Un reattore a scarica con barriera dielettrica, ad alta potenza, raffreddato ad acqua per studi di dissociazione e valorizzazione del plasma di CO2

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7394 (2023) Citare questo articolo

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Mirando all'uso efficiente dal punto di vista energetico e alla valorizzazione del biossido di carbonio nel quadro degli studi sulla decarbonizzazione e della ricerca sull'idrogeno, è stato progettato, costruito e sviluppato un nuovo reattore a scarica con barriera dielettrica (DBD). Questo banco di prova con elettrodi raffreddati ad acqua è in grado di fornire una potenza al plasma regolabile in un ampio intervallo da 20 W a 2 kW per unità. Il reattore è stato progettato per essere pronto per catalizzatori e integrazione di membrane mirati a un'ampia gamma di condizioni e processi del plasma, comprese pressioni da basse a moderate (0,05–2 bar). In questo articolo vengono presentati studi preliminari sulla dissociazione altamente endotermica della CO2, in O2 e CO, in un flusso di miscela di gas puro, inerte e nobile. Questi esperimenti iniziali sono stati eseguiti in una geometria con un gap plasmatico di 3 mm in un volume della camera di 40 cm3, dove la pressione di processo è stata variata da pochi 200 mbar a 1 bar, utilizzando CO2 pura e diluita in N2. I risultati iniziali hanno confermato il noto compromesso tra tasso di conversione (fino al 60%) ed efficienza energetica (fino al 35%) nei prodotti di dissociazione, misurati a valle del sistema del reattore. Il miglioramento del tasso di conversione, dell'efficienza energetica e della curva di compromesso può essere ulteriormente ottenuto regolando i parametri operativi del plasma (ad esempio il flusso di gas e la geometria del sistema). Si è scoperto che la combinazione di un reattore al plasma ad alta potenza raffreddato ad acqua, insieme alla diagnostica elettronica e della forma d'onda, all'emissione ottica e alle spettroscopie di massa, fornisce un quadro sperimentale conveniente per studi sull'immagazzinamento chimico di transitori e picchi di energia elettrica veloci.

La gestione su larga scala ed efficiente dal punto di vista energetico dei gas rilevanti per i cicli energetici, sia legati alle attività umane che ai processi naturali, da quelli vulcanici a quelli naturali-biologici, è un obiettivo storico per la tecnologia umana mentre pone diverse sfide scientifiche e multidisciplinari. Infatti, le trasformazioni chimiche della fase gassosa tra H2, H2O, O2, CO2, CO, N2, NH3, CH4 e idrocarburi superiori rappresentano la maggior parte dello scambio energetico dei processi naturali e antropici sulla superficie terrestre e delle emissioni di gas serra nell'ambiente. l'atmosfera.

Al di là della fattibilità tecnologica di interferire con un sistema planetario su così vasta scala a parte l’onnipresente combustione per ossidazione, acquisire la conoscenza pratica dalla scienza di base ai dettagli tecnologici sullo stoccaggio e sulla trasformazione dell’energia è una premessa obbligatoria per qualsiasi “transizione ecologica” che non implichi una drastica riduzione delle vite umane e del benessere sulla terra.

Il concetto di utilizzare la dissociazione del plasma di CO2 per implementare l'immagazzinamento di energia su larga scala è stato sviluppato alla fine degli anni '70 principalmente dal gruppo di Legasov1. All’epoca il problema era l’abbondante disponibilità di energia nucleare durante le ore notturne, e fu proposto che l’idrogeno potesse essere prodotto dalla dissociazione del plasma di CO2, dalla separazione CO/O2 e dalla reazione a valle della CO con l’acqua in H2 (e CO2) come un'alternativa all'elettrolisi dell'acqua. A causa del tempo di risposta estremamente rapido dei sistemi di alimentazione al plasma, lo stesso concetto è interessante per essere applicato ai transitori e ai picchi di energia elettrica rinnovabile, per implementare uno schema di stoccaggio dell’energia “power to gas” a circuito chiuso in H2. Inoltre, la presenza simultanea nello stesso impianto di H2 e CO suggerisce che il percorso di reazione “a circuito aperto” può diventare conveniente in base alla disponibilità e alle previsioni delle rinnovabili elettriche, ai requisiti della rete e del carburante per produrre carburanti elettrici (noti come e-fuel).

Infatti, su scala di laboratorio, questi primi studi hanno trovato e riportato elevate efficienze energetiche di dissociazione: 80% per il flusso subsonico e 90% per il flusso supersonico, per pressione del gas, densità elettronica ed energia degli elettroni ottimizzate nei plasmi eccitati da microonde2. Al contrario, i plasmi3 con scarica a barriera dielettrica (DBD) guidati ad alta frequenza (HF, nell'intervallo 100 kHz) sono più interessanti dei plasmi a microonde (MW)4 per applicare praticamente il concetto a causa di numerosi vantaggi: basso costo, elevata efficienza del driver elettrico (ad es. plug-to-plasma), driver di potenza medio-alta con componenti a basso costo, eliminazione delle reti di adattamento MW e scalabilità fino a dimensioni industriali (come per gli ozonizzatori5). Contrariamente alle scariche a bagliore in corrente continua6, i plasmi DBD si stabilizzano facilmente ad alta pressione (cioè atmosferica e superiore7) poiché prevengono intrinsecamente le fughe termiche sulle superfici degli elettrodi iniettando una carica limitata per ciclo. Nella Fig. 1 mostriamo uno schema del plasma DBD, in cui la rottura del gas è indotta da un'alta tensione alternata applicata attraverso le pareti dielettriche riempite di gas, poiché le cariche vengono indotte capacitivamente sulla superficie dielettrica delle pareti interne e si muovono lungo le superfici interne ( scarico superficiale) e attraverso l'intercapedine (scarico del gas).