AT507667A4 - Energetischer kreislauf auf basis von titan - Google Patents

Description

  Energetischer Kreislauf auf Basis von Titan 

  
Die Gewinnung von Energie bzw. deren Transport und Speicherung ist eines der zentralen Probleme der Neuzeit. Um aus dem linearen Ansatz des Verbrennens von Erdöl und Erdölderivaten zum Zwecke der Energiegewinnung- der anscheinend in eine Sackgasse geführt hat- herauszukommen, wurden und werden verschiedene alternative Konzepte diskutiert. Als bekannteste Lösung ist die sogenannte Wasserstoffwirtschaft zu nennen. Hierbei soll in geeigneten Gebieten mit elektrischer Energie Wasserstoff über Wasserelektrolyse erzeugt werden und anschliessend in Pipelines oder Tankern zu den Abnehmern transportiert werden. Dort soll der Wasserstoff in Brennstoffzellen wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. 

  
Als geeignetes Gebiet wurde immer wieder der Sonnengürtel (Wüsten) genannt in denen Photovoltaikanlagen im grossen Stil für die Stromerzeugung errichtet werden könnten. Als Hindernis steht so einem Unterfangen unter anderem die geringe volumetrische Energiedichte des Wasserstoffs entgegen, d.h. er ist nur mit hohem technischem Aufwand speicherbar bzw. transportierbar. Auf der anderen Seite ist bei der Elektrolyse in abgelegenen Gebieten nur schwer ein industrieller Abnehmer für den erzeugten Sauerstoff zu finden. Das zweite Produkt der Elektrolyse geht somit verloren. 

  
Vom Autor P.Licht a des Buches "Benzin aus Sand" (Langen Müller, 2001, S.183, Abb.19) wurde ein Kreislauf auf Basis von höherkettigen Silanen vorgeschlagen. Dieser Kreislauf ist äusserst originell und erscheint technisch machbarer als die solare Wasserstofferzeugung im grossen Stil. 

  
Hierbei wird in einem ersten Schritt Silizium nach dem Stand der Technik hergestellt. In einem zweiten Schritt werden aus Silizium mittels modifizierter Müller Rochow Synthese höherkettige, stabile Silane erzeugt. Diese reagieren anschliessend bei der Verbrennung in Motoren und Turbinen oder Raketentriebwerken nicht nur mit dem Luftsauerstoff sondern unter geeigneten Bedingungen auch mit dem Luftstickstoff. Als Endreaktionsprodukte bleiben H20 und S-3N4 (fest) über. Aus dem Siliziumnitrid kann über die Zersetzung in Kalilauge Ammoniak und Si[theta]2 gewonnen werden. Der Ammoniak kann einer Weiterverwendung, z.B. für die Düngemittelproduktion, zugeführt werden. Das entstandene Si[theta]2 kann deponiert werden oder theoretisch wieder für die Si Herstellung eingesetzt werden. So ist der Kreislauf geschlossen. 

  
Auch wenn sich dieser Kreislauf nicht im grossen technischen Massstab durchsetzen sollte, so stellt die Silanverbrennung mit Stickstoff doch eine aussergewöhnliche Reaktion dar, die vor allem in der Raumfahrt angewendet wird werden müssen. 

  
Es ist vor allem anzumerken, dass die Verbrennung - also die Umsetzung mit Sauerstoff und Stickstoff(!) von reinen höherkettigen Silanen mit Luft nichtstöchiometrisch abläuft. Dies kann je nach gewünschter Anwendung des Verbrennungsprozesses Vorteile oder Nachteile bringen. 

  
Die vorliegende Erfindung stellt einen neuen energetischen Kreislauf auf Basis von Titan vor, der den Vorteil bietet über die gezielte Beladung eines Zwischenproduktes mit Wasserstoff sowohl eine stöchiometrische als auch eine nichtstöchiometrische Verbrennung zuzulassen. 

  
In einem ersten Schritt wird metallisches Titan nach dem Stand der Technik hergestellt. Als besondere Ausführungsform kann in diesem Falle die sog. Carbidothermie angewendet werden, da die Reinheit des gewonnen Titans für die weiteren Prozessschritte keine grosse Rolle spielt. Bei der carbidothermischen Methode wird [Eta]O2 mit Kohlenstoff zu TiC gemäss Ti02 + 3C- TiC +2CO umgesetzt. Das so gewonnene TiC wird im Verhältnis 2:1 mit Ti02 gemischt und unter Vakuum erhitzt. Dabei entsteht metallische Titan gemäss: 2 TiC+ Ti[theta]2 -> 3Ti + 2C0 

  
Da die Löslichkeit des Restkohlenstoffs und des Restsauerstoffs im metallischen Titan hoch ist, liegt das Titan verunreinigt vor. Die bekannten, guten Werkstoffeigenschaften des Titans gehen dadurch verloren. Deshalb wird dieser Weg nicht für die kommerzielle Titanerzeugung gewählt, sondern der Weg über die Chloride (Kroll Prozess) beschriften, bei dem äusserst reines Titan erzeugt werden kann. 

  
Im vorliegenden Fall soll das so erzeugte Titan jedoch nicht als Werkstoff sondern als Ausgangssubstanz für die Titanhydridherstellung dienen. 

  
Das über die Carbidothermie gewonnene Titan wird mit Wasserstoff "beladen" d.h. in Titanhydrid übergeführt. Theoretisch kann bei voller Wasserstoffbeladung T-H2 erzeugt werden. Im vorliegenden Fall soll die stöchiometrische Verbrennung von TiHo,s beschrieben werden. 

  
Als feines Pulver kann das TiHo,s stöchiometrisch gemäss 

  
8 TiH0,5 + 02 + 4N2 - 2H20 + 8TiN verbrannt werden: 

  
Es ist bekannt, dass Titan an der Luft bei der spanenden Bearbeitung bei 1200[deg.]C mit Stickstoff zu brennen beginnen kann (!). Das heisst, dass ab dieser Temperatur sich nicht mehr das erwartete [Eta]O2 als Reaktionsprodukt ergibt sondern das Nitrid. 

  
TiN (Schmelzpunkt 2950[deg.]C) ist ein gelbes Pulver das in der NaCl Struktur kristallisiert. Die Darstellung der stöchiometrischen Verbindung ist in der Regel schwierig, da zumeist Phasen mit Metallüberschuss entstehen. Dies dürfte durch die Verwendung grobkörniger Ausgangssubstanzen verursacht werden. Durch die Verwendung feinpulvriger Ausgangssubstanzen und geeigneter Reaktionsbedingungen sollte sich eher stöchiometrisch reines TiN bilden. Dies ist bei der vorgeschlagenen Verbrennung zu erwarten. 

  
In der hier vorgeschlagenen Reaktion wird die Initialzündung durch die Verbrennung des gespeicherten Wasserstoffs mit Sauerstoff geliefert. Dies erfolgt vorzugsweise in einem Rohr. Nach Verbrauch vom 20% Sauerstoffanteil der Luft im jeweils betrachteten Luftvolumen, kann das Titan mit den verbliebenen 80% Stickstoff reagieren. 

  
Das Endprodukt der Verbrennung TiN kann mittels heisser KOH zu NH3 und Ti(OH)x bzw. [Eta]O2 zersetzt werden. Der Ammoniak kann einer weiteren Verwendung zugeführt werden. Vorzugsweise wird daraus durch katalytisches Cracken der Wasserstoff zur Titanhydridherstellung gewonnen. Das [Eta]O2 kann wieder zur TiC Synthese eingesetzt werden.

Claims (1)

1. Ansprüche:

   1)

   Energetischer Kreislauf zur Speicherung, Transport und Einsatz von Energie dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt Titan hergestellt wird, vorzugsweise carbidothermisch, in einem zweiten Schritt aus diesem Titan durch Hydrierung Titanhydrid hergestellt wird und in einem dritten Schritt ein energieliefernder Prozess in einer Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird wobei dieses Titanhydrid mit Luft vollständig verbrannt wird zu Titannitrid und Wasserdampf, und in einem vierten Schritt das nach der Verbrennung aufgefangene Titannitrid zu Ammoniak und Titandioxid zersetzt wird, wobei der Ammoniak in einem fünften Schritt zu Wasserstoff und Stickstoff gespalten wird und der so gewonnene Wasserstoff in die Titanhydridherstellung zurückfliesst und das Titandioxid wiederum als Ausgangssubstanz für die Titanherstellung eingesetzt werden kann.

   Verfahren zur Spe<i>cherung, Transport und Einsatz von Energie in Form eines Kreislaufes dadurch gekennze<i>chnet, dass in einem ersten Schritt Titan hergestellt wird, vorzugsweise carb<i>dotherm<i>sch aus e<i>nem Titanoxid beispielsweise Ti02 oder Ti(OH)x, in einem zweiten Schntt aus d<i>esem T<i>tan durch Hydrierung Titanhydrid hergestellt wird und in einem dritten Schntt e<i>n energ<i>el<i>efernder Prozess in einer Verbrennungskraftmaschine durchgeführt wird wobe<i> d<i>eses T<i>tanhydrid mit Luft vollständig verbrannt wird zu Titannitrid und Wasserdampf, und <i>n einem vierten Schritt das nach der Verbrennung aufgefangene T<i>tanmt[pi]d zu Ammon<i>ak und Titandioxid zersetzt wird,

   wobei der Ammoniak in einem f<ü>nften Schntt zu Wasserstoff und Stickstoff gespalten wird und der so gewonnene Wasserstoff <i>n d<i>e T<i>tanhydridherstellung zurückfliesst und das Titandioxid gegebenenfalls w<i>ederum als Ausgangssubstanz für die Titanherstellung eingesetzt wird.

   Anspruch: 1)

   NACHGEREICHT