JP2010521278A - 新規な直列型パワープラントプロセス及び当該パワープラントプロセスにおいて可逆的に使用可能な水素キャリヤーを提供する方法 - Google Patents

Abstract

原油の埋蔵量の場合、タイムリミットが推定できる。二酸化珪素を含む開始材料を原材料として用いることが好適である。

Description

本願は、欧州特許庁に２００６年１２月１８日に提出された欧州特許出願第０６ １２６ ３２５.７及び２００７年５月９日に提出された米国特許出願第１１／７４６,６０８に基づく優先権を主張する。本願は、さらに、欧州特許庁に２００７年１月１１日に提出された欧州特許出願第０７ １００ ３８７.５及び２００７年５月９日に提出された米国特許出願第１１／７４６,６２０に基づく優先権を主張する。

二酸化炭素は、炭素と酸素とからなる化合物であり、無色無臭の気体である。低濃度では、これは空気の天然成分であり、細胞呼吸の間生物において発生し、そして、十分な酸素による炭素物質の燃焼においても発生する。産業の起源から、大気におけるＣＯ_２成分はかなり増加してきている。この主な理由は、人為的ＣＯ_２放出として知られる、人間に起因するＣＯ_２放出にある。

大気中における二酸化炭素は熱輻射の一部を吸収する。この特性から、二酸化炭素は温室効果ガスとされており、温室効果の原因の１つとなっている。

これらの理由のため、また別の理由により、現在、人為的ＣＯ_２放出の低減方法を探求する調査及び開発がいろいろ異なる方向から実施されている。特に、例えばコールやガス等の化石燃料キャリヤーの燃焼により実施されるエネルギー生産に関連して、又は他の燃焼プロセスにおいて（例えば生ゴミ焼却の間）、ＣＯ_２を低減することが必要とされている。当該プロセスによって何億トンものＣＯ_２が毎年大気中に放出されている。

最初に説明したように、熱を発生させるために必要とされる可燃物はＣＯ_２を生成する。現時点までに、含油砂（ＳｉＯ_２）、含油頁岩（ＳｉＯ_２＋［ＣＯ_３］^２）、ボーキサイト又はタール含有砂若しくはタール含有頁岩、及び他の混合物に含まれている砂を用いてＣＯ_２の放出を低減し、さらには当該新規な方法により得られる製品から新規な原材料及びとりわけエネルギーを獲得するというアイデアには未だ誰も到達していない。

当該新規な方法において、自然に存在する、砂と油との混合物を用いる代わりに、可能であれば砂を混合した後の、炭化水素含有の産業廃棄物若しくは天然廃棄物を用いてもよい。油成分の代わりに天然のアスファルト（ミネラルピッチとも称する）を用いることも考えられる。純粋な砂若しくは砂成分を含む建築用石材とアスファルトとからなる混合物は特に好ましい。

しかしながら、水ガラス、砂と酸若しくは塩基との混合物を用いてもよい。本発明に必要とされる炭化水素成分を提供するため、当該水ガラスに鉱油を混合する（マイクロエマルジョン法）。

また、本発明は、特に好ましくは例えばタンカー事故後汚染されたビーチや砂州を洗浄するため適用することもできる。このため、本発明に係る、１以上の反応領域を有する乗り物が最も適切であり、好ましくは、本発明に係る、１以上の反応領域を有する船である。このため、重油を含む汚染砂は野外で処理され、そして環境に負荷を与えることなく、貴重な製品に変換され、同時にエネルギーが得られる。

含油砂（ＳｉＯ_２）及び含油頁岩（ＳｉＯ_２＋［ＣＯ_３］^２）の埋蔵量は、世界の石油埋蔵量を何倍も超えることが知られている。オイルとミネラルとを分離するために適用される技術的方法は、現在のところ効率的でなく、また非常にコストが掛かる。天然のアスファルトは、地球の複数の地点に存在するけれども、現在のところ、主としてトリニダードにおいて工業的規模で採掘されている。

砂は、程度の差はあるけれども地球の表面のあらゆる場所において発生している。発生している当該砂の多くは、石英（二酸化珪素；ＳｉＯ_２）を含む。しかしながら、珪素成分は、片麻岩、雲母、花崗岩、粘板岩及びボーキサイトに存在するため、これらの岩石を使用してもよい。

本発明の目的は、かかる可能な原料を提供し、それらの技術的生産方法を開示することを目的とする。当該方法において用いられる化学的な知見は、砂、頁岩、及びその他の混合物において存在する珪素が反応に関与し、そして可逆的な水素キャリヤーが提供されることを特徴とする。

各反応の直列的シーケンス（ここでは、エネルギー−マテリアル直列的カップリング若しくはＥＭＣ^２と称する）が、本発明の特徴である。これらの各反応は、放出されるエネルギーの量がそれぞれ各反応ステップとともに増加し、また他の（好ましくはより高い値の若しくはより高いエネルギーの）反応生成物が各反応ステップに与えられるように互いに組み合わされる。このため、部分反応が起こる個々の反応領域／ゾーンは、熱的に及び／又は反応物質の移送のために互いに接続される。

他方、本発明は、害無く輸送可能な可逆的水素キャリヤーの形態でエネルギーを発生させそしてこれを提供し、さらには消費者に水素を提供するための代替の可能なアプローチを提供することを目的とする。

本発明によれば、パワープラントプロセスの第１部分反応において、次の１以上の開始材料、すなわち含油砂、含油頁岩、ボーキサイト、片麻含、雲母、花崗岩、粘板岩から珪素が得られる。数字の１を用いることは、当該部分反応が最初に行われることを示すものではない。言及した１以上の開始材料の混合物は第１部分反応において使用され、例えばパイプを介した輸送可能性を改善するため、酸若しくは塩基を加えることにより液化される。当該ケースでは、酸若しくは塩基を第１エネルギープロバイダーを用いた加熱により再利用してもよい。

本発明の好ましい実施の形態では、とりわけ、点火直後、珪素（具体的には、適当な温度において粉末である）を、純粋な（冷たい）窒素（具体的には大気からの窒素）と反応させシリコンナイトライドが生成されることを利用する。これは、当該反応は強い発熱性であるからである。発生する熱は、例えばパワープラントプロセスにおける反応炉において使用してもよい。シリコンナイトライドを生成するために珪素を反応させることは、ここでは、第２部分反応と称する。

本発明に係る第１部分反応における、含油砂、含油頁岩、ボーキサイト、片麻岩、雲母、花崗岩、及び／又は粘板岩からの、パワープラントプロセスにおいて発生する珪素は、表面的に活性であり、そしてモノシランが生成されるように、水素と触媒的に（具体的には、触媒としてマグネシウム及び／又はアルミニウムを使用して）処理してもよい。モノシランを生成するために珪素を反応させることは、ここでは、第３部分反応と称する。当該モノシランは反応チャンバーから取り除かれ、さらに他の位置において触媒圧力反応（第４部分反応）に供される。等式

により、長鎖シランが生成される。これは、燃料電池技術及びエンジンの両方において用いられる。当該シランは、可逆的な水素キャリヤーの考えられる形態である。

しかしながら、本発明に係るプロセスにおいて、珪素（例えば珪素粉末）は、およそ１４００℃で窒素（Ｎ_２）雰囲気下において窒化処理され、シリコンナイトライドＳｉ_３Ｎ_４が生成される。このタイプの反応は、第２部分反応の変形例である。

当該シリコンナイトライドは、その後、例えば加水分解を用いてＮＨ_３に変換してもよい。当該加水分解において実行される具体的な反応は、次の等式

により与えられる。これにより、当該反応においてＮＨ_３及び二酸化珪素が生成される。ＮＨ_３は、極めて優れた水素キャリヤーである。シリコンナイトライドの加水分解は、比較的遅く進行する。そのため、本発明によれば、当該シリコンナイトライドを、フレークとして、粉末として、若しくは多孔質の形態で使用し、その結果、極めて大きな表面積とする。これにより、シリコンナイトライドの加水分解をより効率的にそして急速に行うことができる。当該アプローチは、シリコンナイトライドの加水分解において表面加水分解が重要な役割を果たすという知見に基づいている。そのため、当該加水分解は、シリコンナイトライドの表面が故意に拡張されているためより効率的となる。加水分解を用いてＮＨ_３を生成するためにシリコンナイトライドを反応させることは、ここでは、第５部分反応と称する。Ｓｉ_３Ｎ_４ナノ構造体若しくはナノ結晶を使用することは、ここでは特に効果的である。これらＳｉ_３Ｎ_４ナノ構造体若しくはナノ結晶は、例えばゾルゲルプロセスから得られる。また、ゾルゲルプロセスのためのエネルギーは、本発明に係る部分反応の１つから取り出される。

珪素、ＮＨ_３、またシランは、非常に優れたエネルギープロバイダーである。これらは、問題なく消費者に搬送され、そこで水素が取り出される。しかしながら、過酸化水素は、エネルギープロバイダーとして最も適切である。過酸化水素は、本発明に係る別の部分反応において発生する。これは、パワープラントプロセスに結び付けられるか、若しくは当該プロセスと組み合わされる。これは、珪素、ＮＨ_３、若しくはシランの生成についても当てはまり、当該パワープラントプロセスに組み合わされられるか、若しくは当該プロセスに結び付けられる。

本発明の更なる詳細及び長所を実施の形態に基づいて以下に記載する。

本発明の様々な側面を図面の各図に概略的に示している。

図１は、本発明に係る第１部分反応のダイアグラムを示す。 図２は、本発明に係る第２部分反応のダイアグラムを示す。 図３は、本発明に係る第３部分反応のダイアグラムを示す。 図４は、本発明に係る第４部分反応のダイアグラムを示す。 図５は、本発明に係る第５部分反応のダイアグラムを示す。 図６は、本発明に係る第６部分反応のダイアグラムを示す。 図７は、本発明に係る第７部分反応のダイアグラムを示す。 図８は、本発明に係る第８部分反応のダイアグラムを示す。 図９は、本発明に係る第９部分反応のダイアグラムを示す。 図１０は、本発明に係る第１０部分反応のダイアグラムを示す。 図１１は、本発明に係る第１１部分反応のダイアグラムを示す。 図１２は、本発明に係る第１２部分反応のダイアグラムを示す。 図１３は、本発明に係る第１３部分反応のダイアグラムを示す。 図１４は、本発明に係る第１４部分反応のダイアグラムを示す。 図１５は、本発明に係る第１５部分反応のダイアグラムを示す。 図１６は、本発明に係る第１の実施の形態のダイアグラムを示す。 図１７は、本発明に係る第２の実施の形態のダイアグラムを示す。 図１８は、本発明に係る第３の実施の形態のダイアグラムを示す。 図１９は、本発明に係る第４の実施の形態のダイアグラムを示す。 図２０は、本発明に係る第５の実施の形態のダイアグラムを示す。 図２１は、本発明に係る第６の実施の形態のダイアグラムを示す。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。ＣＯ_２は、エネルギーが得られるにしたがって放出されるものであるが、第１の実施例は、パワープラントオペレーションにおいて本発明を用いＣＯ_２放出を低減若しくは完全に排除することに関する。

ある対象の方法において、新規な化合物（生成物質と称する）が開始材料（遊離体若しくは反応物質と称する）から生成されるが、本発明によれば、当該対象の方法において一連の化学反応が実行される。本発明に係る（部分）反応は、ＣＯ_２がかなりの量消費され及び／又は結合されるように設定する。

第１の実施の形態において、例えば、鉱油、重油、タール及び／又はアスファルトと混合された砂を、第１のエネルギープロバイダーとして用い、又は含油頁岩を開始材料として用いる。しかしながら、次の１以上の第１のエネルギープロバイダー、すなわち、褐炭、無煙炭、泥炭、木、ガスを用いてもよい。

当該開始材料を例えばアフターバーナー若しくは燃焼チャンバーの形態の反応チャンバーに供給する。また、ＣＯ_２を当該チャンバーに供給する。第１の実施の形態において、当該ＣＯ_２は、エネルギーが化石燃料から得られる時に大量に発生する。ＣＯ_２排気ガスは現在まで大抵大気中に逃がしていた。必ずしも必要であるわけではないが、大気を第１部分反応の初期において当該チャンバーに付加的に供給することが好ましい。当該大気に代えて、若しくは当該大気に付加して、当該方法に、４０７℃以上でのスチーム若しくは超臨界Ｈ_２Ｏを適用してもよい。しかしながら、超臨界Ｈ_２Ｏを進行中のプロセスに上手く適用するため、対応する反応チャンバー／燃焼チャンバーにおいて高圧を用いることが好ましい。１５０バール以上の圧力が特に好ましいことが証明され、およそ３００バールの圧力が特に好ましい。

さらに、窒素を当該方法における他のポイント（具体的には、第１部分反応の間）若しくは燃焼チャンバーにそれぞれ送り込む。さらに、複数の触媒若しくは一種類の触媒を１以上の部分反応に用いてもよい。適切な環境条件の下、チャンバーの中で還元を行う。当該条件は、極めて簡単な形式で以下のように示される：

すなわち、開始材料に存在する水晶成分が結晶性シリコンに変換される（第１部分反応）。

使用される砂に含まれる鉱油は、第１エネルギープロバイダーの役割を果たし、本発明に係る方法において、１０００℃以上の温度で水素（Ｈ_２）及びグラファイトと同様の化合物（すなわち、コークの形態）に大部分が熱的に分解される（すなわち、第１部分反応の間）。しかしながら、他の第１エネルギープロバイダーを、同様に、上記開始材料と一緒に用いてもよい。そのため、進行中の第１部分反応において、水素が第１エネルギープロバイダーの炭化水素鎖から離脱される。実施例に基づいて以下に説明するように、水素を、本発明にしたがって、既に言及した可逆的エネルギーキャリヤーの１つに結合させてもよい。しかしながら、当該方法に直接導入するか、又は例えば気体のアルカン若しくは水蒸気等の水を起源とする水素を１以上の部分反応に使用してもよい。

エネルギーキャリヤーとしてのシリコンナイトライド：
粉末状の若しくはフレーク状のシリコンナイトライドを提供することを可能とするため、当該プロセスにおいて（具体的には、第１部分反応の間若しくはその終盤において）発生する珪素をチャンバーに注入し若しくは移送してもよい。または、トラジェクトリーを介して、上方から下方へ滴下してもよい。窒素（具体的には、大気からの窒素）、好ましくは純粋な窒素（９０〜１００体積％の窒素を含む）を当該チャンバー若しくはトラジェクトリーに注入する。珪素は燃焼して窒素と反応し、シリコンナイトライドが生成され、１０００℃より高い温度、好ましくは１３５０℃より高い温度でチャンバー内に存在する。当該反応（第２部分反応）は強力な発熱性である。当該反応（第２部分反応）において発生する熱量（第２エネルギーと称する）は、別の開始材料を加熱するため（この場合、もし例えば初期に加えた第１プロバイダーが消費されると、第２部分反応において放出される熱量を用いて、十分なエネルギーを第１部分反応に供給する）、使用してもよく、当該熱量を第２プロセス（第２部分反応）から分離してエネルギーを別の吸熱プロセス（具体的には、第６部分反応）に直列的に供給してもよい。これに加えて、若しくはこれに代えて、発生する熱量を使用してもよい。媒体（例えば水）を加熱しそしてそれによりガスタービン若しくはスチームタービンを駆動させる（従来からこれによりエネルギーを得ている）。

例えば、極限条件下でシリコンナイトライドを乾燥させることにより多孔性のシリコンナイトライドを生成してもよい。乾燥のために、一種のオートクレーブを使用するアプローチが好ましい。当該オートクレーブにおいて、温度と圧力が上昇する。一方、必要とされる熱量（第２エネルギーと称する）は、上述の発熱プロセス（具体的には、第２部分反応）から得てもよい。当該圧力及び温度は、気体と液体との間の相境界が、冷却及び／又は乾燥が実行される前に区別不能となるように選択すべきである。多孔性のシリコンナイトライドは、当該プロセス（第６部分反応）において生成される。しかしながら、第６部分反応をシリコンナイトライドナノ構造体若しくはナノ結晶がゾルゲルプロセスにおいて生成されるように変更してもよい。これらのシリコンナイトライドナノ構造体若しくはナノ結晶は、可逆的な蓄エネルギー手段として、若しくはＮＨ_３を提供するための開始材料として、用いてもよい。

第２の実施の形態において、本発明は、ピロメックスＡＧ（スイス）の熱分解法に関連して適用される。しかしながら、本発明は、オキシ燃料法に対する補完として、又はその代替として用いてもよい。そのため、例えば、本発明を用いて、エネルギー−マテリアル直列的カップリング（ＥＭＣ^２）を次のアプローチにしたがって実行してもよい。オキシ燃料法の代替として、アルミニウム、好ましくは液体の若しくは粉体のアルミニウム（当該アルミニウムは例えば第１２部分反応を用いて生成してもよい）を添加して、そして、（オイル若しくはコールの代わりに）含油砂を最初酸素（Ｏ_２）で、その後好ましくは窒素、及び可能であればアルミニウムとともに燃焼して（ワッカーアクシデント）（第７部分反応）、熱を付加的に発生させる。しかしながら、発熱性の第７部分反応において発生する熱は多量であるため、ここでは、オイル若しくはコールを第１エネルギープロバイダーから排除してもよい。

第７部分反応において、アルミニウムは、二酸化珪素から酸素を取り除き、そして酸化されることにより酸化アルミニウムが生成される。当該部分反応は、特に、外部から酸素が全く若しくは少量しか導入されない場合に機能する。これは、酸素は、アルミニウム表面に薄い膜を即座に形成し、それによりアルミニウムを準不動態化させるためである。そのため、反応領域において窒素雰囲気を少なくとも一時的に予め画定する実施形態が特に好ましい。

珪素化合物と結合する窒素が必要とされる場合、空気の酸素成分でプロパンガスを燃焼させること（プロパンニトロ化として知られている）により大気から純粋な窒素雰囲気を得ることが好ましい。しかしながら、酸素と窒素とを分離するのに他の方法が存在する。逆浸透法、古典リンデ法、若しくはペロブスカイト膜を用いて操作する方法は、考えられる別の方法とされている。窒素を提供することは、第８部分反応と称する。

本発明によれば、アルミニウムを用いてもよい。現在、アルミニウムをボーキサイトから費用効果的に得ることのみ可能である。ボーキサイトは、およそ６０％の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、およそ３０％の酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）及び水を含む。これは、ボーキサイトは、典型的に常に酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）及び酸化珪素（ＳｉＯ_２）により”汚染”されていることを意味する。

Ａｌ_２Ｏ_３は、その格子エネルギーが極めて高いため、化学的に還元されない可能性がある。しかしながら、酸化アルミニウムＡ_２Ｏ_３の融解塩電解（氷晶石−アルミナ法）によれば工業的にアルミニウムを生産することができる。Ａｌ_２Ｏ_３は、例えばバイエル法により得られる。氷晶石−アルミナ法では、酸化アルミニウムは氷晶石（塩：Ｎａ_３［ＡｌＦ_６］）に溶解され電解される。酸化アルミニウムは、当該酸化アルミニウムの高い溶融温度２０００℃において反応しないようにするため、氷晶石の溶融物に溶解する。そのため、当該方法におけるオペレーション温度は、わずか９４０℃〜９８０℃である。

融解塩電解において、カソードにおいて液体のアルミニウムが発生し、そしてアノードにおいてＡｌ_２Ｏ_３から酸素が発生する。カーボンブラック（グラファイト）をアノードとして使用する。これらのアノードは、結果として得られる酸素により焼失するため、継続的に交換しなければならない。

別の態様では、電気的に導電性を有するプラズマをアノードとして使用してもよい。そのため、従来のアノードは、強力なアノードに置き換えられるであろう。当該プラズマは、適切な構成及び電極の活性により、トラフ上の領域に発生することが好ましい。

アルミニウムの高い結合エネルギーのため非常にエネルギー消費が大きいことが氷晶石−アルミナ法の重大な短所とされている。また、時折発生するフッ素の生成及び放出は、環境にとって問題である。

本発明に係る方法（第９部分反応）において、ボーキサイト及び／又は酸化アルミニウムを当該方法に適用してプロセス冷却を実現してもよい。当該システムにおける過剰の熱エネルギーを上記ボーキサイト及び／又は酸化アルミニウムにより消費してもよい。これは、溶融鉄が過剰に熱くなったときに、冷却のため、溶鉱炉の溶融鉄にスクラップ鉄が供給される当該方法と同様に実施される。このため、シュレッダー（破砕機）を用いて事前に適切なサイズに破砕されたブロックとして、例えばボーキサイトを反応チャンバーに導入してもよい。さらに、もし反応チャンバーにおける所望の温度を超えた場合ボーキサイト及び／又は酸化アルミニウムを反応チャンバーにおける温度を測定する適切な制御ループにより（具体的にはオプティカルセンサーを使用して）導入してもよい。

当該方法が制御不能に陥るおそれがある場合（ワッカーアクシデント参照）、氷晶石を補助として用い、それにより新規な氷晶石に基づく緊急冷却により当該システムにおいて温度を低下させてもよい。しかしながら、緊急の場合（若しくはこのようになる前に）反応チャンバーを希ガス（好ましくはアルゴン）で飽和させる希ガス緊急飽和システムがより適切である。当該希ガス緊急飽和システムは、各部分反応について用いることができる。上述の化学シーケンス及びエネルギープロセスについてのさらなる詳細が次の頁から示されている。

石英砂は液体アルミニウム若しくは粉体アルミニウムと発熱的に反応し、ホルマン−ウィバーグのテキストブックにしたがって珪素及び酸化アルミニウム（副生成物として）が生成される（第７部分反応）：

珪素は、１３５０℃で窒素により燃焼し、シリコンナイトライドが生成される。当該反応は、上記のように発熱性である（第２部分反応）：

その後珪素は僅かに発熱的にカーボンと反応し、シリコンカーバイドが生成される（第１０部分反応）：

しかしながら、シリコンカーバイドは、およそ２０００℃で砂及びカーボンから直接吸熱的に得てもよい（第１１部分反応）：

当該シリコンカーバイドを得るための吸熱プロセスを、例えば、二酸化珪素と、アルミニウム（第７部分反応）及び／又は窒素（第２部分反応）との反応時に発生する熱（第２エネルギー）によりパワーアップさせてもよい。シリコンカーバイドは、同じ反応チャンバー又は下流若しくは近接の反応チャンバーにおいて得てもよい（第１０部分反応若しくは第１１部分反応）。

副生成物のボーキサイト若しくは酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３からアルミニウムを再生するため（第１２部分反応）、液体のＡｌ_２Ｏ_３（溶融点２０４５℃）に氷晶石を加えることなく電解しアルミニウムと酸素を生成する。第１２部分反応は強い吸熱性であり、発熱反応（例えば第９部分反応参照）の冷却のためにこれを用いてもよい。このため、対応する反応を互いに熱的に組み合わせてもよい。すなわち、アルミニウムを再利用するための吸熱プロセスを、例えば、二酸化珪素と、アルミニウム及び／又は窒素と反応させる間に発生する熱を用いてパワーアップさせてもよい。しかしながら、Ａｌ_２Ｏ_３の高い格子エネルギーに打ち勝つためには、当該熱に加えて電流も必要となる。

シラン製品：
マグネシウムは、珪素と反応しマグネシウムシリサイドが生成される：

マグネシウムシリサイドは塩酸と反応しモノシランＳｉＨ_４及び塩化マグネシウムが生成される：

当該合成経路は、アルミニウムとともに働く。結果的に、アルミニウムシリサイドＡｌ_４Ｓｉ_３は、中間物質として生成される。より高次のシランは、先行文献に示されているように、ＳｉＣｌ_２のＳｉＣｌ_４との重合のみにより、そしてその後のＬｉＡｌＨ_４との反応により入手することができる。

しかしながら、本発明によれば、モノシランは第３部分反応と称される方法にしたがって生成することが好ましい。アルミニウムシリサイド若しくはマグネシウムシリサイドを介した経路は代替であると理解される。

本発明のさらに別の基本的な側面を以下に記載する。

第１のエネルギープロバイダーをより効果的に使用するため、当該第１エネルギープロバイダーは、もし開始材料（砂、ボーキサイト、粘板岩、片麻岩、雲母、及び／又は花崗岩）に未だ混合されていない場合は、別々に予備加熱してもよい。そのため、例えば、原油を開始材料と混合する前に、原油を沸騰するまで煮沸してもよい。

第１エネルギープロバイダーの代わりに、若しくは第１エネルギープロバイダーに加えて、炉に外部若しくは内部加熱手段を設け、反応を開始するため必要な熱を供給してもよい（具体的には第１部分反応）。特に誘導炉が適している。しかしながら、本発明に係るプロセス（具体的には第１部分反応）を、化石燃料（具体的にはハードコール）を用いて操作する従来のパワープラントプロセスと組み合わせてもよい。当該ケースでは、従来のパワープラントプロセスにおいて発生する排熱の少なくとも一部を用いて開始材料を加熱する。

本発明の別の実施の形態では、開始材料の反応は、珪素（例えば粉末の形態）を窒素及び／又はアルミニウム（粉末の形態若しくは液体）と接触させることにより開始させることができる。ここで使用される珪素は、最初第１部分反応において得られる。第１部分反応の終盤において、得られた珪素の一部を保存してもよい。これにより、後で、ＣＯ_２を発生させる第１のエネルギープロバイダーを用いて本発明に係る直列プロセスを開始させる必要はなくなる。

プロセスの初期において第１のエネルギープロバイダーを酸素で燃焼する際に発生するＣＯ_２を大気に放出しないようにするため、当該プロセスにおいて発生する燃焼排ガスを、戻り配管若しくは戻りダクトを介して反応チャンバーに戻してもよい。砂、ボーキサイト、粘板岩、片麻岩、雲母若しくは花崗岩を通って又はこれらの周りを流れるように燃焼排ガスを導入することは、特に好ましい。炭化水素を含む第１エネルギープロバイダーが第１部分反応において”消費”されるとき、燃焼排ガスを最初冷却タワー若しくはダウンストリーム汚染除去システム（脱硫システム等）若しくはフィルターに移送する。

しかしながら、上述のように、水ガラスを使用してもよい。水ガラスは、水溶性のアルカリシリケートである。これらは、概して、次の組成：すなわちＭ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２（ｎ＝１〜４）を有する、ガラス状の、すなわち、アモルファス状の、非結晶性化合物である。現在まで、ナトリウムシリケート及びカリウムシリケートは、頻繁に工業的に使用されてきた。本発明によれば、ナトリウムシリケート、カリウムシリケート、並びにアルミニウムシリケート若しくはこれらのシリケートの２若しくはそれ以上の混合物を使用してもよい。

アルミニウムは、珪素と同様の化学的挙動を示すため、珪素化合物（ここでは珪素生成物と称する）が用いられるプロセス及びアルミニウム化合物が用いられるプロセスのコンビネーションが特に好適である。例えば、ＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３を含むアルミニウムシリケートを使用することは特に好ましい。対応するシリケートを提供すること及び／又は水ガラスを生成することは、第３部分反応と称する。

シリケート若しくは水ガラス等は、本発明に係る方法の開始材料として使用しもよいし、若しくはそれらを例えば砂若しくは他の開始材料に混合し（第１４部分反応）、例えば第２部分反応にとってより適した開始材料（開始材料Ｉと称する）を得てもよい。

１以上の第１エネルギープロバイダー（具体的には鉱油）の混合物を生成するため（第１５部分反応）、シリケート若しくは水ガラスを使用してもよく、本発明に係るプロセスをスタートさせるために必要な炭化水素成分を提供するため、そして当該反応を促進する若しくは加速させる反応剤（開始材料IIと称する）を提供するため、シリケート若しくは水ガラスを用いてもよい。

最初に述べたように、パワープラントにおいて燃焼される化石燃料に硫黄残留物が堆積する。欧州特許出願第０６ １２６ ３２５.７によれば、Ｈ_２Ｏ_２は、化石燃料ベースのパワープラントプロセスにおいてエネルギーキャリヤーとして提供してもよい。

純粋な（＝水を含まない）Ｈ_２Ｏ_２は適切ではなく、例えば金属と接触した際、自然に爆発する可能性があるので、本発明によれば、高くても７０パーセントの水による溶液（水溶液）を循環させる。７０％の限界値は、ここでは、臨界濃度限界と称する。

溶液は、Ｈ_２Ｏ_２の濃度が臨界濃度限界以下となるように、本発明にしたがって選択される。その後当該溶液は消費者（充填ステーション、最終消費者）に移送される。当該溶液から水素及び／又は酸素を取り出すことにより、また当該水素及び／又は酸素をエネルギーサプライヤー及び／又は燃料として用いることにより、エネルギーを消費者のところで発生させてもよい。

酸素は、ペルオキソ硫酸に対する反応において使用してもよい。当該ペルオキソ硫酸は、上述のように、それぞれ、大気、パワープラントプロセスのＣＯ_２排ガス、二酸化珪素還元プロセス（第１部分反応）から得ることができる。

Ｈ_２Ｏ_２は、エネルギー若しくは燃料として特に好適である。本発明にしたがって生成される可逆的に利用可能な水素キャリヤーを消費者に移送することは、様々な方法で（具体的には輸送車により）実行してもよい。当該移送は、間違いなく問題ない。これは、水素キャリヤーの取り扱いが比較的重大ではないからである。

使用の場面において、可逆的に使用可能な水素キャリヤーの水素及び／又は酸素を取り出してもよい。その後、当該水素を例えば燃料電池において使用してもよい。

以下に、本発明の技術的実施のための様々な好ましいアプローチを概略図を参照しながら説明する。燃焼チャンバー若しくは炉の形態の反応領域の概略は、単に具体例であると理解されるべきことに留意すべきである。本発明に係る方法は、異なるように設計された燃焼チャンバー若しくは炉においても使用することができることは明らかである。

図１６に第１の実施の形態を示す。図１６に示すように、２つの水平操作燃焼炉１０及び２０（具体的には溶鉱炉）が互いに隣り合うように配置されている。第１の燃焼炉１０は、アウトレット領域１１を有し、第２燃焼炉２０は、アウトレット領域２１を有する。それぞれのケースにおいて、排ガス（燃焼排ガス）を発生させる。第１燃焼炉１０は、化石燃料１２（具体的にはハードコール）で充填されており、化石燃料は酸素（具体的には空気の酸素）と反応し燃焼する。よく知られた当該方法の間大量の熱が放出される。当該熱は、熱交換機１３を介して媒体（具体的には水）に部分的に伝導され結果として得られる水蒸気を用いてタービンを駆動させそれにより電流を得る。

本発明によれば、様々な反応が直列的に進行する。示された実施の形態では、第２の燃焼炉２０に対する熱カップリングが存在する。すなわち、２つの炉１０及び２０が直接的若しくは間接的に互いに熱的に組み合わされている。これは、図１６において矢印Ｗ１により示されている。

２つの炉が壁面と壁面とを対向させて直立する当該実施の形態若しくは他の実施の形態において熱カップリングを実行してもよい。当該カップリングは、適切なパッシブ熱ブリッジ（具体的には熱伝導体を用いて）を介して、若しくはアクティブ熱ブリッジを介して（具体的には、熱交換機若しくは対応する移送媒体を用いて）実行してもよい。

第２の燃焼炉２０において、酸化珪素を含む開始材料２２の１つは、第１炉１０により与えられる熱量Ｗ１により加熱される。すなわち、第１炉１０において進行する反応は、大体、本発明に係る第１部分反応のための第１エネルギープロバイダーとして用いられる。当該第１部分反応において、二酸化珪素は珪素に変換される。例えば、典型的な窒素成分を含む空気（若しくは純粋な窒素）をランス２４若しくは同様の手段により炉２０に導入してもよい。導入位置は別々に選択してもよいことは明らかである。珪素が窒素と反応してシリコンナイトライドが生成される（第２部分反応参照）。当該反応は、強力な発熱性であり、発生する熱量を熱交換機２３を介して媒体（具体的には水）に部分的若しくは全体的に伝導させ、結果として得られる水蒸気を用いて、タービンを駆動させそれにより電流を獲得してもよい。

別の部分反応をサポートし若しくはこれを可能にするため当該第２熱を用いるような第１の実施の形態の変形例が特に好ましい。そのため、例えば、図１６に示すように、第２部分反応に起因するシリコンナイトライドを吸収し、これを多孔質のシリコンナイトライド、シリコンフレーク、若しくはシリコン粉末に変換する反応領域３８を設けてもよい。これらは、熱を供給するとともに及び／又は反応剤及び／又は圧力について極めて大きい体積を有し、極めて大きい表面積を有する。第６部分反応は、適切な熱カップリングを介して、第２部分反応の第２熱によりサポートされ可能とされる。これは、図１６において矢印Ｗ２により示されている。

シリコンナイトライドは、図１６において示されているように、貨物車両３１により取り除いてもよい。

ＣＯ_２は、炉２０に導入してもよい（当該工程は任意である）。ＣＯ_２は、第１炉１０の排ガス領域１１から第２炉２０に誘導してもよいし、若しくは大気からのＣＯ_２を導入し還元し、すなわち、無害化してもよい。

第２の実施の形態を図１７に示す。図１７に示すように、水平操作燃焼炉２０を設けてもよい。二酸化珪素を含む開始材料２２の１つは、第１エネルギープロバイダー（具体的にはオイル及び／又はタール等の化石燃料）の燃焼により燃焼炉２０において加熱される。とりわけ、珪素は本発明に係る第１部分反応において発生する。第１の実施の形態と同様に、窒素を導入することによりシリコンナイトライド及び熱が発生する。しかしながら、当該プロセスの代替の方法において、珪素は炭素と反応してＳｉＣを生成してもよい（第１０部分反応参照）。当該炭素は化石燃料若しくはＣＯ_２を起源としてもよい。これは、任意ではあるが、炉２０に（具体的には供給口２５により）導入してもよい。当該部分反応は発熱的に進行するが、しかしながら、移送される熱は第２部分反応よりかなり少ない。

上述したように、第２の実施の形態において、ＣＯ_２を炉２０に導入してもよい。
別の部分反応をサポートするため若しくは可能とするため、第２の熱Ｗ２が用いられるような第２の実施の形態の変形例が特に好ましい。そのため、例えば、図１７に示すように、結果として得られる第１０部分反応によるシリコンカーバイドを吸収し乾燥、焼結し、一方熱、及び／又は別の反応剤及び／又は圧力を供給しつつそれを精製する反応領域３０を提供してもよい。当該別の部分反応は、図１７において矢印Ｗ２により示されているように、適切な熱カップリングにより、第１０部分反応の第２の熱によりサポートし、可能としてもよい。

当該シリコンカーバイド若しくは精製されたシリコンカーバイドは、図１７において示されているように、貨物車両３１により取り除いてもよい。

図１８に第３の実施の形態を示す。図１８に示すように、水平操作燃焼炉２０を設けてもよい。二酸化珪素を含む開始材料２２の１つは、第１エネルギープロバイダー（具体的にはオイル及び／又はタール等の化石燃料）の燃焼により燃焼炉２０において加熱される。とりわけ、珪素は本発明に係る第１部分反応において得られる。第１の実施の形態と同様に、窒素を導入することによりシリコンナイトライド及び熱が生成される。しかしながら、当該部分反応は、極めて発熱的に進行する。炉２０を冷却し、それにより第２部分反応を制御するため、酸化アルミニウム４２（氷晶石を含有してもよいし若しくは含有しなくてもよい）を分離した反応領域４０において冷却剤として用いる。当該反応領域４０は、少なくとも部分的に炉２０を包囲する。酸化アルミニウム４２は上から投入してもよく、炉２０が放出する大量の熱のため液体のアルミニウム４３に変換される。これは、例えば下方向に排水してもよい。（融解塩）電解のための電極が反応領域４０に設けられる場合当該変換（還元プロセス）が進行する。

反応領域４０は、例えばスチール製のトラフを備える。これは、（融解塩）電解のための炭素材料で覆われている。これらの詳細は図１８には示されていない。液体の電解液（氷晶石を含有してもよいし若しくは含有しなくてもよい酸化アルミニウム）を当該トラフに配置する。電源の正極に接続されたアノード（具体的にはカーボンブラック）を電解質に浸漬する。当該トラフをカソードとして用い正極に接続する。当該第１２部分反応（以下の等式参照）において還元されたアルミニウム電解質より重く、そのため当該トラフの底面に集まる。そこから、例えば吸入管を用いて取り除く。

この電解（融解塩電解としても知られる）のための開始材料は、ボーキサイト、酸化アルミニウム及び水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）_３）等の粘土鉱物の混合物である。二酸化珪素は、通常ボーキサイト中に存在する。現在まで、ボーキサイトは、最初含有酸化鉄から（具体的にはバイエル法を用いて）分離されてきた。さらに、ボーキサイトを”汚染”する酸化珪素は、その後一般的には分離される。本発明によれば、当該混合物の成分の複雑な分離を実行することは必ずしも必要ではない。これは、当該プロセスにおいて十分なエネルギーが存在し、純粋なアルミニウムの調製は主要な関心事ではないからである。

現在まで工業的に使用されたアルミニウム製品において、ボーキサイト（上述の混合物の成分を含有していてもよいし若しくは含有していなくてもよい）を水で希釈して水酸化アンモニウムを生成してもよい。当該ボーキサイトは、水酸化アルミニウムを生成するため、水蒸気若しくは超臨界水と（４０７℃以上、高圧で）混合してもよい。

酸化アンモニウムは、水酸化アルミニウムをおよそ１２００℃〜１３００℃まで（具体的には第２エネルギーを用いて）加熱することにより生成する：

当該水酸化アルミニウムは、上述のように氷晶石を含んでいてもよいし含んでいなくてもよいがその後（溶融塩）電解に供される。

冷却効果は、ボーキサイト及び／又は酸化アルミニウムを制御しながら添加することにより促進若しくは低減してもよい。当該実施の形態において、高い純度のアルミニウムが、第２部分反応の生成物とともに発生する。

図１９に概略的に示す別の好ましい実施の形態において、アルミニウム４３を液体若しくは粉体の形態で反応領域（具体的には、炉２０の反応領域）の二酸化珪素２２に加える。アルミニウムの添加は、図１９に矢印４６により示されている。当該実施の形態において、アルミニウムは、また（溶融塩）電解を用いて、第１２部分反応において得られる。当該（溶融塩）電解は、炭素材料４４により被覆されたトラフの形態の反応領域４０において実行される。アルミニウム４３は、高い電流がアノード及びカソードとして用いられる炭素材料４４に加えられるとき当該トラフにおいて酸化アルミニウム４２（氷晶石を含んでいてもよいし若しくは含んでいなくてもよい）から生成される。当該アルミニウム４３は、吸入管により底部に配置され当該底部において取り除いてもよいし、若しくはフォールパイプ４５を介して下方に排出してもよい。液体のアルミニウムは、二酸化珪素から酸素を取り除くため、当該排出ポイントから炉２０の反応領域に搬送してもよい。窒素雰囲気は、当該プロセスの当該フェーズにおいて炉２０に存在することが好ましい。

既知のサーマイト反応（アルミニウムは、例えば酸化鉄を鉄に還元するため還元剤として使用される酸化還元反応）と同様、当該アルミニウムは、ここでは、二酸化珪素から酸素を取り除くための還元剤として使用される。この反応（第７部分反応）は、極めて発熱的に進行し、そして、極めて大量の熱が放出される。この熱量は、並行に進行する、アルミニウムの製造プロセス（第１２部分反応）に適用してもよいし、及び／又は当該熱量を（熱交換機２３を使用して）電流を発生させるために使用してもよい。

２つの可能性として考えられる実施の形態を図２０及び２１に概略的に例示する。両ケースにおいて水平に若しくは僅かに斜めにマウントされた炉を使用する。

本発明に係るエネルギー−マテリアル直列カップリング（ＥＭＣ^２）は、プロセスが、細胞及び器官の生体構造におけるように、消散構造において熱平衡を超えて進行する点で区別される。

本発明によれば、当該ポイントまで酸素を用いて燃焼プロセスをオペレートする代わりに、窒素燃焼プロセスと置換してもよい。

本発明によれば、いわゆる珪素生成物が生成される。ここで珪素生成物なる用語は、以下の（中間）生成物、すなわちシリコンナイトライド（具体的には粉末、フレークの形態、若しくは多孔質の形態）、珪素（具体的には、フレーク若しくは粉末）、シリコンカーバイド、モノシラン若しくは長鎖シラン、マグネシアシリサイド、ＳｉＣｌ_２、ＳｉＣｌ_４、珪素と、アルミニウム、カルシウム、若しくはマグネシア（シリケート）等の他の成分との組成物の変換を説明するため用いられる。これらの珪素生成物は、今まで、例えば半導体分野において使用されるため、化学的に非常にクリーンな形態で生成されてきた。例えば、純粋なシリコンは、９８〜９９．５％の純度、若しくは９９．９９９９９９９％以下の純度を有する。

現在まで、これらの材料のエネルギーキャリヤー（それぞれサプライヤー）としての潜在能力は認識されてこなかった。これらの珪素生成物の生成が、パワープラント若しくはパワープラントプロセスと同様の方法において実行される場合、比較的手頃な条件で大量に製造することができる。これらの珪素生成物は、反応パートナーに依存してＳｉＯ_２に変換可能であることが珪素生成物の特別な長所であると考えられている。当該ＳｉＯ_２材料は、絶対的に環境フレンドリーであり処理が容易である。好ましくは、本発明にしたがって、パワープラントにおいて若しくはパワープラントプロセスと同様の方法により製造される珪素生成物は５０〜９７％の範囲の純度を有する。７５〜９７％の純度を有する珪素生成物は特に有益であることが証明された。そのような珪素生成物は、低価格のラージスケールプラントにおいて大量に製造することができ、それと同時にエネルギーキャリヤー（それぞれサプライヤー）として好適である。

Claims (19)

1. パワープラントプロセスにおいてエネルギーを供給するための方法であって、
   砂、二酸化珪素を含有するボーキサイト、石英、片麻岩、雲母、花崗岩、粘板岩からなる群から選択される少なくとも１種を含む開始材料を反応領域に導入する工程と、
   上記開始材料が加熱され上記開始材料から珪素が生成される反応を開始するため、第１エネルギープロバイダーを供給する工程と、
   発熱的に進行し熱を放出可能な第１部分反応において珪素を用いる工程と、
   上記熱を第２エネルギーとして用い、上記開始材料を加熱する際第１エネルギープロバイダーと代替させ、及び／又は、珪素生成物が得られる終盤において少なくとも１つの別の部分反応若しくは一連の部分反応に、必要とされるエネルギーを供給する工程と、を備えることを特徴とする方法。
2. 上記第１エネルギープロバイダーが上記開始材料に加えられるか、若しくは上記開始材料が既に上記第１エネルギープロバイダーに含まれていることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 炭化水素を含む第１エネルギープロバイダー、好ましくはオイル、タール、アスファルト、コールからなる群から選択される少なくとも１種を用いることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 上記第１部分反応において、珪素を窒素と反応させシリコンナイトライドを生成し、大量のエネルギーを放出することを特徴とする請求項１、２若しくは３に記載の方法。
5. 上記第１部分反応において、珪素を炭素と反応させシリコンカーバイドを生成し、大量のエネルギーを放出することを特徴とする請求項１、２若しくは３に記載の方法。
6. 上記開始材料の二酸化珪素から酸素を除去するため、上記開始材料に液体の若しくは粉体のアルミニウムを供給することを特徴とする請求項１、２若しくは３に記載の方法。
7. ＣＯ_２と、液体の若しくは粉体のアルミニウムと、を供給し、当該アルミニウムはＣＯ_２を還元して酸化アルミニウムとなりＣＯ_２から酸素を取り出すことを特徴とする請求項１、２若しくは３に記載の方法。
8. 上記部分反応は、連続的に若しくは同時に進行することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 上記珪素生成物は、５０〜９７％の範囲、好ましくは７５％〜９７％の範囲の純度を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. エネルギーを提供するための装置であって
    少なくとも１つの開始材料を受容するための第１反応領域と、
    第１エネルギープロバイダーを用いて上記開始材料を加熱する手段と、
    少なくとも１つの第１材料を受容し当該第１材料を第２材料に変換するための第２反応領域と、を有し、
    上記第２反応領域は、上記第１反応領域において発生する熱が上記第２反応領域に供給されるように上記第１反応領域と熱的に組み合わされたことを特徴とする装置。
11. 上記第１反応領域が、二酸化珪素を含有する、砂、片麻岩、雲母、花崗岩、粘板岩、建築用石材からなる１以上の開始材料を受容し、
    オイル、タール、アスファルト、コールからなる群から選択される少なくも１種の第１エネルギープロバイダーを受容するよう設計されたことを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 酸素及び／又は窒素を供給するための手段を第１反応領域に備えることを特徴とする請求項１１記載の装置。
13. アクティブ若しくはパッシブ熱カップリングを提供することを特徴とする請求項１０、１１、若しくは１２に記載の装置。
14. 酸素含有雰囲気から窒素含有雰囲気に変更する手段を備えることを特徴とする請求項１０、１１、若しくは１２に記載の装置。
15. ボーキサイト及び／又は酸化アルミニウムを加えることにより発熱性の部分反応を実行する間若しくはその後に冷却効果を得るため、冷却手段を備えることを特徴とする請求項１０、１１、若しくは１２に記載の装置。
16. 上記冷却手段が、レセプタクルエリア、好ましくはトラフを備え、
    上記ボーキサイト及び／又は酸化アルミニウムをレセプタクルエリアに導入することにより第１反応領域若しくは第２反応領域から熱が取り除かれるように上記レセプタクルエリアが設計され配置されたことを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 上記冷却手段が、ボーキサイト及び／又は酸化アルミニウムが上記第１反応領域若しくは第２反応領域に直接導入されるように設計され配置されたことを特徴とする請求項１５記載の装置。
18. 上記第１反応領域若しくは第２反応領域へ希ガスを導入することができる、希ガス緊急飽和システムを備えることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載の装置。
19. 上記第１材料が、含油砂、含油頁岩、ボーキサイト、片麻岩、雲母、花崗岩、頁岩からなる群から選択される少なくとも１つであり、
    上記第２材料が、珪素、若しくは珪素生成物であることを特徴とする請求項１０〜１８のいずれかに記載の装置。

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