S43-0015P-WO PCT

Silizium oder elementare Metalle als Energieträger

Die vorliegende Anmeldung betrifft Verfahren zum Bereitstellen speicherbarer und transportabler Energieträger.

Es wird die Priorität der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2008/067895 in Anspruch genommen, die am 18.12.2008 im Namen der Silicon Fire AG eingereicht worden ist. Es wird auch die Priorität der europäischen Patentanmeldung EP 09 152 292.0 in Anspruch genommen, die am 6.2.2009 im Namen der Silicon Fire AG eingereicht worden ist. Es wird auch die Priorität der internationalen Patentanmeldung PCT/EP2009/061707 beansprucht, die am 9.9.2009 im Namen der Silicon Fire AG eingereicht worden ist.

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 CO ₂ -Anteil in der Atmosphäre deutlich an.

Hauptursache hierfür sind die vom Menschen verursachten - die sogenannten anthropogenen - C0 ₂ -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 C0 ₂ -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 CO ₂ Reduktion. Es werden pro Jahr Milliarden von Millionen Tonnen CO ₂ 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 Treibstoffe oder Brennstoffe, zu erzeugen. Das Bereitstellen der Energieträger sollten möglichst ohne den Ausstoß von CO ₂ möglich sein.

Gemäß Erfindung wird ein Verfahren zum Bereitstellen speicherbarer und transportabler Energieträger bereit gestellt. In einem Schritt findet eine Transformation von siliziumdioxidhaltigem oder metalloxidhaltigem

Ausgangsmaterial (hier als oxidhaltiges Ausgangsmaterial bezeichnet) in einem Reduktionsverfahren zu Silizium oder Metall statt, wobei bei Primärenergie für dieses Reduktionsverfahren aus einer erneuerbaren 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.

Das industrielle Extrahieren von Metallen aus ihren Oxiden durch carbothermische und elektrolytische Prozesse bedarf hoher Temperaturen und erzeugt grosse Mengen von Treibhausgasen (z.B. CO ₂ ). Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass der erforderliche Energieeintrag ganz oder teilweise aus erneuerbaren Energiequellen (z.B. Solarenergie) stammt und somit kein oder kaum Treibhausgase abgegeben werden. 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 oder elementare Metalle), die einen 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 unerwünschte oder unkontrollierte Reaktion (Oxidation) des Siliziums oder des Metalls auszulösen. Das Silizium 103 oder Metall sollte vorzugsweise trocken gelagert und transportiert werden. Außerdem sollte das Silizium 103 oder das Metall nicht erwärmt werden, da sonst die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion mit Wasserdampf aus der Umgebungsluft oder mit Sauerstoff zunimmt.

Untersuchungen haben ergeben, dass z.B. 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 oder Metalls 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 oder metalloxidhaltiges Ausgangsmaterial 101 wird hier verwendet für Stoffe, die einen großen Anteil von Siliziumdioxid (SiO ₂ ) oder einen großen Anteil mindestens eines Metalloxids (z.B. Bauxit) enthalten.

Besonders geeignet ist Sand und/oder Schiefer (SiO ₂ + [CO ₃ ] ² ). 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; SiO ₂ ).

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 endothermen Reduktionsverfahrens 105 in elementares Silizium 103 umgewandelt. Das elementare Silizium 103 wird hier 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 (H ₂ ) oder aus Kohlendioxid (CO ₂ ) und Wasserstoff (H ₂ ) zum Einsatz. 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. Um so mehr Silizium 103 entnommen wird, um so weniger Silizium 103 kann als Energielieferant für den Methanolherstellungsprozess 106 eingesetzt werden.

Grundlegenden Details zu solar-thermischen Prozessen sind dem Buch von Steinfeld A., Palumbo R., "Solar Thermochemical Process Technology", Encyclopedia of Physical Science and Technology, Academic Press, ISBN 0-12- 227410-5, Vol. 15, pp. 237 - 256, 2001 zu entnehmen.

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. Der Vorgang 105.1 in Fig. 2 wird auch als thermische Dissoziation bezeichnet, der durch die folgende Gleichung (1) beschrieben werden kann (M steht hier für Metall oder Silizium und M _x O _y für das Metalloxid oder Siliziumdioxid) :

M _x O _y ^■ * xM + 0.5yO ₂ (g) (1)

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

(typischerweise Luft, Wasser, synthetisches Öl, Helium, Natrium, geschmolzenes Salz) als Vermittler zur Weitergabe/Übertragung der Energie Pl eingesetzt werden. Um den Reduktionsvorgang des Reduktionsverfahrens 105.1 zu unterstützen oder zu beschleunigen, wird vorzugsweise ein Katalysator eingesetzt.

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 (CaCI ₂ ) oder ein anderen Elektrolyt, vozugsweise einen chloridhaltigen Elektrolyt ein. Auch geeignet ist z.B. NH ₄ CI. 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 CaCI ₂ , 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. Wenn ein Katalysator eingesetzt wird, liegt die genannte Temperatur etwas niedriger. Bei der elektrochemischen Transformation 105.2 werden deutlich geringere Temperaturen (vorzugsweise weniger als 500 Grad C) benötigt.

Besonders bevorzugt ist eine elektrochemischen Transformation 105.2, die neben dem Bereitstellen von Wärmeenergie auch mit Strom unterstützt wird, um so die für die endotherme Reduktion erforderliche Temperatur niedriger ansetzen zu können. Zusätzlich oder alternativ zum Einspeisen von Strom kann aber auch ein Reduktionsmittel und/oder Katalysator eingesetzt werden. Ein Nachteil ist, dass hier je nach Prozessführung und Reduktionsmittel unter Umständen CO ₂ entstehen kann.

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 (rück-) oxidieren würde. Außerdem bildet Sauerstoff mit dem Silizium eine

Siliziumdioxidschicht auf der Schmelze, was das Reduktionsverfahren behindern kann.

Ideal ist daher ein Verfahren, bei dem das Ausgangsmaterial (z.B. Sand) über eine Fallstrecke eingebracht wird, um eine möglichst grosse Oberfläche für die Reduktionsverfahren 105, 105.1, 105.2 anzubieten. Das Ausgangsmaterial (z.B. Sand) kann aber auch verwirbelt, durchmengt, aufgeblasen oder aufgeschäumt werden, um eine grosse Oberfläche für die Reduktionsverfahren 105, 105.1, 105.2 anzubieten.

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 (CH ₄ ), Biogas oder natürliches Gas (Naturgas: NG) als kohlenwasserstoffhaltiges Gas 108 eingesetzt. Bei dem Reduktionsverfahren 109 (auch methanothermische Reduktion genannt) entstehen die folgenden Reaktionsprodukte 102:

- Silizium 103,

- Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und - Wasserstoff.

Beschrieben werden kann dieses Reduktionsverfahren 109 durch die folgende Gleichung :

M _x Oy + yCH ₄ -> xM + y(2H ₂ + CO) (2)

Wichtig ist, dass das kohlenwasserstoffhaltige Gas 108 im Prozess so dosiert wird, dass sich nicht durch einen Überschuss an Kohlenstoff (C) Siliziumcarbid (SiC) statt Silizium bildet.

Der Begriff Biogas wird hier verwendet, um Gase zu 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 oder eines anderen Ausgangsmaterials zu dienen. Andererseits dient das kohlenwasserstoffhaltige Gas 108 als „Ausgangsstoff" zur Bereitstellung des Synthesegases aus Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und Wasserstoff. Folgende Reaktion (3) läuft z.B. gemäß Fig. 4 ab:

SiO ₂ + CH ₄ (g) ^■ * Si + 2 CO + 4 H ₂ (g) (3)

Die Reaktionsgleichung (3) gibt ein Verfahren nach Fig. 4 wieder, bei dem

Methan als kohlenwasserstoffhaltiges Gas 108 eingesetzt wird. Die „Zerlegung" von CH ₄ in Synthesegas 110 erfordert Energiezufuhr. Das Synthesegas 110 hat eine Mischung von H ₂ und CO, die besonders geeignet ist, um daraus Methanol zu synthetisieren. Die entsprechende Energie [Δ _R H ca. 160 kJ/mol] liefern hier erneuerbare Energiequellen (z.B. eine der Anlagen 200 oder 300). D.h. das CH ₄ wird nicht als Energielieferant für diesen Schritt 109 eingesetzt. Bei einer Reaktion nach Gleichung (3) wird die Reduktion eines Metalls (hier Siliziumdioxid) mit einer Reformation des Methangases kombiniert. 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. Die Energie kann aber auch aus anderen Quellen stammen (z.B. Wasserkraft, Windkraft oder fossile Energieformen).

Statt der Reaktion (3) kann auch folgende carbothermische Reduktion duchgeführt werden :

M _x Oy + 0.5yC -» xM + 0.5yCO ₂ (3.1) Bei dem Verfahren nach Fig. 4 fungiert das Siliziumdioxid des siliziumdioxidhaltigen Materials 101 als Sauerstoffspender.

Das Synthesegas 110 (hier z.B. 2 CO + 4 H ₂ (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/oder Koheldioxid) und Wasserstoff umgesetzt. Bei dem Verfahrensschritt 120 handelt es sich um ein Gasoxidationsverfahren. Das Gasoxidationsverfahren ist leicht exotherm. Vorzugsweise wird Methan (CH ₄ ), 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 anhand von Beispielen 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. Dieser

Vorgang wird auch als „nasse Oxidation" bezeichnet und ist aus dem Bereich der Halbleitertechnik als Oberflächenprozess bekannt, wird aber nicht im Bereich des Energietransports oder der Energiegewinnung eingesetzt. Bei der sogenannten Hydrolyse 116 des Siliziums 103 wird Energie El frei, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Die Reaktion verläuft nach der vereinfachten Gleichung :

Si + 2 H ₂ O -» SiO ₂ + 2H ₂ (4) 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 in 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 Zusatzstoffe), 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) SiO ₂ bildet 1 Mol (= 28 g) Si. 1 Mol (= 28 g) Si bildet wiederum 1 Mol (= 451 g) H ₂ . D.h. 2,15 kg SiO ₂ bilden 1 kg Si, und aus diesem 1 kg Si werden 1,6 m ³ H ₂ 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.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Umwandlung von CO ₂ zu CO. Eine direkte Umwandlung braucht Temperaturen im Bereich von weit über 2000 Grad Celcius und ist daher unter Umständen nicht wirtschaftlich. Es gibt aber den bekannten Ansatz die Umwandlung über die sogenannte Wassergas-Shift- Reaktion vorzunehmen, die nach folgender Gleichung (5) abläuft:

CO ₂ + H ₂ (g) ^ CO(g) + 2 H ₂ O (5)

Das ΔH bei dieser Reaktion (5) liegt bei + 41,19 kJ. Bei ca. 830 Grad Celcius liegt eine 1 : 1 Mischung aus CO und CO ₂ vor (d.h. die Gleichgewichtskonstante K liegt 830 Grad C bei 1, d.h. K = 1). Aus dieser Mischung kann CO einfach vom CO ₂ abgetrennt werden. Das CO ₂ kann dann zum Beispiel wieder in diese Reaktion (5) zurück geführt werden. Die erforderliche Temperatur kann zum Beispiel durch eine Spiegelanordnung (z.B. einen Parabolspiegel) erzeugt werden. Aus dem CO kann Synthesegas und aus dem Synthesegas kann dann Methanol hergestellt werden.

Die Umwandlung von CO ₂ zu CO kann aber auch noch dem folgenden erfinderischen Prinzip erfolgen :

M _x Oy -> xM + 0.5yCO ₂ (6.1) xM + yCO ₂ -» M _x O _y + yCO (6.2)

Das CO kann als Brennstoff eingesetzt oder zusammen mit Wasserstoff zu

Methanol umgesetzt werden, wie beschrieben. Somit kann z.B. in sonnenreichen Gegenden oder an Ort wo andere erneuerbare Energieformen vorliegen, ein siliziumdioxidhaltiges oder metalloxidhaltiges Ausgangsmaterial 101 in einem Reduktionsverfahren zu dem entsprechenden Metall reduziert werden. Das Metall kann an einem anderen Ort (z.B. in der Nähe einer Industrieanlage oder eines Kraftwerks) eingesetzt werden, um das anfallende CO ₂ in CO umzuwandeln.

Besonders bevorzugt ist ein Reduktionsverfahren nach Gleichung (6.3), bei dem Wasser zusammen mit dem CO ₂ eingesetzt wird, um Synthesegas zu erzeugen.

2xM + yH ₂ O + yCO ₂ -» 2M _x O _y + yCO + yH ₂ (6.3)

In einem Gemisch aus CO und CO ₂ kann das CO ₂ einfach durch ein Lösen in Wasser, Methanol oder anderen Alkoholen von CO getrennt werden, da sich das CO nicht oder kaum löst.

Bei der Hydrolyse 116 des Siliziums 103 oder des Metalls entsteht, wie beschrieben, Wasserstoff. Dieser Wasserstoff kann, wie in der Gleichung (4) gezeigt mit CO ₂ , (zum Beispiel CO ₂ aus Rauchgasen) zu CO umgesetzt werden. Aus CO plus einem Anteil Wasserstoff (Synthesegas) kann dann Methanol hergestellt werden.

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-Cr ₂ O ₃ oder ein Cu-Zn-AI ₂ O ₃ Katalysator) eingesetzt wird.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass bei der Reduktion des Siliziumdioxids oder eines der anderen Metalloxide kein CO ₂ oder weinger CO ₂ 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.

Was die Prozesse gemäß Erfindung auszeichnet ist die Tatsache, dass es sich nicht notwendigerweise um Kreislaufprozesse handelt, bei denen die Produkte (z.B. das Siliziumdioxid oder ein Metalloxid) wieder zum Ausgang des Prozesses zurück geführt wird, um dann erneut (z.B. zu Silizium oder einem Metall) reduziert zu werden. Aufgrund der Tatsache, dass Siliziumdioxid ein günstiges Ausgangsmaterial ist, kann der Kreislauf offen gestaltet werden. In diesem Fall wird das am Ende entstehende Siliziumdioxid, oder das entstehende Metalloxid, aus dem Prozess entnommen, um zum Beispiel für die Glasherstellung eingesetzt zu werden.

Um den Reduktionsvorgang der verschiedenen Reduktionsverfahren 105, 105.1, 105.2, 109 zu unterstützen oder zu beschleunigen, wird vorzugsweise ein

Katalysator und/oder ein Reduktionsmittel eingesetzt. Neben Kohlenstoff oder Kohlenwasserstoff für eine sogenannte carbothermische Reduktion können auch Metalle als Reduktionsmittel dienen. Hier kann zum Beispiel Magnesium (Mg) oder Zink (Zn) eingesetzt werden. Das Magnesium (Mg) kann mittels elektrothermischer Reduktion (analog zu Fig. 2) aus MgO und das Zink (Zn) aus ZnO hergestellt werden.

Die thermische Dissoziation nach Gleichung (1) kann vorteilhaft mit einem Oxidationsprozess zur Herstellung von Methanol verknüpft werden. Bei diesem Oxidationsprozess wird ein Kohlenwasserstoff (z.B. Methangas) mit dem Sauerstoff aus der Reaktion nach Gleichung (1) zusammengebracht und zu Methanol umgesetzt. Das Methanol kann mittels Direktoxidation oder über partielle Oxidation oder über Reformierung erzeugt werden. Details hierzu können der Parallelanmeldung PCT/EP2009/061707 entnommen werden, die am 9.9.2009 eingereicht worden ist.