WO2023143856A2 - Construction materials made of carbon fibres produced from co2 - Google Patents

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WO2023143856A2
WO2023143856A2 PCT/EP2023/000010 EP2023000010W WO2023143856A2 WO 2023143856 A2 WO2023143856 A2 WO 2023143856A2 EP 2023000010 W EP2023000010 W EP 2023000010W WO 2023143856 A2 WO2023143856 A2 WO 2023143856A2
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Kolja Kuse
Britta Waschl
Jörg FREIHERR VON UND ZU WEILER
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Kolja Kuse
Britta Waschl
Freiherr Von Und Zu Weiler Joerg
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    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
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    • D01F9/14Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/20Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
    • D01F9/21Carbon 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
    • D01F9/22Carbon 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B14/00Use of inorganic materials as fillers, e.g. pigments, for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of inorganic materials specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B14/38Fibrous materials; Whiskers
    • C04B14/386Carbon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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    • C04B18/02Agglomerated materials, e.g. artificial aggregates
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    • C04B28/00Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
    • C04B28/02Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
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Definitions

  • This material is essentially composed of two categories of materials that drive the world economy.
  • One category includes materials such as fuels, lubricating oils and other liquid or gaseous fuels for the operation of gas turbines, diesel power plants, the propulsion of aircraft, vehicles and ships, as well as the heating of buildings or the operation of cooking stoves. These gas turbines and diesel power plants can also be operated purely regeneratively.
  • the second category includes the production of building and construction materials, which can now be produced from CO2.
  • yeasts, fungi and any kind of bacteria can not only serve to increase efficiency, but also describe completely new ways to generate CO2 for carbon fiber production, which can then serve as primary material for the biogenic route as well as artificial routes via, for example the Fischer-Tropsch synthesis.
  • the Fermentation of biomass that comes from the world's oceans, namely in particular algae biomass in the form of macroalgae, but also other sea-based biomass that can be taken from the sea, which will occur there in scalable quantities in the future - in particular also caused by the acidification of the seas - or which can also be deliberately bred for the purpose of extracting CO2 from the seas, which the biomass absorbs and metabolizes as it grows.
  • the biomass can then be converted to methane with the help of bacteria, fungi or yeasts, which is burned in a gas turbine to generate electricity, and then the CCh portion of the exhaust gases, consisting of CO2, water and possibly. Nitrogen into the tanks of microalgae and to process the oils obtained from it into carbon fibers, as described in PCT/EP2017/001269, for example. If natural gas, i.e.
  • this bridging technology can be regarded as a preparatory instrument and investment for a scalable use of atmospheric CO2 from land-based biomass and sea-based biomass, the extraction of which from the air by plants in fields, forests and meadows, especially via the route of food residues, and from the water via the route of macroalgae fishing.
  • the processes described are driven with fossil gas, i.e. the generation of electricity from natural gas forms the basis for the CO2 production for the production of carbon fibers at the beginning of the processes described here, either via the biogenic route of feeding microalgae with CO2 or via the water gas shift Reaction and subsequent Fischer-Tropsch synthesis for the production of methanol from CO2 and H2, with subsequent merging of these processes in the production of polyacrylonitrile for the production of PAN-based carbon fibers.
  • fossil gas i.e. the generation of electricity from natural gas forms the basis for the CO2 production for the production of carbon fibers at the beginning of the processes described here, either via the biogenic route of feeding microalgae with CO2 or via the water gas shift Reaction and subsequent Fischer-Tropsch synthesis for the production of methanol from CO2 and H2, with subsequent merging of these processes in the production of polyacrylonitrile for the production of PAN-based carbon fibers.
  • a biogenic route is proposed for the later culmination in a sustainable production of CO2 for carbon fiber production because a lot of CO2 is absorbed by the oceans anyway, which is why the sea-based form of CCh extraction appears more efficient and cheaper than extraction from the air.
  • the algae carpets are already emerging today and are already being recognized by some researchers as a CCh sink that they want to transport to the sea floor, which does not bring any economic added value but, like CCS, causes high costs. This invention is intended to avoid this, these algae are to be regarded as one of the keys to using green methane gas in a scalable manner.
  • a way of utilizing CO2 extracted from the system of nature via the transformation of land-based biomass or algal biomass from the sea into methane gas by bacteria, fungi or yeast, where the absorption mechanism of the extraction of atmospheric CO2 by the seawater surface trap is a quasi has unlimited scalability and, as a natural carbon capture mechanism in this process chain, ensures efficient, inexpensive and scalable CO2 removal from the air due to the large sea surface and the CO2 diffusing from the air into the sea in the form of hydrocarbons from macroalgae or any other Biomass, land-based or sea-based, binds.
  • a useful way of limiting global warming is the conversion of CO2, which comes from natural sources, into materials and building materials, as described in PCT/EP2009/008497, if the problem of removing CO2 from the earth system in the atmosphere and/or the sea is released.
  • Previous CO2 sequestration measures do not make sense at the beginning of such a new material production process chain, not only because the energy costs are too high, but also because investing in such technology ties up funds that are urgently needed for simpler and more targeted ones at the beginning of such a transformation solutions are needed.
  • electrolysers which are used to generate hydrogen as energy storage for wind and PV power, as well as a bridging technology are needed such as natural gas power plants and on the other hand scalable solutions for storing electrical energy are almost completely absent, it stands to reason that investing in algae-based technology is a way out that can work in the form of energy storage for gas-fired power plants when existing fishing fleets are converted, who collect macroalgae carpets floating on the world's oceans, ship them ashore, where with the help of this biomass, bacteria, fungi or yeasts are used to produce biogas, which is used to generate electricity and to produce carbon fibers, and possibly a certain amount at the beginning of biodiesel and biokerosene still required for shipping and aviation.
  • Biomass tanks are needed in which the proliferating macroalgae carpets collected in the sea ferment, since the required CO2 can be obtained or sequestered from these sources much more cheaply than directly from the air, which only has a comparatively low CO2 concentration and the atmosphere only with a high expenditure of energy can be found.
  • the CO2 that is also produced during fermentation can also be collected and used to produce the microalgae for carbon fiber production. In this way, CO2 becomes a raw material that can and must be used in all process chains. In this way, the carbon previously bound in the CO2 from the atmosphere and sea surface system is permanently removed and bound in the carbon fiber building material, since carbon fibers are inert and the material can be stored in a repository.
  • a business area is also opening up for the fishing industry, which is making less and less of a living from fishing and can convert to catching and fermenting seaweed.
  • the carbon fibers are transformed into high-strength building materials together with concrete and/or natural stone with the aid of resins or other binders. These therefore form a highly efficient carbon sink, since the carbon fiber consists of almost 96% pure carbon.
  • the carbon fiber is applied to stone slabs in the form of fabrics or fabrics or introduced into concrete slabs in the form of carbon stone lamellae, which can be peeled off the stone slabs again after use without any problems and can then be taken to carbon repository.
  • considerable amounts of stone mud are produced, which can be weathered.
  • This weathered rock material can then either be introduced into the earth system as fertilizer on fields, meadows and forests, or serve as an additive for concrete and sand substitutes, thus providing a double benefit by removing CO2 from the atmosphere without incurring additional costs.
  • the type of rock determines the right one Use because not all hard rocks are suitable for fertilization, but can serve better as an aggregate for concrete.
  • This concrete can also be reinforced in such a way that carbon fiber stone layers or lamellas replace the previously used steel, in that the stone layers create the mechanical bridge between carbon fiber and concrete, as described in EPI 8830382, using the natural stone as an intermediate layer between carbon and concrete arranged provides the necessary flexibility and the most suitable temperature expansion behavior as an intermediary between the completely different materials carbon fiber and concrete.

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Abstract

The invention describes carbon fibres which are produced from CO2 on the basis of various process chains. In addition to the route via Fischer-Tropsch synthesis, these also include routes via natural raw materials to produce carbon fibre raw materials such as PAN from CO2, such as terrestrial biomass or algal biomass, wherein a process step is also incorporated that ensures the inexpensive and natural extraction of CO2 from the ocean and thus indirectly also from the air. In addition to extraction from terrestrial biomass, this is done, for example, by extracting macroalgae from the ocean, which are transformed using bacteria, fungi or yeasts into alkanes or alcohols that serve as fuel for renewable power supply and in the process emit quasi-pure CO2 and water. In this way, atmospheric CO2, which is to some extent anthropogenic in origin, is to be converted via an energy recovery process in the form of electric current into a solid state of carbon fibre which, at the end of its life cycle, can be put in a waste repository after having had a high utility to industry and humans as a construction material for the construction of buildings and other structures, such as bridges and vehicles.

Description

Baumaterialien aus Carbonfasern, die aus CO2 hergestellt werden Carbon fiber building materials made from CO2
Das Paris- Agreement vom Dezember 2015 stellt die Staatengemeinschaft vor die Herausforderung, die Erhöhung der mittleren Erdtemperatur bis 2100 und darüber hinaus idealerweise unter einem Wert von 1,5 °C zu halten. Zu diesem Zweck sind Maßnahmen erforderlich, die durch eine verbesserte Prozesstechnik bewirken, dass die Effizienz der Umwandlung von CO2 in brauchbares regenerativ erzeugtes Material deutlich gesteigert wird. Dieses Material setzt sich im Wesentlichen aus zwei Kategorien von Materialien zusammen, welche die Weltwirtschaft treiben. Die eine Kategorie umfasst Materialien wie Treibstoffe, Schmieröle und andere flüssige oder gasförmige Brennstoffe für den Betrieb von Gasturbinen, Dieselkraftwerken, den Antrieb von Flugzeugen, Fahrzeugen und Schiffen, sowie die Heizung von Gebäuden oder auch den Betrieb von Kochherden. Diese Gasturbinen und Dieselkraftwerke können auch rein regenerativ betrieben werden. The Paris Agreement of December 2015 presents the international community with the challenge of keeping the increase in the average global temperature below 1.5 °C by 2100 and beyond. To this end, measures are required that use improved process technology to significantly increase the efficiency of converting CO2 into usable, regeneratively produced material. This material is essentially composed of two categories of materials that drive the world economy. One category includes materials such as fuels, lubricating oils and other liquid or gaseous fuels for the operation of gas turbines, diesel power plants, the propulsion of aircraft, vehicles and ships, as well as the heating of buildings or the operation of cooking stoves. These gas turbines and diesel power plants can also be operated purely regeneratively.
Die zweite Kategorie umfasst die Erzeugung von Bau- und Konstruktionsmaterialien, die mittlerweile aus CO2 hergestellt werden können. The second category includes the production of building and construction materials, which can now be produced from CO2.
Der Zusammenhang zwischen Energie-Erzeugung und Materialherstellung ist bereits in den Anmeldungen PCT/EP2009/008497 und PCT/EP2017/001269 hergestellt, in denen empfohlen wird, dass Abgase aus der Energieerzeugung die Quelle für das für die Erzeugung von Biomasse benötigte CO2 sein kam, aus dem im nächsten Schritt Bau- und Konstruktionsmaterialien hergestellt werden. In den beiden oben angegebenen Patentanmeldungen wird die Erzeugung von Algenölen als biogene CCh-Aufhahmemethode vorgeschlagen. In anderen Anmeldungen wie der DE 20 2019 001 192.7 wird weiterführend auch die Verarbeitung von Algenbiomasse oder anderer Biomasse mit Hilfe von Pilzkulturen, Bakterien und Hefen vorgeschlagen. Diese Hefen, Pilze und auch jegliche Art von Bakterien körnen nicht nur der Effizienzsteigerung dienen, sondern auch völlig neue Wege beschreiben, um CO2 für die Carbonfaserherstellung zu generieren, die dann sowohl der biogenen Route als Primärmaterial dienen körnen, wie auch artifiziellen Routen über zum Beispiel die Fischer-Tropsch-Synthese. Als zielführend wird in dieser neuen Erfindung neben der Vergärung von landbasierter Biomasse auch die Vergärung von Biomasse, die aus den Weltmeeren stammt, angesehen, nämlich insbesondere von Algenbiomasse in Form von Makroalgen, aber auch andere meeresbasierte Biomasse, die aus dem Meer entnommen werden kann, die dort künftig in skalierbaren Mengen vorkommen - insbesondere auch verursacht durch die Übersäuerung der Meere - oder die auch gezielt gezüchtet werden kann und dabei dem Zweck dient, CO2 aus den Meeren zu entnehmen, welches die Biomasse bei ihrem Wachstum aufiiimmt und metabolisiert. Die Biomasse kann anschließend mit Hilfe von Bakterien, Pilzen oder Hefen zu Methan gewandelt werden, welches in einer Gasturbine für die Erzeugung von Stromenergie verbrannt wird, um anschließend den CCh-Anteil der Abgase, bestehend aus CO2, Wasser und ggfls. Stickstoff, in die Tanks von Mikroalgen zu leiten und die daraus gewonnenen Öle wiederum zu Carbonfasem zu verarbeiten, so wie zum Beispiel in der PCT/EP2017/001269 beschrieben. Wenn in diesen Kraftwerken anfänglich Erdgas, also weitgehend aus Methangasen bestehende Treibstoffe, Verwendung finden, dann kann diese Brückentechnologie als vorbereitendes Instrument und Investment auf eine skalierbare Nutzung von atmosphärischem CO2 aus landbasierter Biomasse und meeresbasierter Biomasse angesehen werden, deren Entnahme aus der Luft von Pflanzen in Feld, Wald und Wiese, insbesondere über den Weg von Speiseresten, und aus dem Wasser über den Weg der Fischung von Makroalgen geschieht. The connection between energy production and material production has already been established in the applications PCT/EP2009/008497 and PCT/EP2017/001269, in which it is recommended that waste gases from energy production may be the source of the CO2 required for the production of biomass, from which building and construction materials are produced in the next step. In the two patent applications cited above, the production of algal oils is proposed as a biogenic CCh uptake method. In other applications such as DE 20 2019 001 192.7, the processing of algae biomass or other biomass with the aid of fungal cultures, bacteria and yeasts is also proposed. These yeasts, fungi and any kind of bacteria can not only serve to increase efficiency, but also describe completely new ways to generate CO2 for carbon fiber production, which can then serve as primary material for the biogenic route as well as artificial routes via, for example the Fischer-Tropsch synthesis. In this new invention, in addition to the fermentation of land-based biomass, the Fermentation of biomass that comes from the world's oceans, namely in particular algae biomass in the form of macroalgae, but also other sea-based biomass that can be taken from the sea, which will occur there in scalable quantities in the future - in particular also caused by the acidification of the seas - or which can also be deliberately bred for the purpose of extracting CO2 from the seas, which the biomass absorbs and metabolizes as it grows. The biomass can then be converted to methane with the help of bacteria, fungi or yeasts, which is burned in a gas turbine to generate electricity, and then the CCh portion of the exhaust gases, consisting of CO2, water and possibly. Nitrogen into the tanks of microalgae and to process the oils obtained from it into carbon fibers, as described in PCT/EP2017/001269, for example. If natural gas, i.e. fuels consisting largely of methane gases, are initially used in these power plants, then this bridging technology can be regarded as a preparatory instrument and investment for a scalable use of atmospheric CO2 from land-based biomass and sea-based biomass, the extraction of which from the air by plants in fields, forests and meadows, especially via the route of food residues, and from the water via the route of macroalgae fishing.
Neben der Entnahme von landbasierter Biomasse geschieht dies über die Entnahme von Makroalgen aus dem Meer, die mit Hilfe von Bakterien, Pilzen oder Hefen in Alkane oder Alkohole transformiert werden, die als Treibstoff für regenerative Stromversorgung mit Hilfe von Gaskraftwerken dienen, die quasi reines CO2 und Wasser emittieren. Der Aufwand CO2 zu gewinnen, also dessen Abtrennung (Sequestrierung) von anderen Gasen wie Wasserdampf und Stickstoff ist auf diesem Weg sehr effizient und billig. Wenn für die Verbrennung der Methan- und anderer Gase reiner Sauerstoff statt Luft zugeführt wird - dafür sind verschiedene Oxy fuel- Verfahren entwickelt worden - dann wird die Energiegewinnung und CO2 Abscheidung noch effizienter und billiger. Der dafür benötigte Sauerstoff fallt als Nebenprodukt bei der sich nunmehr rasant entwickelnden Wasserstoffherstellung an. Solange bis genügend Mengen an Biogas zur Verfügung steht, werden die hier beschriebenen Prozesse jedoch mit fossilem Gas angetrieben, also die Verstromung von Erdgas bildet zu Beginn der hier beschriebenen Prozesse die Basis für die CO2-Gewinnung zur Herstellung von Carbonfasem, entweder über die biogene Route der Fütterung von Mikroalgen mit CO2 oder über die Wassergas-Shift- Reaktion und anschließender Fischer-Tropsch-Synthese für die Erzeugung von Methanol aus CO2 und H2, mit anschließender Mündung dieser Prozesse in der Herstellung von Polyacrylnitril für die Erzeugung von PAN-basierten Carbonfasem. In addition to the removal of land-based biomass, this is done by removing macroalgae from the sea, which are transformed into alkanes or alcohols with the help of bacteria, fungi or yeasts, which serve as fuel for regenerative power supply with the help of gas power plants, which produce virtually pure CO2 and emit water. The effort to extract CO2, i.e. its separation (sequestration) from other gases such as water vapor and nitrogen, is very efficient and cheap in this way. If pure oxygen instead of air is used to burn the methane and other gases - various oxy fuel processes have been developed for this - then energy generation and CO2 separation becomes even more efficient and cheaper. The oxygen required for this is a by-product of the now rapidly developing hydrogen production. As long as sufficient quantities of biogas are available, the here However, the processes described are driven with fossil gas, i.e. the generation of electricity from natural gas forms the basis for the CO2 production for the production of carbon fibers at the beginning of the processes described here, either via the biogenic route of feeding microalgae with CO2 or via the water gas shift Reaction and subsequent Fischer-Tropsch synthesis for the production of methanol from CO2 and H2, with subsequent merging of these processes in the production of polyacrylonitrile for the production of PAN-based carbon fibers.
Für die spätere Mündung in eine nachhaltige Produktion von CO2 für die Carbonfaserherstellung wird eine biogene Route deshalb vorgeschlagen, weil ohnehin sehr viel CO2 von den Weltmeeren aufgenommen wird, weshalb die meeresbasierte Form der CCh-Entnahme effizienter und kostengünstiger erscheint als die Entnahme aus der Luft. Die Algenteppiche entstehen schon heute und werden von manchen Forschem bereits als CCh-Senke erkannt, die man auf den Meeresboden verfrachten will, was keinen wirtschaftlichen Mehrwert bringt, sondern so wie CCS hohe Kosten verursacht. Das soll diese Erfindung vermeiden, diese Algen sind als einer der Schlüssel anzusehen, um grünes Methangas skalierbar zu nutzen. In Kombination mit der Erzeugung von Sauerstoff bei der Elektrolyse mit überschüssigem Windstrom entsteht ein dreifacher Synergieeffekt von regenerativen Energieerzeugungs-Technologien wie Windenergie und PV zusammen mit der effizienten Produktion von kohlenstoffhaltigen Materialien für die effiziente und nachhaltige Kohlenstoffspeicherung, sowie der skalierbaren Entnahme von CO2 über die großen Kapazitäten der Weltmeere, was ein bisher ungelöstes Problem darstellt. A biogenic route is proposed for the later culmination in a sustainable production of CO2 for carbon fiber production because a lot of CO2 is absorbed by the oceans anyway, which is why the sea-based form of CCh extraction appears more efficient and cheaper than extraction from the air. The algae carpets are already emerging today and are already being recognized by some researchers as a CCh sink that they want to transport to the sea floor, which does not bring any economic added value but, like CCS, causes high costs. This invention is intended to avoid this, these algae are to be regarded as one of the keys to using green methane gas in a scalable manner. Combined with the production of oxygen during electrolysis with surplus wind power, there is a triple synergistic effect of regenerative energy production technologies such as wind energy and PV together with the efficient production of carbonaceous materials for efficient and sustainable carbon storage, as well as the scalable removal of CO2 via the large capacities of the world's oceans, which is an unsolved problem.
Um dies zu erreichen werden verschiedene Maßnahmen diskutiert. Es sollen durch die Einführung von regenerativen Energiequellen wie Wind-, Wasser- und Sonnenkraft fossile Brennstoffe für die Energieerzeugung ersetzt werden. Die Erfahrung mit der Einführung der Windkraft- und Photovoltaikanlagen zum Beispiel in Deutschland hat zu der Erkenntnis geführt, dass diese Maßnahmen zwar zielführend sind, jedoch nicht schnell genug umgesetzt wurden und werden und flankiert werden müssen durch eine Änderung des gesamten Stromdesigns mit entsprechenden Speichermöglichkeiten. Bis zu dieser Umsetzung werden Brückentechnogien benötigt, die einerseits der Versorgungssicherheit kurzfristig, nachhaltig und kosteneffizient dienen sollten und andererseits grundsätzlich benötigte Klimaschutzmechanismen einfuhren. Atomstrom wird von weiten Teilen der Wissenschaft als nicht nachhaltige Energiequelle beurteilt, sondern allenfalls als Brückentechnologie. Kernfusion bleibt noch lange eine Zukunftsvision und ist nicht kurzfristig verfügbar. Um die Technik schnell auf einen Stand zu bringen, der eine kurzfristige, kostengünstige und als nachhaltig zu wertende Lösung schaffen kann, ist die Verstromung von zum Beispiel biogenem Methangas eine zielführende Technologie, welche die oben genannten entscheidenden Merkmale aufweist: Various measures are discussed to achieve this. The introduction of regenerative energy sources such as wind, water and solar power is intended to replace fossil fuels for energy production. Experience with the introduction of wind power and photovoltaic systems, for example in Germany, has led to the realization that these measures are effective, but were not and will not be implemented quickly enough and must be accompanied by a change in the entire electricity design with appropriate storage options. Pending this implementation Bridging technologies are needed, which on the one hand should serve to ensure security of supply in the short term, sustainably and cost-effectively and on the other hand introduce the climate protection mechanisms that are fundamentally needed. Nuclear power is judged by large parts of science as an unsustainable source of energy, but at best as a bridging technology. Nuclear fusion will remain a vision of the future for a long time and will not be available in the short term. In order to quickly bring the technology up to a level that can create a short-term, cost-effective solution that can be considered sustainable, the generation of electricity from, for example, biogenic methane gas is a target-oriented technology that has the key features mentioned above:
1. Eine Art der Nutzung von aus dem System Natur entnommenem CO2, über die Transformation landbasierter Biomasse oder von Algenbiomasse aus dem Meer in Methangas durch Bakterien, Pilze oder Hefen, wobei der Absorptionsmechanismus der Entnahme von atmosphärischem CO2 durch den Abscheider Meerwasser-Oberfläche eine quasi unbegrenzte Skalierbarkeit hat und als natürlichem Carbon-Capture-Mechanismus in dieser Prozesskette wegen der großen Meeresoberfläche eine effiziente, preiswerte und skalierende CO2-Entnahme aus der Luft sicherstellt und das aus der Luft in das Meer diffundierende CO2 in Form von Kohlenwasserstoffen der Makroalgen oder jeglicher anderen Biomasse, landbasiert oder meerbasiert, bindet. 1. A way of utilizing CO2 extracted from the system of nature, via the transformation of land-based biomass or algal biomass from the sea into methane gas by bacteria, fungi or yeast, where the absorption mechanism of the extraction of atmospheric CO2 by the seawater surface trap is a quasi has unlimited scalability and, as a natural carbon capture mechanism in this process chain, ensures efficient, inexpensive and scalable CO2 removal from the air due to the large sea surface and the CO2 diffusing from the air into the sea in the form of hydrocarbons from macroalgae or any other Biomass, land-based or sea-based, binds.
2. Die Verstromung von zum Beispiel Methan oder Methanol, unter anderem auch mit Hilfe von reinem Sauerstoff, liefert nicht nur maximale Effizienz der Energieausbeute, sondern auch fast reines CO2 als Abgas für die „Fütterung“ der im Nachgang produzierten Mikroalgen. 2. The generation of electricity from methane or methanol, for example, with the help of pure oxygen, among other things, not only delivers maximum efficiency in terms of energy yield, but also almost pure CO2 as exhaust gas for "feeding" the microalgae produced afterwards.
3. Eine Materialerzeugung aus CO2, mit Hilfe der Erzeugung des Öls aus den Mikroalgen - ggfls. in Kombination mit Pilzen, Hefe und Bakterien für die Effizienzsteigerung der Algenölausbeute - welche die künftig benötigten Mengen an Kohlenstoff, der aus dem Erdsystem entfernt werden muss, mit Hilfe von kohlefaserbasierten Werkstoffen bindet, die in Kombination mit mineralischen Materialien wie Stein und Beton eine dauerhafte Kohlenstoffsenke darstellen, wie im IPCC SRI.5 in Kapitel 4.3.4.2 beschrieben. Diese ersetzen dabei gleichzeitig die CCh-intensiven Baustoffe wie Stahl und Beton, haben also einen doppelten Nutzen. Der Stand der Technik beschreibt Verfahren, mit denen entweder über die Erzeugung von Biomasse wie zum Beispiel durch Algenwachstum mit sequestriertem oder natürlichem CO2 Treibstoffe wie Biodiesel oder Kerosin und carbonfaserbasierte Baustoffe gewonnen werden, oder auch mit Hilfe der Fischer- Tropsch-Synthese diese industrierelevanten Stoffe aus sequestriertem CO2 und Wasserstoff gewonnen werden können. Beide Verfahren sind technisch möglich, haben jedoch unterschiedliche Wirkungsgrade und damit verbunden unterschiedliche Kosten. Beide Verfahren liefern jedoch noch keine zufriedenstellende Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre, die jedoch wie im IPCC SRI .5 beschrieben zwingend gefordert wird, um das 1,5°C Ziel einzuhalten.3. A material production from CO2, with the help of the production of the oil from the microalgae - if necessary. in combination with fungi, yeast and bacteria for increasing the efficiency of the algal oil yield - which binds the future required amounts of carbon, which must be removed from the earth system, with the help of carbon-fibre-based materials, which in combination with mineral materials such as stone and concrete create a permanent carbon sink as described in IPCC SRI.5 in Chapter 4.3.4.2. At the same time, these replace the CCh-intensive building materials such as steel and concrete, so they have a double benefit. The state of the art describes processes with which fuels such as biodiesel or kerosene and carbon-fiber-based building materials are obtained either through the production of biomass, for example through algae growth with sequestered or natural CO2, or these industrially relevant substances with the help of Fischer-Tropsch synthesis sequestered CO2 and hydrogen can be obtained. Both processes are technically possible, but have different levels of efficiency and the associated different costs. However, both methods do not yet provide a satisfactory removal of CO2 from the atmosphere, which, however, as described in the IPCC SRI .5, is mandatory in order to meet the 1.5°C target.
Alle heute verfügbaren Entnahme-Methoden sind zu energieintensiv, um kurzfristig ernsthaft in Betracht gezogen werden zu können. All extraction methods available today are too energy-intensive to be seriously considered in the short term.
An dieser Stelle wird eine Brückentechnologie nötig, die zunächst auf fossiler Gasverstromung basiert, die aber gleichzeitig kostengünstig in eine nachhaltige Nutzung dieser Gaskraftwerde überfuhrt werden kann. At this point, a bridging technology is needed, which is initially based on fossil gas power generation, but which can also be cost-effectively converted into sustainable use of these gas power plants.
Eine zielführende Möglichkeit der Begrenzung der Erderwärmung ist die Wandlung von CO2, welches aus natürlichen Quellen stammt, in Werkstoffe und Baumaterialien, so wie in der PCT/EP2009/008497 beschrieben, wenn das Problem der Entnahme von CO2 aus dem Erdsystem der Atmosphäre und/oder dem Meer gelöst wird. Bisherige CO2-Sequestrierungsmaßnahmen sind auch zu Beginn einer solchen neuen Materialerzeugungs-Prozesskette nicht sinnvoll, nicht nur, weil dafür die Energiekosten zu hoch sind, sondern weil insbesondere die Investition in solche Technologie Mittel bindet, die zu Beginn einer solchen Transformation dringend für einfachere und zielführendere Lösungen benötigt werden. Deshalb ist davon auszugehen, dass eine sinnvolle Nutzung von Methangas oder Alkanen, sowie Alkoholen generell bereits am Anfang die später benötigten Prozesse vorbereiten, ohne dass die Kosten für diese Energieerzeugungsanlagen mehrfach getätigt werden müssen, was auch für die gesamte dafür benötigte Infrastruktur gilt. Da einerseits Elektrolyseure, die zur Erzeugung von Wasserstoff als Energiespeicher für Wind- und PV-Strom genauso als Brückentechnologie gebraucht werden wie Erdgaskraftwerke und andererseits skalierbare Lösungen für die Speicherung von elektrischer Energie fast vollständig fehlen, liegt es nahe, dass die Investition in algenbasierte Technologie ein Ausweg sind, der in Form einer Vorratsspeicherung für Energie für Gaskraftwerke funktionieren kann, wenn existierende Fischfangflotten umgerüstet werden, die auf den Weltmeeren schwimmende Makroalgenteppiche aufsammeln, diese an Land verfrachten, wo mit Hilfe dieser Biomasse durch Bakterien, Pilze oder Hefen Biogas hergestellt wird, welches der Erzeugung von elektrischem Strom und der Herstellung von Carbonfasem dient, und evtl, zusätzlich am Anfang eine gewisse Menge an noch benötigtem Biodiesel und Biokerosin für die Schififahrt und die Luftfahrt. Das gleiche kann an Land passieren, mit ungenutzter Biomasse aus Wäldern, auf Feldern, Wiesen und privaten Gartenanlagen, die nicht der Nahrungsmittelerzeugung dienen, sowie alle derzeit entsorgten und nicht verbrauchten Nahrungsmittel. Die oben beschriebenen Maßnahmen sind dann keine sinnlosen Investitionen, wenn sie am Anfang als Brückentechnologie mit fossilem Erdgas betrieben werden, die immerhin zunächst die deutlich COa-intensiveren Kohlekraftwerke ersetzen und durch die Carbonfaserherstellung sicherstellen, dass auch dieser fossile Kohlenstoff nicht und nie wieder in die Atmosphäre gelangt. Diese Prozesskette wird dank der Hilfe der billigen und skalierbaren Entnahme von CO2 aus dem Meer über die Makroalge mit der Zeit so preiswert, dass sich erstmalig die COz-Entnahme kostenmäßig rechnet, dabei Erdgas ersetzt werden kann und Gaskraftwerke sich von Anfang an zur wirklich grünen und nachhaltigen Technologie entwickeln können. A useful way of limiting global warming is the conversion of CO2, which comes from natural sources, into materials and building materials, as described in PCT/EP2009/008497, if the problem of removing CO2 from the earth system in the atmosphere and/or the sea is released. Previous CO2 sequestration measures do not make sense at the beginning of such a new material production process chain, not only because the energy costs are too high, but also because investing in such technology ties up funds that are urgently needed for simpler and more targeted ones at the beginning of such a transformation solutions are needed. It can therefore be assumed that a sensible use of methane gas or alkanes, as well as alcohols, generally prepares the processes required later right from the start, without the costs for these energy production systems having to be made several times, which also applies to the entire infrastructure required for this. On the one hand, electrolysers, which are used to generate hydrogen as energy storage for wind and PV power, as well as a bridging technology are needed such as natural gas power plants and on the other hand scalable solutions for storing electrical energy are almost completely absent, it stands to reason that investing in algae-based technology is a way out that can work in the form of energy storage for gas-fired power plants when existing fishing fleets are converted, who collect macroalgae carpets floating on the world's oceans, ship them ashore, where with the help of this biomass, bacteria, fungi or yeasts are used to produce biogas, which is used to generate electricity and to produce carbon fibers, and possibly a certain amount at the beginning of biodiesel and biokerosene still required for shipping and aviation. The same can happen on land, with unused biomass from forests, fields, meadows and private gardens that are not used for food production, as well as any currently discarded and unused food. The measures described above are not pointless investments if they are initially operated as a bridging technology with fossil natural gas, which after all initially replaces the significantly more COa-intensive coal-fired power plants and, through carbon fiber production, ensure that this fossil carbon does not and never returns to the atmosphere reached. Thanks to the help of the cheap and scalable removal of CO2 from the sea via the macroalgae, this process chain will become so inexpensive over time that CO2 removal will pay off in terms of costs for the first time, natural gas can be replaced and gas-fired power plants become really green and develop sustainable technology.
Benötigt werden Biomassetanks, in denen die im Meer eingesammelten wuchernden Makroalgenteppiche vergären, da das benötigte CO2 aus diesen Quellen wesentlich kostengünstiger zu gewinnen bzw. zu sequestrieren ist als direkt aus der Luft, die nur eine vergleichsweise niedrige CO2-Konzentration hat und der Atmosphäre nur mit einem hohen Aufwand an Energie zu entnehmen ist. Das bei der Vergärung ebenfalls entstehende CO2 kann ebenfalls gesammelt und der Produktion der Mikroalgen für die Carbonfaserherstellung zugeführt werden. CO2 wird auf diese Weise zu einem Grundstoff, der in allen Prozessketten genutzt werden kann und muss. Auf diese Weise wird der ehemals im CO2 gebundene Kohlenstoff aus dem System Atmosphäre und Meeresoberfläche in dem Baustoff aus Carbonfasem dauerhaft entfernt und gebunden, da Carbonfasem inert sind und sich das Material in einem Endlager speichern lässt. Auf diese Art kann ein netto negativer Kohlenstoff-Fluss etabliert werden, um als COi-Senke zu dienen, ohne die existierenden Geschäftsmodelle der Chemieindustrie, Bauindustrie und Energiewirtschaft zu zerstören. Ebenso eröffnet sich ein Geschäftsfeld für die Fischerei-Industrie, die zunehmend weniger vom Fischfang leben und sich auf den Fang und die Vergärung von Meeresalgen umrüsten kann. Biomass tanks are needed in which the proliferating macroalgae carpets collected in the sea ferment, since the required CO2 can be obtained or sequestered from these sources much more cheaply than directly from the air, which only has a comparatively low CO2 concentration and the atmosphere only with a high expenditure of energy can be found. The CO2 that is also produced during fermentation can also be collected and used to produce the microalgae for carbon fiber production. In this way, CO2 becomes a raw material that can and must be used in all process chains. In this way, the carbon previously bound in the CO2 from the atmosphere and sea surface system is permanently removed and bound in the carbon fiber building material, since carbon fibers are inert and the material can be stored in a repository. In this way, a net negative carbon flux can be established to serve as a COi sink without destroying the existing chemical, construction and energy business models. A business area is also opening up for the fishing industry, which is making less and less of a living from fishing and can convert to catching and fermenting seaweed.
Die Carbonfasem werden wie in den oben zitierten Patenten zusammen mit Beton und/oder Naturstein mit Hilfe von Harzen oder anderen Bindemitteln zu hochfesten Baustoffen transformiert. Diese bilden deshalb eine hocheffiziente Kohlenstoffsenke, da die Carbonfaser zu fast 96% aus reinem Kohlenstoff besteht. As in the patents cited above, the carbon fibers are transformed into high-strength building materials together with concrete and/or natural stone with the aid of resins or other binders. These therefore form a highly efficient carbon sink, since the carbon fiber consists of almost 96% pure carbon.
Die Carbonfaser wird in Form von Geweben oder Gelegen auf Steinplatten aufgebracht oder in Form von Carbon-Stein-Lamellen in Betonplatten eingebracht, die nach der Nutzung ohne Problem wieder von den Steinplatten abgeschält werden und dann in Kohlenstoff-Endlager geschafft werden können. So entsteht eine langfristige Senke fur CO2, beziehungsweise den Kohlenstoff, der einmal CO2 gebildet hatte, so wie die Natur das über Millionen Jahre mit Kohle, Erdöl und Erdgas auch gemacht hat. Bei der Herstellung und insbesondere beim Schneiden der Steinplatten aus zum Beispiel Basalt oder Gabbro entstehen erhebliche Mengen an Steinschlamm, der verwittert werden kann. Bei dieser Verwitterung (Enhanced Weathering of Stone, EWS) wird sehr viel zusätzliches CO2 gebunden, welches zusammen mit dem Kohlenstoff der Carbonfaser als CC>2-Senke in die Gesamtbilanz mit eingerechnet werden kann, um das CO2-Absorptionspotenzial zu ermitteln. Dieses verwitterte Steinmaterial kann dann entweder als Düngemittel auf Feldern, Wiesen und Wäldern in das Erdsystem eingebracht werden, oder als Zusatz für Beton und Sandersatz dienen und auf diese Weise durch die Entnahme von CO2 aus der Atmosphäre einen doppelten Nutzen liefern ohne zusätzliche Kosten zu verursachen. Die Art des Gesteins entscheidet dabei über die passende Nutzung, da nicht alle Hartgesteine sich für die Düngung eignen, sondern besser als Zuschlagsstoff für Beton dienen können. The carbon fiber is applied to stone slabs in the form of fabrics or fabrics or introduced into concrete slabs in the form of carbon stone lamellae, which can be peeled off the stone slabs again after use without any problems and can then be taken to carbon repository. This creates a long-term sink for CO2, or the carbon that once formed CO2, just as nature did over millions of years with coal, oil and natural gas. During the production and especially when cutting the stone slabs from, for example, basalt or gabbro, considerable amounts of stone mud are produced, which can be weathered. During this weathering (enhanced weathering of stone, EWS), a lot of additional CO2 is bound, which can be included in the overall balance together with the carbon of the carbon fiber as a CC>2 sink in order to determine the CO2 absorption potential. This weathered rock material can then either be introduced into the earth system as fertilizer on fields, meadows and forests, or serve as an additive for concrete and sand substitutes, thus providing a double benefit by removing CO2 from the atmosphere without incurring additional costs. The type of rock determines the right one Use because not all hard rocks are suitable for fertilization, but can serve better as an aggregate for concrete.
Dieser Beton kann zudem so armiert werden, dass Carbonfaser-Stein Schichten oder Lamellen den bisher verwendeten Stahl ersetzen, indem die Steinschichten die mechanische Brücke zwischen Carbonfaser und Beton herstellen, so wie in der EPI 8830382 beschrieben, indem der Naturstein als Zwischenschicht zwischen Carbon und Beton angeordnet die nötige Flexibilität und das am besten passende Temperaturausdehnungsverhalten als Vermittler zwischen den völlig verschiedenartigen Materialien Carbonfaser und Beton liefert. This concrete can also be reinforced in such a way that carbon fiber stone layers or lamellas replace the previously used steel, in that the stone layers create the mechanical bridge between carbon fiber and concrete, as described in EPI 8830382, using the natural stone as an intermediate layer between carbon and concrete arranged provides the necessary flexibility and the most suitable temperature expansion behavior as an intermediary between the completely different materials carbon fiber and concrete.

Claims

Patentansprüche patent claims
1) Carbonfasem, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Herstellung der Carbonfasem benötigte Kohlenstoff aus dem CO2 stammt, welches aus der Verbrennung von Methan, Ethan, Methanol, Ethanol oder einem anderen höherwertigen Alkan oder Alkohol stammt, wobei die Carbonfasem in Verbindung mit mineralischen Werkstoffen ein druckfestes und/oder zugfestes Bau- und/oder Konstruktionsmaterial bilden. 1) Carbon fibers, characterized in that the carbon required for the production of the carbon fibers comes from the CO2, which comes from the combustion of methane, ethane, methanol, ethanol or another higher-value alkane or alcohol, the carbon fibers being combined with mineral materials form a pressure-resistant and/or tensile building and/or construction material.
2) Carbonfasem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Herstellung der Carbonfasem benötigte Kohlenstoff aus dem CO2 besteht, welches bei der Verbrennung von Methan, Ethan, Methanol, Ethanol oder einem höherwertigen Alkan oder Alkohol entsteht, wobei das CO2 dem Abgas einer Gasturbine oder einer Brennstoffzelle entnommen ist, welche der Erzeugung von elektrischem Strom dient. 2) Carbon fibers according to claim 1, characterized in that the carbon required for the production of the carbon fibers consists of the CO2, which is produced during the combustion of methane, ethane, methanol, ethanol or a higher-value alkane or alcohol, the CO2 being the exhaust gas Gas turbine or a fuel cell is taken, which is used to generate electricity.
3) Carbonfasem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Verbrennung von Methan, Ethan, Methanol, Ethanol oder einem höherwertigen Alkan oder Alkohol benötigte Sauerstoff aus der Elektrolyse mit nicht regenerativen oder regenerativen Stromquellen entnommen ist. 3) Carbon fibers according to claim 1 and 2, characterized in that the oxygen required for the combustion of methane, ethane, methanol, ethanol or a higher alkane or alcohol is taken from the electrolysis with non-regenerative or regenerative power sources.
4) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das oder der in der Turbine oder Brennstoffzelle verbrannte Alkan oder Alkohol aus landbasierter Biomasse oder meeresbasierte Biomasse gewonnen wird, die mit Hilfe von Bakterien, Pilzen oder Hefen vergoren wurden. 4) Carbon fibers according to claims 1 to 3, characterized in that the alkane or alcohol burned in the turbine or fuel cell is obtained from land-based biomass or sea-based biomass that has been fermented with the aid of bacteria, fungi or yeasts.
5) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die meeresbasierte Biomasse aus Makroalgen besteht. 5) Carbon fibers according to claim 1 to 4, characterized in that the sea-based biomass consists of macroalgae.
6) Carbonfaser nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Verstromung nach Anpruch 2 ausgestoßene CO2 der Herstellung von Mikroalgen dient. 6) Carbon fiber according to claims 1 to 5, characterized in that the CO2 emitted during the generation of electricity according to claim 2 is used to produce microalgae.
7) Carbonfaser nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der Vergärung der Biomasse ausgestoßene CO2 der Herstellung von Mikroalgen dient. 8) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 7, durch gekennzeichnet, dass aus dem Öl der Mikroalgen Polyacrylnitril für die Carbonfaserproduktion hergestellt wird. 7) Carbon fiber according to claims 1 to 5, characterized in that the CO2 emitted during the fermentation of the biomass is used to produce microalgae. 8) Carbon fibers according to claims 1 to 7, characterized in that polyacrylonitrile for carbon fiber production is produced from the oil of the microalgae.
9) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 8, durch gekennzeichnet, dass aus dem Öl, welches bei der Vergärung der Makroalgen mit Hilfe von Bakterien, Pilzen oder Hefen entsteht, Polyacrylnitril für die Carbonfaserproduktion hergestellt wird. 9) Carbon fibers according to Claims 1 to 8, characterized in that polyacrylonitrile for carbon fiber production is produced from the oil which is produced during the fermentation of the macroalgae with the aid of bacteria, fungi or yeasts.
10) Carbonfasem nach Ansprach 1 bis 9, durch gekennzeichnet, dass das Polyacrylnitril für die Carbonfaserherstellung aus dem CO2 aus dem Gaskraftwerk bzw. der Brennstoffzelle zusammen mit dem Wasserstoff aus der Elektrolyse aus überschüssigem Windstrom mit Hilfe der Fischer-Tropsch-Synthese gewonnen wird, nach zuvor erfolgter Wassergas-Shift-Reaktion, um CO aus dem CO2 für die Herstellung von Methanol zu gewinnen, welches über Propylen und Acrylnitril zu Polacrylnitril und schließlich zu Carbonfaser weiterverarbeitet wird. 10) Carbon fibers according to spoke 1 to 9, characterized in that the polyacrylonitrile for the carbon fiber production from the CO2 from the gas power plant or the fuel cell is obtained together with the hydrogen from the electrolysis of excess wind power using the Fischer-Tropsch synthesis, according to previously performed water gas shift reaction to obtain CO from the CO2 for the production of methanol, which is further processed via propylene and acrylonitrile to polyacrylonitrile and finally to carbon fiber.
11) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 10, durch gekennzeichnet, dass die mit der Carbonfaser verbundenen Mineralien aus Naturstein oder Beton oder einer Kombination von Beton und Naturstein bestehen, insbesondere in einer den Beton nachhaltig armierenden Formation von Stein-Carbonfaser-Stein-Schichten. 11) Carbon fibers according to Claims 1 to 10, characterized in that the minerals associated with the carbon fibers consist of natural stone or concrete or a combination of concrete and natural stone, in particular in a formation of stone-carbon-fibre-stone layers that permanently reinforces the concrete.
12) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 11, durch gekennzeichnet, dass die mit der Faser verbundenen Mineralien aus Basalt- oder Gabbro-Gestein bestehen. 12) Carbon fibers according to claims 1 to 11, characterized in that the minerals associated with the fiber consist of basalt or gabbro rock.
13) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 12, durch gekennzeichnet, dass der mit der Carbonfaser verbundene Beton zum Teil aus verwittertem Hartgestein, Basalt- oder Gabbro-Gestein besteht. 13) Carbon fibers according to claim 1 to 12, characterized in that the concrete connected to the carbon fiber consists in part of weathered hard rock, basalt or gabbro rock.
14) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 13, durch gekennzeichnet, dass die Carbonfasem mit Hilfe von hochtemperaturfesten Bindemitteln aus Wasserglas, Silikonharzen oder Silikatharzen mit den Mineralien verbunden bzw. verklebt werden. 14) Carbon fibers according to claims 1 to 13, characterized in that the carbon fibers are bonded or glued to the minerals with the aid of high-temperature-resistant binders made of water glass, silicone resins or silicate resins.
15) Carbonfasem nach Anspruch 1 bis 14, durch gekennzeichnet, dass die Carbonfasem nach Gebrauch durch Schälen von den mineralischen Materialien getrennt und endgelagert werden. 15) Carbon fibers according to claim 1 to 14, characterized in that the carbon fibers are separated after use by peeling from the mineral materials and disposed of.
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