Um reator de descarga de barreira dielétrica de alta potência, resfriado a água, para estudos de dissociação e valorização de plasma de CO2

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 7394 (2023) Citar este artigo

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Visando a utilização eficiente do ponto de vista energético e a valorização do dióxido de carbono no âmbito dos estudos de descarbonização e da investigação do hidrogénio, foi concebido, construído e desenvolvido um novo reactor de descarga por barreira dielétrica (DBD). Este equipamento de teste com eletrodos resfriados a água é capaz de uma potência de plasma ajustável em uma ampla faixa de 20W a 2 kW por unidade. O reator foi projetado para estar pronto para integração de catalisadores e membranas visando uma ampla gama de condições e processos de plasma, incluindo pressões baixas a moderadas (0,05–2 bar). Neste artigo são apresentados estudos preliminares sobre a dissociação altamente endotérmica de CO2, em O2 e CO, em um fluxo de mistura de gases puros, inertes e nobres. Esses experimentos iniciais foram realizados em uma geometria com intervalo de plasma de 3 mm em uma câmara com volume de 40cm3, onde a pressão do processo foi variada de poucos 200 mbar a 1 bar, utilizando CO2 puro, e diluído em N2. Os resultados iniciais confirmaram o conhecido compromisso entre taxa de conversão (até 60%) e eficiência energética (até 35%) nos produtos de dissociação, medidos a jusante do sistema do reator. A melhoria da taxa de conversão, da eficiência energética e da curva de compensação pode ser conseguida através do ajuste dos parâmetros operacionais do plasma (por exemplo, o fluxo de gás e a geometria do sistema). Verificou-se que a combinação de um reator de plasma resfriado a água de alta potência, juntamente com diagnóstico eletrônico e de forma de onda, emissão óptica e espectroscopia de massa fornece uma estrutura experimental conveniente para estudos sobre o armazenamento químico de transientes e surtos rápidos de energia elétrica.

O manuseamento em grande escala e energeticamente eficiente de gases relevantes para os ciclos energéticos, tanto relacionados com as atividades humanas como com os processos naturais, desde vulcânicos até biológicos naturais, é um objetivo histórico para a tecnologia humana, ao mesmo tempo que coloca vários desafios científicos e multidisciplinares. Na verdade, as transformações químicas da fase gasosa entre H2, H2O, O2, CO2, CO, N2, NH3, CH4 e hidrocarbonetos superiores são responsáveis ​​pela maior parte das trocas de energia dos processos naturais e relacionados com o homem na superfície terrestre e pelas emissões de gases com efeito de estufa para a atmosfera. a atmosfera.

Além da viabilidade tecnológica de interferir em um sistema planetário de grande escala, além da onipresente combustão por oxidação, obter o conhecimento prático desde a ciência básica até os detalhes tecnológicos sobre armazenamento e transformação de energia é uma premissa obrigatória para qualquer “transição ecológica” que não implique uma redução drástica de (vidas e) bem-estar humano na Terra.

O conceito de utilização da dissociação de plasma de CO2 para implementar armazenamento de energia em larga escala foi desenvolvido no final dos anos 70, principalmente pelo grupo de Legasov1. Na época, a questão era a disponibilidade abundante de energia nuclear durante a noite, e foi proposto que o hidrogênio poderia ser produzido pela dissociação do plasma de CO2, separação CO/O2 e pela reação a jusante do CO com água em H2 (e CO2) como uma alternativa à eletrólise da água. Devido ao tempo de resposta extremamente rápido dos sistemas de energia de plasma, o mesmo conceito é atraente para ser aplicado a transientes e surtos de energia elétrica renovável, para implementar um esquema de armazenamento de energia de “energia para gás” em circuito fechado em H2. Além disso, a presença simultânea de H2 e CO na mesma planta sugere que o caminho de reação em “circuito aberto” pode se tornar conveniente com base na disponibilidade e nas previsões de energia renovável, nos requisitos de rede e de combustível para produzir combustíveis elétricos (conhecidos como e-combustíveis).

De fato, em escala laboratorial, esses primeiros estudos encontraram e relataram altas eficiências energéticas de dissociação: 80% para fluxo subsônico e 90% para fluxo supersônico, para pressão de gás otimizada, densidade eletrônica e energia eletrônica em plasmas excitados por micro-ondas2. Por outro lado, plasmas de descarga de barreira dielétrica (DBD) acionados por alta frequência (HF, na faixa de 100 kHz)3 são mais interessantes do que plasmas de micro-ondas (MW)4 para aplicação prática ao conceito devido a várias vantagens: baixo custo, alta eficiência do driver elétrico (ou seja, parede plug-in ao plasma), drivers de potência média alta com componentes de baixo custo, evitação de redes correspondentes de MW e expansão para tamanho industrial (como para ozonizadores5). Ao contrário das descargas luminosas de corrente contínua6, os plasmas DBD são facilmente estabilizados em alta pressão (isto é, atmosférica e acima7), pois evitam intrinsecamente fugas térmicas nas superfícies dos eletrodos, injetando uma carga limitada por ciclo. Na Fig. 1 mostramos um esquema do plasma DBD, onde a quebra do gás é induzida por uma alta tensão alternada aplicada através de invólucros de parede dielétrica preenchidos com gás, à medida que cargas são induzidas capacitivamente na superfície dielétrica das paredes internas e se movem ao longo das superfícies internas ( descarga superficial) e através da lacuna (descarga de gás).