DE10048472A1 - Neuartiges Konzept zur Energieerzeugung über einen anorganischen Stickstoff-Zyklus, ausgehend vom Grundstoff Sand unter Erzeugung Höherer Silane - Google Patents

Abstract

Es wird ein neuartiges Energiekonzept beschrieben, das als künstlicher Silicium-Stickstoff-Zyklus das Komplement zum natürlichen Kohlenstoff-Sauerstoff-Zyklus darstellt. Aus Sand wird mit Hilfe von Solarstrom zunächst reines Silicium erzeugt. Durch wiederholte abgeänderte Müller-Rochow-Synthese mit Silylchloriden werden aus diesem Silicium unter Verwendung von Silylchloriden, die entweder Silikonchemieabfälle sind oder preiswert aus Mono- oder Disilan hergestellt werden, höhere Silane produziert. Diese werden mit Siliciumpulver vermischt und dann unter Energieerzeugung mit Luft zu H¶2¶O und Siliciumnitrid Si¶3¶N¶4¶ verbrannt. Das Siliciumnitrid wird basisch unter Bildung von Silicaten in Ammoniak NH¶3¶ überführt. Anschließend wird das NH¶3¶ zum Teil in Folgeprodukte umgewandelt, zum Großteil aber mit Luft unter weiterer Energieerzeugung zu H¶2¶O und N¶2¶ verbrannt. Hierdurch wird der N¶2¶-Kreislauf geschlossen.

Description

Silicium steht im Periodensystem der chemischen Elemente unmittelbar unterhalb des Kohlenstoffs und ähnelt ihm daher. Die Wasserstoffverbindungen des Siliciums weisen jedoch einige Unterschiede zu den Kohlenwasserstoffen auf. Schon Friedrich Wöhler entdeckte um die Jahrhundertwende den Silicium- Homologen des Methans CH₄, das Monosilan SiH₄. Anfang des 20. Jahrhunderts konnte Prof. Alfred Stock, Karlsruhe, die längerkettigen Homologen der Kohlen­ wasserstoffe Ethan, Propan und Butan darstellen, also das Disilan Si₂H₆, Trisilan Si₃H₈, und Tetrasilan n-Si₄H₁₀, die allerdings alle an Luft selbstentzündlich sind.

1951 begann in Köln die Silanforschung unter Prof. Franz Fehér. Anfang der 70er Jahre gelang es seinem Assistenten Peter Plichta dort, die bis dahin un­ bekannten sog. Höheren Silane vom Pentasilan Si₅H₁₂, bis zum Dekasilan Si₁₀H₂₂ erstmals herzustellen (Dt. Patent 21 39 155 (1976)). Dabei zeigte sich, daß - ent­ gegen bisheriger Annahme - Höhere Silane mit zunehmender Kettenlänge nicht instabiler, sondern im Gegenteil immer stabiler werden, so daß beispielsweise schon das Heptasilan (n-Si₇H₁₆) bei Raumtemperatur nicht mehr selbstentzündlich ist! Höhere Silane sind handhabungssichere, untoxische, dieselölähnliche und damit pumpbare Flüssigkeiten.

Silane können als energieerzeugende Treibstoffe genutzt werden (Dt. Pa­ tent 42 15 835 (1994); US Patent 5,775,096 (1998)).

Im folgenden wird die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit der Verbrennung von Siliciumwasserstoffen verglichen.

Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen reagiert bekanntlich so­ wohl der Wasserstoff- als auch der Kohlenstoffanteil immer nur mit dem 20%igen Sauerstoffanteil der Luft:

H₂ + ½O₂ → H₂O und C + O₂ → CO₂

Nachteile

Der Stickstoffanteil der Luft, der 80% beträgt, bleibt dabei un­ genutzt, zudem entsteht das Atemgift Kohlendioxid.

Silicium hat im Gegensatz zu Kohlenstoff die Eigenschaft, eine äußerst beständige Nitridverbindung zu bilden, das industriell bekannte Silici­ um(tetra)nitrid Si₃N₄:

3Si + 2N₂ → Si₃N₄ + 750 kJ

Die technische Darstellung von Si₃N₄ erfolgte bislang durch Einwirkung von molekularem Stickstoff auf Si-Pulver bei 1100-1400°C. Versuche bei der Wacker-Chemie AG haben aber gezeigt, daß sogar kalter (ca. 200°C) Stickstoff mit Silicium (katalytisch) reagiert bzw. zündet (Tagung "Silicon for the Chemical Industry V", Mai 29-Juni 2, 2000, Tromso (Norwegen), Vortrag von Frau Dr. G. Tamme: "Silicon Cyclone Dust and Copper Oxide in the Direct Process, a Dange­ rous Mixture?")

In einem luftatmenden Triebwerk sind die folgenden Reaktionen möglich:

3Si + 2N₂ → Si₃N₄ + 750 kJ (I)

H₂ + ½O₂ → H₂O (II)

Si + O₂ → SiO₂ (III)

Vorteile

Der Luftstickstoff kann bei der Verbrennung von Silanen mit ausgenutzt werden!

Ziel einer Verbrennung von Siliciumwasserstoffen ist, den Wasserstoffanteil in einer Brennkammer stöchiometrisch mit Luftsauerstoff zu verbrennen (wie bei Kohlenwasserstoffen), gleichzeitig aber auch den Stickstoffanteil der Luft mit Silicium umzusetzen. Um die komplette Verbrennung des zugeführten Luftstick­ stoffs zu erreichen, könnte man dem Silanbenzin dispergiertes Siliciumpulver zusetzen (Dt. Patent 196 12 507 (1997); US Patent 5,996,332 (1999)). Das Si­ lan/Siliciumgemisch bleibt dabei pumpbar.

Wählt man beispielsweise n-Heptasilan Si₇H₁₆ (Sdp. 226,8°C, Dichte 0,859 g/cm³), so ergibt sich folgende stöchiometrische Verbrennung eines norma­ len Luftgemisches aus 20% O₂ und 80% N₂:

16H + 4O₂ → 8H₂O

7Si + 16N₂ + zusätzlich 17 dispergierte Si → 8Si₃N₄

Die Gleichungen zeigen, daß die angesaugte Luftmenge tatsächlich in 100%iger Ausbeute als Oxidationsmittel verwendet werden kann. Das i. A. inerte Gas Stickstoff wirkt dabei als Oxidator. Bei dieser Reaktion entsteht zudem kei­ nerlei Atemgift, sondern neben Wasser nur noch Siliciumnitrid, das sogar noch aufgefangen bzw. gefiltert werden kann.

Um eine solche Verbrennung in der Praxis durchführen zu können, wurde bereits eine Strahlturbine entwickelt, die die überaus heißen Verbrennungsgase in 2 hintereinander geschalteten Brennkammern so verarbeitet, daß eine Welle an­ getrieben werden kann (Dt. Patent 196 12 507 (1997); US Patent 5,996,332 (1999)). Diese Turbine dient als Ersatz für herkömmliche Explosionsmotoren. Darüber hinaus ist ein luftatmender Raketenmotor (d. h. ohne Oxidationstank!) bekannt, der in Überschallflugzeugen und Raumgleitern eingesetzt werden soll (Dt. Patente 44 37 524 (1996) und 44 39 073 (1996)).

Mit den Patentanmeldungen vom 18.09.2000 (AZ 100 46 037.2) und vom 29.09.2000 ist bekannt, Höhere Silane durch die wiederholte Anwendung der ab­ geänderten Müller-Rochow-Synthese (d. h. mit Silylchloriden statt Methylchlori­ den) preiswert herzustellen.

Damit sind die Voraussetzungen gegeben, Silane zum zentralen Bestand­ teil der zukünftigen Energieversorgung zu machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen neuent­ deckten chemischen, anorganischen Zyklus zu beschreiben, bei dem Siliciumdi­ oxid, der Hauptbestandteil der Erdrinde, mit Hilfe von Sonnenlicht zunächst in reines Silicium umgewandelt wird. Danach werden daraus gewonnene Höhere Silane unter Energieerzeugung mit Luftstickstoff verbrannt, wobei Siliciumnitrid Si₃N₄ entsteht. Dieses Si₃N₄ wird basisch in Ammoniak NH₃ überführt. Hierbei entstehen auch Silicate, die jedoch nicht wieder in den Zyklus eingespeist werden müssen, da SiO₂ kostenlos zur Verfügung steht. Beim Verbrennen von NH₃ ent­ steht wiederum unter Energieerzeugung N₂, so daß der Stickstoffkreislauf ge­ schlossen ist.

Diese einzelnen Schritte sind im Prinzip bekannt, sie stehen in den Che­ miebüchern oder sind bereits patentiert bzw. zum Patent angemeldet.

Die vorliegende Erfindung beschreibt jedoch die Idee, die einzelnen be­ kannten Schritte zu einem zyklischen System zu verbinden, das dem natürlichen Kohlenstoffkreislauf ähnelt.

Der herkömmliche Kohlenstoffkreislauf besteht aus dem Dualismus bzw. der Symbiose der Organismen der Pflanzen auf der einen und der Lebewesen auf der anderen Seite: Mit Hilfe von Sonnenlicht wird in den Pflanzen durch Photo­ synthese CO₂ assimiliert und O₂ erzeugt. Die dabei in den Pflanzen erzeugten Pro­ dukte aus Kohlenwasserstoffen dienen den Tieren und Menschen als Nahrung. Der von den Pflanzen erzeugte Sauerstoff wird von den Tieren und Menschen unter Energieerzeugung veratmet. Dabei entsteht CO₂, das wiederum die Pflanzen zum Überleben brauchen.

In den Jahrmillionen der Evolution hat sich dabei ein Gleichgewicht einge­ stellt, das den Kohlendioxidanteil in der Atmosphäre konstant hält. Dieses Gleichgewicht ist jedoch mit Beginn des Industriezeitalters bis heute immer mehr ins Wanken geraten. Der immer weiter zunehmende industrielle CO₂-Ausstoß, der weltweit das gesamte Ökosystem bedroht, geht einher mit den immer knapper werdenden Rohölreserven.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch, einen Ausweg aus dieser sich immer weiter zuspitzenden Lage aufzuzeigen.

Vorteil der Verwendung von Silanen als Treibstoffe ist die unbegrenzte Verfügbarkeit des Grundstoffes Silicium im Gegensatz zu den sehr begrenzten Rohölvorkommen. 25% der Erdkruste bestehen aus Silicium. Sand z. B. hat die chemische Summenformel SiO₂.

(I) Der hohe Bedarf an reinem Silicium kann dadurch gedeckt werden, daß man in heißen Wüstenländern den Sand (SiO₂) mit Kohle und Solarstrom im elektrischen Lichtbogenofen an Ort und Stelle zu reinem Silicium reduziert. Ge­ nau wie das Sonnenlicht in den Pflanzen dafür sorgt, daß Elektronen zur C-C- Knüpfung verwendet werden können, so wird bei dem hier beschriebenen anorga­ nischen Zyklus mit Hilfe von aus Silicium bestehenden Solarzellen Strom erzeugt, der zur Gewinnung reinen Siliciums im Lichtbogenofen benötigt wird.

Das dabei entstehende reine CO₂ kann zur Erzeugung der organischen Grundchemikalie Methanol verwendet werden, so daß es nicht in die Atmosphäre gelangt. Methanol stellt eine veredelte Form der Kohle dar. Der zur Veredelung des CO₂ zum Methanol CH₃OH nach der Formel CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O benötigte Wasserstoff wird durch Elektrolyse erzeugt, wobei der dazu notwendige Strom ebenfalls aus den Solarzellen stammt.

(II) Im nächsten Schritt werden aus dem Silicium durch die abgeänderte Müller-Rochow-Synthese mit Silylchloriden Höhere Silane hergestellt. Hierbei sollen als Silylchloride idealerweise ansonsten teuer zu entsorgende Industrieab­ fälle aus der Silikonchemie wie Methylchlordisilane verwendet werden. Alterna­ tiv erhält man die Silylchloride durch Chlorierung von bei der sauren Zersetzung von Magnesiumsilicid in großen Mengen entstehendem Mono- und Disilan.

(III) Im dritten Schritt werden die Höheren Silane unter Zusatz von disper­ giertem Siliciumpulver mit atmosphärischer Luft (20% O₂; 80% N₂) zu Wasser H₂O und Siliciumnitrid Si₃N₄ verbrannt. Dieses auch in der Industrie benötigte Siliciumnitrid Si₃N₄ ist ein grauweißer, völlig untoxischer Staub, der erst bei Temperaturen um 1900°C unter Zersetzung schmilzt.

(IV) Si₃N₄ kann in Laugen aufgelöst und in Ammoniak NH₃ überführt wer­ den. Die dabei entstehenden Silikate sind unschädlich, müssen aber nicht recycled werden, da Sand SiO₂ in rauhen Mengen vorhanden ist. Teile des Ammoniaks können zur Herstellung von Kunstdünger verwendet werden.

(V) Der Großteil soll jedoch im nächsten Schritt mit atmosphärischer Luft wiederum unter hoher Wärmeabgabe zu Stickstoff N₂ und Wasser H₂O verbrannt werden. Hierdurch gelangt wieder Stickstoff in die Atmosphäre, der dann wieder für die Verbrennung der Höheren Silane zur Verfügung steht.

Die oben beschriebenen Reaktionen ergeben in ihrem Zusammenspiel ei­ nen neuartigen chemischen Kreislauf (Fig. 1).

Der beschriebene Silicium-Stickstoff-Zyklus stellt ein völlig neuartiges Energiekonzept dar. Dieser Kreislauf ist das künstliche Pendant zum natürlichen Kohlenstoff-Sauerstoff-Kreislauf. Mit Einführung von Silicium-Gleichrichtern, Transistoren, -Dioden, -Speicherchips etc. in der Physik und mit Silikonölen und - Kunststoffen in der Chemie hat sich das Siliciumzeitalter angekündigt, mit dem vorgestellten Kreislauf setzt es sich endgültig durch. Es muß betont werden, daß die von dem beschriebenen Kreislauf freigesetzte Energie letztendlich aus dem Sonnenlicht stammt, genau wie bei der Photosynthese.

Zwar sind die 5 Schritte des Kreislaufs nichts grundsätzlich Neues, die Ge­ samtidee stellt jedoch etwas völlig Neuartiges dar.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erzeugung von Energie im Verlauf eines anorganischen Stick­ stoff-Silicium-Kreislaufs, dadurch gekennzeichnet, daß zyklisch folgende Schritte durchgeführt werden:

• a) Erzeugung von reinem Silicium durch Reduktion von Sand SiO₂ mit Kohle im elektrischen Lichtbogenofen unter Erzeugung von reinem CO₂.
• b) Erzeugung Höherer Silane Si_xH_2x+2 durch wiederholte Anwendung der abge­ änderten Müller-Rochow-Synthese mit Silylchloriden.
• c) Energieerzeugung durch stöchiometrische Verbrennung der Silane mit disper­ giertem Siliciumpulver an Luft N₂/O₂ unter Entstehung von H₂O und Si₃N₄, bspw. in Motoren in den verschiedensten Vehikeln.
• d) Sammelung bzw. Filtrierung des Si₃N₄-Staubes und basische Umsetzung zu Ammoniak NH₃ unter Bildung von Silikaten (Siliciumoxiden).
• e) Weiterverarbeitung des NH₃ in kleinen Teilen zu Kunstdünger, im Großteil aber Verbrennung des NH₃ mit Luft unter Entstehung von und H₂O und N₂.

2. Verfahren nach Anspruch 1a., dadurch gekennzeichnet, daß der für den Licht­ bogenofen benötigte Strom in Solarzellen erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1a., dadurch gekennzeichnet, daß das bei der Re­ duktion des Siliciumdioxids entstehende reine CO₂ zu Methanol CH₃OH ver­ edelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Veredelung des CO₂ zu Methanol benötigte Wasserstoff H₂ durch Elektrolyse mit Hilfe von Solarstrom erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1b., dadurch gekennzeichnet, daß die Silylchloride durch Chlorierung mit HCl aus Mono- und Disilan gewonnen werden, die bei der sauren Zersetzung von Magnesiumsilicid in großen Mengen anfallen.