WO2010069385A1 - Verfahren zum bereitstellen eines energieträgers - Google Patents

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WO2010069385A1
WO2010069385A1 PCT/EP2008/067895 EP2008067895W WO2010069385A1 WO 2010069385 A1 WO2010069385 A1 WO 2010069385A1 EP 2008067895 W EP2008067895 W EP 2008067895W WO 2010069385 A1 WO2010069385 A1 WO 2010069385A1
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energy
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Peter Grauer
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Silicon Fire Ag
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    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Definitions

  • the present application relates to methods for providing storable and transportable energy carriers.
  • 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 occurs in living beings during cellular respiration, but also in the combustion of carbonaceous substances under sufficient oxygen. Since the beginning of industrialization, the CO 2 share in the atmosphere has increased significantly. The main reason for this is man-made - the so-called anthropogenic - CO 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.
  • a method for providing storable and transportable energy carriers is provided.
  • a transformation of siliceous starting material takes place in a reduction process to silicon, wherein at primary energy for this reduction process is provided from a renewable energy source.
  • Part of the reaction products of the reduction process is then used in a methanol production process, with synthesis gas of carbon monoxide and hydrogen being used in this methanol production process.
  • Fig. 1 is a diagram showing the basic steps of a first method according to the invention
  • Fig. 2 is a diagram showing the basic steps of a second method according to the invention
  • Fig. 3 is a diagram showing the basic steps of a third method according to the invention
  • Fig. 4 is a diagram showing the basic steps of a fourth method according to the invention
  • Fig. 5 is a diagram showing the basic steps of a fifth method according to the invention
  • Fig. 6 a scheme, the sub-steps of another invention
  • the method according to the invention is based on a novel concept which, using existing starting materials, provides so-called reaction products which can either be used directly as energy carriers or which can then be used as energy carriers after further intermediate steps.
  • energy carrier is used herein for substances that can be used either directly as fuel or fuel (such as methanol 104 or hydrogen 118), and also for substances (such as silicon 103) that have an energy content or an increased energy level and in Further steps under release of energy (see energy El and E2 in Figures 6 and 7) and / or under delivery of another energy carrier (such as hydrogen 118) can be implemented.
  • the transportability of the energy carrier is characterized here by the chemical reaction potential. For a safe transportability of the energy carrier, this reaction potential should be as low as possible.
  • silicon 103 as an energy source, certain conditions should be observed during storage and transport in order not to trigger any unwanted or uncontrolled reaction (oxidation) of the silicon.
  • the silicon 103 should preferably be stored and transported dry. In addition, the silicon 103 should not be heated, otherwise the likelihood of reaction with water vapor from the ambient air or with oxygen increases. Studies have shown that silicon has up to about 300 degrees Celsius only a very low tendency to react with water or oxygen.
  • a water getter i.e., a substance that is hydrophilic
  • an oxygen getter i.e., a substance that is oxygen-attracting
  • silicon dioxide-containing starting material 101 is used here for substances which contain a large proportion of silicon dioxide (SiO 2 ). Especially suitable is sand, shale (SiO 2 + [CO 3 ] 2 ). Sand is a naturally occurring, unconsolidated sedimentary rock and occurs in greater or lesser concentrations everywhere on the earth's surface. Much of the sand is quartz (silica, SiO2).
  • FIG. 1 shows the basic steps of a first method according to the invention for providing storable and transportable energy carriers 103, 104.
  • silicon 103 as a first storable and transportable energy carrier
  • methanol 104 as a second storable and transportable energy carrier
  • silicon dioxide-containing starting material 101 is converted into elemental silicon 103 by means of a reduction process 105.
  • the elemental silicon 103 is referred to here for the sake of simplicity as silicon.
  • the required primary energy (see primary energy Pl in Fig. 2, or primary energy P2 in Fig. 3) for this reduction process 105 is provided according to the invention from a renewable energy source.
  • a methanol production process 106 In this methanol production process 106, synthesis gas 110 is made from carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).
  • synthesis gas 110 is made from carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).
  • Fig. 1 is further indicated schematically that the silicon 103 can be removed as the first energy source from the process.
  • the removal of the silicon 103 is indicated in FIG. 1 as method step 107.
  • the silicon 103 may be stored or removed, for example.
  • the transformation 105 is preferably a thermochemical transformation 105.1 (involving heat energy), as indicated schematically in FIG. 2, or an electrochemical transformation 105.2 (involving electric current), as indicated schematically in FIG. 3.
  • thermochemical transformation 105.1 the primary energy Pl for the transformation by sunlight S is supplied.
  • a solar thermal plant 200th used, as indicated schematically in Fig. 2.
  • the solar thermal system 200 has a plurality of rotatable heliostats 201, which are preferably tracked the movement of the sun 202.
  • the heliostats 201 reflect the sunlight S in the direction of a solar tower 203.
  • At the focal point of the sunlight S extremely high temperatures are reached.
  • Fig. 2 is indicated schematically by a block arrow Pl, that the heat energy, which is provided by the solar thermal system 200, is used to initiate the endothermic reduction process 105.1 and feed.
  • the solar energy may act directly on the siliceous starting material 101, or a liquid transfer medium may be used as the energy transfer / transfer agent.
  • the primary energy P2 is provided for transformation by current generated from sunlight S.
  • a solar system 300 is used, as indicated schematically in FIG. 3.
  • the solar system 300 has a plurality of (rotatable) solar modules 301, which are preferably tracked the movement of the sun 202.
  • the solar modules 301 convert the sunlight S into electricity.
  • the electrochemical transformation 105.2 can be carried out, for example, by
  • Silicon dioxide is used as an electrode.
  • a metal is used as the second electrode.
  • the electrolyte used is, for example, calcium chloride (CaCl 2 ).
  • This electrochemical transformation process 105.2 works particularly well with a porous silicon dioxide electrode, which may be sintered, for example, of silicon dioxide. Details of this procedure can be found in the following publications:
  • the electrochemical transformation 105.2 significantly lower temperatures (preferably less than 500 degrees C) are needed.
  • the reduction processes 105, 105.1, 105.2 are carried out in an oxygen-poor or oxygen-free environment, since otherwise the elemental silicon 103 formed during the reduction would oxidize again immediately.
  • oxygen forms a silicon dioxide layer on the melt with the silicon, which can hinder the reduction process.
  • the reduction process 109 is performed here by supplying a hydrocarbon-containing gas 108.
  • a hydrocarbon-containing gas 108 Preferably, methane (CH 4 ), biogas or natural gas (natural gas: NG) is used as the hydrocarbon-containing gas 108.
  • NG natural gas
  • biogas is used here to describe gases that can be produced, for example, by fermentation processes in the absence of air.
  • examples of biogas are the gases from sewage treatment plants, livestock, but also gases that are provided in plants that convert biomass. Preference is given to using only biogases that come from renewable sources and that do not compete with food crops.
  • the mentioned methane should preferably also come from renewable sources that are not in competition with food crops.
  • the methane can be produced, for example, in a pyrolysis process, wherein the pyrolysis process is operated with biomass.
  • the hydrocarbon-containing gas 108 is used on the one hand to serve as a reducing agent for the reduction of the silicon dioxide.
  • the hydrocarbon-containing gas 108 serves as a "raw material" for providing the
  • the reaction equation (1) represents a process according to FIG. 4, in which methane is used as the hydrocarbon-containing gas 108.
  • the "decomposition" of CH 4 into synthesis gas 110 requires energy input, and the corresponding energy [ ⁇ R H about 160 kJ / mol] provides renewable energy sources, ie the CH 4 is not used as the energy source for this step 109.
  • the energy supply is indicated by a block arrow labeled Pl and / or P2, ie the energy can be, for example, from a solar thermal system 200 and / or from a solar system 300 come.
  • the silicon dioxide of the silicon dioxide-containing material 101 functions as an oxygen donor.
  • the synthesis gas 110 (here 2 CO + 4 H 2 (g)) is here in a
  • Methanol production process 112 further converted to methanol 104.
  • FIG. Shown is a scheme that corresponds in part to the method of FIG. 1. However, further method steps are added to the method according to FIG. 1 here.
  • reduction process 105 results in silicon 103 and oxygen 114 as reaction products 102.
  • the oxygen 114 is reacted with the supply of a hydrocarbon-containing gas 115 to a synthesis gas 110 of carbon monoxide and hydrogen.
  • the process step 120 is a gas oxidation process.
  • the gas oxidation process is slightly exothermic.
  • methane (CH 4 ) methane
  • NG natural gas
  • the synthesis gas 110 is then further converted into methanol 104 in a methanol production process 112.
  • silicon 103 can be used as an energy source.
  • the reduced silicon 103 is a high-energy substance. This silicon tends to re-oxidize to silica 117 with water in liquid or vapor form, as shown schematically in FIG.
  • hydrolysis 116 of the silicon 103 energy El is released, because it is an exothermic reaction.
  • hydrogen 118 is produced, which can be used, for example, as an energy carrier or fuel.
  • the hydrolysis 116 takes place at elevated temperatures. Preferred are temperatures that are well above 100 degrees Celsius.
  • the hydrolysis 116 is carried out at temperatures in the temperature range between 300 degrees Celsius and 600 degrees Celsius.
  • the silicon 103 is introduced into a reaction zone and mixed with water in liquid or vaporous form.
  • the silicon 103 has a minimum temperature.
  • the silicon 103 is heated for this purpose (eg with heating means, or by heat-generating or heat-emitting additives), or the silicon 103 is already at the introduction at a corresponding temperature level. Under these conditions, hydrogen is then released as gas in the reaction zone. The hydrogen is removed from the reaction area.
  • the silicon 103 also has a tendency to reoxidize with oxygen to silica 117, as shown in FIG. It releases energy E2 because it is an exothermic reaction.
  • the oxidation 119 takes place in the temperature range between 500 degrees Celsius and 1200 degrees at elevated temperatures. Preference is given to temperatures which are above 1000 degrees Celsius. The corresponding temperature may e.g. be provided by means of a solar thermal system 200 or 300 solar system.
  • the process according to FIG. 7 can be carried out, for example, in an oxidation furnace.
  • a thermal oxidation is carried out, in which the energy for triggering / operating the oxidation originates from renewable energy sources (preferably from solar energy).
  • the oxidation of silicon 103 should preferably be done with dry oxygen to preclude a concurrent competitive hydrolysis process.
  • the method according to FIG. 7 can also be carried out, for example, in a plasma oxidation furnace.
  • a plasma oxidation furnace Here only temperatures in the temperature range between 300 degrees Celsius and 600 degrees are necessary, because a part of the required energy is provided by the plasma.
  • the methanol production can be carried out according to one of the known and industrially used methods. Preference is given to a process in which a catalyst (for example a CuO-ZnO-Cr 2 O 3 or a Cu-Zn-Al 2 O 3 catalyst) is used.
  • a catalyst for example a CuO-ZnO-Cr 2 O 3 or a Cu-Zn-Al 2 O 3 catalyst
  • the invention has the advantage that in the reduction of the silicon dioxide no CO 2 is released.
  • the required energy is provided from renewable energy sources, preferably solar panels 200 or 300.
  • the elemental silicon 103 is preferably used in powdered or granular or granular form to provide the largest possible surface area upon oxidation (see step 119 in FIG. 7) or during hydrolysis (see step 116 in FIG. 6).
  • Silicon plays an essential role in electronic components such as solar cells and semiconductor chips as well as in the production of silicones.
  • the elementary silicon 103 can therefore also be further processed or refined in a corresponding process.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen speicherbarer und transportabler Energieträger (103, 104) beschrieben. In einem Schritt findet eine Transformation von siliziumdioxidhaltigem Ausgangsmaterial (101) in einem Reduktionsverfahren (105) zu Silizium (103) statt, wobei bei Primärenergie für dieses Reduktionsverfahren (105) aus einer erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt wird. Ein Teil der Reaktionsprodukte (102) des Reduktionsverfahrens (105) wird dann in einem Prozess (106) zur Methanolherstellung eingesetzt, wobei bei diesem Prozess (106) zur Methanolherstellung Synthesegas (110) aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zum Einsatz kommt.

Description

Verfahren zum Bereitstellen eines Energieträgers
Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren zum Bereitstellen speicherbarer und transportabler Energieträger.
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 - CO2-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 CO2-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 Milliarden von Millionen Tonnen CO2 durch solche Prozesse in die Atmosphäre abgegeben.
Es stellt sich nun die Aufgabe ein Verfahren bereit zu stellen, das in der Lage ist andere Energieträger, zum Beispiel als Treibstoff oder Brennstoffe, zu erzeugen. Diese Energieträger sollten möglichst ohne den Ausstoß von CO2 möglich sein.
Gemäß Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen speicherbarer und transportabler Energieträger bereit gestellt. In einem Schritt findet eine Transformation von siliziumdioxidhaltigem Ausgangsmaterial in einem Reduktionsverfahren zu Silizium statt, wobei bei Primärenergie für dieses Reduktionsverfahren aus einer emeuerbaren Energiequelle bereitgestellt wird. Ein Teil der Reaktionsprodukte des Reduktionsverfahrens wird dann in einem Prozess zur Methanolherstellung eingesetzt, wobei bei diesem Prozess zur Methanolherstellung Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zum Einsatz kommt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Beschreibung, den Figuren und den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
In den Zeichnungen sind verschiedene Aspekte der Erfindung schematisch dargestellt, wobei die Zeichnungen zeigen :
Fig. 1 : ein Schema, das die grundlegenden Schritte eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
Fig. 2 : ein Schema, das die grundlegenden Schritte eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt; Fig. 3: ein Schema, das die grundlegenden Schritte eines dritten erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt; Fig. 4: ein Schema, das die grundlegenden Schritte eines vierten erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt; Fig. 5 : ein Schema, das die grundlegenden Schritte eines fünften erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt; Fig. 6: ein Schema, das Teilschritte eines weiteren erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt; Fig. 7: ein Schema, das Teilschritte eines weiteren erfindungsgemäßen
Verfahrens zeigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einem neuartigen Konzept, welches unter Verwendung vorhandener Ausgangsstoffe sogenannte Reaktionsprodukte bereitstellt, die entweder direkt als Energieträger einsetzbar sind, oder die nach weiteren Zwischenschritten dann als Energieträger einsetzbar sind.
Der Begriff Energieträger wird hier verwendet für Stoffe, die entweder direkt als Treibstoff oder Brennstoff eingesetzt werden können (wie z.B. Methanol 104 oder Wasserstoff 118), und auch für Stoffe (wie z.B. Silizium 103), die eine Energiegehalt oder ein erhöhtes Energieniveau haben und in weiteren Schritten unter Abgabe von Energie (siehe Energie El und E2 in den Figuren 6 und 7) und/oder unter Abgabe eines weiteren Energieträgers (wie z.B. Wasserstoff 118) umgesetzt werden können.
Die Transportfähigkeit des Energieträgers wird hier durch das chemische Reaktionspotenzial gekennzeichnet. Für eine sichere Transportierbarkeit des Energieträgers sollte dieses Reaktionspotential möglichst gering sein. Im Falle von Silizium 103 als Energieträger sollten gewissen Rahmenbedingungen beim Lagern und beim Transport eingehalten werden, um keine ungewünschte oder unkontrollierte Reaktion (Oxidation) des Siliziums auszulösen. Das Silizium 103 sollte vorzugsweise trocken gelagert und transportiert werden. Außerdem sollte das Silizium 103 nicht erwärmt werden, da sonst die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion mit Wasserdampf aus der Umgebungsluft oder mit Sauerstoff zunimmt. Untersuchungen haben ergeben, dass Silizium bis zu ca. 300 Grad Celsius nur eine sehr geringe Neigung zur Reaktion mit Wasser oder Sauerstoff hat. Ideal ist das Lagern und Transportieren des Siliziums 103 zusammen mit einem Wassergetter (d.h. einem Stoff der wasseranziehend ist) und/oder einem Sauerstoffgetter (d.h. einem Stoff der sauerstoffanziehend ist).
Der Begriff siliziumdioxidhaltiges Ausgangsmaterial 101 wird hier verwendet für Stoffe, die einen großen Anteil von Siliziumdioxid (SiO2) enthalten. Besonders geeignet ist Sand, Schiefer (SiO2 + [CO3 ]2). Sand ist ein natürlich vorkommendes, unverfestigtes Sedimentgestein und kommt in mehr oder weniger großer Konzentration überall auf der Erdoberfläche vor. Ein Großteil der Sandvorkommen besteht aus Quarz (Siliziumdioxid; SiO2).
In Fig. 1 sind die grundlegenden Schritte eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen speicherbarer und transportabler Energieträger 103, 104 gezeigt. In diesem Verfahren werden Silizum 103, als ein erster speicherbarer und transportabler Energieträger, und Methanol 104, als ein zweiter speicherbarer und transportabler Energieträger, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte.
Durch eine Transformation wird siliziumdioxidhaltiges Ausgangsmaterial 101 mittels eines Reduktionsverfahrens 105 in elementares Silizium 103 umgewandelt. Das elementare Silizium 103 wird hier der der Einfachheit halber als Silizium bezeichnet. Die erforderliche Primärenergie (siehe Primärenergie Pl in Fig. 2, oder Primärenergie P2 in Fig. 3) für dieses Reduktionsverfahren 105 wird gemäß Erfindung aus einer erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt. In einem nachgelagerten Schritt wird mindestens ein Teil der Reaktionsprodukte 102 des Reduktionsverfahrens 105 in einem Methanolherstellungsprozess 106 eingesetzt. Bei diesem Prozess 106 zur Methanolherstellung kommt Synthesegas 110 aus Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) zum Einsatz kommt. In Fig. 1 ist weiterhin schematisch angedeutet, dass das Silizium 103 als erster Energieträger aus dem Verfahren entnommen werden kann. Die Entnahme des Siliziums 103 ist in Fig. 1 als Verfahrensschritt 107 gekennzeichnet. Das Silizium 103 kann zum Beispiel gelagert oder abtransportiert werden.
Die Transformation 105 ist vorzugsweise eine thermochemische Transformation 105.1 (unter Beteiligung von Wärmeenergie), wie in Fig. 2 schematisch angedeutet, oder eine elektrochemische Transformation 105.2 (unter Beteiligung von elektrischem Strom), wie in Fig. 3 schematisch angedeutet.
Bei der thermochemischen Transformation 105.1 nach Fig. 2 wird die Primärenergie Pl für die Transformation durch Sonnenlicht S geliefert. Für die thermochemische Transformation 105.1 wird eine Solarthermie-Anlage 200 eingesetzt, wie in Fig. 2 schematisch angedeutet. Die Solarthermie-Anlage 200 weist mehrere drehbare Heliostaten 201 auf, die vorzugsweise der Bewegung der Sonne 202 nachgeführt werden. Die Heliostaten 201 reflektieren das Sonnenlicht S in Richtung eines Solarturms 203. Im Brennpunkt des Sonnenlichts S werden extrem hohe Temperaturen erreicht. In Fig. 2 ist schematisch durch einen Blockpfeil Pl angedeutet, dass die Wärmeenergie, die von der Solarthermie- Anlage 200 bereitgestellt wird, zum Einsatz kommt, um das endotherme Reduktionsverfahren 105.1 in Gang zu bringen und zu speisen. Je nach Ausführungsform kann die Sonnenenergie direkt auf das siliziumdioxidhaltige Ausgangsmaterial 101 einwirken, oder es kann ein flüssiges Transfermedium als Vermittler zur Weitergabe/Übertragung der Energie Pl eingesetzt werden.
Bei der elektrochemischen Transformation 105.2 nach Fig. 3 wird die Primärenergie P2 für die Transformation durch Strom geliefert, der aus Sonnenlicht S erzeugt wird. Für die elektrochemische Transformation 105.2 wird eine Solaranlage 300 eingesetzt, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet. Die Solaranlage 300 weist mehrere (drehbare) Solarmodule 301 auf, die vorzugsweise der Bewegung der Sonne 202 nachgeführt werden. Die Solarmodule 301 wandeln das Sonnenlicht S um in Strom. Die elektrochemische Transformation 105.2 kann zum Beispiel durchgeführt werden, indem
Siliziumdioxid als Elektrode eingesetzt wird. Als zweite Elektrode wird ein Metall eingesetzt. Als Elektrolyt setzt man zum Beispiel Calciumchlorid (CaCI2) ein. Dieses elektrochemische Transformationsverfahren 105.2 funktioniert besonders gut mit einer porösen Siliziumdioxidelektrode, die zum Beispiel aus Siliziumdioxid gesintert sein kann. Details zu diesem Verfahren sind den folgenden Publikationen zu entnehmen:
- Nature materials 2003 Jun; 2(6) :397-401, Nohira T, Yasuda K, Ito Y., Publisher: Nature Pub. Group.
- "New Silicon production method with no carbon reductant", George Zheng Chen; DJ. Fray, T.W. Farthing, Tom W. (2000).
- „Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium Chloride", George Zheng Chen, DJ. Fray, T.W. Farthing, Nature 407 (6802): 361-364. doi: 10.1038/35030069
- Effect of electrolysis potential on reduction of solid Silicon dioxide in molten CaCI2, YASUDA Kouji; NOHIRA Toshiyuki; ITO Yasuhiko; The Journal of physics and chemistry of solids, ISSN 0022-3697, International IUPAC Conference on High Temperature Materials Chemistry No. 11, Tokyo , JAPON (19/05/2003), 2005, vol. 66, no 2-4 (491 p.);
- US 6540902 Bl; - WO 2006092615 Al.
Vorzugsweise wird das Reduktionsverfahren 105.1 bei einer Temperatur von ca. 1900 Grad Kelvin (= 1630 Grad C) durchgeführt, um das Siliziumdioxid zu Silizium (Si) zu reduzieren. Bei der elektrochemischen Transformation 105.2 werden deutlich geringere Temperaturen (vorzugsweise weniger als 500 Grad C) benötigt.
Vorzugsweise werden die Reduktionsverfahren 105, 105.1, 105.2 in einer sauerstoffarmen oder sauerstofffreien Umgebung durchgeführt, da sonst das elementare Silizium 103, das bei der Reduktion entsteht, sofort wieder oxidieren würde. Außerdem bildet Sauerstoff mit dem Silizium eine Siliziumdioxidschicht auf der Schmelze, was das Reduktionsverfahren behindern kann.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren ist in Fig. 4 gezeigt. Gezeigt ist ein Schema, das die grundlegenden Schritte eines vierten erfindungsgemäßen
Verfahrens darstellt. Das Reduktionsverfahren 109 wird hier unter Zufuhr eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases 108 durchgeführt. Vorzugsweise wird Methan (CH4), Biogas oder natürliches Gas (Naturgas: NG) als kohlenwasserstoffhaltiges Gas 108 eingesetzt. Bei dem Reduktionsverfahren 109 entstehen die folgenden Reaktionsprodukte 102:
- Silizium 103,
- Kohlenmonoxid und
- Wasserstoff.
Der Begriff Biogas wird hier verwendet um Gase zum umschreiben, die z.B. durch Gärprozesse unter Luftabschluss entstehen können. Beispiele für Biogas sind die Gase aus Kläranlagen, aus der Nutztierhaltung, aber auch Gase, die in Anlagen bereitgestellt werden, die Biomasse umsetzen. Vorzugsweise kommen hier nur Biogase zum Einsatz, die aus erneuerbaren Quellen stammen und die nicht in Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau stehen. Das erwähnte Methan sollte vorzugsweise auch aus erneuerbaren Quellen stammen, die nicht in Konkurrenz zum Nahrungsmittelanbau stehen. Das Methan kann zum Beispiel in einem Pyrolyseprozess hergestellt werden, wobei der Pyrolyseprozess mit Biomasse betrieben wird.
Bei diesem vierten erfindungsgemäßen Verfahren wird das kohlenwasserstoffhaltige Gas 108 einerseits eingesetzt, um als Reduktionsmittel für die Reduktion des Siliziumdioxids zu dienen. Andererseits dient das kohlenwasserstoffhaltige Gas 108 als „Ausgangsstoff" zur Bereitstellung des
Synthesegases aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Folgende Reaktion (1) läuft gemäß Fig. 4 ab:
SiO2 + CH4(g) ■» Si + 2 CO + 4 H2(g) (1)
Die Reaktionsgleichung (1) gibt ein Verfahren nach Fig. 4 wieder, bei dem Methan als kohlenwasserstoffhaltiges Gas 108 eingesetzt wird. Die „Zerlegung" von CH4 in Synthesegas 110 erfordert Energiezufuhr. Die entsprechende Energie [ΔRH ca. 160 kJ/mol] liefern hier emeuerbare Energiequellen. D.h. das CH4 wird nicht als Energielieferant für diesen Schritt 109 eingesetzt. Um diese Reaktion durchführen zu können, muss die Energie von außen zugeführt werden. In Fig. 4 ist die Energiezufuhr durch einen Blockpfeil angedeutet, der mit Pl und/oder P2 beschriftet ist. D.h. die Energie kann z.B. aus einer Solarthermie-Anlage 200 und/oder aus einer Solaranlage 300 stammen.
Bei dem Verfahren nach Fig. 4 fungiert das Siliziumdioxid des siliziumdioxidhaltigen Materials 101 als Sauerstoffspender.
Das Synthesegas 110 (hier 2 CO + 4 H2(g)) wird hier in einem
Methanolherstellungsverfahren 112 weiter umgesetzt zu Methanol 104.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren ist in Fig. 5 gezeigt. Gezeigt ist ein Schema, das zum Teil dem Verfahren nach Fig. 1 entspricht. An das Verfahren nach Fig. 1 werden hier aber weitere Verfahrensschritte angefügt. Bei dem Reduktionsverfahren 105 entstehen hier Silizium 103 und Sauerstoff 114 als Reaktionsprodukte 102. Der Sauerstoff 114 wird hier unter Zufuhr eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases 115 zu einem Synthesegas 110 aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt. Bei dem Verfahrensschritt 120 handelt es sich um ein Gasoxidationsverfahren. Das Gasoxidationsverfahren ist leicht exotherm. Vorzugsweise wird Methan (CH4), Biogas oder natürliches Gas (NG) als kohlenwasserstoffhaltiges Gas 115 eingesetzt. Das Synthesegas 110 wird hier dann auch in einem Methanolherstellungsverfahren 112 weiter umgesetzt zu Methanol 104.
Im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 wird beschrieben, wie Silizium 103 als Energieträger eingesetzt werden kann. Das reduzierte Silizium 103 ist ein energiereicher Stoff. Dieses Silizium hat die Tendenz mit Wasser in flüssiger oder dampfförmiger Form wieder zu Siliziumdioxid 117 zu oxidieren, wie in Fig. 6 schematisch gezeigt. Bei der sogenannten Hydrolyse 116 des Siliziums 103 wird Energie El frei, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Zusätzlich zu dem Siliziumdioxid 117 entsteht Wasserstoff 118, der zum Beispiel als Energieträger oder Treibstoff eingesetzt werden kann. Vorzugsweise findet die Hydrolyse 116 bei erhöhten Temperaturen statt. Bevorzugt sind Temperaturen, die deutlich oberhalb von 100 Grad Celsius liegen. Im Temperaturbereich zwischen 100 Grad Celsius und 300 Grad Celsius wird eine Umsetzung in brauchbaren Mengen dann erreicht, wenn das Silizium und sehr feinkörniger oder pulvriger Konsistenz mit Wasserdampf in Verbindung gebracht und durchmengt wird. Da Silizium bis zu ca. 300 Grad Celcius ansonsten nur eine sehr geringe Neigung zur Reaktion mit Wasser hat, wird vorzugsweise die Hydrolyse 116 bei Temperaturen im Temperaturbereich zwischen 300 Grad Celsius und 600 Grad Celsius durchgeführt.
Gemäß Erfindung wird in einem Verfahren nach Fig. 6 das Silizium 103 in einen Reaktionsbereich eingebracht und mit Wasser in flüssiger oder dampfförmiger Form versetzt. Außerdem wird gemäß Erfindung dafür gesorgt, dass das Silizium 103 eine Mindesttemperatur aufweist. Entweder wird das Silizium 103 zu diesem Zweck erwärmt (z.B. mit Heizmitteln, oder durch wärmeerzeugende oder wärmeabgebende Zusatzstoffen), oder das Silizium 103 befindet sich bereits beim Einbringen auf einem entsprechenden Temperaturniveau. Unter diesen Rahmenbedingungen wird dann in dem Reaktionsbereich Wasserstoff als Gas freigesetzt. Der Wasserstoff wird aus dem Reaktionsbereich entnommen.
Im Folgenden ist ein Zahlenbeispiel für ein Verfahren gemäß der Fig. 1 in Kombination mit Fig. 6 oder der gemäß der Fig. 5 in Kombination mit Fig. 6 gegeben:
1 Mol (= 60,1 g) SiO2 bildet 1 Mol (= 28 g) Si. 1 Mol (= 28 g) Si bildet wiederum 1 Mol (= 451 g) H2. D.h. 2,15 kg SiO2 bilden 1 kg Si, und aus diesem 1 kg Si werden 1,6 m3 H2 gebildet.
Das Silizium 103 hat aber auch die Tendenz mit Sauerstoff wieder zu Siliziumdioxid 117 zu oxidieren, wie in Fig. 7 dargestellt. Es wird Energie E2 frei, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Vorzugsweise findet die Oxidation 119 im Temperaturbereich zwischen 500 Grad Celsius und 1200 Grad bei erhöhten Temperaturen statt. Bevorzugt sind Temperaturen, die oberhalb von 1000 Grad Celsius liegen. Die entsprechende Temperatur kann z.B. mittels einer Solarthermie-Anlage 200 oder einer Solaranlage 300 bereit gestellt werden.
Das Verfahren nach Fig. 7 kann zum Beispiel in einem Oxidationsofen durchgeführt werden. Vorzugsweise wird in dem Oxidationsofen eine thermische Oxidation durchgeführt, bei der die Energie zum Auslösen/Betreiben der Oxidation aus erneuerbaren Energiequellen (vorzugsweise aus Sonnenenergie) stammt.
Die Oxidation des Siliziums 103 sollte vorzugsweise mit trockenem Sauerstoff erfolgen, um einen gleichzeitigen konkurrierenden Hydrolyseprozess auszuschließen.
Das Verfahren nach Fig. 7 kann zum Beispiel auch in einem Plasma- Oxidationsofen durchgeführt werden. Hier sind nur Temperaturen im Temperaturbereich zwischen 300 Grad Celsius und 600 Grad notwendig, weil ein Teil der erforderlichen Energie durch das Plasma bereit gestellt wird. Die Methanolherstellung kann gemäß einem der bekannten und großtechnisch genutzten Verfahren durchgeführt werden. Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem ein Katalysator (z.B. ein CuO-ZnO-Cr2O3 oder ein Cu-Zn-AI2O3 Katalysator) eingesetzt wird.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass bei der Reduktion des Siliziumdioxids kein CO2 freigesetzt wird. Die erforderliche Energie wird aus erneuerbaren Energiequellen, vorzugsweise aus Solaranlagen 200 oder 300, bereitgestellt.
Das elementare Silizium 103 wird vorzugsweise in Pulverform, oder in granulärer oder körniger Form eingesetzt, um bei der Oxidation (siehe Schritt 119 in Fig. 7) oder bei der Hydrolyse (siehe Schritt 116 in Fig. 6) eine möglichst große Oberfläche anzubieten.
Silizium spielt eine essenzielle Rolle für elektronische Bauteile wie Solarzellen und Halbleiterchips sowie für die Herstellung von Silikonen. Das elementare Silizium 103 kann also auch in einem entsprechenden Prozess weiterverarbeitet oder veredelt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Bereitstellen speicherbarer und transportabler Energieträger (103, 104), mit den folgenden Schritten :
- Transformation von siliziumdioxidhaltigem Ausgangsmaterial (101) in einem Reduktionsverfahren (105, 109) in Silizium (103), wobei bei Primärenergie (Pl, P2) für dieses Reduktionsverfahren (105, 109) aus einer erneuerbaren Energiequelle bereitgestellt wird, - Einsetzen eines Teils der Reaktionsprodukte (102) des
Reduktionsverfahrens (105, 109) in einem Prozess (106, 112) zur Methanolherstellung, wobei bei dem Prozess (106, 112) zur Methanolherstellung Synthesegas (110) aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff zum Einsatz kommt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformation eine thermochemische (105.1) oder eine elektrochemische (105.2) Transformation ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Primärenergie (Pl, P2) für die Transformation durch Sonnenlicht (S) geliefert wird, wobei im Falle der thermochemischen Transformation (105.1) eine Solarthermie-Anlage (200) und im Falle der elektrochemischen Transformation (105.2) eine Solaranlage (300) zum Einsatz kommt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsverfahren bei einer Temperatur von ca. 1900 Grad Kelvin (= 1630 Grad C) durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsverfahren (105, 109) in einer sauerstoffarmen oder sauerstofffreien Umgebung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reduktionsverfahren (109) unter Zufuhr eines kohlenwasserstoffhaltigen
Gases (108), vorzugsweise Methan, Biogas oder natürliches Gas (NG), durchgeführt wird, und dass die folgende Reaktionsprodukte (102) des Reduktionsverfahrens (109) bereitgestellt werden:
- Silizium (103), Kohlenmonoxid und - Wasserstoff.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium (103) als ein erster speicherbarer und transportabler Energieträger bereitgestellt wird und dass aus dem Kohlenmonoxid und dem Wasserstoff in dem Prozess (112) zur Methanolherstellung Methanol (104) als zweiter speicherbarer und transportabler Energieträger bereitgestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Energie zum Umwandeln des kohlenwasserstoffhaltigen Gases (108) aus einer erneuerbaren Energiequelle, vorzugsweise aus Sonnenenergie, bereitgestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Reaktionsprodukte (102) des Reduktionsverfahrens (105) bereitgestellt werden :
- Silizium (103) und
- Sauerstoff (114).
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium (103) als ein erster speicherbarer und transportabler Energieträger bereitgestellt wird und dass in einem Gasoxidationsverfahren (120) der Sauerstoff (114) unter Zufuhr eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases (115), vorzugsweise Methan, Biogas oder natürliches Gas (NG), zu dem Synthesegas (110) aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Kohlenmonoxid und dem Wasserstoff in dem Prozess (112) zur Methanolherstellung Methanol (104) als zweiter speicherbarer und transportabler Energieträger bereitgestellt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium (103) als ein erster speicherbarer und transportabler Energieträger bereitgestellt wird, wobei in einem weiteren Schritt (116) Wasser oder Wasserdampf mit dem Silizium (103) in Kontakt gebracht wird, um in einer Hydrolysereaktion (116) Wasserstoff (118),
Siliziumdioxid (117) und eine erste Energiemenge (El) bereit zu stellen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Silizium (103) als ein erster speicherbarer und transportabler Energieträger bereitgestellt wird, wobei in einem weiteren
Schritt (119) Sauerstoff mit dem Silizium (103) in Kontakt gebracht wird, um in einer Oxidationsreaktion (119) Siliziumdioxid (117) und eine zweite Energiemenge (E2) bereit zu stellen.
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