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Sep 10, 2023

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

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7394 (2023) Citar este artigo

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Visando o uso eficiente de energia e a valorização do dióxido de carbono no âmbito de estudos de descarbonização e pesquisa de hidrogênio, um novo reator de descarga de barreira dielétrica (DBD) foi projetado, construído e desenvolvido. 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 catalisadores e integração de membrana visando uma ampla gama de condições e processos de plasma, incluindo baixas a moderadas altas pressões (0,05–2 bar). Neste trabalho 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 um gap de plasma de 3 mm em um volume de câmara de 40cm3, onde a pressão do processo variou de poucos 200 mbar a 1 bar, usando 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, conforme medido a jusante do sistema do reator. Melhorar a taxa de conversão, a eficiência energética e a curva de compensação pode ser alcançado ajustando os 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 refrigerado 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 tratamento em grande escala e energeticamente eficiente de gases relevantes para os ciclos de energia, tanto relacionados com atividades humanas como com processos naturais, desde vulcânicos a natural-biológicos, é um objetivo histórico para a tecnologia humana, ao mesmo tempo que coloca vários desafios científicos e multidisciplinares. De fato, as transformações químicas da fase gasosa entre H2, H2O, O2, CO2, CO, N2, NH3, CH4 e hidrocarbonetos superiores são responsáveis ​​pela maior parte da troca de energia de processos naturais e humanos relacionados na superfície terrestre e pela emissão de gases de efeito estufa na a atmosfera.

Além da viabilidade tecnológica de interferir em um sistema planetário de grande escala além da ubíqua combustão de 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 usar a dissociação de plasma de CO2 para implementar o armazenamento de energia em larga escala foi desenvolvido no final dos anos 70 principalmente pelo grupo de Legasov1. Na época, o problema era a disponibilidade abundante de energia nuclear durante a noite, e foi proposto que o hidrogênio pudesse ser produzido pela dissociação do plasma de CO2, separação de CO/O2 e a reação a jusante de 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 em circuito fechado "energia para gás" em H2. Além disso, a presença simultânea na mesma planta de H2 e CO sugere que a via de reação de "circuito aberto" pode se tornar conveniente com base na disponibilidade e previsões de energia elétrica renovável, nos requisitos de rede e combustível para produzir combustíveis elétricos (conhecidos como e-combustíveis).

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