Jahrbuch Bauhaus Luftfahrt 2015

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technology radar
Strategies for
developing renewable
high-performance
carbon fibres
In der Luftfahrtindustrie wird mit einem deutlich
zunehmenden Bedarf an Carbonfasern für den
Flugzeugbau gerechnet. Die Herstellung dieses
innovativen Materials über die Schlüsselverbindung
Acrylnitril erfolgt derzeit jedoch aus fossilen Rohstoffen.
Die Produktion von Carbonfasern über
Acrylnitril aus nachwachsenden Rohstoffen eröffnet
hier eine vielversprechende Möglichkeit, indem
neue Verfahren zur Acrylnitril-Synthese mit der etablierten
Faserproduktion kombiniert werden. Dieser
Ansatz bietet den Vorteil, dass die eigentliche Herstellung
des Endprodukts unverändert bleibt. Ziel
der Untersuchungen hierzu bei Bauhaus Luftfahrt ist
es, Entwicklungsstrategien im Bereich erneuerbarer
Faserchemie zu erarbeiten.
Nachdem eine Anzahl technisch gangbarer
Verfahren zur Produktion erneuerbaren Acrylnitrils
identifiziert werden konnte, wurden drei Optionen
zur näheren Analyse ausgewählt:
Glycerol ist ein Nebenprodukt der Biodieselherstellung
aus Pflanzenölen und daher ein in
großen Mengen verfügbarer Rohstoff, der chemisch
zu Acrylnitril umsetzbar ist.
Ethanol ist ein erneuerbares Massenprodukt,
das sich in wenigen Schritten zu Propen umsetzen
lässt, einem Ausgangsstoff in der Acrylnitril-
Synthese. Eine erste Analyse zeigt jedoch, dass die
Konversion von Ethanol zu Propen einen relativ
hohen Energieaufwand erfordert.
Eine Variante des Ethanol-Pfads ergibt sich aus
der Umsetzung von Synthesegas (einer Mischung
aus Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid) zu Propen.
Synthesegas kann aus einer Vielzahl erneuerbarer
Materialien gewonnen werden. Dieser Prozesspfad
bietet somit eine hohe Rohstoff-Flexibilität.
Im weiteren Verlauf des Vorhabens wird das
technologische Potenzial dieser Verfahren im Hinblick
auf Energiebedarf, Emissionen und Kosten
evaluiert.
10 um
Strategien zur
Entwicklung erneuerbarer
Hochleistungscarbonfasern
Hochleistungscarbonfasern
sind
dünner als ein
menschliches Haar
(Bild) oder typische
Pflanzenfasern.
High-performance
carbon fibres
are thinner than
human hair (image)
or typical plant
fibres.
The demand for carbon fibres in aircraft development
is expected to grow. However, state-of-the-art production
of this innovative material via the key compound
acrylonitrile is still based on fossil resources.
In this context, synthesis via acrylonitrile from
renewable resources represents a promising perspective:
It combines novel synthetic routes
towards acrylonitrile with the established production
of carbon fibres, thereby leaving the actual
production of the final product unchanged. Assessment
of this approach at Bauhaus Luftfahrt aims
at the identification of environmentally and
economically viable strategies for the renewable
production of carbon fibres.
After identification of several technically feasible
processes yielding renewable acrylonitrile,
three most promising options were selected for
detailed analysis:
Glycerol is a by-product of biodiesel production
from vegetable oil and, hence, available
in large quantities. It can be chemically converted
into acrylonitrile.
Ethanol is a renewable mass commodity and
convertible into propene in a few synthesis steps.
Propene, in turn, represents the key educt in
conventional synthesis of acrylonitrile. However,
initial analyses indicated that propene production
from ethanol is relatively energy-intensive.
An interesting variation of the ethanol pathway
results from converting synthesis gas
(a mixture of hydrogen and carbon monoxide) into
propene. Synthesis gas can be produced from a
broad variety of renewable sources, including
many types of biomass. Therefore, this process
path offers high feedstock flexibility.
Future work will focus on the in-depth assessment
of the performance potentials of these pathways
in terms of energy demand, associated
emissions and costs.