Plasma-induzierte Gaschemie

CO2 Konversion zu Syngas oder höheren Kohlenwasserstoffen mit Hilfe einer plasmabasierten Gaskonversion (Power-to-Gas)

Da Strom, welcher durch erneuerbare Energiequellen produziert wird, starken Schwankungen unterliegt, sind flexible Energiespeicher von enormer Bedeutung um eine zuverlässige Netzstruktur aufzubauen. Die CO2 Konversion zu Syngas oder höheren Kohlenwasserstoffen mit Hilfe einer plasmabasierten Gaskonversion, welche über erneuerbare Energien betrieben wird, ist ein vielversprechender Ansatz hin zu einer solchen Energiespeicherung. Um dieses „Power-to-Gas“ Konzept vorteilhaft gegenüber anderen Technologien zu machen, spiel die Verbesserung der Energie- und Konversionseffizienz dieses Prozesses eine entscheidende Rolle.

Modular aufgebauter Plasmabrenner im Betrieb mit einem Luftplasma.
Modular aufgebauter Plasmabrenner im Betrieb mit einem Luftplasma.

Anhand von Voruntersuchungen und technologischen Anforderungen für eine Mikrowellenplasmaquelle für die CO2-Konversion wurde ein modular aufgebauter Plasmabrenner bestehend aus einem Zylinder- und Koaxialresonator entwickelt. Dieser Plasmabrenner ermöglicht eine eigenständige Zündung des Plasmas, einen stabilen Betrieb des CO2 Plasmas über einen weiten Parameterbereich und eine flexible Neuanordnung der einzelnen Komponenten um die Anpassung der Quelle an unterschiedliche Anforderungen zu gewährleisten. Durch das Abstimmen des CO2-Gasflusses sowie der Mikrowellenenergie kann die Energie- und Konversionseffizienz  verändert werden. Das CO2-Plasma wird hierbei anhand von optischer Emissionsspektroskopie, IR-Spektroskopie und Massenspektrometrie untersucht.

Mithilfe des FEM-Simulationsprogramms COMSOL Multiphysics wurde ein Modell dieses Plasmabrenners aufgebaut. Die elektrische Feldverteilung sowie die Gasströmung innerhalb des Brenners wurde untersucht, um dessen Konfiguration zu optimieren und so die optimale Betriebsbedingung zu ermitteln. 

Elektrische Feldverteilung innerhalb des Plasmabrenners (links) und Gasströmung des Plasmabrenners (rechts).
Elektrische Feldverteilung innerhalb des Plasmabrenners (links) und Gasströmung des Plasmabrenners (rechts).
Rohrreaktor mit einer keramischen Hohlfaser im Inneren während des Betriebes mit einem Luftplasma.
Rohrreaktor mit einer keramischen Hohlfaser im Inneren während des Betriebes mit einem Luftplasma.

Während an der Verbesserung der Energie- und Konversionseffizienz geforscht wird, ist es natürlich auch von großer Bedeutung den Sauerstoff aus dem CO2-Plasma zu entfernen um Syngas, welches z.B. eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff ist, produzieren zu können. Zu diesem Zweck wurde ein Rohrreaktor konstruiert, der am Plasmabrenner montiert werden kann und gleichzeitig eine Einspannmöglichkeit für eine keramische Hohlfaser beinhaltet.  Mit dieser Hohlfaser kann der Sauerstoff aus dem CO2-Plasma abgetrennt werden. Die Faser wird hierbei im Inneren mit Argon durchströmt und die Sauerstoffkonzentration dieses Gasgemisches wird für unterschiedliche Gasflüsse, Mikrowellenleistungen und unterschiedliche Fasermaterialien gemessen. Somit soll die beste Betriebsbedingung für die Dekomposition von CO2 sowie die Sauerstoffpermeation in einem Plasma-Membranreaktor bestimmt werden.

Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden einige Bachelor- und Masterarbeiten vergeben. Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte die unten aufgeführte Person.

 

Dieses Bild zeigt Irina Kistner M. Sc.
 

Irina Kistner M. Sc.

Doktorand, Plasmatechnologie

Dieses Bild zeigt Andreas Schulz
Dr.-Ing.

Andreas Schulz

Wiss. Mitarbeiter, Plasmatechnologie

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