EP2129745A2 - Neuartiger kaskadierter kraftwerksprozess und verfahren zum bereitstellen von reversibel einsetzbaren wasserstoffträgern in einem solchen kraftwerksprozess - Google Patents

Neuartiger kaskadierter kraftwerksprozess und verfahren zum bereitstellen von reversibel einsetzbaren wasserstoffträgern in einem solchen kraftwerksprozess

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Publication number
EP2129745A2
EP2129745A2 EP07857286A EP07857286A EP2129745A2 EP 2129745 A2 EP2129745 A2 EP 2129745A2 EP 07857286 A EP07857286 A EP 07857286A EP 07857286 A EP07857286 A EP 07857286A EP 2129745 A2 EP2129745 A2 EP 2129745A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reaction
silicon
reaction region
energy
partial
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07857286A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Krass
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Silicon Fire AG
Original Assignee
Silicon Fire AG
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Publication date
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Priority claimed from EP07100387A external-priority patent/EP1857640A3/de
Priority claimed from US11/746,608 external-priority patent/US20070264183A1/en
Application filed by Silicon Fire AG filed Critical Silicon Fire AG
Priority to EP07857286A priority Critical patent/EP2129745A2/de
Publication of EP2129745A2 publication Critical patent/EP2129745A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/068—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with silicon
    • C01B21/0682—Preparation by direct nitridation of silicon
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • Novel cascaded power plant process and method for providing reversible hydrogen carriers in such a power plant process are novel cascaded power plant process and method for providing reversible hydrogen carriers in such a power plant process
  • Carbon dioxide (usually called carbon dioxide) is a chemical compound of carbon and oxygen. Carbon dioxide is a colorless and odorless gas. It is a natural constituent of the air at a low concentration and is produced in living beings during cellular respiration, but also in the combustion of carbonaceous substances under sufficient oxygen. Since the beginning of Industrialization increases the CO 2 share in the atmosphere significantly. The main reason for this is man-made - the so-called anthropogenic - C0 2 emissions.
  • the carbon dioxide in the atmosphere absorbs part of the heat radiation. This property makes carbon dioxide a so-called greenhouse gas and is one of the contributors to the greenhouse effect.
  • water glass a mixture of sand with acid or alkali, wherein the water glass is mixed with mineral oils in order to supply the hydrocarbon fraction necessary for the invention (microemulsion process).
  • the invention can also be used particularly advantageously, for example to clean the beaches and sandbanks soiled after a tanker accident.
  • Best suited for this purpose is a vehicle, preferably a ship, which is equipped with one or more reaction areas according to the invention.
  • the polluted sand and heavy oil can be treated on site and converted into valuable products without polluting the environment. At the same time energy is gained.
  • Silicon components are also present in gneiss, mica, granite, shale and bauxite. Consequently, these rocks can also be used.
  • the object of the present invention is to identify such possible raw materials and to describe their technical representation.
  • the chemical considerations used in the process are characterized in that both the silica present in the sands and slates and other mixtures participate in a reaction and a reversible hydrogen carrier is provided.
  • Characteristic of the invention is the cascaded sequence of individual reactions (also referred to herein as energy-matter-cascade coupling or EMF 2 ). These individual reactions are coupled to each other so that either the amount of energy released increases with each reaction step, or other (preferably higher-value or higher-energy) reaction products are provided with each reaction step. For this purpose, the individual reaction areas in which partial reactions take place are thermally and / or connected to one another for the transfer of reactants.
  • EMF 2 energy-matter-cascade coupling
  • the use of the number "1" is not meant that this partial reaction as Possibly, within the scope of this 1st partial reaction, a mixture of one or more of the stated starting materials is used, which have been chemically liquefied by adding an acid or alkali in order to improve, for example, the conveyability through pipes the heating by means of the primary energy supplier, the acid or alkali are recovered.
  • One preferred embodiment of the invention utilizes, inter alia, the fact that silicon (e.g., as a powder at a suitable temperature) can be directly reacted with pure (cold) nitrogen (e.g., nitrogen from ambient air) to silicon nitride after ignition because the reaction is highly exothermic.
  • pure (cold) nitrogen e.g., nitrogen from ambient air
  • the resulting heat can be used in reactors, for example in power plant processes. This conversion of silicon to silicon nitride is referred to here as the 2nd partial reaction.
  • the silicon produced in the novel first partial reaction in power plant processes from oil sands, oil shale, bauxite, gneiss, mica, granite and / or shale is surface-active and could be catalytically treated (eg with magnesium and / or aluminum as catalyst) with hydrogen, with monosilane arises.
  • This conversion from silicon to monosilane is referred to here as 3rd partial reaction.
  • This monosilane can be removed from the reaction space and subjected to another catalytic pressure reaction elsewhere (fourth partial reaction).
  • Si + SiH 4 ⁇ (with cat as Pt oa) ⁇ Si (SiH 4 ) + SiH n (SiH 4 ) m + Si n H m
  • silanes represent longer-chained silanes, which can be used both in the technology of the fuel cell or engines. These silanes are one possible form of a reversible hydrogen carrier.
  • N 2 atmosphere are nitrided at temperatures of about 1400 0 C to silicon nitride Si 3 N 4 in the inventive process also silicon in nitrogen (for example, Si powder).
  • This type of implementation is a variant of the 2nd partial reaction.
  • the silicon nitride can then be converted to NH 3 , for example by hydrolysis.
  • An example of the reaction occurring in such a hydrolysis is given in the following equation:
  • NH 3 and silicon dioxide are formed.
  • the NH 3 is an excellent hydrogen carrier. Since the hydrolysis of silicon nitride proceeds relatively slowly, according to the invention, the silicon nitride is used either as a flake, as a powder or in a porous form. This results in a clear larger surface area, which makes the hydrolysis of the silicon nitride much more efficient and faster. This approach is based on the finding that so-called surface hydrolysis plays an essential role in the hydrolysis of silicon nitride. The targeted enlargement of the surfaces of the silicon nitride thus makes the hydrolysis more efficient.
  • Hydrolysis is referred to herein as the 5th partial reaction.
  • Particularly effective here is the use of Si 3 N 4 nanostructures or crystals, which can be obtained, for example, from a sol-gel process.
  • the energy for the sol-gel process can in turn be taken from one of the partial reactions according to the invention.
  • the silicon, the NH 3 , but also the silanes are excellent energy sources that can be easily transported to a consumer to split off hydrogen there.
  • hydrogen peroxide is more suitable as an energy source.
  • the hydrogen peroxide can be produced in a further partial reaction according to the invention, which is bound to a
  • Power plant process coupled or integrated into such a process.
  • FIG. 1 shows a diagram of a first partial reaction according to the invention
  • FIG. 2 shows a scheme of a second partial reaction according to the invention
  • 3 shows a scheme of a third partial reaction according to the invention
  • 4 shows a diagram of a fourth partial reaction according to the invention
  • 5 is a schematic of a fifth partial reaction according to the invention
  • 6 is a schematic of a sixth partial reaction according to the invention
  • FIG. 7 is a schematic of a seventh partial reaction according to the invention
  • FIG. 8 shows a diagram of an eighth partial reaction according to the invention
  • 9 is a schematic of a ninth partial reaction according to the invention
  • 10 is a schematic of a tenth partial reaction according to the invention
  • 11 is a schematic of an eleventh partial reaction according to the invention
  • FIG. 12 is a schematic of a twelfth partial reaction according to the invention
  • Fig. 13 is a schematic of a thirteenth partial reaction according to the invention
  • Fig. 14 is a schematic of a fourteenth partial reaction according to the invention
  • Fig. 15 is a schematic of a fifteenth partial reaction according to the invention
  • FIG. 16 a diagram of a first example according to the invention.
  • FIG. 17 is a diagram of a second example according to the invention.
  • FIG. 18 is a diagram of a third exemplary embodiment according to the invention.
  • FIG. 19 is a diagram of a fourth example according to the invention.
  • FIG. 20 is a diagram of a fifth example of the invention.
  • Fig. 21 is a diagram of a sixth exemplary according to the invention.
  • a first example relates to the application of the invention in a power plant operation in order to reduce or completely eliminate the CO 2 emission resulting from the generation of energy there.
  • the (partial) reaction (s) according to the invention are (are) designed so that CO 2 is consumed and / or bound in significant amounts.
  • a starting material for example, sand, with mineral oil, heavy oil, tar, and / or asphalt - as
  • Primary energy supplier staggered, or oil shale.
  • brown coal or hard coal brown coal or hard coal, peat, wood, gas.
  • this CO 2 can be the CO 2 exhaust gas which accumulates in large quantities in the energy production from fossil fuels and has hitherto escaped into the atmosphere in many cases.
  • the chamber is additionally supplied at least at the beginning of the first partial reaction (ambient) air.
  • the process steam or hypercritical H 2 O at over 407 ° C are supplied.
  • a high pressure in the corresponding reaction chamber / combustion chamber Especially proven are pressures of 150 bar and more. Particularly preferred is a pressure which is about 300 bar.
  • nitrogen injection is to be provided elsewhere in the process (for example during the 1st partial reaction) or the combustion chamber.
  • the partial reactions catalysts or a type of catalysts can be used.
  • Particularly suitable is aluminum. Under suitable environmental conditions, a reduction takes place in the chamber, which can be represented greatly simplified as follows:
  • the used mineral oil of the sand takes over the role of the primary energy supplier and in the inventive process (ie during the 1st partial reaction) itself pyrolytic at temperatures above 1000 degrees Celsius largely in hydrogen (H 2 ) and a graphite-like mass (eg in the form of coke ) decomposed.
  • H 2 hydrogen
  • a graphite-like mass eg in the form of coke
  • the hydrogen can be coupled according to the invention to one of the already mentioned reversible energy sources (eg in the context of the third partial reaction), as will be explained below by way of examples.
  • it is also possible to use hydrogen in one or more of the partial reactions which is either introduced directly into the process or which originates, for example, from a gaseous alkane or from water or water vapor.
  • Silicon nitride as an energy source In order to be able to provide, for example, powdery or flake-form silicon nitride, the silicon produced in the process (for example during or at the end of the first partial reaction) can be injected or conveyed into a chamber, or it can be introduced from above through a drop zone fall downwards. Nitrogen (for example nitrogen from the ambient air), but preferably pure nitrogen (with 90-100% by volume nitrogen), is blown into this chamber or drop zone. The silicon burns with the nitrogen to silicon nitride, with a temperature of about 1000 0 C, preferably above 1350 0 C should prevail in the chamber. This reaction (2nd part reaction) is highly exothermic. The amount of heat produced during the reaction (2nd partial reaction) (referred to as secondary energy) can either be used to produce more
  • the released amount of heat of the 2nd partial reaction is used to provide the 1st partial reaction with sufficient energy, eg if the originally added primary supplier was consumed), or the amount of heat can be removed from the process ( Partial reaction) are coupled to cascade like to provide additional endothermic processes (eg the 6th partial reaction) with energy. Additionally or alternatively, the but also for heating a medium (for example, water) and thus for driving a gas turbine or steam turbine (conventional energy) are used.
  • a medium for example, water
  • porous silicon nitride can be made by drying the silicon nitride under extreme conditions. Preference is given to an approach in which a type of autoclave is used for drying, in which increased temperature and pressure prevail. The necessary quantity of heat (referred to as secondary energy) can in turn be obtained from the already described exothermic processes (for example from the second partial reaction). The pressure and the temperature should be selected so that the phase boundary between gas and liquid is removed before it then comes to a cooling or drying. In this process, porous silicon nitride is formed (6th partial reaction). However, the 6th partial reaction can also be changed so that in a SoI-GeI process silicon nitride nanostructures or
  • Crystals are formed, which can serve as a reversible energy storage or as a starting material for the provision of NH 3 .
  • an energy-matter-cascade coupling can be carried out according to the following approach.
  • aluminum is added, preferably of liquid or pulverulent aluminum (this aluminum can, for example produced by a 12th partial reaction), and with combustion of oil sand (instead of oil or coal) first with oxygen (O 2 ), but preferably with nitrogen (N 2 ) and possibly aluminum, generates additional heat (Wacker accident) (7 Partial reaction).
  • O 2 oxygen
  • N 2 nitrogen
  • the aluminum deprives the silicon dioxide of the oxygen and is thereby oxidized to aluminum oxide.
  • This partial reaction works particularly well when no or only little oxygen is introduced from the outside, because the oxygen immediately creates a thin skin on the aluminum surface and thus virtually passivates the aluminum. Therefore, an embodiment is particularly preferred in which at least temporarily a nitrogen atmosphere is specified in the reaction region.
  • the pure nitrogen atmosphere is preferably achieved from ambient air by (known from the propane nitration) combustion of the oxygen content of the air with propane gas.
  • propane gas a propane gas
  • Other possible methods include the hollow fiber membrane method, the classical Linde method, or a method using a perovskite membrane.
  • the provision of the nitrogen is referred to as the 8th partial reaction.
  • Bauxite contains about 60 percent aluminum oxide (Al 2 O 3 ), about 30 percent iron oxide (Fe 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ) and water. That is, the bauxite is typically always "contaminated” with the iron oxide (Fe 2 O 3 ) and the silicon oxide (SiO 2 ).
  • Al 2 O 3 can not be used on chemical because of the extremely high lattice energy
  • the production of aluminum is possible, but by the fused salt electrolysis (cryolite-alumina method) of aluminum oxide Al 2 O 3.
  • the Al 2 O 3 is obtained, for example, by the Bayer process.
  • the alumina is melted with cryolite (salt: Na 3 [AIF 6 ]) and electrolyzed.
  • the working temperature is only 940 to 980 0 C.
  • liquid aluminum is produced from the Al 2 O 3 at the cathode and oxygen at the anode.
  • Carbon blacks are used as anodes. These anodes burn off by the resulting oxygen and must be constantly renewed.
  • a plasma that is electrically conductive can be used as the anode. This would replace the conventional anodes with an energetic anode.
  • the plasma may preferably be generated in an area above the tub by a suitable arrangement and control of electrodes. It is considered to be a major drawback of the cryolite-clay process that it is very energy consuming because of the high binding energy of the aluminum. A problem for the environment is the partial formation and emission of fluorine.
  • the bauxite and / or the aluminum oxide can be added to the process in order to achieve cooling of the process.
  • the bauxite and / or aluminum oxide can be used to control the excess heat energy in the system.
  • This is analogous to the process where iron scrap is fed to a molten iron in a blast furnace for cooling, when the molten iron is too hot.
  • Bauxite in blocks which, for example, previously shredded with a shredder (stone mill) into the appropriate size, are brought into the reaction space.
  • a suitable control loop which measures the temperature in the reaction space (for example by means of optical sensors), it is possible to "throw off" further bauxite and / or the alumina when the desired temperature in the reaction space is exceeded.
  • cryolite can be used if the process threatens to get out of control (see Wacker accident), so as to reduce the temperature in the system in terms of a novel cryolite-based emergency cooling.
  • a noble gas emergency flood system which floats in an emergency (or before this occurs), the reaction chamber with inert gas (preferably argon).
  • This noble gas emergency flood system can be used with any of the partial reactions. Further details on the described chemical processes and energy processes can be found on the following pages. Quartz sand can be reacted exothermically with liquid or else pulverulent aluminum according to the textbook Holleman-Wiberg to silicon and aluminum oxide (by-product) (7th partial reaction):
  • silicon carbide can be obtained directly from sand and carbon endothermically at about 2000 ° C. (11th partial reaction):
  • This endothermic process for obtaining silicon carbide for example, can be fed with the heat (secondary energy) that is needed when reacting Silica with aluminum (7th partial reaction) and / or nitrogen (2nd partial reaction) is obtained.
  • the recovery of silicon carbide (10th or 11th partial reaction) can be carried out in the same reaction space or in a downstream or sibling reaction space.
  • magnesium silicide Magnesium reacts with silicon to form magnesium silicide:
  • Magnesium silicide reacts with hydrochloric acid to monosilane SiH 4 and magnesium chloride: Mg 2 Si + 4 HCl (g) ⁇ SiH 4 + 2 MgCl 2
  • the monosilanes are preferably prepared by the process known as the 3rd partial reaction.
  • the route via aluminum silicide or magnesium silicide is to be understood as an alternative.
  • the primary energy supplier may, if not already mixed with the starting material (s) (sand, bauxite, shale, gneiss, mica and / or granite), be preheated separately. For example, you can boil crude oil before mixing it with the source (s).
  • s starting material
  • s sand, bauxite, shale, gneiss, mica and / or granite
  • the furnace may be provided with external or internal heating means in order to be able to supply the heat necessary for starting the reactions (eg 1st partial reaction) to the system.
  • Particularly suitable are so-called induction furnaces.
  • the reaction of the starting material (s) is initiated by contacting silicon (for example in powder form) with nitrogen and / or aluminum (in powder or liquid form).
  • silicon for example in powder form
  • nitrogen and / or aluminum in powder or liquid form.
  • the silicon used here can initially have been obtained in a first partial reaction.
  • a part of the silicon formed can be stored in order later to no longer have to start the cascade processes according to the invention with a primary energy supplier, which in turn produces CO 2 .
  • the flue gases that arise in this process can be brought back into the reaction chamber via a return line or a return channel.
  • a return line or a return channel is particularly suitable.
  • an introduction of the flue gas so that the sand, bauxite, slate, gneiss, mica or granite flows around or flowed through by the flue gas.
  • the flue gas Only when the hydrocarbon-containing primary energy supplier in the 1st partial reaction is "used up" can the flue gas be sent to a cooling tower or to downstream purification plants (for example a desulphurisation plant) or a filter.
  • Water glass is a water-soluble alkali silicate. They are glassy, that is amorphous, non-crystalline compounds, which are typically the following
  • sodium silicate, potassium silicate, but also aluminosilicate (also called aluminosilicates) or mixtures of two or more of these silicates can be used.
  • silicon behaves chemically similar to silicon
  • a combination of the processes where silicon compounds (here called silicon products) and aluminum compounds are used is particularly advantageous.
  • silicon compounds here called silicon products
  • aluminum compounds are particularly advantageous.
  • aluminosilicates comprising SiO 2 and Al 2 O 3 is particularly preferred.
  • the silicates or the water glass per se may serve as starting material for the processes of this invention, or they may, for example, be mixed with sand or the other starting materials (14th reaction) to give a more suitable starting material (called starting material I) e.g. for the 2nd partial reaction.
  • Silicate or the water glass can also be used with one or more of the
  • This solution is chosen according to the invention so that the concentration of H 2 O 2 is below the critical concentration limit. Then, this solution is transported to a consumer (gas station, end user). By splitting off hydrogen and / or oxygen from the solution, energy can be generated at the consumer by using the hydrogen and / or oxygen as the energy supplier and / or fuel.
  • oxygen is preferably used which is taken either from the (ambient) air, from CO 2 offgas of the power plant process, or from a silicon dioxide reduction process (1st partial reaction), as described above.
  • the H 2 O 2 is particularly well suited as an energy supplier or fuel.
  • Invention have been produced in a variety of ways to a consumer and carried way (eg by a transport vehicle), this transport is absolutely easy, since the hydrogen carriers are relatively uncritical in handling.
  • hydrogen and / or oxygen can be split off from the reversibly usable hydrogen carrier.
  • the hydrogen can then be used in a fuel cell, for example.
  • a first embodiment is shown.
  • two vertically operating kilns 10 and 20 eg blast furnaces
  • the first kiln 10 has an exit area 11 and the second kiln 20 has an exit area 21 for the respective exhaust gases (flue gas).
  • the first kiln 10 is charged with a fossil fuel 12 (eg, hard coal) and the fossil fuel is burned with oxygen (eg, atmospheric oxygen).
  • oxygen eg, atmospheric oxygen
  • a large amount of heat is released, which is passed partly through a heat exchanger 13 to a medium (eg water) to drive turbines with the resulting steam and thus to gain power.
  • the various reactions are cascaded.
  • a heat coupling takes place with the second kiln 20, that is, the two furnaces 10 and 20 are thermally coupled directly or indirectly with each other, which is indicated in Fig. 16 by the arrow Wl.
  • the thermal coupling can be realized in this and the other embodiments in that both ovens are wall to wall.
  • the coupling can also be effected by means of a suitable passive (for example by means of heat conductor) or active thermal bridge (for example by means of a heat exchanger and a corresponding transport medium).
  • one of the silica-containing raw materials 22 is heated by the heat quantity Wl provided from the first furnace 10. That is, the reaction taking place in the first furnace 10 serves, as it were, as a primary energy supplier for a first partial reaction of the invention.
  • the silicon dioxide is converted to silicon.
  • air with the usual nitrogen content (or pure nitrogen) may be introduced into the furnace 20 through a lance 24 or equivalent. It is obvious that the place of introduction can also be chosen differently.
  • the silicon reacts with the nitrogen to form silicon nitride (see 2nd part reaction).
  • This reaction is highly exothermic and it may be the heat produced in part or all over a heat exchanger 23 to a medium (eg water) to be used to drive turbines with the resulting steam and thus to gain electricity.
  • a medium eg water
  • this secondary heat is in turn used to assist or facilitate a further partial reaction.
  • there may be a reaction zone 30 which receives the resulting silicon nitride from the second partial reaction and converts it to porous silicon nitride, silicon flake or silicon powder while supplying heat and / or further reactants and / or pressure , which has a significantly larger volume and a much larger surface area.
  • This 6th partial reaction can be assisted or made possible by a suitable thermal coupling by the secondary heat of the second partial reaction, which is indicated in FIG. 16 by the arrow W2.
  • the silicon nitride can, as indicated in Fig. 16 by a freight car 31, be removed.
  • CO 2 can be introduced into the furnace 20 (this step is optional).
  • Lead oven 20 or it can be introduced from the ambient air and CO 2 reduced, ie "harmless" made.
  • a second embodiment is shown.
  • a vertical kiln 20 is provided.
  • one of the silica-containing feedstocks 22 is heated by the burning of a primary energy source (eg, fossil fuels, oil, and / or tar).
  • a primary energy source eg, fossil fuels, oil, and / or tar.
  • this first partial reaction of the invention arises, inter alia, silicon.
  • the silicon can also react with carbon to form SiC (see 10th partial reaction).
  • the carbon may come from the fossil fuels or from CO 2 , which may optionally be introduced into the furnace 20 (eg, by a feeder 25).
  • This partial reaction is also exothermic, but gives off significantly less heat than the 2nd partial reaction.
  • CO 2 can be introduced into the furnace 20.
  • this secondary heat W2 is in turn used to support or facilitate a further partial reaction.
  • this secondary heat W2 is in turn used to support or facilitate a further partial reaction.
  • this further reaction can be assisted or made possible by a suitable thermal coupling by the secondary heat of the 10th partial reaction, which is indicated in FIG. 17 by the arrow W2.
  • the silicon carbide or the refined silicon carbide can, as indicated in Fig. 17 by a freight car 31, be removed.
  • a third embodiment is shown.
  • a vertical kiln 20 is provided.
  • one of the silica-containing starting materials 22 is burned by burning a Primary energy suppliers (eg fossil fuels oil and / or tar) heated.
  • a Primary energy suppliers eg fossil fuels oil and / or tar
  • this first partial reaction of the invention arises, inter alia, silicon.
  • silicon nitride and heat are formed by the introduction of nitrogen. This partial reaction is highly exothermic.
  • aluminum oxide 42 (with or without cryolite) is used as the coolant in a separate reaction zone 40 which at least partially encloses the furnace 20.
  • the alumina 42 can be filled from above and, due to the high heat that the furnace 20 discharges, turns into liquid aluminum 43 which, for example, can flow downwards. This conversion (reduction process) takes place when 40 electrodes for (melt flow) electrolysis are provided in the reaction area.
  • Reaction area 40 comprises, for (melt flow) electrolysis, e.g. a steel tub lined with carbon material. These details are not shown in FIG.
  • this tub is liquid electrolyte (alumina with or without cryolite).
  • Anodes e.g., carbon blocks
  • the tub serves as a cathode and is connected to the negative pole.
  • the aluminum reduced in this 12th part reaction is heavier than the electrolyte and therefore accumulates at the bottom of the trough. From there it becomes e.g. withdrawn with a suction tube.
  • the starting material for this electrolysis is bauxite, a mixture of clay minerals such as alumina and aluminum hydroxide (Al (OH) 3 ). Silica is often present in bauxite. Initially, the bauxite is typically separated from the contained iron oxides (eg with the Bayer process). In addition, it is customary to separate the silicon oxide which "contaminates" the bauxite. According to the invention, it is not absolutely necessary to carry out this complicated separation of the constituents of the mixture, since sufficient energy is present in the process and it is not primarily a question of the representation of pure aluminum.
  • the bauxite (with or without the above ingredients of the batch) can be diluted with water to produce aluminum hydroxide. It may be the bauxite but also (C and high pressure at about 407 0) are mixed with water vapor or hypercritical water to produce aluminum hydroxide.
  • This alumina, with or without cryolite, is then subjected to (melt flow) electrolysis as described.
  • aluminum 43 in liquid or powder form is added to the silica 22 in a reaction zone (e.g., the reaction zone of the furnace 20).
  • This addition of aluminum is indicated in FIG. 19 by the arrow 46.
  • the aluminum is recovered in a 12th partial reaction by means of (melt flow) electrolysis carried out in a reaction region 40 in the form of a well lined with carbon material 44.
  • a high current is applied to the anode (s) and the carbon material 44 serving as a cathode
  • aluminum 43 is formed from the aluminum oxide 42 (with or without cryolite).
  • the aluminum 43 settles and can be withdrawn through a suction tube to the top, or removed by a downpipe 45 down. From this sampling point, the liquid aluminum can be brought into the reaction zone of the furnace 20 to extract the oxygen from the silicon dioxide.
  • a nitrogen atmosphere prevails in the furnace 20.
  • thermite reaction a redox reaction in which aluminum is used as a reducing agent, for example to reduce iron oxide to iron
  • the aluminum is used here as a reducing agent to wrest the oxygen from the silicon dioxide.
  • This reaction (7th reaction) is highly exothermic and gives off an enormous amount of heat. This amount of heat can in turn be used in the parallel process of producing the Aluminum (12th partial reaction) are coupled and / or the amount of heat can be used to generate electricity (by means of heat exchanger 23).
  • FIGS. 20 and 21 Two further possible embodiments are shown schematically in FIGS. 20 and 21. In both cases ovens are used, which are horizontally or slightly inclined.
  • the inventive energy-matter-cascade coupling (EMF 2 ) is characterized by the fact that processes take place as in dissipative structures beyond the thermal equilibrium, such as in living structures of cells and organisms.
  • silicon products are produced.
  • the term silicon product is used to describe the following (intermediate) products: silicon nitride (eg as a powder, in flake form or in a porous form); Silicon (eg flakes or as a powder); silicon carbide; Monosilane or longer chain silanes; aluminum silicide; magnesium silicide; SiCl 2 ; SiCl 4 ;
  • silicon with other elements such as aluminum, calcium or magnesium (silicates). These silicon products have hitherto only been produced in chemically very pure form for use, for example, in the semiconductor industry. Pure silicon, for example, has a purity of 98 - 99.5% and even up to 99.9999999%. So far, the potential of these materials as an energy carrier (or supplier) has not been recognized. When the production of these silicon products is carried out in a power plant or power plant-like process, large quantities can be produced at relatively favorable conditions. A particular advantage of silicon products is seen in the fact that these silicon products, depending on the reactants, are feasible to SiO 2 , a substance that is absolutely environmentally friendly and easy to use.
  • the silicon products made according to the invention in a power plant or power plant-like process have a purity of between 50-97%. Silicon products with a purity of between 75% and 97% have proven to be particularly suitable. Such silicon products can be produced inexpensively and in large quantities in large-scale technical facilities and are also suitable as problem-free energy carriers (or suppliers).

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Abstract

Die Rohölvorräte sind berechenbar zeitlich begrenzt. Bevorzugt kommen siliziumdioxidhaltige Ausgangsstoffe als Rohstoffe zum Einsatz.

Description

Neuartiger kaskadierter Kraftwerksprozess und Verfahren zum Bereitstellen von reversibel einsetzbaren Wasserstoffträgern in einem solchen Kraftwerksprozess
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Europäischen Patentanmeldung 06 126 325.7, die am 18.12.2006 beim EPA eingereicht wurde und die Priorität der US-Anmeldung 11/746,608, die am 9. Mai 2007 eingereicht wurde. Außerdem beansprucht die vorliegende Anmeldung die Priorität der Europäischen Patentanmeldung 07 100 387.5, die am 11.1.2007 beim EPA eingereicht wurde und die Priorität der US-Anmeldung 11/746,620, die am 9. Mai 2007 eingereicht wurde.
Kohlenstoffdioxid (meist Kohlendioxid genannt) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Kohlendioxid ist ein färb- und geruchloses Gas. Es ist mit einer geringen Konzentration ein natürlicher Bestandteil der Luft und entsteht in Lebewesen bei der Zellatmung, aber auch bei der Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Substanzen unter ausreichendem Sauerstoff. Seit Beginn der Industrialisierung steigt der CO2-Anteil in der Atmosphäre deutlich an. Hauptursache hierfür sind die vom Menschen verursachten - die sogenannten anthropogenen - C02-Emissionen.
Das Kohlendioxid in der Atmosphäre absorbiert einen Teil der Wärmestrahlung. Diese Eigenschaft macht Kohlendioxid zu einem so genannten Treibhausgas und ist einer der Mitverursacher des Treibhauseffekts.
Aus diesen und auch aus anderen Gründen wird zur Zeit in verschiedenste Richtungen geforscht und entwickelt, um einen Weg zu finden, um die anthropogenen C02-Emissionen zu reduzieren. Besonders im Zusammenhang mit der Energieerzeugung, die häufig durch das Verbrennen fossiler Energieträger, wie Kohle oder Gas, erfolgt, aber auch bei anderen Verbrennungsprozessen, zum Beispiel bei der Müllverbrennung, besteht ein großer Bedarf zur CO2 Reduktion. Es werden pro Jahr hunderte von Millionen Tonnen CO2 durch solche Prozesse in die Atmosphäre abgegeben.
Die zur Erzeugung von Wärme benötigten Verbrennungsstoffe erzeugen, wie eingangs erläutert, CO2. Bisher ist niemand auf die Idee gekommen, den in ölhaltigen Sanden (SiO2), ölhaltigen Schiefern (SiO2 + [CO3 ]2), in Bauxit oder teerhaltigen Sanden oder Schiefern, und anderen Gemischen vorhandenen Sand zu nutzen, um einerseits den CO2 Ausstoß zu reduzieren und um andererseits aus den Produkten eines solchen neuartigen Verfahrens neue Rohstoffe und vor allem Energie zu gewinnen.
Anstatt natürlich vorkommende Gemische aus Sand und Öl in diesem neuartigen Verfahren einzusetzen, können auch kohlenwasserstoffhaltige industrielle oder natürliche Abfälle, eventuell nach Vermengung mit Sand, eingesetzt werden. Es ist auch denkbar, statt des Ölanteils natürlichen Asphalt (auch Erdpech genannt) einzusetzen. Besonders bevorzugt ist ein Gemisch aus Asphalt mit reinem Sand oder mit Bauschutt, der Sandanteile enthält.
Es kann aber auch sogenanntes Wasserglas, eine Mischung aus Sand mit Säure oder Lauge, eingesetzt werden, wobei das Wasserglas mit mineralischen Ölen versetzt wird, um den für die Erfindung notwendigen Kohlenwasserstoffanteil zu liefern (Mikroemulsionsverfahren).
Die Erfindung kann auch besonders vorteilhaft eingesetzt werden, um zum Beispiel die nach einem Tankerunfall verschmutzten Strände und Sandbänke zu reinigen. Am besten eignet sich dazu ein Fahrzeug, vorzugsweise ein Schiff, das mit einer oder mehreren Reaktionsbereichen gemäss Erfindung ausgestattet ist. Somit kann vor Ort der verschmutzte Sand samt Schweröl aufbereitet und in wertvolle Produkte umgewandelt werden, ohne die Umwelt zu belasten. Zur gleichen Zeit wird Energie gewonnen.
Die Vorräte an ölhaltigen Sanden (SiO2) und Schiefern (SiO2 + [CO3 ]2) übersteigen bekanntlich die Weltölvorräte um ein Mehrfaches. Die zur Anwendung kommenden technischen Verfahren, Öl und Minerale zu trennen, sind gegenwärtig uneffektiv und zu teuer. Natürlicher Asphalt kommt an mehreren Stellen der Erde vor, wird aber im kommerziellen Massstab zur Zeit hauptsächlich in Trinidad abgebaut. Sand ist ein natürlich vorkommendes, un verfestigtes Sedimentgestein und kommt in mehr oder weniger großer Konzentration überall auf der Erdoberfläche vor. Ein Großteil der Sandvorkommen besteht aus Quarz (Siliziumdioxid; SiO2).
Siliziumbestandteile sind aber auch in Gneis, Glimmer, Granit, Schiefer und Bauxit vorhanden. Folglich können auch diese Gesteine eingesetzt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, solche möglichen Rohstoffe zu benennen und ihre technische Darstellung zu beschreiben. Die beim Verfahren zum Einsatz kommenden chemischen Überlegungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das in den Sanden und Schiefern und anderen Gemischen vorhandene Silizium an einer Reaktion teilnehmen, sowie ein reversibler Wasserstoffträger bereitgestellt wird.
Kennzeichnend für die Erfindung ist der kaskadierte Ablauf einzelner Reaktionen (hier auch als Energie-Materie-Kaskaden-Kopplung oder EMK2 bezeichnet). Diese einzelnen Reaktionen sind so miteinander gekoppelt, dass mit jedem Reaktionsschritt entweder die frei gesetzte Energiemenge zunimmt, oder dass mit jedem Reaktionsschritt andere (vorzugsweise höherwertige oder energiereichere) Reaktionsprodukte bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck sind die einzelnen Reaktionsbereiche, in denen Teilreaktionen ablaufen, thermisch und/oder für die Übergabe von Reaktanten miteinander verbunden.
Andererseits ist es eine Aufgabe, alternative Lösungsansätze für das Erzeugen und Bereitstellen von Energie in Form reversibler Wasserstoffträger, die gefahrlos transportierbar sind und das Bereitstellen des Wasserstoffs beim Verbraucher anzubieten.
Gemäss Erfindung wird in einer sogenannten 1. Teilreaktion in einem Kraftwerksprozess aus einem oder mehreren der Ausgangsstoffe Ölsand, Ölschiefer, Bauxit, Gneis, Glimmer, Granit, Schiefer, Silizium gewonnen, die Verwendung der Zahl „1" soll nicht bedeutet, dass diese Teilreaktion als erstes ausgeführt wird. Eventuell kommt im Rahmen dieser 1. Teilreaktion ein Gemenge aus einem oder mehreren der genannten Ausgangsstoffen zum Einsatz, die durch Zugabe einer Säure oder Lauge chemisch verflüssigt wurden, um zum Beispiel die Förderbarkeit durch Rohre zu verbessern. In diesem Fall kann durch das Erhitzen mittels des Primärenergielieferanten die Säure oder Lauge wieder zurückgewonnen werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nutzt unter anderem die Tatsache, dass Silizium (z.B. als Pulver bei geeigneter Temperatur) nach Zündung direkt mit reinem (kaltem) Stickstoff (z.B. Stickstoff aus der Umgebungsluft) zu Siliziumnitrid umgesetzt werden kann, weil die Reaktion stark exotherm ist. Die hierbei anfallende Wärme kann in Reaktoren, zum Beispiel in Kraftwerksprozessen, zum Einsatz kommen. Diese Umsetzung von Silizium zu Siliziumnitrid wird hier als 2. Teilreaktion bezeichnet.
Das in der erfindungsgemässen 1. Teilreaktion in Kraftwerksprozessen aus Ölsand, Ölschiefer, Bauxit, Gneis, Glimmer, Granit und/oder Schiefer entstehende Silizium ist oberflächenaktiv und könnte katalytisch (z.B. mit Magnesium und/oder Aluminium als Katalysator) mit Wasserstoff behandelt werden, wobei Monosilan entsteht. Diese Umsetzung von Silizium zu Monosilan wird hier als 3. Teilreaktion bezeichnet. Dieses Monosilan kann dem Reaktionsraum entnommen werden und an anderer Stelle ein weiteres Mal einer katalytischen Druckreaktion unterzogen werden (4. Teilreaktion). Hier lassen sich nach der Gleichung
Si + SiH4 →(mit Kat wie Pt o.a.) →Si(SiH4)+ SiHn(SiH4)m + SinHm
längerkettige Silane darstellen, die sowohl in der Technik der Brennstoffzelle oder bei Motoren zur Anwendung kommen können. Diese Silane sind eine mögliche Form eines reversiblen Wasserstoffträgers.
Es kann aber in dem erfindungsgemässen Prozess auch Silizium (zum Beispiel Si- Pulver) in Stickstoff (N2)-Atmosphäre bei Temperaturen von ca. 1.400 0C zu Siliziumnitrid Si3N4 nitridiert werden. Diese Art der Umsetzung ist eine Variante der 2. Teilreaktion.
Das Siliziumnitrid kann dann, zum Beispiel mittels Hydrolyse, in NH3 umgewandelt werden. Ein Beispiel für die bei einer solchen Hydrolyse ablaufende Reaktion ist in der folgenden Gleichung gegeben :
Si3N4 + 6 H2O -» 3 SiO2 + 4 NH3
Es entstehen also bei dieser Umsetzung NH3 und Siliziumdioxid. Das NH3 ist ein hervorragender Wasserstoffträger. Da die Hydrolyse von Siliziumnitrid relativ langsam abläuft, wird gemäss Erfindung das Siliziumnitrid entweder als Flocken, als Pulver oder in poröser Form eingesetzt. Dadurch ergibt sich eine deutlich größere Oberfläche, was die Hydrolyse des Siliziumnitrids sehr viel effizienter und schneller macht. Dieser Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass bei Hydrolyse des Siliziumnitrids die sogenannte Oberflächenhydrolyse eine wesentliche Rolle spielt. Durch die gezielte Vergösserung der Oberflächen des Siliziumnitrids wird die Hydrolyse somit effizienter. Die Umsetzung von Siliziumnitrid zu NH3 mittels
Hydrolyse wird hier als 5. Teilreaktion bezeichnet. Besonders effektiv ist hier der Einsatz von Si3N4 Nanostrukturen oder -kristallen, die man zum Beispiel aus einem SoI-GeI Prozess gewinnen kann. Die Energie für den SoI-GeI Prozess kann wiederum einer der erfindungsgemässen Teilreaktionen entnommen werden.
Das Silizium, das NH3, aber auch die Silane sind hervorragende Energielieferanten, die problemlos zu einem Verbraucher befördert werden können, um dort Wasserstoff abzuspalten. Besser geeignet ist jedoch Wasserstoffperoxid als Energielieferant. Das Wasserstoffperoxid kann in einer weiteren erfindungsgemässen Teilreaktion erzeugt werden, die an einen
Kraftwerksprozess angekoppelt oder in einen solchen Prozess integriert ist. Das gleiche gilt auch für die Herstellung von Silizium, NH3 oder Silane, die auch in einen solchen Kraftwerksprozess integriert oder an einen solchen Prozess gekoppelt werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
In den Zeichnungen sind verschiedene Aspekte der Erfindung schematisch dargestellt, wobei die Zeichnungen zeigen :
Fig. 1 : ein Schema einer ersten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 2: ein Schema einer zweiten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 3: ein Schema einer dritten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 4: ein Schema einer vierten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 5: ein Schema einer fünften erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 6: ein Schema einer sechsten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 7: ein Schema einer siebten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 8: ein Schema einer achten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 9: ein Schema einer neunten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 10: ein Schema einer zehnten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 11 : ein Schema einer elften erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 12: ein Schema einer zwölften erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 13: ein Schema einer dreizehnten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 14: ein Schema einer vierzehnten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 15: ein Schema einer fünfzehnten erfindungsgemässen Teilreaktion; Fig. 16: ein Schema einer ersten beispielhaften erfindungsgemässen
Ausführungsform; Fig. 17: ein Schema einer zweiten beispielhaften erfindungsgemässen
Ausführungsform;
Fig. 18: ein Schema einer dritten beispielhaften erfindungsgemässen Ausführungsform;
Fig. 19: ein Schema einer vierten beispielhaften erfindungsgemässen
Ausführungsform; Fig. 20: ein Schema einer fünften beispielhaften erfindungsgemässen
Ausführungsform; Fig. 21 : ein Schema einer sechsten beispielhaften erfindungsgemässen
Ausführungsform. Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen beschrieben. Ein erstes Beispiel bezieht sich auf die Anwendung der Erfindung in einem Kraftwerksbetrieb, um dort den bei der Energiegewinnung anfallenden CO2- Ausstoss zu reduzieren oder ganz zu eliminieren.
Gemäss Erfindung geht es um eine Reihe von gezielt ablaufenden chemischen Reaktionen, bei denen aus den Ausgangsstoffen (auch Edukte oder Reaktanten genannt) neue chemische Verbindungen (Produkte genannt) entstehen. Die erfindungsgemässen (Teil-)Reaktion(en) ist(sind) so ausgelegt, dass CO2 in deutlichen Mengen verbraucht und/oder gebunden wird.
Als Ausgangstoff eingesetzt wird in einem ersten Ausführungsbeispiel zum Beispiel Sand, der mit Mineralöl, Schweröl, Teer, und/oder Asphalt - als
Primärenergielieferanten - versetzt ist, oder Ölschiefer. Es können aber auch einer oder mehrere der folgenden Primärenergielieferanten eingesetzt werden : Braun-, oder Steinkohle, Torf, Holz, Gas.
Diese Ausgangsstoffe werden einer Reaktionskammer, zum Beispiel in Form eines Nachbrenners oder einer Brennkammer, zugeführt. In diese Kammer wird CO2 eingeblasen. Dieses CO2 kann in dem ersten Ausführungsbeispiel das CO2- Abgas sein, das bei der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen in grossen Mengen anfällt und bisher in vielen Fällen in die Atmosphäre entweicht. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, wird der Kammer zusätzlich mindestens am Anfang der 1. Teilreaktion (Umgebung-)Luft zugeführt. Anstatt der Umgebungsluft, oder zusätzlich zur Umgebungsluft kann dem Verfahren Dampf oder hyperkritisches H2O bei über 407° C zugeführt werden. Um das hyperkritisches H2O jedoch erfolgreich in den ablaufenden Prozess einbinden zu können, wird vorzugsweise mit einem hohen Druck in dem entsprechenden Reaktionsraum/Brennraum gearbeitet. Besonders bewährt haben sich Drücke von 150 bar und mehr. Besonders bevorzugt ist ein Druck, der bei ca. 300 bar liegt.
Weiterhin ist das Einblasen von Stickstoff an anderer Stelle im Verfahren (z.B. während der 1. Teilreaktion), respektive der Brennkammer vorzusehen.
Außerdem können bei einem oder mehreren der Teilreaktionen Katalysatoren, oder eine Art von Katalysatoren zum Einsatz kommen. Besonders geeignet ist Aluminium. Unter geeigneten Umgebungsbedingungen findet in der Kammer eine Reduktion statt, die wie folgt stark vereinfacht dargestellt werden kann :
SiO2 red > Si
Dass heisst, es wird der in dem/den Ausgangstoff/en vorhandene Quarzanteil umgewandelt in kristallines Silizium (1. Teilreaktion).
Das zum Einsatz kommende Mineralöl der Sande übernimmt die Rolle des Primärenergielieferanten und wird im erfindungsgemässen Verfahren (d.h. während der 1. Teilreaktion) selber pyrolytisch bei Temperaturen über 1000 Grad Celsius weitgehend in Wasserstoff (H2) und eine graphitähnliche Masse (z.B. in Form von Koks) zerlegt. Es können aber auch die anderen Primärenergielieferanten zusammen mit dem/den Ausgangstoff/en in analoger Weise eingesetzt werden. Es wird also bei der ablaufenden 1. Teilreaktion der Kohlenwasserstoffkette des Primärenergielieferanten der Wasserstoff entzogen. Der Wasserstoff kann gemäss Erfindung an einen der bereits genannten reversiblen Energieträger (z.B. im Rahmen der 3. Teilreaktion) angekoppelt werden, wie im Folgenden anhand von Beispielen erläutert wird. Es kann aber auch Wasserstoff in einer oder mehreren der Teilreaktionen eingesetzt werden, der entweder direkt ins Verfahren eingebracht wird, oder der zum Beispiel aus einem gasförmigen Alkan oder aus Wasser, bzw. Wasserdampf stammt.
Siliziumnitrid als Energieträger: Um zum Beispiel pulver- oder flockenförmiges Siliziumnitrid bereitstellen zu können, kann das im Prozess (z.B. während oder am Ende der 1. Teilreaktion) entstehende Silizium in eine Kammer eingespritzt oder gefördert werden, oder es kann von oben her durch eine Fallstrecke hindurch abwärts fallen. In diese Kammer oder Fallstrecke wird Stickstoff (z.B. Stickstoff aus der Umgebungsluft), vorzugsweise aber reiner Stickstoff (mit 90 - 100 Vol.-% Stickstoff), eingeblasen. Das Silizium verbrennt dabei mit dem Stickstoff zu Siliziumnitrid, wobei eine Temperatur von über 10000C, vorzugsweise über 13500C in der Kammer herrschen sollte. Diese Reaktion (2. Teilreaktion) ist stark exotherm. Die bei der Reaktion (2. Teilreaktion) entstehende Wärmemenge (als Sekundärenergie bezeichnet) kann entweder eingesetzt werden, um weitere
Ausgangstoff(e) zu erhitzen (in diesem Fall wird die frei werdende Wärmemenge der 2. Teilreaktion eingesetzt, um die 1. Teilreaktion mit ausreichender Energie zu versorgen, z.B. falls der ursprünglich zugegebene Primärlieferant verbraucht wurde), oder die Wärmemenge kann aus dem Prozess (2. Teilreaktion) ausgekoppelt werden, um kaskadenartig weitere endotherme Prozesse (z.B. die 6. Teilreaktion) mit Energie zu versorgen. Zusätzlich oder alternativ kann die anfallende Wärmemenge aber auch zum Erhitzen eines Mediums (zum Beispiel Wasser) und somit zum Antreiben einer Gasturbine oder Dampfturbine (konventionelle Energiegewinnung) eingesetzt werden.
Poröses Siliziumnitrid kann zum Beispiel dadurch hergestellt werden, dass man das Siliziumnitrid unter extremen Bedingungen trocknet. Bevorzugt ist ein Ansatz, bei dem zur Trocknung eine Art Autoklav benutzt wird, in dem erhöhte Temperatur und Druck herrschen. Die notwendige Wärmemenge (als Sekundärenergie bezeichnet) kann wiederum aus den bereits beschriebenen exothermen Prozessen (z.B. aus der 2. Teilreaktion) gewonnen werden. Der Druck und die Temperatur sollten so gewählt werden, dass die Phasengrenze zwischen Gas und Flüssigkeit aufgehoben wird, bevor es dann zu einer Abkühlung respektive Trocknung kommt. In diesem Prozess entsteht poröses Siliziumnitrid (6. Teilreaktion). Die 6. Teilreaktion kann aber auch so verändert werden, dass in einem SoI-GeI Prozess Siliziumnitrid-Nanostrukturen oder
-kristalle entstehen, die als reversibler Energiespeicher oder als Ausgangsstoff zur Bereitstellung von NH3 dienen können.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung im Zusammenhang mit einem Pyrolyseverfahren der Firma Pyromex AG, Schweiz, angewendet. Die vorliegende Erfindung kann aber auch als Ergänzung oder Alternative zu dem sogenannten Oxyfuel-Verfahren™ eingesetzt werden. So kann zum Beispiel mittels der vorliegenden Erfindung eine Energie-Materie-Kaskaden-Kopplung (EMK2) nach folgendem Ansatz durchgeführt werden. In Abwandlung des Oxyfuel-Verfahrens wird unter Zugabe von Aluminium, vorzugsweise von flüssigem oder pulverförmigem Aluminium (dieses Aluminium kann zum Beispiel mittels einer 12. Teilreaktion erzeugt werden), und unter Verbrennung von Ölsand (statt Öl oder Kohle) zuerst mit Sauerstoff (O2), dann vorzugsweise aber mit Stickstoff (N2) und ggf. Aluminium, zusätzliche Hitze erzeugt (Wackerunfall) (7. Teilreaktion). Hier kann aber auch aufgrund der großen Wärme, die bei der exothermen 7. Teilreaktion entsteht, das Öl oder die Kohle als Primärenergielieferant weggelassen werden.
Bei der 7. Teilreaktion entzieht das Aluminium dem Siliziumdioxid den Sauerstoff und wird dabei zu Aluminiumoxid oxidiert. Diese Teilreaktion funktioniert besonders gut, wenn kein oder nur wenig Sauerstoff von außen eingebracht wird, da der Sauerstoff sofort eine dünne Haut auf der Aluminiumoberfläche erzeugt und damit das Aluminium quasi passiviert. Daher ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei der im Reaktionsbereich mindestens temporär eine Stickstoffatmosphäre vorgegeben wird.
Im Bedarfsfall der Stickstoffkopplung an Siliziumverbindungen, wird vorzugsweise die reine Stickstoffatmosphäre aus Umgebungsluft durch (aus der Propannitrierung bekannt) Verbrennung des Sauerstoffanteils der Luft mit Propangas erreicht. Es gibt aber auch andere Wege, um eine Trennung von Sauerstoff und Stickstoff zu erreichen. Als weitere mögliche Verfahren sind das Hohlfasermembran-Verfahren, das klassische Linde-Verfahren, oder ein Verfahren genannt, das mit einer Perowskit-Membran arbeitet. Das Bereitstellen des Stickstoffs wird als 8. Teilreaktion bezeichnet.
Gemäss Erfindung kann Aluminium zum Einsatz kommen, wie bereits erwähnt. Eine wirtschaftliche Gewinnung von Aluminium ist zur Zeit nur aus Bauxit möglich. Bauxit enthält ca. 60 Prozent Aluminiumoxid (AI2O3), ca. 30 Prozent Eisenoxid (Fe2O3), Siliziumoxid (SiO2) und Wasser. D.h., das Bauxit ist typischerweise stets mit dem Eisenoxid (Fe2O3) und dem Siliziumoxid (SiO2) „verunreinigt".
AI2O3 lässt sich wegen der extrem hohen Gitterenergie nicht auf chemischem
Wege zu Aluminium reduzieren. Technisch gelingt die Herstellung von Aluminium aber durch die Schmelzflusselektrolyse (Kryolith-Tonerde-Verfahren) von Aluminiumoxid AI2O3. Das AI2O3 wird zum Beispiel durch das Bayer-Verfahren gewonnen. Beim Kryolith-Tonerde-Verfahren wird das Aluminiumoxid mit Kryolith (Salz: Na3[AIF6]) geschmolzen und elektrolysiert. Um nicht bei hohen Schmelztemperaturen des Aluminiumoxids von 20000C arbeiten zu müssen, wird das Aluminiumoxid in einer Schmelze von Kryolith gelöst. Im Verfahren liegt damit die Arbeitstemperatur nur bei 940 bis 9800C.
Bei der Schmelzflusselektrolyse entsteht aus dem AI2O3 an der Kathode flüssiges Aluminium und an der Anode Sauerstoff. Als Anoden kommen Kohleblöcke (Graphit) zum Einsatz. Diese Anoden brennen durch den entstehenden Sauerstoff ab und müssen dauernd erneuert werden.
Alternativ kann ein Plasma, das elektrisch leitend ist, als Anode eingesetzt werden. Damit würden die konventionellen Anoden ersetzt durch eine energetische Anode. Das Plasma kann vorzugsweise in einem Bereich oberhalb der Wanne durch eine geeignet Anordnung und Ansteuerung von Elektroden erzeugt werden. Es wird als ein wesentlicher Nachteil des Kryolith-Tonerde-Verfahrens angesehen, dass es wegen der hohen Bindungsenergie des Aluminiums sehr energieaufwändig ist. Problematisch für die Umwelt ist die teilweise stattfindende Bildung und Emission von Fluor.
Beim erfindungsgemässen Verfahren (9. Teilreaktion) kann das Bauxit und/oder das Aluminiumoxid dem Verfahren zugefügt werden, um eine Kühlung des Prozesses zu erreichen. Durch das Bauxit und/oder das Aluminiumoxid kann man die überschüssige Wärmeenergie im System in den Griff bekommen. Dies geschieht analog zu dem Verfahren, wo einer Eisenschmelze in einem Hochofen Eisenschrott zur Kühlung zugeführt wird, wenn die Eisenschmelze zu heiß wird. Zu diesem Zweck kann z.B. Bauxit in Blöcken, die zum Beispiel vorher mit einem Shredder (Steinmühle) in die entsprechende Grosse zerkleinert wurde, in den Reaktionsraum verbracht werden. Durch einen geeigneten Regelkreis, der die Temperatur im Reaktionsraum misst (z.B. mittels optischer Sensoren), kann bei Überschreiten der gewünschten Temperatur im Reaktionsraum weiteres Bauxit und/oder das Aluminiumoxid „nachgeworfen" werden.
Hilfsweise kann Kryolith eingesetzt werden, falls das Verfahren ausser Kontrolle zu geraten droht (siehe Wacker Unfall), um so im Sinne einer neuartigen kryolith-basierten Notkühlung die Temperatur im System zu reduzieren. Besser geeignet ist aber eine Edelgas-Notflutanlage, die im Notfall (oder bevor dieser eintritt), den Reaktionsraum mit Edelgas (vorzugsweise Argon) flutet. Diese Edelgas-Notflutanlage kann bei jeder der Teilreaktionen eingesetzt werden. Weitere Details zu den beschriebenen chemischen Abläufen und Energieprozessen sind den folgenden Seiten zu entnehmen. Quarzsand lässt sich mit flüssigem oder aber auch pulverförmigem Aluminium gemäss dem Lehrbuch Holleman-Wiberg exotherm zu Silizium und Aluminiumoxid (als Nebenprodukt) umsetzen (7. Teilreaktion) :
3 SiO2 + 4 Al (I) →- 3 Si + 2 AI2O3 ΔH = - 618.8 kJ/Mol
(exotherm)
Silizium verbrennt mit Stickstoff zu Siliziumnitrid bei 13500C. Die Reaktion ist wiederum exotherm (2. Teilreaktion) :
T = 13500C
3 Si + 2 N2 (g) -» Si3N4 Δ H = - 744 kJ/Mol
(exotherm)
Silizium reagiert mit Kohlenstoff leicht exotherm zu Siliziumcarbid (10. Teilreaktion) :
Si + C ^ SiC Δ H = - 65.3 kJ/Mol (exotherm)
Andererseits lässt sich Siliziumcarbid direkt aus Sand und Kohlenstoff bei rund 20000C endotherm gewinnen (11. Teilreaktion) :
T = 20000C
SiO2 + 3 C (g) -» SiC + 2 CO Δ H = + 625,3 kJ/Mol
(endotherm)
Dieser endotherme Prozess zur Gewinnung von Siliziumcarbid kann zum Beispiel mit der Wärme (Sekundärenergie) gespeist werden, die beim Umsetzen von Siliziumdioxid mit Aluminium (7. Teilreaktion) und/oder Stickstoff (2. Teilreaktion) anfällt. Die Gewinnung von Siliziumcarbid (10. oder 11. Teilreaktion) kann im gleichen Reaktionsraum oder in einem nachgeschalteten oder nebengeordneten Reaktionsraum erfolgen.
Um aus dem Nebenprodukt Bauxit, resp. Aluminiumoxid AI2O3, wieder Aluminium zurückzugewinnen (12. Teilreaktion), elektrolysiert man flüssiges AI2O3 (Schmelzpunkt 20450C) ohne Kryolithzugabe zu Aluminium und Sauerstoff. Die 12. Teilreaktion ist stark endotherm und kann zur Kühlung (siehe z. B. 9. Teilreaktion) der exothermen Reaktionen herangezogen werden. Zu diesem
Zweck können die entsprechenden Reaktionen thermisch miteinander gekoppelt werden. D.h., dass auch dieser endotherme Prozess zur Rückgewinnung von Aluminium zum Beispiel mit der Wärme gespeist werden kann, die beim Umsetzen von Siliziumdioxid mit Aluminium und/oder Stickstoff anfällt. Zusätzlich zur Wärme braucht es aber elektrischen Strom, um die hohe Gitterenergie des AI2O3 zu „überwinden".
2 AI2O3 (I) -» 4 AI (I) + 3 O2 (g) Δ H = + 1676,8 kJ/Mol
(endotherm)
Herstellung der Silane :
Magnesium reagiert mit Silizium zu Magnesiumsilicid :
2 Mg + Si -» Mg2Si
Magnesiumsilicid reagiert mit Salzsäure zu Monosilan SiH4 und Magnesiumchlorid : Mg2Si + 4 HCl (g) ^ SiH4 + 2 MgCI2
Dieser Syntheseweg funktioniert auch mit Aluminium. Als Zwischenprodukt entsteht demzufolge Aluminiumsilicid AI4Si3. Höhere Silane sind möglicherweise nur über die Polymerisation von SiCI2 mit SiCI4 und durch anschliessende Umsetzung mit LiAIH4 zugänglich, wie im Stand der Technik dokumentiert.
Gemäss Erfindung werden die Monosilane vorzugsweise aber nach dem als 3. Teilreaktion bezeichneten Verfahren hergestellt. Der Weg über Aluminiumsilicid oder Magnesiumsilicid ist als Alternative zu verstehen.
Im Folgenden werden weitere wesentliche Aspekte der Erfindung beschrieben.
Um den Einsatz des Primärenergielieferanten effizienter zu gestalten, kann der Primärenergielieferant, falls er nicht bereits mit den Ausgangstoff/en (Sand, Bauxit, Schiefer, Gneis, Glimmer und/oder Granit) gemischt ist, separat vorgeheizt werden. So kann man zum Beispiel Rohöl zum Sieden bringen, bevor es mit dem/den Ausgangstoff/en gemischt wird.
Anstatt eines Primärenergielieferanten, oder zusätzlich zu dem
Primärenergielieferanten, kann der Ofen mit externen oder internen Heizmitteln versehen sein, um die für das Starten der Reaktionen (z.B. 1. Teilreaktion) notwendige Wärme dem System zuführen zu können. Besonders geeignet sind sogenannte Induktionsöfen. Es ist aber auch möglich, den erfindungsgemässen Prozess (z.B. die 1. Teilreaktion) an einen konventionellen Kraftwerksprozess zu koppeln, der mit fossilen Brennstoffen (z.B. Steinkohle) arbeitet. In diesem Fall wird mindestens ein Teil der Abwärme, die im konventionellen Kraftwerksprozess entsteht, verwendet, um den/die Ausgangsstoffe/e zu erhitzen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Umsetzen des/der Ausgangstoff/e initiiert, indem Silizium (zum Beispiel in Pulverform) mit Stickstoff und/oder Aluminium (in Pulverform oder flüssig) in Verbindung gebracht wird. Das Silizium, das hier zum Einsatz kommt, kann anfänglich in einer 1. Teilreaktion gewonnen worden sein. Am Ende der 1. Teilreaktion kann ein Teil des entstandenen Siliziums gelagert werden, um später die erfindungsgemässen Kaskadenprozesse nicht mehr mit einem Primärenergielieferanten starten zu müssen, der wiederum CO2-erzeugt.
Um das CO2 nicht in die Umwelt abgeben zu müssen, das beim Verbrennen des Primärenergielieferanten mit dem Sauerstoff am Anfang des Prozesses entsteht, können die Rauchgase, die bei diesem Prozess entstehen, über eine Rückführungsleitung oder einen Rückführungskanal wieder in den Reaktionsraum gebracht werden. Besonders geeignet ist ein Einbringen des Rauchgases, so dass der Sand, Bauxit, Schiefer, Gneis, Glimmer oder Granit von dem Rauchgas umströmt oder durchströmt werden. Erst wenn dann der kohlenwasserstoff- haltige Primärenergielieferant in der 1. Teilreaktion „verbraucht" ist, kann das Rauchgas in einen Kühlturm oder in nachgeschaltete Reinigungsanlagen (zum Beispiel eine Entschwefelungsanlage) oder einen Filter geschickt werden.
Es kann, wie eingangs angedeutet, aber auch sogenanntes Wasserglas eingesetzt werden. Wasserglas ist ein wasserlösliches Alkalisilikat. Es sind glasartige, also amorphe, nicht kristalline Verbindungen, die typischerweise die folgende
Zusammensetzung haben : M2O ■ n SiO2 mit n = 1 bis 4. Bisher werden häufig Natrium- und Kaliumsilikate technisch eingesetzt. Gemäss Erfindung können sowohl Natriumsilikat, Kaliumsilikat, aber auch Alumosilikat (auch Aluminosilikate genannt) oder Mischungen aus zwei oder mehr dieser Silikate eingesetzt werden.
Da sich Aluminium chemisch ähnlich verhält wie Silizium, ist eine Kombination der Prozesse wo Siliziumverbindungen (hier Silizium-Produkte genannt) und Aluminiumverbindungen zum Einsatz kommen ganz besonders vorteilhaft. Besonders bevorzugt ist zum Beispiel der Einsatz von Alumosilikaten, die SiO2 und AI2O3 umfassen.
Das Bereitstellen der entsprechenden Silikate und/oder das Herstellen des Wasserglases wird als 13. Teilreaktion bezeichnet.
Die Silikate oder das Wasserglas an sich können als Ausgangsstoff für die erfindungsgemässen Verfahren dienen, oder sie können zum Beispiel mit Sand, oder den anderen Ausgangsstoffen, gemischt werden (14. Teilreaktion), um einen besser geeigneten Ausgangsstoff (Ausgangsstoff I genannt) z.B. für die 2. Teilreaktion zu erhalten.
Silikat oder das Wasserglas kann auch mit einem oder mehreren der
Primärenergielieferanten (z.B. mineralischen Ölen) eine Mischung hergestellt (15. Teilreaktion) und eingesetzt werden, um den für die Erfindung notwendigen Kohlenwasserstoffanteil zum Starten der Prozesse zu liefern und um reaktionsfördernde oder beschleunigende Reaktanten bereitzustellen (Ausgangsstoff II genannt). Wie eingangs beschrieben, sind die fossilen Brennstoffe, die in Kraftwerken verbrannt werden mit Schwefelrückständen belastet. Gemäss der Europäischen Patentanmeldung 06 126 325.7 kann nun H2O2 als Energieträger in einem auf fossilen Brennstoffen basierenden Kraftwerksprozess bereit gestellt werden.
Da reines (= wasserfreies) H2O2 instabil ist und spontan explodieren kann, z.B. wenn es mit Metallen in Berührung kommt, gelangt es gemäss Erfindung in maximal siebzigprozentiger Lösung in Wasser (in wässriger Lösung) in den Umlauf. Dieser Grenzwert von 70% wird hier als kritische Konzentrationsgrenze bezeichnet.
Diese Lösung wird gemäss Erfindung so gewählt, dass die Konzentration von H2O2 unterhalb der kritischen Konzentrationsgrenze liegt. Dann erfolgt der Transport dieser Lösung zu einem Verbraucher (Tankstelle, Endverbraucher). Durch Abspalten von Wasserstoff und/oder Sauerstoff aus der Lösung kann beim Verbraucher durch Verwenden des Wasserstoffs und/oder Sauerstoffs als Energielieferant und/oder Treibstoff Energie erzeugt werden.
Beim Umsetzen zu Peroxoschwefelsäure wird vorzugsweise Sauerstoff eingesetzt, der entweder aus der (Umgebungs-)Luft, aus CO2-Abgas des Kraftwerksprozess, oder aus einem Siliziumdioxid-Reduktionsprozess (1. Teilreaktion) entnommen wird, wie weiter oben beschrieben.
Das H2O2 eignet sich besonders gut als Energielieferant oder Kraftstoff. Der Transport der reversibel einsetzbaren Wasserstoffträger, die gemäss
Erfindung hergestellt wurden, zu einem Verbraucher kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen (z.B. durch ein Transportfahrzeug), wobei dieser Transport absolut problemlos ist, da die Wasserstoffträger relativ unkritisch in der Handhabung sind.
Am Ort des Verbrauchs kann Wasserstoff und/oder Sauerstoff vom reversibel einsetzbaren Wasserstoffträger abgespalten werden. Der Wasserstoff kann dann zum Beispiel in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden.
In den folgenden Abschnitten werden verschiedene bevorzugte Ansätze für die technische Umsetzung der Erfindung mit Bezugnahme auf schematische Zeichnungen erläutert. Dabei sei angemerkt, dass die Darstellungen der Reaktionsbereiche in Form von Brennkammern oder -Öfen lediglich als Beispiele zu verstehen sind. Es liegt auf der Hand, dass die erfindungsgemässen Verfahren auch in anderes ausgestalteten Brennkammern oder -Öfen eingesetzt werden können.
In Fig. 16 ist eine erste Ausführungsform gezeigt. Wie in Fig. 16 zu erkennen ist, sind zwei vertikal arbeitende Brennöfen 10 und 20 (z.B. Hochöfen) nebeneinander angeordnet. Der erste Brennofen 10 hat einen Austrittsbereich 11 und der zweite Brennofen 20 hat einen Austrittsbereich 21 für die jeweils entstehenden Abgase (Rauchgas). Der erste Brennofen 10 wird mit einem fossilen Brennstoff 12 (z.B. Steinkohle) beschickt und der fossile Brennstoff wird mit Sauerstoff (z.B. Luftsauerstoff) verbrannt. Bei diesem an sich bekannten Verfahren wird eine große Wärmemenge frei, die zum Teil über einen Wärmetauscher 13 an ein Medium (z.B. Wasser) übergeben wird, um mit dem entstehenden Wasserdampf Turbinen anzutreiben und somit Strom zu gewinnen. Gemäss Erfindung laufen die verschiedenen Reaktion kaskadiert ab. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Wärmekopplung mit dem zweiten Brennofen 20, d.h. die beiden Öfen 10 und 20 sind thermisch direkt oder indirekt miteinander gekoppelt, was in Fig. 16 durch den Pfeil Wl angedeutet ist.
Die thermische Kopplung kann bei dieser und den anderen Ausführungsformen dadurch realisiert sein, dass beide Öfen Wand an Wand stehen. Die Kopplung kann aber auch über eine geeignete passive (z.B. mittels Wärmeleiter) oder aktive Wärmebrücke (z.B. mittels eines Wärmetauschers und eines entsprechenden Transportmediums) erfolgen.
Im zweiten Brennofen 20 wird einer der Siliziumdioxid enthaltenden Ausgangsstoffe 22 durch die vom ersten Ofen 10 bereitgestellt Wärmemenge Wl erhitzt. D.h., die im ersten Ofen 10 ablaufende Reaktion dient quasi als Primärenergielieferant für eine 1. Teilreaktion der Erfindung. Bei dieser 1. Teilreaktion wird das Siliziumdioxid umgesetzt zu Silizium. Durch eine Lanze 24 oder ein gleichwirkendes Mittel kann zum Beispiel Luft mit dem üblichen Stickstoffanteil (oder reiner Stickstoff) in den Ofen 20 eingebracht werden. Es ist offensichtlich, das der Ort der Einbringung auch anders gewählt werden kann. Das Silizium reagiert mit dem Stickstoff zu Siliziumnitrid (siehe 2. Teilreaktion). Diese Reaktion ist stark exotherm und es kann die entstehende Wärmemenge zum Teil oder ganz über einen Wärmetauscher 23 an ein Medium (z.B. Wasser) übergeben werden, um mit dem entstehenden Wasserdampf Turbinen anzutreiben und somit Strom zu gewinnen. Besonders bevorzugt ist eine Variante der 1. Ausführungsform wo diese Sekundärwärme wiederum verwendet wird, um eine weitere Teilreaktion zu unterstützen oder zu ermöglichen. So kann zum Beispiel, wie in Fig. 16 angedeutet, ein Reaktionsbereich 30 vorhanden sein, der das entstehende Siliziumnitrid aus der 2. Teilreaktion aufnimmt und unter Zufuhr von Hitze und/oder weiteren Reaktanten und/oder Druck zu porösem Siliziumnitrid, Siliziumflocken oder Siliziumpulver umwandelt, das ein deutliche größeres Volumen und eine deutlich größere Oberfläche aufweist. Diese 6. Teilreaktion kann durch eine geeignete thermische Kopplung durch die Sekundärwärme der 2. Teilreaktion unterstützt oder ermöglicht werden, was in Fig. 16 durch den Pfeil W2 angedeutet ist.
Das Siliziumnitrid kann, wie in Fig. 16 durch einen Güterwagon 31 angedeutet, abtransportiert werden.
CO2 kann (dieser Schritt ist optional) in den Ofen 20 eingebracht werden.
Entweder kann man das CO2 aus dem Abgasbereich 11 des 1. Ofens 10 in den 2.
Ofen 20 führen, oder es kann CO2 aus der Umgebungsluft eingebracht und reduziert, d.h. „unschädlich" gemacht werden.
In Fig. 17 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Wie in Fig. 17 zu erkennen ist, ist ein vertikal arbeitender Brennofen 20 vorgesehen. Im Brennofen 20 wird einer der Siliziumdioxid enthaltenden Ausgangsstoffe 22 durch das Verbrennen eines Primärenergielieferanten (z.B. fossile Brennstoffe Öl und/oder Teer) erhitzt. Bei dieser 1. Teilreaktion der Erfindung entsteht unter anderem Silizium. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel kann durch das Einbringen von Stickstoff Siliziumnitrid und Wärme entstehen. In Abwandlung dieses Prozesses kann aber auch das Silizium mit Kohlenstoff zu SiC reagieren (siehe 10. Teilreaktion). Der Kohlenstoff kann aus den fossilen Brennstoffen oder aus CO2 stammen, das optional in den Ofen 20 eingebracht werden kann (z.B. durch eine Zufuhr 25). Diese Teilreaktion verläuft auch exotherm, gibt aber deutlich weniger Wärme ab als die 2. Teilreaktion.
Auch bei der 2. Ausführungsform kann, wie erwähnt, CO2 in den Ofen 20 eingebracht werden.
Besonders bevorzugt ist eine Variante der 2. Ausführungsform wo diese Sekundärwärme W2 wiederum verwendet wird, um eine weitere Teilreaktion zu unterstützen oder zu ermöglichen. So kann zum Beispiel, wie in Fig. 17 angedeutet, ein Reaktionsbereich 30 vorhanden sein, der das entstehende Siliziumcarbid aus der 10. Teilreaktion aufnimmt und unter Zufuhr von Hitze und/oder weiteren Reaktanten und/oder Druck trocknet, sintert oder anderweitig veredelt. Diese weitere Reaktion kann durch eine geeignete thermische Kopplung durch die Sekundärwärme der 10. Teilreaktion unterstützt oder ermöglicht werden, was in Fig. 17 durch den Pfeil W2 angedeutet ist.
Das Siliziumcarbid oder das veredelte Siliziumcarbid kann, wie in Fig. 17 durch einen Güterwagon 31 angedeutet, abtransportiert werden.
In Fig. 18 ist eine dritte Ausführungsform gezeigt. Wie in Fig. 18 zu erkennen ist, ist ein vertikal arbeitender Brennofen 20 vorgesehen. Im Brennofen 20 wird einer der Siliziumdioxid enthaltenden Ausgangsstoffe 22 durch das Verbrennen eines Primärenergielieferanten (z.B. fossile Brennstoffe Öl und/oder Teer) erhitzt. Bei dieser 1. Teilreaktion der Erfindung entsteht unter anderem Silizium. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel wird durch das Einbringen von Stickstoff Siliziumnitrid und Wärme entstehen. Diese Teilreaktion verläuft stark exotherm. Um den Ofen 20 kühlen und die 2. Teilreaktion damit kontrollieren/steuern zu können, wird in einem separaten Reaktionsbereich 40, der dem Ofen 20 mindestens teilweise umschliesst, Aluminiumoxid 42 (mit oder ohne Kryolith) als Kühlmittel eingesetzt. Das Aluminiumoxid 42 kann von oben her eingefüllt werden und verwandelt sich aufgrund der grossen Hitze, die der Ofen 20 abgibt, in flüssiges Aluminium 43, das zum Beispiel nach unten hin abfliessen kann. Diese Umwandlung (Reduktionsprozess) läuft ab, wenn im Reaktionsbereich 40 Elektroden für die (Schmelzfluss-)Elektrolyse vorgesehen sind.
Der Reaktionsbereich 40 umfasst für die (Schmelzfluss-)Elektrolyse z.B. eine Stahlwanne, die mit Kohlenstoffmaterial ausgekleidet ist. Diese Details sind nicht in Fig. 18 gezeigt. In dieser Wanne befindet sich flüssiges Elektrolyt (Aluminiumoxid mit oder ohne Kryolith). In den Elektrolyten tauchen Anoden (z.B. Kohlenstoffblöcke) ein, die an einen positiven Pol einer Spannungsquelle angeschlossen sind. Die Wanne dient als Kathode und wird am negativen Pol angeschlossen. Das in dieser 12. Teilreaktion reduzierte Aluminium (siehe untenstehende Gleichung) ist schwerer als das Elektrolyt und sammelt sich daher am dem Boden der Wanne. Von dort wird es z.B. mit einem Saugrohr abgezogen.
2Al2O3 — 4Al + 3O2. Der Ausgangsstoff für diese Elektrolyse (die auch als Schmelzflusselektrolyse bekannt ist) ist Bauxit, ein Gemenge aus Tonmineralien wie z.B. Aluminiumoxid und Aluminiumhydroxid (AI(OH)3). Oft ist im Bauxit auch Siliziumdioxid vorhanden. Zunächst wird bisher typischerweise das Bauxit von den enthaltenen Eisenoxiden (z.B. mit dem Bayer-Verfahren) getrennt. Ausserdem wird dann üblicherweise das Siliziumoxid abgetrennt, welches das Bauxit „verunreinigt". Gemäss Erfindung ist es nicht zwingend notwendig diese aufwendige Trennung der Bestandteile des Gemenges vorzunehmen, da ausreichend Energie im Prozess vorhanden ist und es nicht vorrangig um die Darstellung von reinem Aluminium geht.
Wie auch bei der bisher technisch angewendeten Aluminiumherstellung kann das Bauxit (mit oder ohne die oben genannten Bestandteile des Gemenges) mit Wasser verdünnt werden, um Aluminiumhydroxid zu erzeugen. Es kann das Bauxit aber auch mit Wasserdampf oder hyperkritischem Wasser (bei über 4070C und hohem Druck) gemischt werden, um Aluminiumhydroxid zu erzeugen.
Durch das Erhitzen des Aluminiumhydroxids auf ca. 1200 0C bis 1300 0C (z.B. mit Sekundärenergie) wird Aluminiumoxid erzeugt:
2Al(OHj3 — Al2O3 + 3H2O
Dieses Aluminiumoxid mit oder ohne Kryolith wird dann der (Schmelzfluss-) Elektrolyse unterzogen, wie beschrieben.
Durch die kontrollierte Zugabe von Bauxit und/oder Aluminiumoxid kann die Kühlwirkung verstärkt oder reduziert werden. Bei dieser Ausführungsform entsteht neben dem Produkt der 2. Teilreaktion hochwertiges Aluminium.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 19 schematisch dargestellt ist, wird Aluminium 43 in flüssiger oder pulverförmiger Form dem Siliziumdioxid 22 in einem Reaktionsbereich (z.B. dem Reaktionsbereich des Ofens 20) zugegeben. Diese Zugabe von Aluminium ist in Fig. 19 durch den Pfeil 46 angedeutet. Auch bei dieser Ausführungsform wird das Aluminium in einer 12. Teilreaktion mittels der (Schmelzfluss-) Elektrolyse gewonnen, die in einem Reaktionsbereich 40 in Form einer Wanne, die mit Kohlenstoffmaterial 44 ausgekleidet ist, ausgeführt wird. In dieser Wanne bildet sich beim Anlegen eines hohen Stromes an die Anode(n) und dem als Kathode dienenden Kohlenstoffmaterial 44 Aluminium 43 aus dem Aluminiumoxid 42 (mit oder ohne Kryolith). Das Aluminium 43 setzt sich ab und kann durch ein Saugrohr nach oben hin abgezogen, oder durch ein Fallrohr 45 nach unten entnommen werden. Von diesem Entnahmepunkt aus kann das flüssige Aluminium in den Reaktionsbereich des Ofens 20 gebracht werden, um dem Siliziumdioxid den Sauerstoff zu entziehen. Vorzugsweise herrscht in dieser Phase des Prozesses eine Stickstoffatmosphäre in dem Ofen 20.
In Analogie zur bekannten Thermitreaktion (eine Redoxreaktion, bei der Aluminium als Reduktionsmittel benutzt wird, um z.B. Eisenoxid zu Eisen zu reduzieren) wird hier das Aluminium als Reduktionsmittel eingesetzt, um dem Siliziumdioxid den Sauerstoff zu entreißen. Diese Reaktion (7. Teilreaktion) läuft stark exotherm ab und liefert eine enorme Wärmemenge. Diese Wärmemenge kann wiederum in den parallel ablaufenden Prozess zur Herstellung des Aluminiums (12. Teilreaktion) eingekoppelt werden und/oder die Wärmemenge kann zur Stromerzeugung (mittels Wärmetauscher 23) verwendet werden.
In den Figuren 20 und 21 sind zwei weitere mögliche Ausführungsformen schematisch dargestellt. In beiden Fällen kommen Öfen zum Einsatz, die horizontal oder leicht schräg gelagert sind.
Die erfindungsgemässe Energie-Materie-Kaskaden-Kopplung (EMK2) zeichnet sich dadurch aus, dass dabei Vorgänge ablaufen wie bei dissipativen Strukturen jenseits vom thermischen Gleichgewicht, wie in lebenden Strukturen von Zellen und Organismen.
Gemäss Erfindung erfolgt, statt wie bisher Verbrennungsprozesse mit Sauerstoff zu betreiben, eine Umstellung auf Stickstoffverbrennungsprozesse.
Gemäß Erfindung werden sogenannte Silizium-Produkte hergestellt. Der Begriff Silizium-Produkt wird verwendet, um die folgenden (Zwischen-)Produkte zu umschreiben : Siliziumnitrid (z.B. als Pulver, in Flockenform oder in poröser Form); Silizium (z.B. Flocken oder als Pulver); Siliziumcarbid; Monosilan oder längerkettige Silane; Aluminiumsilicid; Magnesiumsilicid; SiCI2; SiCI4;
Verbindungen Silizium mit anderen Elementen wie Aluminium, Calcium oder Magnesium (Silikate). Diese Silizium-Produkte wurden bisher nur in chemisch sehr reiner Form hergestellt zur Verwendung z.B. in der Halbleiterindustrie. Rein- Silizium z.B. hat einen Reinheitsgrad von 98 - 99,5% und so gar bis zu 99,9999999%. Bisher ist das Potential dieser Materialen als Energieträger (bzw. -lieferant) nicht erkannt worden. Wenn die Herstellung dieser Silizium-Produkte in einem Kraftwerk oder kraftwerksähnlichen Verfahren vorgenommen wird, dann können große Mengen zu relativ günstigen Konditionen erzeugt werden. Ein besonderer Vorteil der Silizium-Produkte wird darin gesehen, dass diese Silizium-Produkte, je nach Reaktionspartner, umsetzbar sind zu SiO2, einem Stoff der absolut umweltverträglich und einfach in der Handhabung ist. Vorzugsweise haben die Silizium-Produkte, die gemäß Erfindung in einem Kraftwerk oder kraftwerksähnlichen Verfahren hergestellt werden, einen Reinheitsgrad, der im Bereich zwischen 50 - 97 % liegt. Besonders bewährt haben sich Silizium- Produkte mit einem Reinheitsgrad zwischen 75% und 97%. Derartige Silizium- Produkte lassen sich in groß-technischen Anlagen günstig und in großen Mengen herstellen und eignen sich gleichzeitig als problemlose Energieträger (bzw. - lieferanten).

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Bereitstellen von Energie in einem Kraftwerksprozess, mit den Schritten : - Einbringen eines Ausgangsstoffes (22) in einen Reaktionsbereich (20), wobei der Ausgangsstoff (22) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst: Sand, siliziumdioxidhaltiges-Bauxit, Quarz, Gneis, Glimmer, Granit, Schiefer;
- Bereitstellen eines Primärenergielieferanten, um eine Reaktion zu starten, bei welcher der Ausgangsstoff (22) erhitzt und Silizium aus dem Ausgangsstoff (22) erzeugt wird;
Einsetzen des Siliziums in einer ersten Teilreaktion, die exotherm verläuft und in der Lage ist Wärme (W2) freizusetzen; Einsetzen dieser Wärme (W2) als Sekundärenergie, um den Primärenergielieferanten beim Erhitzen des Ausgangsstoffs (22) zu ersetzen und/oder um mindestens eine weitere Teilreaktion oder Reihe von Teilreaktionen mit der notwendigen Energie zu versorgen, an deren Ende ein Silizium-Produkt bereitgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Primärenergielieferant dem Ausgangsstoff (22) zugesetzt wird, oder der Ausgangsstoff (22) den Primärenergielieferant bereits umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein kohlenwasserstoffhaltiger Primärenergielieferant, vorzugsweise eines oder mehrere der folgenden Substanzen Öl, Teer, Asphalt, Kohle eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten Teilreaktion Silizium mit Stickstoff zu Siliziumnitrid umgewandelt und dabei eine Energiemenge (W2) abgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der ersten Teilreaktion Silizium mit Kohlenstoff zu Siliziumcarbid umgewandelt und dabei eine Energiemenge (W2) abgegeben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangsstoff (22) flüssiges oder pulverförmiges Aluminium zugeführt wird, um dem Siliziumdioxid des Ausgangsstoffs (22) den Sauerstoff zu entreißen.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass CO2 und flüssiges oder pulverförmiges Aluminium zugeführt wird, wobei das Aluminium zu Aluminiumoxid reduziert und dem CO2 den Sauerstoff entreißt.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilreaktionen nacheinander oder zeitgleich ablaufen.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium-Produkt einen Reinheitsgrad hat, der im Bereich zwischen 50 - 97 % liegt, vorzugsweise zwischen 75% und 97%.
10. Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie umfassend : - einen ersten Reaktionsbereich (10; 20), zur Aufnahme mindestens eines Ausgangsstoffes (12; 22),
- Mittel zum Erhitzen des Ausgangsstoffes (22) mittels eines Primärenergielieferanten,
- einen zweiten Reaktionsbereich (20; 30), zur Aufnahme mindestens eines ersten Stoffes (22), und zur Umsetzung dieses ersten Stoffes
(22) zu einem zweiten Stoff, wobei der zweite Reaktionsbereich (20; 30) thermisch mit dem ersten Reaktionsbereich (10; 20) so gekoppelt ist, dass Wärme (W2), die im ersten Reaktionsbereich (10; 20) entsteht dem zweiten Reaktionsbereich (20; 30) zuführbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reaktionsbereich (10; 20) zur Aufnahme von einem oder mehren der folgenden siliziumdioxidhaltigem Ausgangsstoffe (22) : - Sand, Gneis, Glimmer, Granit, Schiefer, Bauschutt und zur Aufnahme von einem oder mehren der folgenden Primärenergielieferanten : Öl, Teer, Asphalt, Kohle ausgelegt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel an dem ersten Reaktionsbereich (10; 20) vorgesehen sind, um Sauerstoff und oder Stickstoff zuzuführen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive oder passive thermische Kopplung vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Umschalten von einer sauerstoffenthaltenden Atmosphäre auf eine stickstoffenthaltende Atmosphäre vorhanden sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmittel vorhanden sind, um während oder nach dem Ablaufen einer exothermen Teilreaktion mittels Zugabe von Bauxit und/oder Aluminiumoxid eine Kühlwirkung zu erzielen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kühlmittel einen Aufnahmebereich, vorzugsweise eine Wanne, umfassen, der so ausgelegt und angeordnet ist, dass das Bauxit und/oder Aluminiumoxid durch Einbringen in den Aufnahmebereich dem ersten oder zweiten Reaktionsbereich (10; 20; 30) Wärme entziehen kann.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel so ausgelegt und angeordnet ist, dass das Bauxit und/oder Aluminiumoxid direkt in den ersten oder zweiten Reaktionsbereich (10; 20; 30) einbringbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Edelgas-Notflutanlage umfasst, um in den ersten oder zweiten Reaktionsbereich (10; 20; 30) ein Edelgas einbringen zu können.
19. Vorrichtung nach Anspruch einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Stoff (22) um einen oder mehrere der folgenden Stoffe handelt: Ölsand, Ölschiefer, Bauxit, Gneis, Glimmer, Granit, Schiefer, und dass es sich bei dem zweiten Stoff um Silizium oder ein Silizium- Produkt handelt.
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