DE10029912A1

DE10029912A1 - Verfahren zur Energieerzeugung

Info

Publication number: DE10029912A1
Application number: DE10029912A
Authority: DE
Inventors: Norbert Auner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-17
Filing date: 2000-06-17
Publication date: 2001-12-20
Also published as: EP1295066A1; WO2001098710A1; AU2002215490A1; DE10192546D2; US20040020414A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Energieerzeugung durch Verbrennung von Siliciumverbindungen, die die Bindungen Si-C, Si-O, Si-Si und/oder Si-H aufweisen, beschrieben. Derartige Verbindungen stellen geeignete Energieträger als Alternative zu Kohlenwasserstoffen dar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ener gieerzeugung.

Das aktuelle Konzept zur Energieerzeugung basiert im we sentlichen auf Kohlenstoff (Erdöl, Erdgas) als Rohstoff quelle. Nicht nur die in der Vergangenheit erlebten Zeiten der "Ölkrisen" belegen, daß dieser Rohstoff zukünftig nur noch in zunehmend reduziertem Maß zur Verfügung stehen wird, auch wissenschaftliche Berechnungen zeigen, daß sich unsere natürlichen Kohlenstoff-Ressourcen zunehmend er schöpfen. Berücksichtigt man auch die mahnend geführten Diskussionen einer dringend erforderlichen CO₂-Reduzierung in der Erdatmosphäre, so wird deutlich, daß die Suche und Erforschung alternativer Energiequellen zwingend notwendig werden.

Keines der weltweit diskutierten Konzepte alternativer Energieformen und -erzeugung geht dabei von "Quarzsand" aus, einem ungiftigen Naturstoff, der in unbegrenztem Maße zur Verfügung steht. Rund 75% der zugänglichen Erdkruste, einschließlich der verschiedenen Arten von "Biomasse" in Form von Pflanzen, Steinen, Diatomeen (im Meerwasser) und vielem mehr, bestehen aus Siliciumdioxid (SiO₂(Si: 26,3%, O₂: 48,9%)). Das Si ist damit so häufig wie alle anderen Elemente zusammen, oder vier von fünf Atomen der Erdkruste sind Si bzw. O. Siliciumdioxid wird durch Reduktion (mit Kohle, im elektrischen Lichtbogenverfahren) in kristallines Silicium überführt, das (i) nach Nachbehandlung zum Reinst silicium bestimmten hochtechnischen Verwendungen, wie z. B. Halbleitern, die speziell in Transistoren und integrierten Schaltkreisen Anwendung finden, und (ii) der "Direkten Syn these" (Müller-Rochow-Synthese) zugeführt wird. Bei dieser Synthese wird elementares Silicium mit Methylchlorid am Kupferkatalysator (T = 280-320°C, Wirbelschicht- oder Fließbettreaktor) zum Dimethyldichlorsilan (ca. 95%, Me₂SiCl₂, Siedepunkt 70°C) umgesetzt. Dieses dient als Ausgangsprodukt zur Erzeugung der Silikone, Kunststoffe auf Si-O-Basis, die heute weltweit im Megatonnenmaßstab produ ziert und vielfältig genutzt werden. Nebenprodukte der "Di rekten Synthese" sind neben verschiedenen Chlor- und H-hal tigen Silanen auch Tetramethylsilan (Si(CH₃)₄(TMS)) und Di- und Trisilane, Verbindungen mit Si-Si-Bindung. Die "Direkte Synthese" hat in der heute durchgeführten Technologie drei erhebliche Nachteile: Sie ist (a) relativ kostenintensiv, da die Reduktion des SiO₂ zum Si erheblicher Energiemengen bedarf, und (b) es wird bei der Methylierung wieder Energie frei, die bisher nur unzureichend genutzt wird. Ferner (c) reduzieren die Nebenprodukte die Effizienz, da diese syn thetisch aufwendig in Chlorsilane überführt oder zu pyroge ner Kieselsäure verbrannt werden. Di- und Trisilane müssen darüber hinaus kostenintensiv entsorgt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Energieerzeugung anzugeben, das sich einfach und wirtschaftlich durchführen läßt und bei dem keine Koh lenwasserstoffverbindungen verbrannt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Energieerzeugung durch Verbrennung von Siliciumverbindun gen, die die Bindungen Si-C, Si-O, Si-Si und/oder Si-H auf weisen, gelöst.

Durch Forschungsarbeiten und durchgeführte Messungen wurde festgestellt, daß eine Vielzahl von Siliciumverbindungen, die aus Si-C-, Si-O, Si-Si- und/oder Si-H-Bindungen aufge baut sind, existiert, welche eine Verbrennungswärme aufwei sen, die derjenigen von reinen Kohlenwasserstoffen sehr nahe kommt. Beispielsweise wurde für Tetramethylsilan (TMS) eine Verbrennungswärme gemessen, die 95% der Energiedichte von Decan beträgt. Selbst für ein Cyclosilan, das aus schließlich Si-Si- und Si-H-Bindungen enthält, wurden Werte ermittelt, die zu etwa 75% die Werte für Decan (C₁₀H₂₂) erreichen. Derartige Siliciumverbindungen können daher als Energielieferanten eingesetzt werden, beispielsweise zur Gewinnung von Heizenergie und Antriebsenergie (in Verbren nungsmotoren, Strahlturbinen, Raketentriebwerken etc.).

Mit dem hier verwendeten Begriff "Verbrennung" ist ein Oxi dationsprozeß, d. h. eine Umsetzung mit Sauerstoff, gemeint. Die Verbrennung führt zu Siliciumdioxid (SiO₂) und Wasser (H₂O), d. h. nichttoxischen Substanzen. Kommen Verbindungen zum Einsatz, die Si-C-Bindungen enthalten, fällt als weite res Verbrennungsprodukt Kohlendioxid (CO₂) an. Je höher der Gehalt an Si ist, desto mehr SiO₂ (Sand) wird erzeugt, je höher der C-Gehalt ist, desto mehr CO₂. Durch Design geeig neter Siliciumverbindungen läßt sich das CO₂/SiO₂-Verhält nis variieren. Das gebildete SiO₂ läßt sich sammeln und ggf. recyclen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich somit ein Zyklus "Sand→Energie→Sand" konstruieren, der auch unter einem anderen Aspekt interessant ist: Si-Alkylverbindungen sind, ebenso wie SiO₂, nicht toxisch, selbstentzündlich oder luftempfindlich. Je nach Bedarf und Anwendung läßt sich eine Verbindung mit definiertem Siedepunkt oder -bereich einsetzen. So hat beispielsweise Tetramethylsilan einen Siedepunkt von 25-30°C und entspricht damit demjeni gen von Flüssiggas unter Druck. Als Folge resultiert eine - bei Bedarf - leichte Verdampfbarkeit und damit gezielte Dosierungsmöglichkeit (beispielsweise in Einspritzdüsen oder Einspritzpumpen).

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Herstellung von Silikonen in der vorgeschalteten Müller-Rochow-Synthese anfallende Nebenprodukte verbrannt. Bei dieser Variante werden somit die bisher kostenintensiv zu weiteren Produkten umgesetzten oder kostenintensiv ent sorgten Nebenprodukte eines Verfahrens gezielt zur Energie erzeugung durch Verbrennung eingesetzt. Dabei umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Variante, bei der bei der Herstellung von Silikonen in der vorgeschalteten Müller-Rochow-Synthese anfallende Nebenprodukte zu geeig neten Siliciumverbindungen mit den Bindungen Si-C, Si-O, Si-Si und/oder Si-H weiterverarbeitet werden, die als Ener gieträger dienen.

Vorzugsweise werden erfindungsgemäß Silane, insbesondere Carbosilane, verbrannt: Geeignete Silane sind beispiels weise die folgenden Verbindungen, wobei R einen Organo rest darstellt: SiR₄, (R₂Si)_n, (H₂Si)_n, [R(H)Si]_n, H₃Si(SiR₂)_nSiH₃ und R₃Si(SiH₂)_nSiR₃. Durch geeignete Aus wahl läßt sich das durch die Verbrennung erzielte CO₂/SiO₂- Verhältnis beliebig variieren.

Was die Carbosilane anbetrifft, so läßt sich allgemein fol gendes sagen: Je größer die CH-Kette am Si-Zentrum ist, um so mehr nähert man sich den Energieinhalten entsprechender Kohlenwasserstoffe. Je länger die Si-Kette (in Polysilanen (R₂Si)_n) ist, desto mehr nähert man sich dem 75%-Wert (Ver brennungswärme) des reinen Polysilans.

Die Verwendung von Silanen, insbesondere Carbosilanen, als Energiequelle ist somit für einen Antriebsmotor genauso möglich wie für ein Heizsystem, kurzum für alles, was mit Kohlenwasserstoffen erreicht werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spieles erläutert.

Das bei der "Direkten Synthese" (Müller-Rochow-Synthese) angefallene Tetramethylsilan (Si(CH₃)₄) wurde verbrannt. Die entstandene Verbrennungswärme wurde gemessen, wobei ein Wert ermittelt wurde, der 95% der Energiedichte von Decan (C₁₀H₂₂) entsprach. Das verwendete Carbosilan hatte somit eine mit Kohlenwasserstoffen vergleichbare Energiedichte.

Claims

1. Verfahren zur Energieerzeugung durch Verbrennung von Siliciumverbindungen, die die Bindungen Si-C, Si-O, Si-Si und/oder Si-H aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von Silikonen in einer vorgeschal teten Müller-Rochow-Synthese anfallende Nebenprodukte verbrannt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung von Silikonen in einer vorgeschal teten Müller-Rochow-Synthese anfallende Nebenprodukte zu geeigneten Siliciumverbindungen mit den Bindungen Si-C, Si-O, Si-Si und/oder Si-H weiterverarbeitet wer den.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Silane, insbesondere Carbo silane, verbrannt werden.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß Tetramethylsilan verbrannt wird.