreicht wird. Aus diesem Grund kann man in dieser Phase ein das Rohr (2) umgebendes Vakuum (3a) mit Hilfe eines das Rohr (2) umgebenden Rohres (4) verwenden, um in dieser Phase unnötige Wärmeverluste zu vermeiden. In der wird dargestellt, wie zunächst der PAN-Faserstrang in der Oxidationsphase geführt wird. Die anfänglich helle PAN-Faser wird für eine schnelle Wärmeenergieaufnahme ggfls. eingefärbt. Die Führungsringe (5), welche die Fasern im Brennpunkt halten, werden in regelmäßigen Abständen im Oxidationsrohr durch Drähte (6) aus temperaturstabilem Material wie Edelstahl, Wolfram oder Molybdän im Mittelpunkt gehalten. Das Kontinuum um den PAN-Faserstrang herum besteht aus sauerstoffhaltigem Gas (2a). Die Ringe bestehen vorzugsweise aus temperaturstabilem, nichtkorrodierendem Metall, Wolfram oder Molybdän. Die Drähte (6) werden durch Rohre (7) geführt, welche die Wände der zylindrischen Rohre (2) und (4) durchstoßen und die Länge der Drähte (6) wird über Wickelrollen (9) elektronisch geregelt justiert, um den Faserstrang im Brennpunkt zu halten und durch die Gas (2a) nachgeblasen werden kann, um durch die Oxidation verbrauchten Sauerstoff (8a) nachzuliefern.
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In der Carbonisierungsphase ( ) befindet sich die zu carbonisierende, bzw. die sich bildende Carbon-Faser (1b) in einem mit Stickstoff (2b) gefüllten Raum, um eine weitere Oxidation und das Verbrennen des Materials durch weiteres Aufheizen auf zunächst 800°C und danach bis zu 1800° oder auch 3000°C während des Pyrolyse-Prozesses, in dem die Neuverkettung der Kohlenstoffatome (Carbonisierung) stattfindet, welche für die spätere hohe Zugstabilität und Steifigkeit der Carbonfaser verantwortlich ist, zu verhindern. Da das Glasrohr (2) – Carbonisierungs- oder Pyrolyserohr – bei den für die Pyrolyse benötigten hohen Temperaturen schmelzen würde, weil das Gas (2b) ebenfalls Temperaturen erreicht, welche die Schmelztemperatur des Rohres (2) überschreiten – andererseits dieses Rohr notwendig ist, um ein abgeschlossenes Kontinuum aus Stickstoff (2a) oder einem anderen transparenten sauerstofflosem Gas um den Faserstrang herum zu bilden und gleichzeitig das gebündelte Licht auf den Faserstrang ohne großen optischen Widerstand durch die Wand des Glas-Rohres auf den Faserstrang zu dessen Aufheizung durchzulassen – muss das Rohr von außen durch ein passendes Gas, zum Beispiel Luft, oder eine passende Flüssigkeit, zum Beispiel temperaturfestes Öl wie Silikonöl (3b) gekühlt werden. Zu diesem Zweck wird der innere Glaskolben (2) von einem zweiten Glaskolben (3) umgeben, so daß dieses kühlende Gas oder die kühlende Flüssigkeit (2a) gezielt eine solche Wärmemange abführt, daß das innere Glasrohr (2) stets bei einer Temperatur unterhalb seines Schmelzpunktes gehalten wird. Sofern dieses aufgeheizte kühlende Gas bzw. die aufgeheizte kühlende Flüssigkeit (2a) Ihrerseits mit einem Wärmetauscher einen Wasserkreislauf zu dessen oder deren Kühlung nutzt, kann aus der hierdurch abgeführten Wärme mit konventioneller Kraftwerks-Technologie mit Dampfturbinen-getriebenen Generatoren Strom erzeugt werden. Die bei der Carbonisierung entstehende Wärme wird somit gleichzeitig zur Stromerzeugung genutzt.
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Um die Wärmezufuhr des Mediums (3b) zu den stromerzeugenden Systemen zu optimieren und damit die Gesamt-Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten, wird in gezeigt, wie die zweite Glaswand (3) mit einer dritten Glaswand (4) umgeben und der Raum zwischen diesen beiden äußeren Glaswänden mit einem Vakuum (4a) versehen wird. Auf diese Weise wird die bei der Carbonisierung entstehende Wärme optimal für die Stromgewinnung genutzt und die bisher wesentlich ineffizientere Carbonisierung der Kohlefaser mit Hilfe der Aufheizung durch Stromenergie durch einen sich selbst verstärkenden Schwärzungsprozess und entsprechender Aufheizung durch Sonnenlicht ersetzt.
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In dem sich der Oxidationsphase anschließenden Bereich der höheren Temperaturen bis ca. 800°C und der Pyrolyse-Phase bis 1800°C und darüber wird in den und dargestellt, wie der Faserstrang in der Pyrolysephase geführt wird. Die Führungsringe (5) werden in regelmäßigen Abständen im Pyrolyserohr (2) durch Drähte (6) aus ebenfalls extrem temperaturstabilem Material wie Wolfram oder Molybdän im Mittelpunkt gehalten. Das Kontinuum um den Faserstrang herum besteht in der Pyrolysephase aus einem Gas, welches keinen Sauerstoff enthält, zum Beispiel Stickstoff (2b). Die Ringe bestehen vorzugsweise ebenfalls aus temperaturstabilem Wolfram oder Molybdän, welche Temperaturen standhalten, die oberhalb der Pyrolysetemperatur liegen. Die Drähte werden durch Rohre (7) geführt, welche die Wände der zylindrischen Rohre (2), (3) und (4) durchstoßen und die Länge der Drähte (6) über Wickelrollen (9) elektronisch geregelt justiert. Durch die Rohre (7) wird gleichzeitig Stickstoff (8b) nachgeblasen, der am Ausgang des Carbonfaserstranges aus den Carbonisierungsröhren entweicht, aufgefangen und rückgeführt wird.
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zeigt einen Querschnitt durch das Carbonisierungsrohr im Bereich der Pyrolyse-Phase.
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Das hier beschrieben Verfahren bedeutet zunächst einmal einen Faktor 3 in der Steigerung der Effizienz im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem der Strom zuerst durch Parabolspiegeltechnologie erzeugt wurde, um für die Carbonisierung der Faser zu dienen, da der Wirkungsgrad der Stromerzeugung durch den damit verbundenen Wärmeverlust bei maximal 50% liegen kann. Da in dem hier beschriebenen Carbonisierungsreaktor das Licht zunächst zu 45% in Carbonisierungsenergie in Form von Wärme in der Carbonfaser gewandelt wird, ist die Nutzung des Lichts demnach fast doppelt so hoch, wie bei der konventionellen Methode über die primäre Stromerzeugung und da zusätzlich ca. 30% der gesamten Wärme in Strom-Energie gewandelt wird, kann insgesamt von einem Nutzungsgrad der Lichtenergie von 75% ausgegangen werden.
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Zementbrennen oder Stahlkochen lässt sich mit diesem Prinzip schlecht bewerkstelligen, weshalb die Kohlefaserherstellung mit Sonnenlicht vor dem Hintergrund der deutlich höheren Energieeffizienz, des geringen Gewichts und der Möglichkeit Kohlenstoff anthropogenen Ursprungs zu binden zukunftsfähiger als die Herstellung herkömmlicher Werkstoffe ist.
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Bereits die Herstellung von Kohlenfasern fossilen Ursprungs würden diese Prozessüberlegenheit gegenüber konventionellen Verfahren und Methoden nutzen, selbst wenn damit der Atmosphäre noch zunächst noch kein Kohlenstoff entzogen wird, wäre doch immerhin gleich zu Beginn der Einführung diese Prozesses, wenn die PAN-Faser am Anfang noch nicht in den benötigten Mengen aus Algenölen, sondern aus fossilem Öl hegestellt werden kann, eine deutliche Mitigation von Treibhausgas-Emissionen aufgrund der höheren Energie-Effizienz mit diesem neuen Verfahren verbunden, zumal bereits heute die notwendige Gesamtenergie beim Bauen mit Kohlefaser und Naturstein ca. 50% geringer ist, als beim Bauen mit Stahl und Beton, womit CO
2-Emissionen bereits in der Einführungsphase des neuen Werkstoffs vermieden werden (siehe z. B.
EP 106 20 92 ).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 09796616 [0001, 0004, 0005, 0007]
- EP 1062092 [0001, 0025, 0045, 0061]
- EP 08850169 [0027]
