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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf CO2-neutrale bzw. CO2-negative Baumaterialien. Deren Herstellung basiert auf einem neuen, bisher unbekannten Stoffluss. Vor dem Hintergrund der mittlerweile unbestrittenen Klimaerwärmung ist es wichtig insbesondere solche Materialien zu optimieren, die eine große Energieintensität besitzen. Carbonfasern gehören zu dem energieintensivsten, aber gleichzeitig effizientesten Baustoffen, die gleichzeitig das Potenzial besitzen Kohlenstoff für immer in fester Form zu speichern und gleichzeitig eine hohe industrielle Wertschöpfung darstellen.
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Eine große Energiesenke und gleichzeitig prozessbedingte CO2-Emissionenquelle ist die Herstellung von gleichzeitig druck- und zugstabilen Materialien wie Beton, Stahl, Glas und Aluminium. Ohne diese Materialien sind industrielle Fertigung von notwendigen Einrichtungen und Konsumgütern eines modernen Lebensstandards wie Gebäude, Fahrzeuge und Maschinen derzeit nicht denkbar. Die Herstellung dieser Materialien, die vom Menschen künstlich geschaffen werden, benötigen große Mengen an Energie, die derzeit in ausreichendem Maß nur dadurch gewonnen werden kann, dass fossile Brennstoffe diese Energie liefern.
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Dabei werden zusätzlich große Mengen an CO2 freigesetzt, die auf Dauer den Klimawandel durch Aufheizung der Atmosphäre derart beschleunigen, dass das Klimasystem droht unerträgliche Lebensumstände auf dem Planeten Erde zu erzeugen oder sogar ganz zu kippen, wenn der CO2-Ausstoss nicht gebremst und auf Dauer quasi auf Null reduziert wird, bzw. ab einer grenzwertigen Konzentration an CO2 in der Atmosphäre eine Reduktion von CO2 aus der Atmosphäre notwendig wird, um z.B. dem Klimaziel nahe zu kommen, die Erderwärmung bis zum Jahr 2100 auf 1,5°C zu begrenzen und danach idealerweise Schritt für Schritt wieder auf den vorindustriellen Level zurückzufahren.
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Die vorliegende Erfindung schlägt deshalb ein Verfahren vor, um druck- und zugstabile Materialien CO2-neutral herzustellen und durch deren Herstellung ggfls. CO2 über lange Zeiträume hinweg der Atmosphäre dauerhaft zu entziehen, um eine CO2 -Negativbilanz zu erreichen.
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In jüngster Zeit ist es nicht nur gelungen CO2 aus dem Rauchabgas in mit fossilen Kraftstoffen betriebenen Kraftwerken, Zementwerken und Stahlwerken abzuscheiden, sondern auch direkt aus der Luft zu filtern (Direct Air Capture, DAC). Dieses CO2 wird zum Beispiel in Reaktoren mit (Salz)wasser eingeleitet, in dem Algenwachstum mit Hilfe der Photosynthese durch Sonnenlicht oder künstliches Licht angeregt wird. Die Algen binden den Kohlenstoff etwa 10 mal schneller als äquivalente Landpflanzen und setzen dabei wertvollen Sauerstoff frei.
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Durch die Kultivierung von oleogenen Algen können Fette und Öle erzeugt werden, aus denen Kunststofffasern hergestellt werden, wie zum Beispiel Polyacrylnitril oder Polyethylen-Fasern, die zu Kohlefasern verarbeitet werden und mit Harzen zur mechanischen Bindung der Fasern zu Verbundwerkstoffen werden.
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Beschrieben wird dies zum Beispiel in der
EP2370373 . Wird das CO
2 aus der Luft gefiltert und/oder dem Salzwasser entnommen, entsteht, wenn die Herstellungsenergie rein regenerativ erzeugt wird, ein CO
2-negativer Prozess bei der Herstellung von Baumaterial dann, wenn das Baumaterial nicht als CO
2 in der Atmosphäre landet. Das ist der Kern der Erfindung von
EP2370373 .
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Die
EP3245319 und die
WO2018095559 beschreiben, wie die für die Carbonfaser-Herstellung benötigte Energie möglichst effizient regenerativ gewonnen werden kann, und auf welchen Prozesswegen die Herstellung der Carbonfaser bewerkstelligt werden kann. Hier sind auch Mischverfahren mit künstlich mittels Fischer-Tropsch-Synthese aus CO
2 hergestellten Kohlenwasserstoffen beschrieben.
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In zwei wissenschaftlichen Abhandlungen sind diese Verfahren technisch detailliert erläutert und wurden einer technoökonomischen Analyse unterzogen. Eine dieser Publikationen wurde im IPCC Sonderbericht zum 1,5°C Ziel erwähnt. Die folgenden Publikationen:
- - Carbon Capture and Sustainable Utilization by Algal Polyacrylonitrile Fiber Production: Process Design, Techno-Economic Analysis, and Climate Related Aspects, Industrial & Engineering Chemistry Research 2018 57 (23), 7922-7933, DOI: 10.1021/acs.iecr.7b04828 und
- - Energy-Efficient Carbon Fiber Production with Concentrated Solar Power: Process Design and Techno-economic Analysis, Industrial & Engineering Chemistry Research 2018 57 (23), 7934-7945, DOI: 10.1021/acs.iecr.7b04841
gehören zum hier zu Grunde gelegten Stand der Technik, sowie das Zitat im „IPCC Special Report on Global Warming of 1.5°C“, Chapter 4.3.4.2 Strengthening and implementing the global response.
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Diese Arbeiten legen nahe, dass der Preis der Herstellung von zum Beispiel Acrylnitril (AN) bei einigen interessanten Prozesswegen noch zu hoch liegt, wenn die Alge in nördlichen Regionen kultiviert wird oder in sonnigen Regionen künftig zu viel Biodiesel produziert werden muss, um auf einen wettbewerbsfähigen Preis für Acrylnitril zu kommen, um also unabhängiger von der Menge der erzeugten Nebenstoffe, die einen kommerziellen Wert haben, den heute üblichen Preis von AN zu erreichen. Ein Fortschritt wäre die Erhöhung der Effizienz bei der Erzeugung von (Polyacylnitril und zum Beispiel auch Polyethylen als Ausgangs-Stoff für die Carbonfaserherstellung. Da es mittlerweile auch möglich ist Carbonfasern im Zusammenhang mit 3D Druckverfahren zu verarbeiten, ist dem Einsatz von Carbonfasern künftig keine Grenze mehr gesetzt, da auch durch das Thema Recycling mit den hier vorgestellten Verfahren durch Verbrennen der Fasern und Rückführung der Abgase in die Algen und zur Erzeugung von höherwertigen Kohlenwasserstoffen, bzw. die vollständige Entsorgung der Kohlenstoffasern in z.B. Kohleabbaugebieten kein Hinderungsgrund mehr gegeben ist, um Carbonfasern in den Masseneinsatz zu bringen, um Stahl und Aluminium zu ersetzen.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung beruht jedoch auf der Idee die Effizienz der Carbonfaserherstellung und der für die Bindung der Fasern untereinander zu Verbundwerkstoffen und mit weiteren Werkstoffen zu hybriden Verbundwerkstoffen benötigten Harzen durch den Einsatz von Bakterien, Pilzen und Hefe auch ohne viel Sonnenlicht zu erhöhen. Selbst die Algen wachsen im Dunkeln, wenn eine Ernährung mit Zucker zur Verfügung steht.
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Dabei wird also Biomasse, egal welchen Ursprungs, oder andere synthetisch hergestellte Nährstoffbasis dafür verwendet, Pilz- und Hefeöle und Fette zu erzeugen, die eine wesentlich höhere Ausbeute von Lipiden verspricht, um die Produktion von Acrylnitril so deutlich zu optimieren, dass sich der Zwischenschritt die komplette Biomasse in Form von Fetten, Ölen, Proteine und Zucker in die für die Kunststofffaserherstellung benötigten Fette und Öle zu wandeln (
). Das gleiche gilt für die Herstellung der für die Herstellung von Bauteilen benötigten Bindungs-Harze aus den Triglyceriden der Hefeöle, so wie in der
dargestellt. Erste Versuche und Berechnungen lassen den Schluss zu, dass die Aussicht darauf besteht die Menge an erzeugten Basisstoffen für die Herstellung von Acrylnitril, wie in der
WO2018095559 beschrieben, um einen Faktor 2 zu erhöhen, sowie auch die Effizienz der Herstellung der für die Bindung benötigten Bio-Harze (vgl. z.B. Elsevier: European Polymer Journal und meherere amerikanische Publikation zur Herstellung von Bioöl-Polymeren und Epoxyd-Harzen) deutlich anzuheben. Als Nährstoff für die Pilze und Hefe, sowie Algenbiomasse kann zum Beispiel auch Acetat dienen, welches in einer Synthese von Wasserstoff und CO
2 erzeugt werden kann, um auch auf diese Weise regenerative Energie zu nutzen, um CO
2 mit DAC-Ursprung CO
2 neutral zu binden, so wie die Alge das mittels Photosynthese tut, um ohne Photosynthese zum gleichen Ziel zu kommen, Kohlenstoff dauerhaft in der zu erzeugenden Carbonfaser zu binden, um damit CO
2 quasi für immer zu binden und aus dem Biosphärensystem wegzuschaffen. Ein solcher Vorgang wird heute „Carbon Dioxide Removal“, oder kurz CDR genannt.
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Der entscheidende Unterschied zu den heute üblichen angedachten CDR-Verfahren ist, dass dieses hier bei gleichzeitiger Erzeugung von wirtschaftlichem Wert geschieht und dass diese Möglichkeit auch ohne viel oder gänzlich fehlendes Licht eröffnet wird.
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Die komplette Biomasse, egal welchen Ursprungs, die Algenbiomasse oder auch das Acetat, welches mit Hilfe von Bakterien aus Wasser, CO
2 und grünem Wasserstoff gewonnen wird, wird zu diesem Zweck mit Hilfe von Pilzen und Hefen fermentiert, die in der Lage sind wesentlich mehr Öl zu erzeugen, als die Biomasse selbst. Basis für die weitere Verarbeitung zu Kohlenstoffasern ist also das Pilz- oder Hefe-Öl, sowie die mit Zucker genährte Alge, mit dem auf gleiche oder ähnliche Weise verfahren werden kann um Carbonfasern herzustellen, wie zum Beispiel in der PCT/
EP2017/001265 aus über Photosynthese gewonnenem Algenöl oder über Fischer-Tropsch beschrieben. Mit Hilfe der Hefeöle können auch synthetische Basisstoffe wie Acetat fermentiert werden, was interessant für Regionen ist, die wenig Sonnenlicht für Photosynthese, dafür aber mehr Windstrom zur Verfügung haben, wobei überschüssiger Windstrom zur Wasserstoffherstellung für die Herstellung des Bio-Acetats genutzt werden kann. Aus den auf diese Weise vollständig regenerativ erzeugten Carbonfasern und Harzen können dann Baustoffe entstehen, die CO
2-intensive Baustoffe ersetzen, um die Transformation der Weltwirtschaft in eine CO
2-Senke zu schaffen.
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Industrie-basiertes CDR wird durch diese Erfindung auch in Industrieländern der nördlichen Hemisphäre ökonomisch, was zu einem für den Kampf gegen den Klimawandel wichtiges Merkmal wird, da die südliche Hemisphäre den Industrienationen nicht bedingungslos zur Verfügung steht.
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Durch Kombination der zugstabilen Faser mit druckstabilen Werkstoffen, zum Beispiel Beton, Glas oder Mineralien, welche die Natur in Form von Naturstein in unbegrenzten Mengen ohne großen Energieaufwand gewinnbar liefert, wird der Anteil an benötigter Kohlefaser signifikant gesenkt. Derzeitige Vorstellungen Strukturen von z.B. Fahrzeugen aus Stahl vollständig durch Carbonfaser-Laminat zu ersetzen haben sich als unökonomisch herausgestellt und werden durch hybride Verbundwerkstoffe überholt, bei denen ein billiger druckstabilen Werkstoff mit Verbundwerkstoffen nur an der Oberfläche beschichtet oder ummantelt wird.
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Der entstehende Baustoff basiert nunmehr nur auf den Primär-Materialien Wasser/Salzwasser, Kohlenstoff und Naturstein, so wie die Erde ihn hergibt, die Energiequelle ist am Ende nur noch die Sonne und der Wind, und das unabhängig von der geographischen Breite oder Klimazone, was die geopolitische Motivation für diese Patentanmeldung ist, da die Biomasseproduktion nunmehr auch in nördlicheren und kälteren Breitengraden mit viel Windenergie ökonomisch wird und die Biomasseproduktion in Breitengraden mit viel Sonnenenergie noch ökonomischer machen kann.
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Langfristig kann auf diese Weise durch die entstehende Energieersparnis ein Zustand hergestellt werden, dass zusätzlich auf die Primärenergie der fossilen Brennstoffe und fossilen Baustoffe, zu denen Zement gehört, verzichtet werden kann bzw. diese zur Reduktion von CO2 aus der Atmosphäre durch rein pflanzliche Stoffe und Strom zu Gas (Power to Gas) ersetzt werden kann. Eine weitere Quelle von Energie und Material aus natürlichem CO2 kann dabei die ohnehin stattfindende Versauerung der Meere bieten, indem die Biomasse an Makro-Algenteppichen, welche zunehmend entstehen werden, entweder verbrannt und das CO2 abgeschieden und in die künstlichen Mikro-Algentanks geleitet wird, oder - noch effizienter - direkt mit Hilfe der Hefe oder Pilzen fermentiert wird. Somit ist eine schnelle vollständige Decarbonisierung der Herstellung von Baumaterial möglich, und auch die decarbonisierten Baumaterialien selber können nun zu einem langfristigen CO2 - Speicher durch die Verwendung von Carbonfasern werden, da die C-Faser einen stabilen Aggregatzustand von Kohlenstoff hat, der dem des Diamanten oder Graphen am nächsten kommt. Auf die oben beschriebene Weise ist es ebenso möglich Graphen und Carbon-Nanotubes aus Hefeölen herzustellen, so wie die Carbonfasern auch, wobei das Graphen ebenso verwendet werden kann, um mineralische druckstabile Baustoffe zu stabilisieren, in dem z.B. die Carbon-Nanotubes in die Harze gemischt werden, die der besseren Verbindung von Kohlefaser und Granit dienen. Auf diese Weise kann eine netto CO2-Negativbilanz basierte Industrie in allen Breitengraden auf der Erde entstehen, ohne dass auf die notwendigen Baumaterialien verzichtet werden muss. Das Baumaterial bzw. ein Teil davon entsteht aus dem in der Atmosphäre schädlich wirkenden Kohlenstoff selbst und wird im Baumaterial dauerhaft gebunden. In und wird die Herstellung der Carbonfaser und der Bindungs-Harze prozess-schematisch gezeigt. Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in einen Stoff-Kette bzw. -Kreislauf mit einer Anordnung mit einem bioenergy-basiertem Kraftwerk (1), dessen Rauchgasabscheider das CO2 (2) abscheiden und in einen Tank mit Salzwasser (3) einleiten, indem Algen (4) wachsen. Aus den Algen wird mit Hilfe von Hefe durch Fermentierung in Tanks (5) Öl gewonnen, welches in Produktionsanlagen (6) zuerst zu PAN oder Polyethylen basierten Kunststofffasern gewandelt wird, die dann durch Pyrolyse mit Hilfe von z.B. Sonnenstrahlenbündelung in Carbonisierungssöfen (7) mit Sonnenlicht zu Kohlefasern (8) oder Graphen verarbeitet wird. Diese Kohlefasern oder Graphenmaterialien werden mit energiearm zu gewinnenden druckstabilen Materialien wie Naturstein oder CO2-neutralem Beton zu neuen Bau- und Konstruktionsmaterialien (9) kombiniert. Der Naturstein wird mit den C-Fasern und hefe-basiertem Harz beschichtet und bildet ein CO2-neutral gewonnenes Baumaterial aus dem zum Beispiel weitere Kraftwerke (1), Gebäude und Fahrzeuge gebaut werden können. Die für die Verbindung der Kohlenfasern untereinander und mit den druckstabilen mineralischen Werkstoffen verwendeten Harze können ebenfalls Hefeöl-basierten Ursprung haben, um die Baumaterialien (9) zu bilden. zeigt eine mit auf Algen-Hefeöl-Basis hergestellte Carbonfaserschicht (2) zur Stabilisierung der Natursteinplatte (1).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2370373 [0007]
- EP 3245319 [0008]
- WO 2018095559 [0008, 0012]
- EP 2017/001265 [0014]
