EP3245319A1 - Carbonisierungsreaktor zur kombinierten erzeugung von konstruktionsmaterial und strom mit hilfe von sonnenlicht - Google Patents

Carbonisierungsreaktor zur kombinierten erzeugung von konstruktionsmaterial und strom mit hilfe von sonnenlicht

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EP3245319A1
EP3245319A1 EP16702656.6A EP16702656A EP3245319A1 EP 3245319 A1 EP3245319 A1 EP 3245319A1 EP 16702656 A EP16702656 A EP 16702656A EP 3245319 A1 EP3245319 A1 EP 3245319A1
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EP
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tube
pyrolysis
phase
arrangement according
carbon
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Withdrawn
Application number
EP16702656.6A
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Kolja Kuse
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Individual
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    • D01F9/22—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S23/00—Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors
    • F24S23/12—Light guides
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y02P70/62—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product related technologies for production or treatment of textile or flexible materials or products thereof, including footwear

Definitions

  • the present invention describes an arrangement for the simultaneous production of building material from carbon and electricity by means of sunlight.
  • the method is based on the basic idea of the European patent application with the application number 09796616.2, which describes how from the carbon in the atmosphere or the ocean in the form of CO 2 pressure and tensile construction and construction materials based on carbon fiber and hard rock (eg EP 106 20 92), whereby the carbon fiber is obtained from algae oil and the required production energy from concentrated sunlight.
  • the present invention describes how this can be technically and financially implemented.
  • the process proposed here uses a large part of the heat energy lost in conventional solar thermal power plants primarily for carbon fiber production and then heat for electricity production, and the electricity is thus produced as a "waste product" upstream of the material production process of power generation and all the heat, including the heat lost today in power generation, is previously used for the carbonization process of carbon fiber production, thereby increasing the efficiency of factor 3.
  • the invention deals with how this is technically implemented.
  • the biosphere In the method of decarbonating the atmosphere and the oceans described in 09796616.2 and at the same time binding the carbon in the carbon fiber building material to be produced, the biosphere is deprived of more carbon dioxide throughout the entire process chain, including the largely regenerative production of building materials, than during its production arises. Central to this is the provision of sufficient sea areas for algae production and if necessary. additional land for the production of suitable vegetable oils.
  • the consistent use of carbon fibers is proposed here as follows, since they can be used in an outstanding manner as building materials and at the same time bind carbon in this form in a climate-effective manner, especially if the starting materials required for carbon fiber production are vegetable oil getting produced.
  • Starting materials are, for example, polyacrylonitrile (PAN fiber) fibers, which today are produced in a relatively simple process from petroleum and a spinning solution. This starting solution will be produced with algae oil in the future, which makes no technical difference. The solution is pressed through a multitude of very fine nozzles in a spinning bath and crosslinks into thin threads during this process.
  • PAN fiber polyacrylonitrile
  • the invention proposes to carry out the energy-consuming part of the oxidation and carbonization with the aid of concentrated sunlight in a newly developed sunlight carbonation reactor (C-reactor).
  • C-reactor sunlight carbonation reactor
  • the fiber material is not heated in bulk or liquid form in large pots, bowls or basins as in steel, cement or aluminum, but is first produced in relatively cold surroundings to form thin, endless bundles of fibers that are already used in the heating processes fed solid and semi-zugstabiler form and thus easily introduced into the focal point, for example, a parabolic trough and moved in this.
  • Carbon fibers are also of interest because they are easy to handle in use and disposal, and above all remain inert for hundreds of millions of years due to a stable state of aggregation, because of the high production temperature is difficult to react when the material is kept or stored under normal environmental conditions becomes.
  • the bundling of the sunlight in order to achieve the necessary high pyrolysis temperatures takes place with the aid of Parabolic mirror technology or lenses, such as Fresnel glasses or other geometry of mirrors and / or glass or quartz glass, in which not the detour of generating electric power using solar thermal and conventional steam turbine generators or PV systems, the carbonization energy is generated, but the light directly on and through the fiber to be produced itself to pyrolysis energy.
  • Parabolic mirror technology or lenses such as Fresnel glasses or other geometry of mirrors and / or glass or quartz glass
  • the heating of the carbon strand by sunlight with simultaneous generation of electricity uses the solar energy with an up to 3 times higher efficiency, unlike a scenario in which the power is first produced in solar thermal power plants and then used in the carbon fiber ovens to heat the fibers Since both processes are subject to high heat losses and also the power transport with line losses.
  • the proposed arrangement uses at least 45% of the solar energy for the carbonization and the entire generated heat is as before the power generation available that works in the desert with an efficiency of about 30% and in cold plateaus with about 40%.
  • the available amount of sunlight is used in total to about 75%, compared to today with about 25%, since in the comparison scenario of carbon fiber production, the energy efficiency is 30% less 20% line loss and heat loss in the carbonization furnace. This results in an overall efficiency of up to 25% in the conventional process, in which sunlight would not be used directly, but via the indirect use of electricity generated by PV systems or conventional CSP systems for material production.
  • a suitable for the carbon fiber production output fiber for example, polyacrylonitrile, short PAN fiber, linearly introduced from one end of the linear parabolic mirror in the focal line of the parabolic mirror and with adjusted speed along the focal line in an oxygen-containing gas continuum moved on and heated until The initially bright PAN fiber is oxidized and becomes darker and darker in this oxidation process until it reaches the start of the oxidation phase at approx. 300 ° C has become very dark. The fiber is then moved along with the exclusion of oxygen - for example in a gas of predominantly nitrogen - along the focal line and in the pyrolysis phase under oxygen exclusion initially up to 800 ° C and then depending on the quality further to 1800 ° C or 3000 ° C.
  • the oxidized PAN fiber becomes blacker and darker with increasing carbon content in the pyrolysis phase and, as a result of this self-reinforced effect, increases in itself from ever higher temperatures until the fiber begins to glow.
  • the resulting temperatures must be controlled from the outside by cooling in order not to destroy the required equipment by overheating.
  • the surrounding the fiber strand gases must be transparent, so as not to hinder the heating of the fiber strand.
  • translucent solid vessels in rectangular or cylindrical tube form are also used. These may consist of transparent or translucent glass or another temperature-resistant and transparent or translucent solid such as quartz glass or high-temperature resistant plastic. Due to the rising along the focal line gas temperatures, the glass vessel walls must be cooled in the pyrolysis phase from the outside, so they do not melt.
  • This cooling is done with gas or liquids flowing between the inner and another vessel wall, which is also a transparent, rectangular or cylindrical tube.
  • the cooling gas or the cooling liquid are also translucent or transparent to allow the light to pass unattenuated to the carbon fiber strand.
  • air, water or temperature-stable oil, such as silicone oils can be used.
  • the heat is transferred via heat exchangers to a water cycle that drives steam turbine generators for the production of electricity. So that the carbon fiber strand does not sag due to gravity and thus gets out of focus, it must be guided. In the oxidation phase, there are no material problems, it can be used for the guide stainless steels, corrosive material should be avoided.
  • the materials used to center the fibers at the focal point must be so temperature-resistant that they do not melt at the temperatures applied.
  • the melting point is higher than the maximum achievable in pyrolysis temperature, or other high temperature resistant materials.
  • the tungsten wire is not so hot that it reaches the melting point of about 3,400 ° C, since the fiber at max. 3,100 ° C is completely carbonated.
  • this temperature must be maintained between 1500 ° C and 3000 ° C, depending on the altitude set.
  • the holding phase lasts longer at lower temperatures than at short temperatures. Since the fiber itself begins to radiate at appropriate temperatures, the further heating can and should be interrupted by bundled sunlight or even completely stopped. So that the fiber does not cool again by the own radiation, it is continued in a guide tube, which is mirrored from the inside, so that the heat energy is not in the form of radiation is radiated again and lost, which would mean that the necessary holding phase was interrupted or canceled.
  • a cooling phase begins, since the temperature of the finished carbon fiber must be brought back to normal ambient temperature.
  • the guide tubes Since the guide tubes must be correspondingly long, they are composed of similar parts. With the method described here for the production of carbon fibers is formed in the carbonation a large amount of heat that is dissipated at a specific time or at certain times, on the one hand, the guide tube is not too hot and does not melt and on the other hand, the fiber at the end of the pyrolysis process again is cooled. This cooling may also be by radiation or by mixed cooling by radiation and convection of internal and / or external coolants. The heat transfer is ensured by another enveloping pipe and the amount of heat is used via heat exchangers to produce electrical energy and ggfls.
  • the residual heat is also used for heating, as the process is preferably implemented in cold plateaus, since it increases the efficiency of power generation and the availability of sunlight appears optimal, such as in the plateaus of Peru, Peru or China.
  • the heated pyrolysis gas introduced into the carbonation tubes through the above-described nozzles must be exhausted to some extent at the end of the tube where the carbon fiber terminates the pyrolysis process to remove the pyrolysis-released gases such as hydrogen and oxygen dissipate.
  • This heated gas is also cooled by heat exchangers, cleaned and fed back to the pipe system in the cooled state at the beginning of each process. Heat the heat exchangers also the water cycle that drives the steam turbines.
  • the cooled gas is then returned to the carbonation tube through the above-described nozzles, with the oxygen being supplied to the gas during the oxidation phase.
  • the high energy needed to produce carbon fibers is provided by purely renewable energy sources, in this case the sun. Since the energy is obtained by heating a maximum black body, and not by the detour of power generation or the heating of other, less black body, the energy is optimally used in relation to the technical and thus financial expenditure made available sunlight and maximum energy and thus cost-efficient.
  • this sunlight not only produces the highest quality construction material, but also uses the heat energy generated by this process to generate electricity with solar thermal power plants, for example with the help of conventional steam turbines, if the heat developed during the carbonation process is deliberately dissipated and transmitted through heat exchangers a steam turbine is converted into electricity.
  • Electricity is produced as a "waste product" in addition to the output of high-quality construction and construction material.
  • the remaining heat that can not be used for power generation can be used to heat buildings, as such power plants are preferably located in cold regions such as plateaus not only because of the higher temperature gradients, the power generation is more efficient than in warm desert areas, which also provide sun around the clock, but also because of possible desert storms with damage to the sensitive glass and mirror surfaces by fine rubbing sand is to be expected.
  • further processing into carbon fiber end products could usefully be located near the C reactors.
  • this type of combined material and power generation creates a material that has the potential to permanently extract so much carbon from the atmosphere that a CO 2 concentration at the preindustrial level of 280 ppm can be regained within reasonable times.
  • 380 gigatons of carbon can be extracted from the atmosphere and / or the oceans over a period of 380 years at a start-up time of 30 years, when a total of 1.1 gigatonne carbon fibers are produced annually for 350 years vegetable oils were produced.
  • the absorption potential of the resin which can also be produced on the basis of algae oil, not yet considered.
  • C0 emissions should continue to rise to a level of 1000 ppm at the rates observed today.
  • the alga will have to be regarded as a source of raw material for two reasons. The first reason is that the extraction of vegetable oil does not compete with food production as the world's population is growing. Secondly, the oceans remove from the oceans that C0 2 responsible for the increasing acidification of the oceans.
  • the carbon fiber produced by this invention can make a significant contribution to the long-term and harmless geoengineering of greenhouse gases, the economy now no longer by the use of carbon fibers as a substitute for C0 2 - intensive materials such as steel and aluminum and concrete It acts as an engine of sustainable carbon sequestration that is stored after use until one day it may eventually be reused by future generations.
  • Carbon fiber which is no longer needed and disposed of can thus be reactivated by future generations without much effort, if necessary serve as a valuable carbon reserve, if for For example, if solar activity decreases over the centuries or millennia, carbon must be re-activated to heat the atmosphere by burning it to C0 2 , leaving carbon fiber carbon in a long-term closed recycling process that is easy and safe to handle.
  • the invention described here offers a controlled and controllable handling of carbon and oxygen. All previous processes for building materials currently produce long-term uncontrollable amounts of C0 2 , consume expensive electricity produced and bind oxygen. With the help of the present invention, these ratios are reversed all together.
  • the proposed process produces fully regenerative building material and regenerative electricity and provides control over the CO 2 concentration by reducing it, releasing vital oxygen.
  • the PAN fiber is guided in a transparent tube of, for example, glass, quartz glass or glass ceramic (2), which in the oxidation phase and the carbonation phase with different, likewise transparent gases (2a) in the oxidation phase (FIG ) and (2b) in the pyrolysis phase ( Figure 4).
  • a transparent tube of, for example, glass, quartz glass or glass ceramic (2) which in the oxidation phase and the carbonation phase with different, likewise transparent gases (2a) in the oxidation phase (FIG ) and (2b) in the pyrolysis phase ( Figure 4).
  • the fiber bundle In the oxidation phase in Fig. 3, the fiber bundle is in an oxygen-containing gas mixture (2a) and is heated up to about 300 ° C during this phase.
  • the glass tube (2) surrounding the fiber bundle is not exposed to critical temperatures which would necessitate cooling of the tubes since the melting temperature of glass is not reached.
  • FIG. 3 shows how the PAN fiber strand is first guided in the oxidation phase.
  • the guide rings (5) are kept at regular intervals in the oxidation tube by wires (6) made of temperature-stable material such as stainless steel, tungsten or molybdenum in the center.
  • the continuum around the PAN fiber strand consists of oxygen-containing gas (2a).
  • the rings are preferably made of temperature-stable, non-corrosive metal, tungsten or molybdenum.
  • the wires are passed through tubes (7) which pierce the walls of the cylindrical tubes (2) and (4) and the length of the wires (6) is electronically controlled via winding rollers (9) to keep the fiber strand in the focal line and by which gas (2a) can be replenished at the same time to replenish oxygen consumed by the oxidation (8a).
  • the carbon fiber to be carbonized or forming is located in a carbon fiber (1b) Nitrogen (2b) filled space to further oxidation and the burning of the material by further heating to 800 ° C and then up to 1800 ° or even 3000 ° C during the pyrolysis process in which the carbon chains (carbonization) takes place, which is responsible for the later high tensile stability and stiffness of the carbon fiber to prevent.
  • the transparent glass tube (2) - carbonization or pyrolysis tube - would melt at the high temperatures required for pyrolysis because the gas (2b) also reaches temperatures which exceed the melting temperature of the tube (2) - on the other hand this tube is necessary, in order to form a closed continuum of nitrogen (2b) or another transparent oxygen-free gas around the fiber strand and at the same time to pass the concentrated light onto the fiber strand without much optical resistance through the wall of the glass tube to the fiber strand for its heating the tube is cooled from the outside by a transparent gas, for example air, or a suitable transparent liquid, for example, temperature-resistant silicone oil (3b).
  • a transparent gas for example air
  • a suitable transparent liquid for example, temperature-resistant silicone oil (3b).
  • the inner glass bulb is surrounded by a second enveloping glass bulb (3), so that this cooling gas or the cooling liquid (3b) selectively dissipates such a heat measure that kept the inner glass tube (2) always at a temperature below its melting point becomes.
  • this heated cooling gas or the heated cooling liquid (3b) in turn uses a heat exchanger to its or their cooling with a heat exchanger, electricity can be generated from the thus dissipated heat with conventional power plant technology with steam turbine-driven generators. The heat generated during the carbonization is thus used simultaneously to generate electricity.
  • the fiber strand is conducted in the pyrolysis phase.
  • the guide rings (5) are kept at regular intervals in the pyrolysis tube (2) by wires (6) also made of extremely temperature-stable material such as tungsten or molybdenum in the center.
  • the continuum around the PAN fiber strand in the pyrolysis phase consists of a gas which does not contain any oxygen, for example nitrogen (2b).
  • the rings are preferably also made of temperature-stable tungsten or molybdenum, which withstand temperatures which are above the pyrolysis temperature.
  • the wires are passed through tubes (7), which pierce the walls of the cylindrical tubes (2), (3) and (4) and the length of the wires (6) via winding rollers (9) adjusted electronically controlled.
  • nitrogen (8b) is blown through the tubes (7), which at the outlet of the carbon fiber strand is removed from the carbonation tubes and cleaned in order to be reused.
  • FIG. 7 shows a cross section through the carbonation tube in the region of the pyrolysis heating zone in Figure 8.
  • Fig. 8 shows a section through the entire carbonation route, starting with the oxidation phase (11), in which the required heat energy is supplied either by means of parabolic mirrors or via electric heating for the oxidation of the PAN fiber, via the pyrolysis Heating phase (12) by means of parabolic mirror heating and holding phase (13) with internally mirrored tube, up to the subsequent cooling phase (14), as well as the parabolic mirror in the zones (11) and (12).
  • the pyrolysis zone (12) is adjoined by a holding zone (13), by means of which the pyrolysis time is set in relation to each other by a variable length and depending on the pyrolysis temperature and feed rate of the fiber. Since the fiber itself emits radiation in the visible light range at the pyrolysis temperature, this reverberation is prevented by a full pre-reflection (9a) on the inner wall of the pyrolysis tube in the holding phase subsequent to the heating phase (FIG. 6), so that the radiation energy as possible experiences no losses and the pyrolysis temperature can be maintained over a further distance without reheating by the parabolic mirror.
  • the need for the parabolic mirror is omitted in this route, it is only the inner mirroring (9a) of the inner or alternatively the outer tube needed.
  • a vacuum (3a) also provides the necessary insulation against heat loss in the holding zone.
  • the cooling phase follows (14), in which you can work with a single-walled or double-walled tube.
  • the cooling takes place by convection of a cooling gas in the inner tube, via the additional convection of a liquid or a gas within a second tube layer, which does not necessarily have to be transparent, but can be light-absorbing, or by radiation through a transparent tube system onto a black body, which serves as a heater in a heat exchanger system, that is, for example, cooled by water, the heated water is also used for power generation.
  • the described arrangement first of all means a factor of 3 in the increase in efficiency compared to a method in which the power was first generated by conventional CSP parabolic mirror technology to serve for the carbonization of the fiber, since the efficiency of power generation by the associated heat loss can be a maximum of 35%.
  • the light is first converted to at least 45% in carburizing energy in the form of heat on the carbon fiber itself, the use of light is therefore almost twice as high as in the conventional method of primary power generation and there additional ca 30% of the total heat is converted into electricity energy, it can be assumed that the total efficiency of the light energy is 75%.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine energie-effiziente Methode zur simultanen Erzeugung von Carbonfasern und Strom mit Hilfe von gebündeltem Sonnenlicht zur CO2-neutralen Herstellung von druck- und zugstabilen Baumaterialien. Die Energie-Effizienz beruht auf dem Prinzip die herzustellende Carbonfaser direkt mit gebündeltem Sonnenlicht aufzuheizen, was dadurch ermöglicht wird, dass die ursprüngliche PAN-Faser beim Oxidations- und Pyrolyseprozess dunkel und schließlich zum fast idealen schwarzen Körper wird. Die dabei entstehende Wärme wird anschließend bzw. simultan zur Materialherstellung der Faser für die Produktion von Strom verwendet, was dem klassischen Kraft-Wärme-Kopplungs-Prinzip entspricht, um die ohnehin durch diesen Prozess bereits erhöhte Effizienz bei der Carbonfaserherstellung zusätzlich zu steigern und Energie in der hochwertigen Form von Strom zu liefern.

Description

Carbonisierungsreaktor zur kombinierten Erzeugung von Konstruktionsmaterial und Strom mit Hilfe von Sonnenlicht
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 CO2 druck- und zugstabile Bau- und Konstruktionswerkstoffe basierend auf Carbonfaser und Hartgestein (z.B. EP 106 20 92) entstehen, wobei die Carbonfaser aus Algenöl und die benötigte Herstellungsenergie aus gebündeltem Sonnenlicht gewonnen wird. Die vorliegende Erfindung beschreibt, wie dies technisch und finanziell umgesetzt werden kann.
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 große immer größere Mengen an CO2 freigesetzt, obwohl der Anteil regenerativ erzeugter Energie deshalb steigt, weil die Weltwirtschaft stetig weiter wächst. Wenig bekannt ist zudem die Tatsache, dass die Herstellungsprozesse für Zement, Stahl und Aluminium prozess-bedingt mit CO2-Emissionen behaftet sind, die durch andere Verfahren nicht vermieden werden könnten: beim Brennen des Kalks für die Zementherstellung entsteht C02, bei der Herstellung von Stahl entsteht C02durch die Beimengung von Koks in die Stahlschmelze und auch bei der Aluminiumherstellung entsteht durch das Eintauchen der Graphitelektroden in die Aluminiumschmelze C02. Dieser Anteil an C02 Emissionen bleibt an der Herstellung dieser Materialien haften, auch wenn die benötigte Herstellungsenergie zu 100% aus eraeuerbaren Energiequellen stammt bzw. stammen würde.
Vor dem Hintergrund der mittlerweile unbestrittenen Klimaerwärmung und der Notwendigkeit die damit verbundene Temperaturerhöhung der Atmosphäre durch anthropogen verursachte Treibhausgase auf einen Anstieg um weniger als 2K, idealerweise wie auf der COP21 in Paris 2015 beschlossen 1,5K im Vergleich zur vorindustriellen Zeit zu begrenzen und, wenn möglich, so schnell wie möglich auf vorindustrielle Werte rückzufuhren, 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. Man spricht in diesem Sinn mittlerweile von einer Decarbonisierung, jedoch im Sinne von Negativemissionen, welche unter Umständen auftretende positive Emissionen kompensieren können und aber insbesondere langfristig auch dazu dienen können, die bereits während des Industrie-Zeitaiterns entstanden Emissionen wieder in die Erde rückzuführen. Diese Speicherung sollte unkompliziert, sicher, gefahrlos und mit wenig Energieaufwand möglich sein. Wünschenswert wäre es darüber hinaus, wenn der gespeicherte Kohlenstoff einfach zugänglich ist und je nach Bedarf partiell 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 können und parallel beziehungsweise gleichzeitig zur Produktion von kohlenstoffbindenden Verfahren noch anderen Zwecken dienen, zum Beispiel der simultanen Material- und Stromerzeugung durch Kraft- Wärmekopplung.
Da der Aufwand Kohlenstoff rückzufuhren von der existierenden Weltwirtschaft in vertretbaren Zeiträumen mit derzeit verfügbarer Technologie zu realistischen Kosten nur über Jahrtausende bewerkstelligt werden könnte und dabei durch den gebundenen Sauerstoff sehr viel Raum oder hohe Gaskompression benötigt wird, müssen neue Mechanismen entwickelt werden, um diese Rückführung von Kohlendioxid-Emissionen anthropogenen Ursprungs in einem vertretbaren Zeitraum von ca. 300 bis spätestens 400 Jahren in fester Form und ohne die Sauerstoffkomponente 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.
Die künftige Decarbonisierung bei gleichzeitiger Negativemission innerhalb erträglicher Zeiträume soll mit dieser Erfindung in den Bereich des Möglichen rücken, um zunächst C02-Neutralität herzustellen und danach C02-Emissionen negativ zu machen und bereits erfolgte Emissionen rückzufuhren. Dafür muss die Energieerzeugung gleichzeigt regenerativ, die Energieeffizienz erhöht und die C02-Emissionen freie Herstellung von Werkstoffen emgeführt 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. Während die 09796616.2 die prinzipielle verfahrenstechnische Vorgehensweise aus ganzheitlicher Sicht beschreibt zu diesem Ziel zu kommen, widmet sich die vorliegende Erfindung der Aufgabe, wie die Energie-Effizienz konkret und praktisch um die notwendigen Faktoren erhöht werden kann. Die Produktion von Materialien in der durch die 09796616.2 beschriebenen Weise kann dadurch„sauber" werden, wenn 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. Die dafür benötigte Menge an regenerativer Energie ist mit existierender Sonnen- und Windkollektoren -Technologie nicht darstellbar, dafür feht mindestens ein Faktor 2 an Enrgie für die Herstellung geeigneter Mengen an Cabonfasern. Dieser Faktor 2 an Energie-Effizienz kann mit der vorliegenden Erfindung mindestens generiert werden.
Dies ist nur möglich, wenn Kohlenstoff selbst zum Baumaterial wird und die benötigte Kohlenstoffaser auf energieeffizientere Weise mit Hilfe von Sonnenlicht produziert wird, als dies heute mit PV- oder CSP- Anlagen möglich ist. Nur in diesem Fall sind die gewünschten Bedingungen für eine vollständige Rückführung der Kohlendioxid- Emissionen aus der Vergangenheit durch die Wirtschaft selbst und die Kontrolle über künftige Emissionen gegeben.
Die dafür notwendige Energie kann deshalb heute nicht aufgebracht werden, weil die Nutzung der Sonnenenergie durch PV- Anlagen nur mit einem Wirkungsgrad von knapp 18% und die 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, wobei die für die signifikante Mengen an Karbonfasern benötigte Produktionsenergie, um die heute verwendeten Baustoff Stahl, Stahlbeton und Aluminium zu ersetzen, bei heutiger Energieeffizienz fast den gesamten weltweiten jährlichen Energiebedarf von derzeit ca. 140.000 TWh in Form von elektrischem Strom verschlingen würde. Durch den hier vorgeschlagenen Prozess wird ein Großteil der in herkömmlichen Solarthermie-Kraftwerken verlorenen Wärme-Energie primär zunächst für die Karbonfaserherstellung und die Wärme anschließend für die Stromproduktion genutzt, der Strom entsteht dabei so zu sagen 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, wird zuvor für den Carbonisierungsprozess der Kohlefaserherstellung genutzt. Dadurch wird eine Effizienzsteigerung des Faktors 3 erreicht. Die Erfindung handelt davon, wie dies technisch umgesetzt wird.
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. zusätzlicher Landflächen zur Produktion geeigneter Pflanzenöle.
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 klimawirksam binden, insbesondere dann, wenn die für die Karbonfaserherstellung notwendigen Ausgangsstoffe aus Pflanzenöl hergestellt werden. AusgangsstofFe sind zum Beispiel Fasem 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 und im Spinnbad vernetzen Polyacrylnitril-Fäden werden anschließend weitertransportiert, gewaschen, getrocknet, gestreckt und oberflächenbehandelt, bevor sie in einem Ofen bei ca. 300°C oxidiert und anschließend in einem Pyrolyse-Prozess unter Sauerstoffausschluss bei 800°C bis 1800°C oder 3000°C verkohlt bzw. karbonisiert werden. Das Prinzip dieser Prozesse ist nicht neu, basiert jedoch heute auf Material fossilen Ursprungs, wobei der Prozess energetisch mit elektrischem Strom getrieben wird. Bei der Carbonisierung gasen fast alle Bestandteile der PAN-Faser - zum Beispiel Dralon - 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 in Form von Carbonfasern.
Die Erfindung schlägt vor den energieaufwändigen Teil der Oxidation und Carbonisierung mit Hilfe von gebündeltem Sonnenlicht in einem neu entwickelten Sonnenlicht-Carbonisierungsreaktor (C-Reaktor) 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 anfangliche Erhitzung, was durch Einfärbung der anfanglich 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 dabei 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, da Kohlenstoff als fast idealer schwarzer Körper fungiert, 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 Aluminium-, Stahl- oder Zement-Produktion durch Erhitzung des Materials mit direktem Sonnenlicht ist in keinem Fall so effizient und einfach vorstellbar. Carbonfasern sind auch deshalb interessant, weil sie in der Anwendung und der Entsorgung einfach handhabbar ist und vor allem über Hunderte von Millionen Jahren durch einen stabilen Aggregatzustand inert bleiben, weil aufgrund der hohen Herstellungstemperatur nur schwer reaktionsfähig, wenn das Material unter normalen Umgebungsbedingungen gehalten oder gelagert wird.
Deshalb lässt sich das Material auch mit wenig Aufwand gefahrlos endlagern, ohne unkontrolliert in die Umwelt zurück zu gelangen.
Da die Herstellung solch chemisch stabiler Carbonfasern mit einem entsprechend hohen Energie-Einsatz verbunden ist, muss diese Energie nicht nur C02-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 notwendigerweise energieeffizienter werden. 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 das zu produzierende Material selbst durch Licht und nicht durch Strom aufgeheizt wird, wobei gleichzeitig die prozessbedingte Wärme für die Stromerzeugung verwendet wird, nachdem Sie zuvor der Carbonisierung der Faser gedient hat. Der erzeugte Strom kann für einige der übrigen Prozessschritte und der Überschuss für die generelle Stromversorgung verwendet werden.
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 anderer Geometrie aus Spiegeln und /oder Glas oder Quarzglas, bei der nicht der Umweg der Erzeugung elektrischen Stroms mit Hilfe von Solarthermie und konventionellen Dampfturbinen- Generatoren oder PV-Anlagen die Carbonisierungsenergie erzeugt wird, sondern das Licht direkt auf und durch die zu erzeugende Faser selbst zur Pyrolyse-Energie wird.
Die Erhitzung des Carbonstrangs durch Sonnenlicht bei gleichzeitiger Erzeugung von Strom nutz die Sonnenenergie mit einem bis zu 3-fach höheren Wirkungsgrad im Unterschied zu einem Szenario, bei dem der Strom zunächst in Solarthermie-Kraftwerken hergestellt und dann in den Carbonfaseröfen zur Aufheizung der Fasern verwendet wird, da beide Prozesse mit hohen Wärmeverlusten und zudem der Stromtransport mit Leitungsverlusten behaftet sind.
Die vorgeschlagene Anordnung nutzt die Solarenergie zu mindestens 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% und in kalten Hochebenen mit ca. 40% arbeitet. Auf diese Weise wird die zur Verfügung stehende Menge an Sonnenlicht in Summe zu etwa 75% genutzt, im Vergleich zu heute mit ca. 25%, da im Vergleichsszenario der Carbonfaserherstellung der Energie-Nutzungsgrad bei 30% abzüglich 20% Leitungsverlust und Wärmeverlust im Carbonisierungsofen liegt, was einen Gesamtwirkungsgrad von maximal 25% zur Folge hat beim konventionellen Verfahren, bei denen das Sonnenlicht nicht unmittelbar, sondern über den Umweg der Stromerzeugung durch PV-Anlagen oder herkömmlicher CSP-Systeme für die Materialproduktion genutzt würde.
Bei der kombinierten Material- und Stromerzeugung mit gebündeltem Sonnenlicht wird in Wüstengebieten demzufolge mit einer Steigerung der Gesamt-Effizienz um den Faktors 3 gerechnet, in kalten Hochebenen kann der Wirkungsgrad bis zu einem Faktor 4 höher liegen.
Diese Effizienzsteigerung verschafft der Wirtschaft diejenigen Reserven, die für die Anstrengungen der Rückführung von 1430 Gigatonnen C02 auf vorindustrielle Werte benötigt werden, was jedoch mit heutiger Technologie und Wirtschaftsstrukturen völlig unrealistisch ist, da wegen fehlender Effizienz zu große Zeiträume von weit über 1000 Jahre in Anspruch genommen werden müssten und ein 1,5 oder 2K Ziel bis 2100 unerreichbar scheint.
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, zumal die Kombination von Carbonfaser und Hartgestein bereits heute einen Energie-Effizienzgewinn des Faktors 2 im Unterschied zu Stahl und Beton bereits mitbringt.
Um die heute benötigten Mengen an Bau-Materialien zu ersetzen müssen, wie später noch gezeigt wird, jährlich zwischen 0,2 bis maximal 1,1 Gigatonnen Kohlefasern aus ca. 4 Gigatonnen C02 mit Hilfe von zum Beispiel Algenwachstum hergestellt werden.
Die Herstellung von 1 kg Carbonfasem erfordert einen Energieeinsatz von ca. 360 MJ bzw. 100 kWh.
Für die Herstellung von 1,1 Gigatonnen Carbon werden demzufolge 110.000 TWh Primär-Energie benötigt, was dem heutigen gesamten Weltverbrauch an Primär-Energie nahe kommt.
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 Gigatonne 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 C02-intensiven Materialien ersetzt und 25.000 TWh Primär-Energie einspart, die derzeit jährlich für die Produktion von Stahlbeton, Stahl und Aluminium aufgewendet werden, sowie dadurch jährlich erzeugte Emissionen von 4,2 Gigatonnen C02, zufälligerweise etwa genau so viel, wie über das Algenwachstum in der Carbonfaser gebunden würde. 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 benötige Menge an Hartgesteinsplatten zu schneiden, welche der Carbonfaser zugefügt werden müssen, um die notwendigen jährlichen Mengen von 25 Gigatonnen an Stahlbeton, weitere 0,8 Gigatonnen Stahl und 40 Megatonnen Aluminium zu ersetzen.
Dafür reichen, das hat der Bau von Prototypen aus Verbund-Materialien aus Carbonfasern und Granit wie Hauswände (Entwicklung an der HTW- Chur) und Träger als Stahl- und Aluminiumersatz gezeigt, im Baubereich bereits 0,2 bis 0,4 Gigatonnen Kohlefaser in Verbindung mit maximal 6 Gigatonnen Granit aus., um sämtlichen Stahlbeton zu ersetzen und weitere 0,2 bis 0,4 Gt Carbonfasern zusammen mit ca. 0,5 Gt Hartgestein reichen aus, um sämtlichen benötigten Stahl zu ersetzen. Weitere 0,3 Gt Carbonfasern werden gerechnet, um weitere Materialien wie Kunststoff und Alumnium zu ersetzen. Zusammen kommt man auf maximal 1,1 Gt Carbonfasern, welche benötigt werden um sämtliche C02-Emissionen verursachenden Materialien zu ersetzen.
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 oder mineralischen Klebern wie Wasserglas realisiert. Wir sprechen im Folgenden von MCC, das steht für Mineral Carbon Composite. Anstatt C02-haltigen Kalkstein für die Zementherstellung zu feinem Staub zu zermahlen und zu brennen, wobei C02 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 Grämt in Platten geschnitten werden, welche der Carbonfaser zugefügt werden, um in Kombination den Stahlbeton zu ersetzen.
Für eine Menge von 4 Gigatonnen Zement - Verbrauch in 2013 - müssen ca. 20 Gigatonnen Kies, Sand und Wasser und ca. eine Gigatonne Stahl eingesetzt werden, um die jährlich benötigten Mengen von 25 Gigatonnen Stahlbeton zu stellen.
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.
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 Primär-Energiemenge um Stahlbeton, Stahl und Aluminium zu produzieren 25.000 TWh Primär-Energie, die MCC-Produktion um diese Mengen an Material zu ersetzen benötigt dafür dafür heute mit einem minimierten Anteil an Carbon 13.500 TWh bei einem deutlich Vorteil des Faktors 2 - 3 im Transportgewicht. Die vorliegende Erfindung basiert jedoch nicht nur darauf, in Summe möglichst nur energie-effizient zu arbeiten, sondern auch möglichst viel C02 zu absorbieren, um das Klimasystem möglichst schnell zu regulieren. Zunächst wird also mit möglichst wenig Carbonfaseranteil und einem möglichst hohen Steinanteil gearbeitet, wobei später, wenn die Anzahl der C-Reaktoren hochgefahren wird, auch der Anteil an Carbonfasern in Relation zum Hartgesteinsanteil erhöht werden sollte.
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 100 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 Klebstoff.
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 oder Wasserglas, die Verarbeitung zu Endprodukten und die Weiterentwicklung von Anwendungstechnik, dann werden für den Ersatz von Aluminium, Stahl und Stahlbeton durch Kohlenstoffasem, Harz und Stein in Summe ca. 7% des Umsatzes der Weltwirtschaft benötigt.
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.
Mit einer Kraftwerksleistung von 50 Desertec-Kraftwerken und einer Effizienzsteigerung des Faktors 3 durch die kombinierte Produktion von Carbonmaterial und Strom können max. 1,1 Gigatonnen Kohlenstoff in Form von Kohlefaser zu realisierbaren Kosten aus dem Ozean und der Atmosphäre gebunden werden, wenn die dafür benötigte Menge an Algenöl zur Verfügung steht. Damit können die von den Menschen eingebrachte Menge von 388 Gigatonnen Kohlenstoff - das entspricht 1430 Gigatonnen C02 - in der absehbaren Zeit von 400 Jahren rückgeführt und in der Kohlefaser dauerhaft gebunden werden. Die beschriebenen Szenarien sind nicht sofort umsetzbar. Welche Zeiten für die Umsetzung nötig sind, um die mittlere Erderwärmung unter der kritische Marke von 2°C in 2100 zu halten , kann in dieser Patentschrift noch nicht gesagt werden und bleibt Weiterentwicklungen und darauf basierenden weiteren Berechnungen vorbehalten. Ziel ist es zunächst C02-Konzentrationen bis in 350 bis 400 Jahren wieder in Richtung eines vor-industriellen Niveaus zu normalisieren, selbst wenn kurzfristig mit einem weiteren Anstieg an C02 Emissionen zu rechnen ist, bis die hier beschriebenen Prozesse eingeführt werden können.
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 C02-bindenden Maßnahmen zu schließen, wie die Aufforstung der Regenwälder und Rekultivierung von Böden durch Einbringen von gebundenem Kohlenstoff in Form von 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 unterschreiten und auf maximal 1,5°C zu begrenzen.
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 C02 jährlich - ist auf einer Fläche von weltweit verteilt maximal 2 Mio km2 möglich, das entspricht etwa der Fläche von Algerien. Für die Produktion des benötigten Harzes kommt etwa die gleiche Fläche noch einmal hinzu, wenn auch die Harze aus Algenöl hergestellt werden, was kurz- und mittelfristig zusätzlich C02 bindet. Die Herstellungsenergie des Harzes aus Algenöl, sowie für das Sammeln, den Transport und das Raffinieren des Öls ist bei dieser Berechnung bereits in der benötigten Menge Algen enthalten.
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-Produlctionseinheiten denkbar, die in großer Anzahl parallel arbeiten. 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 Breiinlinie. 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 sehr dunkel 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, bis die Faser beginnt zu glühen. Die dabei entstehenden Temperaturen müssen von außen durch Kühlung kontrolliert werden, um die benötigten Apparaturen nicht durch Überhitzung zu zerstören. Die den Faserstrang umgebenden Gase müssen lichtdurchlässig sein, um die Aufheizung des Faserstrangs nicht zu behindern. Um diese notwendigen Gas-Medien zu fuhren, 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 Glasgefaßwände in der Pyrolysephase von außen gekühlt werden, damit sie nicht schmelzen.
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 temperaturstabiles Öl, wie Silikonöle zum Einsatz kommen. Die Wärme wird über Wärmetauscher an einen Wasserkreislauf weitergegeben, der Dampfturbinengeneratoren für die Produktion von Strom treibt. 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 Edelstahle 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.
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.
Sobald die gewünschte Pyrolyse-Temperatur erreicht ist, muss diese Temperatur je nach eingestellter Höhe von zwischen 1500°C und 3000°C gehalten werden. Je nach Höhe der Temperatur dauert die Haltephase, bei niedrigeren Temperaturen länger, als bei kurzen Temperaturen. Da die Faser bei entsprechenden Temperaturen selbst beginnt zu strahlen, kann und sollte die weitere Aufheizung durch gebündeltes Sonnenlicht unterbrochen oder auch ganz abgebrochen werden. Damit die Faser durch die Eigenstrahlung nicht wieder abkühlt, wird sie in einem Führungsrohr weitergeführt, welches von innen verspiegelt ist, damit die Wärme-Energie nicht in Form von Strahlung wieder abgestrahlt wird und verloren geht, was bedeuten würde, dass die notwendige Haltephase unterbrochen bzw. abgebrochen würde. Nach der Haltephase beginnt eine Abkühlphase, da die Temperatur der fertigen Carbonfaser wieder auf normale Umgebungstemperatur gebracht werden muss.
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 zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. zu bestimmten Zeitpunkten abgeführt wird, damit einerseits das Führungsrohr nicht zu heiß wird und nicht schmilzt und andererseits die Faser zum Ende des Pyrolyseprozesses wieder abgekühlt wird. Diese Abkühlung kann auch durch Strahlung erfolgen oder durch eine gemischte Kühlung durch Strahlung und Konvektion von internen und/oder externen Kühlmitteln. 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 in kalten Hochebenen implementiert wird, da dort die Effizienz der Stromerzeugung steigt und die Verfügbarkeit von Sonnenlicht optimal erscheint, wie zum Beispiel in den Hochebenen von Peru, Bolivien oder Tibet. Zusätzlich muss das erhitzte PyrolyseGas, welches durch die oben beschriebenen Düsen in die Carbonisierungsrohre eingeleitet wird, am Ende des Rohrs, wo die Carbonfaser den Pyrolyse-Prozess beendet, in gewissem Umfang abgesaugt werden, um die bei der Pyrolyse frei werdenden Gase wie Wasserstoff und Sauerstoff abzuführen. Dieses erhitzte Gas wird ebenfalls über Wärmetauscher abgekühlt, gereinigt 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.
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 schwarzer Körper, ist die Energie in Bezug auf den technischen und damit finanziellen Aufwand verfügbar gemachten Sonnenlichts optimal genutzt und maximal energie- und damit kosteneffizient.
Zweitens wird mit diesem Sonnenlicht nicht nur hochwertigstes Baumaterial erzeugt, sondern die bei diesem Prozess entstehende Wärmeenergie genutzt, um wie bisher mit solarthermischen Kraftwerken auch Strom zu erzeugen, zum Beispiel mit Hilfe herkömmlicher Dampfturbinen, wenn die beim Carbonisierungsprozess entwickelte Wärme gezielt abgeführt und über Wärmetauscher durch eine Dampfturbine in elektrischen Strom gewandelt wird. Strom entsteht dabei als„Abfallprodukt" zusätzlich zum Ausstoß von hochwertigem Bau- und Konstruktionsmaterial. Die dabei immer noch übrigbleibende und nicht weiter für die Stromerzeugung nutzbare Wärme kann zum Heizen von Gebäuden genutzt werden, da sich solche Kraftwerke vorzugsweise auch deshalb in kalten Regionen wie Hochebenen nicht nur deshalb 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, sondern auch wegen möglicher Wüstenstürme mit einer Schädigung der empfindlichen Glas und Spiegeloberflächen durch feinen reibenden Sand zu rechnen ist. Idealerweise könnte auch die weitere Verarbeitung zu Carbonfaser-Endprodukten sinnvollerweise in der Nähe der C-Reaktoren angesiedelt sein.
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 C02-Konzentration auf dem vorindustriellen Niveau von 280 ppm in überschaubaren 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 380 Gigatonnen Kohlenstoff entzogen werden, wenn 350 Jahre lang jährlich eine Menge von 1,1 Gigatonne Kohlenstoffasern produziert wird, die auf Basis von pflanzlichen Ölen produziert wurden. Hierbei ist das Absorptionspotenzial des Harzes, welches ebenfalls auf Basis von Algenöl produziert werden kann, noch nicht berücksichtigt. 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 C02 - Emission belastete Herstellung von Zement. Wünschenswert wäre aber, daß der Kohlefaseranteil rasch steigt, um die 350 Jahre für die Rückführung von C02 einzuhalten. Die Weltwirtschaft hat jede Freiheit unter dem beschriebenen Scenario die Wirtschaftsleistung anzukurbeln, um diese Prozesse zu beschleunigen. Dies wird durch das Wirtschaftswachstum per se passieren, welcher Effekt in der Berechnung der 350 Jahre noch nicht berücksichtigt wurde und 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 - eiiizuführen.
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 C02- Emissionen deutlich negativ bleibt oder über einen gewisssen Zeitraum zumindest C02-neutral ist. Unter dem beschriebenen Scenario würden streng genommen nicht einmal Emissionszertifikate benötigt sein, sofern konsequent ein auf Kohlenstoff basierter Ersatzwerkstoff eingeführt wird. Emissionszertifikate werden jedoch aller Voraussicht nach notwendig, um diese Prozesse in Gang zu bringen. Sofern die Ausgangsstoffe zur Herstellung der Carbonfasern (PAN- Fasern) aus pflanzlichen Rohstoffen wie Pflanzenöl oder besser noch 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 bei der Photosynthese des Pflanzen- oder Algenwachstums der Natur wertvoller Sauerstoff zurückgegeben wird, der bei steigenden C02-Gehalt selbst abnimmt, was derzeit nur unzureichend thematisiert wird, jedoch die Lungenatmung in einigen hundert Jahren unmöglich machen kann, sollten die C0 -Emissionen in dem heute beobachteten Raten weiter bis auf ein Niveau von 1000 ppm steigen. Die Alge hat wird aus 2 Gründen als Rohstoffquelle zu betrachten sein. Der erste Grund ist, dass die Gewinnung von Pflanzenöl nicht mit der Nahrungsmittelherstellung bei derzeit wachsender Weltbevölkerung in Konkurrenz tritt. Zweitens wird durch die Alge den Meeren jenes C02 entzogen, welches für die zunehmende Versauerung der Meere verantwortlich ist.
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 über lOOe von Millionen Jahre 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 leerstehenden Kohleflöze in Deutschland oder andere Minen.
Auf diese Weise kann die mit dieser Erfindung hergestellte Kohlenstofffaser einen wesentlichen Beitrag zu einem langfristigen und unbedenklich Geo-Engineering von Treibhausgasen leisten, wobei die Wirtschaft durch die Verwendung von Carbonfasern als Ersatz von C02- intensiven Werkstoffen wie Stahl und Aluminium und Beton nunmehr nicht mehr als Umwelt- Verschmutzer 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 dann Wiederverwendung finden kann.
Nicht mehr benötigte und entsorgte Kohlenstoffaser 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 C02 wieder aktiviert werden müsste, wodurch der Kohlefaser-Kohlenstoff in einen langfristig geschlossenen Recyclingprozess geführt wird, dessen Handling einfach und gefahrlos ist.
So entsteht auf höchstem und zukunftsfahigstem Niveau ein einfaches, aber nachhaltiges zunächst„Cradle to Grave" und danach„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 für die Lungen- sowie Kiemenatmung.
Das Verpressen von Kohlenstoff in unterirdische tiefer gelegene Schichten, des sogenannte Carbon(dioxide)Storage (CS) erscheint vor dem Hintergrund des oben beschriebenen Scenario als völlig ungeeignet und unnötig, das C02-Problem zu adressieren. Die Abspaltung bzw. Sequestierung von C02 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 C02 ebenfalls einem artifiziellen Algenwachstum in Algentanks zugeführt werden kann.
Bei dem Verpressen von C02 in tiefere Steinschichten oder leergepumpte oder leer zu pumpende 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 Kohlenstoffaser in leerstehende Kohleflöze ist zudem ein wesentlich energieärmeres Verfahren, als das energieintensive Verpressen von C02 in die Erde, wo dann nicht nur der wertvolle Kohlenstoff unwiederbringlich landet, sondern der Sauerstoff, was in der bisherigen Diskussion zu diesem Thema vergessen wird. Der im C02 gebundene Sauerstoff verschwindet unkontrollierbar, weil heute niemand sagen kann, in welcher Zeit das verpresste C02 seinen Weg in die Atmosphäre zurück findet.
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 C02 , verbrauchen teuer hergestellten Strom und binden Sauerstoff. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung werden diese Verhältnisse samt und sonders umgekehrt. Das vorgestellte Verfahren produziert völlig regenerativ hergestelltes Baumaterial und regenerativen Strom und schafft Kontrolle über die C02 - Konzentration durch deren Reduktion, wobei lebenswichtiger Sauerstoff freigesetzt wird.
Eine der vielen möglichen Ausführungen der Erfindung beschreibt in den Abbildungen 1 und 2 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 jedoch im Unterschied zu einem herkömmlichen Kraftwerk auf Basis von gebündeltem Sonnenlicht (So) kein primär aufzuheizendes Rohr mit einer ihrerseits aufzuheizenden Flüssigkeit befindet, sondern aufzuheizende Ausgangsstoffe für die Herstellung von Kohlenstoffasern, zum Beispiel in Form von Polyacrylnitril- oder kurz PAN-Fasera (la) in Abb. 3, zum Beispiel Dralon-Faser. 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 (Z), geführt und dabei durch das gebündelte Sonnenlicht (So) langsam aber stetig aufgeheizt. Der Prozess dauert so lange, wie die Kohlenstoffaser benötigt, um aus 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 transparenten Rohr aus zum Beispiel Glas, Quarzglas oder Glaskeramik (2) gefuhrt, welches in der Oxidationsphase und der Carbonisierungs-Phase mit unterschiedlichen, ebenfalls transparenten Gasen (2a) in der Oxidationsphase (Abb. 3) und (2b) in der Pyrolysephase (Abb. 4) gefüllt ist. In der Oxidationsphase in Abb. 3 befindet sich das Faserbündel in einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch (2a) und wird während dieser Phase auf bis zu ca. 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 Abbildung 3 wird dargestellt, wie zunächst der PAN-Faserstrang in der Oxidationsphase geführt wird. Die Führungsringe (5) 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 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 in der Brennlinie zu halten und durch die gleichzeitig Gas (2a) nachgeblasen werden kann, um durch die Oxidation verbrauchten Sauerstoff (8a) nachzuliefern.
In der Carbonisierungsphase (Abb. 4) befindet sich die zu carbonisierende, bzw. die sich bildende Carbon-Faser (lb) 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 transparente 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 (2b) oder einem anderen transparenten sauerstofflosen 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 Auf heizung durchzulassen - muss das Rohr von außen durch ein transparentes Gas, zum Beispiel Luft, oder eine passende transparente Flüssigkeit, zum Beispiel temperaturfestes Silikonöl (3b) gekühlt werden. Zu diesem Zweck wird der innere Glaskolben durch einen zweiten umhüllenden Glaskolben (3) umgeben, so daß dieses kühlende Gas oder die kühlende Flüssigkeit (3b) 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 (3b) 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.
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 Abb. 4 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.
Im sich der Oxidationsphase anschließenden Bereich der höheren Temperaturen bis ca. 800°C und der Pyrolyse-Phase bis 1800°C und darüber wird in den Abbildungen 4 und 5 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 PAN- 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 abgeführt und gereinigt wird, um wiederverwendet zu werden.
Abb. 7 zeigt einen Querschnitt durch das Carbonisierungsrohr im Bereich der Pyrolyse-Aufheizungs-Zone in Abbildung 8. Abb. 8 zeigt einen Schnitt durch die gesamte Carbonisierungs-Strecke, beginnend mit der Oxidationsphase (11), bei der die benötigte Wärme- Energie entweder mit Hilfe von Parabolspiegeln oder über Elektroheizung für die Oxidation der PAN-Faser zugeführt wird, über die Pyrolyse- Aufheizphase (12) mittels Parabolspiegel-Heizung und Halte- Phase (13) mit innen- verspiegeltem Rohr, bis hin zu der sich anschließenden Abkühlphase (14), sowie die Parabolspiegel in den Zonen (11) und (12). Der Pyrolyse-Zone (12) schließt sich eine Halte- Zone (13) an, durch deren in Relation zueinander veränderbare Länge und in Abhängigkeit von Pyrolysetemperatur und Vorschubgeschwindigkeit der Faser die Pyrolysezeit eingestellt wird. Da die Faser bei Pyrolysetemperatur selbst wieder Strahlung im sichtbaren Lichtbereich abgibt, wird diese Rückstrahlung dadurch verhindert, dass sich an der Innenwand des Pyrolyserohrs in der sich an die Aufheizungsphase anschließenden Halte-Phase eine Voll- Vorspiegelung (9a) befindet (Abb. 6), so dass die Strahlungsenergie möglichst keine Verluste erfährt und die Pyrolysetemperatur über eine weitere Strecke ohne Nachheizung durch die Parabolspiegel gehalten werden kann. Die Notwendigkeit der Parabolspiegel entfällt in dieser Strecke, es wird nur noch die Innen- Verspiegelung (9a) des inneren oder alternativ auch des äußeren Rohres benötigt. Ein Vakuum (3a) sorgt auch hier für die nötige Isolation gegen Wärmeverluste in der Haltezone. Im Anschluss an die } Temperatur-Haltephase (13) folgt die Abkühlphase (14), in der mit einem einwandigen oder doppelwandigen Rohr gearbeitet werden kann. Die Abkühlung erfolgt über Konvektion eines Kühlungsgases im inneren Rohr, über die zusätzliche Konvektion einer Flüssigkeit oder eines Gases innerhalb einer zweiten Rohrschicht, die nicht notwendigerweise transparent sein muss, sondern lichtabsorbierend ausgeführt sein kann, oder über Strahlung durch ein transparentes Rohrsystem auf einen schwarzen Körper, welcher als Heizung in einem Wärmetauscher- System dient, also zum Beispiel durch Wasser gekühlt wird, wobei das aufgeheizte Wasser für die Stromerzeugung ebenfalls verwendet wird. Die beschriebene Anordnung bedeutet zunächst einmal einen Faktor 3 in der Steigerung der Effizienz im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem der Strom zuerst durch herkömmliche CSP-Parabolspiegeltechnologie erzeugt wurde, um für die Carbonisierung der Faser zu dienen, da der Wirkungsgrad der Stromerzeugung durch den damit verbundenen Wärmeverlust bei maximal 35% liegen kann. Da in dem hier beschriebenen Carbonisierungsreaktor das Licht zunächst zu mindestens 45% in Carbomsierungsenergie in Form von Wärme auf der Carbonfaser selbst 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.
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. 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 Kqhlefaser und Naturstein ca. 50% geringer ist, als beim Bauen mit Stahl und Beton, womit C02- Emissionen bereits in der Einführungsphase des neuen Werkstoffs vermieden werden (siehe z. B. EP 106 20 92). Die Erhöhung der Gesamteffizienz kann einen Faktor 4 betragen.

Claims

Ansprüche
1) Der Hauptanspruch bezieht sich auf die Herstellung von Carbonfasern aus Kunststoffasern mit Hilfe von gebündeltem Sonnenlicht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffasern innerhalb eines transparenten Rohres als Parallel-Bündel entlang der Brennlinie von Licht-fokussierenden Einrichtungen kontinuierlich bewegt werden und durch ihre für die Oxidation durch kontinuierliche Aufheizung benötigte dunkelnden Farbe zu einer sich selbst optimierenden Energiesenke des Lichts und dabei so schwarz werden, dass die Fasern ohne mittelbare Heizung nur durch das direkt eingestrahlte Sonnenlicht aufgeheizt werden und die für den Pyrolyseprozess notwendigen hohen Temperaturen von 1800°C oder darüber dadurch erreichen, daß die Schwärzung mit zunehmender Verkohlung und damit der Grad der Umwandlung des Lichts in Wärme stetig zunimmt, wobei weiterhin der Prozess durch entsprechende Kühlung von außen über kühlende Gase oder Flüssigkeiten so gesteuert wird, daß die den Prozess führenden transparenten Gefäße oder Führungsrohre im Bereich der Aufheizphase des Hochtemperatur-Pyrolyseprozesses in Folge der hohen Carbonisierungs-Temperaturen nicht schmelzen und das den Faserstrang umgebende Rohrsystem vor Überschreitung von Grenztemperaturen geschützt ist, und wobei das Rohrsystem aus einem inneren Rohr, im Folgenden Carbonisierungsrohr genannt, einem Bereich des Carbonisierungsrohres, in dem der Oxidationsprozess stattfindet, Oxidationszone genannt und einem Bereich des Carbonisierungsrohres, in dem sich der Pyrolyseprozess abspielt, Pyrolysezone genannt, sowie einer sich anschließenden Kühlungszone des Carbonisierungsrohres besteht. 2) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bündelung der Sonnenstrahlen mit Hilfe von Parabolspiegeln oder Brenngläsern wie Fresnel-Gläsern oder sonstigen fokussierenden Geometrie aus Spiegeln, Glas, Quarzglas oder Diamant oder einer Kombination aus diesen erzeugt wird.
3) Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Parabolspiegel oder Brenngläser entlang einer geraden oder auch gekrümmten Brennlinie angeordnet sind.
4) Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu carbonisierenden Fasern als Einzelfaser oder als Faserbündel im Carbonisierungsrohr geführt und entlang und im Mittelpunkt der Brennlinie bewegt werden, wobei das Carbonisierungsrohr mit transparentem Gas gefüllt ist.
5) Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas im Pyrolyserohr je nach Phase der Oxidation oder Pyrolyse Sauerstoff enthält oder Sauerstoff ausschließt.
6) Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrolyserohr in der Aufheizzone durch ein zweites transparentes Rohr für die Kühlung umschlossen wird, wobei zwischen den Rohren ein kühlendes transparentes Gas oder eine kühlende transparente Flüssigkeit geführt und bewegt wird, welches oder welche über einen Wärmetauscher ein konventionelles Stromkraftwerk mit Wasserdampfturbinen mit der nötigen Wärmeenergie versorgt.
7) Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrolyserohr in der Oxidationsphase und der Pyrolyse-Aufheizzone mit Hilfe einer weiteren transparenten Rohrwand von einem wärmeisolierenden Vakuum umgeben ist.
8) Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Pyrolyserohr von außen so gezielt gekühlt wird, dass am Ende des Prozessstrangs die Faser die für eine ausreichende bzw. vollständige Carbonisierung notwendige Temperatur erreicht, ohne dass die Wände des Pyrolyserohres ihre Schmelztemperatur erreichen. 9) Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Pyrolyserohres das zweite Rohr von einem dritten Rohr oder Gefäß umgeben ist, wobei sich zwischen dem zweiten und dritten Rohr ein wärmeisolierendes transparentes Gas oder ein Vakuum befindet. 10) Anordnung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Carbonfaserstrang im Mittepunkt Pyrolyserohres entlang der Brennlinie ist durch ein Material gehalten wird, welches einen höheren Schmelzpunkt hat als die maximale für die Carbonisierung notwendige Pyrolysetemperatur, wie hochtemperaturfester Stahl, Wolfram oder Molybdän.
11) Anordnung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich am Carbonisierungsrohr in regelmäßigen Abständen Einlassstutzen befinden, durch welche die Haltekonstruktionen aus Anspruch 10 geführt und nachgeregelt werden und durch die gleichzeitig nach Bedarf temperiertes und gereinigtes Gas eingeblasen werden kann, welches einerseits nachgefüllt werden muss, weil der Innenraum durch die Einführung der PAN-Faser und die Ausführung der fertigen Carbonfaser aus dem Carbonisierungsrohr heraus nicht vollständig Gas-dicht sein kann und weil in der Oxidationsphase zusätzlicher Sauerstoff nachgefüllt bzw. in der Pyrolyse-Phase Anreicherung von Wasserstoff und Sauerstoff abgeführt werden muss.
12) Anordnung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die PAN-Faser in der Oxidationsphase für die Aufheizung durch Sonnenlicht ausreichend pigmentiert ist. 13) Anordnung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich in die Pyrolysephase nach der Aufheizphase auf Maximaltemperatur eine Haltephase anschließt, in welcher die Parabolspiegelstrecke endet und keine weitere Lichtenergiezufuhr stattfindet, sondern der in der Pysolyse-Aufheizphase zum Glühen gebrachte Carbonfaserstrang dadurch am Glühen gehalten wird, dass das Carbonisierungsrohr in diesem Abschnitt von innen verspiegelt ist und die durch den glühenden Strang stattfindende Strahlung auf den Carbonfaserstrang zurückreflektiert und die Temperatur mit Hilfe der Verspiegelung weitgehend konstant gehalten wird.
14) Anordnung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Haltephase das Carbonisierungsrohr von einem Vakuum umgeben ist und nur durch das im Rohr strömende Stickstoffgas gekühlt wird.
15) Anordnung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß alle sich an die Haltephase eine Abkühlphase anschließt, in der die Rohre alternativ entweder transparent sind und die Strahlung auf schwarze Körper abgegeben und in Wärme gewandelt wird oder nicht transparent sind, sondern in dieser Phase die Strahlung eine nicht-transparente Rohrwand aufheizt, über welche Wärme mit Hilfe von Konvektion abgeführt wird.
16) Anordnung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jegliche Form von Strahlungs- und Wärmeenergie in jeder Phase der
Oxidation, Pyrolyse und Kühlungsphase über Wärmetauscher einem Wasserkreislauf für die Stromerzeugung zugeführt wird.
17) Anordnung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die transparenten Rohre teilweise oder alle aus Quarzglas, Glas oder Kunststoff bestehen.
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