Wasserstoff via Silizium

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1 Wasserstoff via Silizium Ausführungen zum Vorschlag von Norbert Auner, Frankfurt, Remscheid, Rüdiger Forster, Ruhrgas AG, Dorsten Reinhard Menzer, FZ-ülich (Ansprechpartner: Martin Roeb, DLR, Köln-Porz

2 Inhalt: Energietransport mit Silizium Basisreaktionen des Si als Energieträger Klassische Siliziumherstellung Vorschlag zur Herstellung reinen Siliziums Energetische Basis, stoffliche Basis Reaktionsfähigkeit des Siliziums Siliziumumsatz Siliziumumsatz, mögliche Resultate Lokale Wasserstoffherstellung mit Silizium Zusammenfassung Vorschlag zu weiterer Vorgehensweise

3 Strom (solar) Energietransport mit Silizium Si Wasserstoff Umsetzung Umsetzung Wärme (solar) Sand SiO 2 Wasser Dampf, Strom

4 Basisreaktionen des Si als Energieträger: Si + H 2 O SiO 2 + 2H 2 H R = -427,2 k/mol (Si + 2 NaOH + H 2 O Na 2 SiO 3 + 2H 2 ) (Na 2 SiO 3 + H 2 O SiO NaOH in wäßriger Lösung) Wasserstoffpotential: 14,3 % (Gew.) bezogen auf Si Si + O 2 SiO 2 H R = -910 k/mol Energiedichte: k/kg = 9,0 kwh/kg (gesamt) davon k/kg = 4,8 kwh/kg Wasserstoff

5 Klassische Siliziumherstellung Lichtbogenverfahren Einsatz von Kohle ϑ: 2000 C η: 0,84 CO 2 : 4,3 t / t Si: d.h.: 30 kg CO 2 / kg H 2 (bei Formelumsatz)

6 Vorschlag zur Herstellung reinen Siliziums Reaktionen: SiO 2 SiX 4 (A) H 2 SiX 4 Si + 4 HX (B) Energieeinkopplung: 2H 2 O 2H 2 + O 2 H R = 572,0 k/mol Elektrolyse Elektrolysewirkungsgrad: 0,75 143,0 k/mol Reaktion B: fühlbare Wärme

7 Hinweis : Nebenprodukte bei der Siliziumherstellung: treten im offenen Kreislauf auf sind abhängig von der Reinheit des Rohstoffes Sand fallen im ersten Schritt als Metallhalogenide an können (ggf. nach weiterer Aufarbeitung) Wertprodukte sein, oder müssen konditioniert und deponiert werden

8 Energetische Basis Wärmegewinnung: solar Elektrizitätsherstellung: solarthermisch, ggf. photovoltaisch daher CO 2 -frei Siliziumdioxid ist als Hauptbestandteil von Sand weltweit nahezu unbegrenzt vorhanden (75 % der Erdkruste), Verunreinigungen führen zu Nebenprodukten bei der Herstellung Stoffliche Basis Standorte sind in der Regel identisch

9 Reaktionsfähigkeit des Siliziums ist abhängig von Struktur und Oberfläche, d.h. vom Herstellungsweg. Metallisches Silizium wird an der Luft ab 1200 C oxidiert. Amorphes Silizium kann bereits spontan bei Umgebungstemperaturen reagieren. Amorphes Silizium wird gemäß Verfahrensvorschlag aus der Gasphase abgeschieden.

10 Siliziumumsatz mit Wasser, Wasserstoff- und Stromherstellung, Verfahrensmöglichkeit Si + 2H O 2 H + SiO H R = k/mol Si ρ : 2,3 kg/l H 2 + Dampf, ggf. 825 C Reaktor und Dampferzeuger Wasserstoff, p = 100 bar H 2 -Abtrennung, Wärmetauscher, Kondensation Stromerzeugung Dampf G Wasser, <300 C, 100 bar SiO 2 ρ : 2,55 kg/l Kühlkreislauf Sedimentation, Wärmetausch Frischwasser SiO 2 -Sediment

11 Siliziumumsatz mit Wasser: Strom- und Wasserstoffausbeute Turbinendampf: 560 C bis 700 C Stromerzeugungswirkung, η=0,37 Si + H 2 O SiO 2 + 2H 2 H R = -427,2 k/mol 1,49 kwh Strom + 0,143 kg H 2 (1,6 m 3 ) je kg Si 1000 MW Kraftwerk, Ganzjahresbetrieb: 8,76 Mrd. kwh Silizium k/kg 8,76 Mrd. kwh (η=0,37) + 9,42 Mrd. m 3 H 2 (i.n.) 5,9 Mio. t Silizium 12,6 Mio. t SiO 2 Kohle, Pittsburg Nr. 8, k/kg (trocken) 8,76 Mrd. kwh (η=0,4) 9,42 Mrd. m 3 H 2 (i.n.) 5,75 Mio. t Kohle 15,3 Mio. t CO 2 0,42 Mio. t Asche 0,69 Mio. t REA-Gips

12 Lokale Wasserstoffherstellung mit Silizium Si + 2NaOH + H 2 O Na 2 SiO 3 + 2H 2 Na 2 SiO 3 + H 2 O SiO 2 + 2NaOH H 2 Silizium Reaktor H 2 -Erzeuger Wasser + NaOH SiO 2 + 2NaOH

13 Zusammenfassung Silizium als Energieträger ist grundsätzlich kreislauffähig, CO 2 -frei herstellbar, und hat eine effektiv uneingeschränkte Rohstoffbasis (Sand). Voraussetzung ist, daß Silizium durch Einkoppelung von solarthermischer / photovoltaischer Energie aus Sand herstellbar ist. Hohe potentielle energetische Nutzungsgrade (ca. 60 %) in der Anwendung. Die effiziente Energienutzung mit Silizium setzt die gleichzeitige Wasserstoff-, Wärme- und Stromerzeugung (Koppelprodukte) voraus (Auswirkungen auf zentrale dezentrale Anwendungen). Der von Auner vorgeschlagene Prozeß bietet eine Möglichkeit zur CO 2 -freien, abfallarmen Herstellung von reaktivem Si. Eine stoffliche Nutzung wertvoller Nebenprodukte ist möglich.

14 Entwicklungsrisiken Silizium hat ein hohes Potential als Transportmedium für Solarenergie, aber die hier vorgestellten Prozesse zur Siliziumherstellung und nutzung sind bisher rein hypothetisch, ihre Entwicklung ist mit hohen Risiken + langem Zeithorizont verbunden. Kritische Punkte / Meilensteine: Der Konflikt zwischen sicherer Transportform (wenig reaktives Si) und der geforderten Umsetzbarkeit mit Wasserdampf (hoch reaktives Si) ist bisher ungelöst. Die grundsätzliche Machbarkeit der Einkoppelung solarthermischer Energie in den Prozeß der Si-Herstellung ist noch ungeklärt. Der Verbundprozeß zur Wasserstoff- und Energiegewinnung aus Si ist technisch anspruchsvoll. Nach dem jetzigen Entwicklungsstand sind keine grundsätzlichen No- Go Kriterien bekannt, die den Einsatz von Silizium in der Energiewirtschaft unmöglich machen.

15 Vorschlag zur weiteren Vorgehensweise I Zu einer fundierten Beurteilung benötigt der Systemvorschlag zur Siliziumnutzung weitergehende Kenntnisse. Dazu werden benötigt: Studie und Systemanalyse unter Berücksichtigung einer umfassenden Darlegung des Standes der Kenntnisse, von Verfahrensanalysen der Herstellung und der Nutzung des Silizium zur Ermittlung des Effizienzpotentials, Transportsicherheit, Zeithorizont und Einführungsszenarium unter Einbeziehung stofflicher Nutzung Si und SiO2, Kosten der Produkte. Vorschlag zur weiteren Vorgehensweise II

16 Vorschlag zur weiteren Vorgehensweise II An praktischen Aufgaben sind notwendig: Systematische Laboruntersuchungen und Technikumsversuche zur Erarbeitung weiterer Randdaten wie Ausbeuten, Umsatzgrade und geschwindigkeiten, (auch zur Bereitstellung der Daten für die System- und Verfahrensanalysen) Wechselwirkungen von Produktqualität und Herstellungsparametern (gilt besonders für Si und SiO 2 ) Materialanforderungen. Untersuchungen zur Zusammenführung der Siliziumherstellung mit der Solarthermie. Promotor für das Ziel einer Si-Nutzung in der Energiewirtschaft ist die Halbleitertechnik / Photovoltaik (kostengünstiger Rohstoff).