La technologie plasma excité par micro-ondes à pression atmosphérique – Applications haute température et Power-to-X

Les torches à plasma micro-ondes de MUEGGE sont des sources de plasma excitées par micro-ondes conçues pour fonctionner à pression atmosphérique et pour générer un plasma sans contact tout en assurant un fonctionnement stable pour une large gamme de paramètres : type de gaz, débit de gaz et puissance micro-ondes à 2,45 GHz et 915 MHz. Les torches à plasma micro-ondes de MUEGGE sont bien adaptées pour la synthèse des espèces gaz spéciaux et pour aider les réactions chimiques avec des espèces de gaz réactives, la clé pour de nombreuses applications Power-to-X telles que Power-to-Gas et Power-to-Chemicals.

Qu'attendons-nous

  1.   Plasma atmosphérique?

  2.   Large gamme de services pour tous les domaines d’application

  3.   Applications Power-to-X dans l’industrie et la recherche

  4.   Un vrai brûleur à gaz électrique, températures > 1400 ° C sans l’utilisation de combustibles fossiles

  5.   Conclusions

1. Plasma atmosphérique?

Dans la physique scientifique, un plasma technique, aussi appelé le quatrième état de la matière, est constitué d’électrons, d’ions et de neutres à l’état fondamental et à l’état excité, ainsi que de photons. Le plasma excité par le micro-ondes à pression atmosphérique est une forme particulière de plasma, car il est en équilibre local thermodynamique avec un degré élevé d’ionisation. Contrairement aux autres systèmes à plasma, le plasma micro-ondes est généré dans des cavités résonantes sans contact entre le plasma et la cavité micro-ondes et en conséquence, sans endommagement des électrodes ou de contamination des milieux réactionnels. La spectroscopie d’émission optique utilisée pour mesurer la température du gaz dans les torches à plasma micro-ondes à pression atmosphérique montre des valeurs allant jusqu’à 3500 K.

 

2. Une large gamme de services pour tous les domaines d'applications

La nouvelle génération de têtes micro-ondes de MUEGGE permet la construction de sources plasma à pression atmosphérique très compactes ; ces sources peuvent être utilisés pour le traitement en surface et en volume. La source de plasma atmosphérique (APS) peut fonctionner aux fréquences micro-ondes de 2,45 GHz et 915 MHz. La Figure 1 montre deux torches à plasma micro-ondes de Muegge fonctionnant à 2,45 GHz : 6 kW (à gauche) et 3 kW (à droite). Les micro-ondes sont introduites dans la source de plasma afin de créer une concentration de champ électromagnétique très élevée au milieu de la cavité micro-ondes. Dans cette région, le plasma est allumé et maintenu. Plusieurs kilowatts de puissance micro-ondes peuvent être absorbés par le plasma, ce qui conduit à des températures de gaz jusqu’à 3500 K.

 


Figure 1: Deux torches à plasma micro-ondes à pression atmosphérique fonctionnant à 6 kW (à gauche) et 3 kW (à droite), 2,45 GHz

 

Les systèmes APS sont disponibles jusqu’à 6 kW à 2,45 GHz et jusqu’à 75 kW à 915 MHz. Un procédé mis au point à l’échelle laboratoire utilisant une source plasma à 2,45 GHz peut être facilement extrapolé à l’echelle industrielle via une source plasma opérée à 915 MHz. Les dimensions de deux systèmes APS, 2,45 GHz vs. 915 MHz, sont montrés dans la Figure 2.

 

 

Figure 2

Figure 2 : Extrapolation à l'échelle industrielle de l'APS, de 2,45 GHz à 915 MHz

 

Alors que les systèmes APS fonctionnent sans isolation entre la zone de processus et l’environnement, la source downstream sépare les gaz de processus de l’environnement. Un tel système est conçu pour couvrir des pressions entre 10 et 500 mbar et fonctionne jusqu’à 75 kW, 915 MHz (Figure 3). Ces propriétés uniques font de cette source de plasma l’option privilégiée dans le procédés qui nécessites le traitement de débits de gaz élevés.

 

 

Figure 3

Figure 3 : Source plasma downstream fonctionnant à 60 kW, 915 MHz


3. Applications Power-to-X dans l'industrie et dans la recherche

Pendant les périodes de production à rendement élevé, la production d’énergie électrique provenant de sources d’énergie renouvelables, e.g., soleil, vent, eau, peut facilement dépasser la consommation ; le surplus est généralement gaspillée. Pour maintenir un réseau public d’électricité stable, on doit stocker les surplus d’énergie provenant de sources renouvelables, ce qui pose un vrai défi, probablement le plus grand défi de la transition énergétique. Power-to-X est un terme général résumant les technologies de conversion de l’énergie excédentaire provenant de sources renouvelables en matière stockable. Power-to-X présente deux grands avantages par rapport aux autres technologies :

 

  • La matière stockable peut être reconvertie en énergie à tout moment et est facilement transportable en utilisant l’infrastructure existante ;
  • La matière stockable sert de matériau de base pour la production, par exemple, de molécules plus complexes pour l’industrie chimique ou de combustibles synthétiques neutres en CO2 pour remplacer les combustibles fossiles.

La Figure 4 montre quelques exemples d’applications Power-to-X basées sur la technologie plasma micro-ondes.

 

 

 

Figure 4 rechts

Figure 4 : Quelques exemples d'applications Power-to-X basées sur la technologie plasma micro-ondes (à gauche) et APS 6 kW à 2,45 GHz standard (à droite)

Le stockage du surplus d’énergie électrique provenant de sources renouvelables est un facteur déterminant pour la stabilité du réseau public d’électricité. La conversion du dioxyde de carbone (CO2) est une approche prometteuse pour stocker les surplus d’énergie renouvelable. Le concept de conversion de CO2 est basé sur la dissociation du CO2 en radicaux d’oxygène (O) et en radicaux de monoxyde de carbone (CO) dans un plasma micro-ondes à pression atmosphérique – Figure 5. Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz industriel, largement utilisé dans l’industrie chimique de synthèse. CO peut être converti en molecules chimiques de base et en vecteurs énergétiques tels que le méthanol ou le méthane en utilisant les infrastructures existantes via des procédés chimiques conventionnels.

 

 


Figure 5 : Conversion du CO2 pour les applications Power-to-Chemicals.

La conversion duCO2 peut être effectuée avec un bon rendement en utilisant une torche à plasma micro-ondes haute puissance alimentée par le surplus d’énergie électrique provenant de sources renouvelables. Après la séparation de l’oxygène du mélange gazeux obtenu, le CO peut être utilisé pour la conversion en gaz de synthèse ou en hydrocarbures supérieurs. Par conséquent, un cycle zéro émission nette de carbone peut être établi. Ceci est illustré sur la figure 6 en utilisant une membrane de pérovskite.

Figure 6 : Installation de laboratoire pour la conversion du CO2 via une torche à plasma micro-ondes a pression atmosphérique et la séparation ultérieure du CO obtenu à l'aide d'une membrane en pérovskite

Dans la recherche universitaire, les torches à plasma micro-ondes ne sont pas seulement utilisées pour la conversion du dioxyde de carbone (CO2), mais également pour l’analyse et l’optimisation des procédés de combustion à haute température (projets financés par l’UE). Comme le montre la figure 7, la torche à plasma micro-ondes peut atteindre une flexibilité inégalée pour le chauffage de gaz inertes à températures très élevées grâce à son allumage rapide et à sa plage d’applications thermiques dépassant de loin tout échangeur de chaleur conventionnel.

 

 


Figure 7 : Essais de combustion avec une torche à plasma 915 MHz pour la recherche sur les moteurs et les carburants à TU Darmstadt

4. Un vrai brûleur à gaz électrique, températures > 1400 ° C sans l'utilisation de combustibles fossiles

Une autre application intéressante de la torche à plasma micro-ondes est le chauffage de gaz à temperature elevée. Des systèmes plasma dédiés sont disponibles pour différentes plages de pression et pour une grande variété d’applications, telles que l’activation de surface, le traitement sans oxydation de matières premières, les procédés CVD pour la croissance de cristaux synthétiques, i.e. dépôts de carbone.
La torche plasma à 915 MHz représentée dans la Figure 8 fonctione de 20 kW à 75 kW peut atteindre une température de gaz en sortie supérieure à 1400 ° C pour des débits de gaz supérieurs à 120 m³ / h.

 

 

Figure 8

Figure 8 : Torche à plasma 915 MHz, 60 kW

Le rendement élevé et la polyvalence des torches à plasma 915 MHz permettent le remplacement direct des brûleurs à gaz ou à combustible liquide traditionnels dans les chaudières classiques, en particulier pour ceux avec contrôle de température par modulation. En passant des sources d’énergie conventionnelles au chauffage électrique par micro-ondes ou par plasma, les clients peuvent réduire considérablement leur coût de propriété (CoO) et les dépenses liées à l’empreinte CO2 des processus pour s’aligner aux exigences de notre futur environnement industriel.

 

5. Conclusions

En raison de leur spectre d’utilisation large et polyvalent, la dernière génération de torches à plasma micro-ondes à pression atmosphérique de MUEGGE permet un large éventail de processus industriels et de recherche. La technologie du brûleur électrique offre des applications efficaces et économiques pour :

  • La production de gaz de synthèse ;
  • Le reformage d’hydrocarbures liquides ;
  • Chauffage de gaz inertes ;
  • Utilisation comme brûleur à gaz zéro émission nette de CO2.

La génération de plasma sans contact dans une structure micro-ondes résonante est l’atout clé de ces applications à haute température assistées par micro-ondes. Egalement, les systèmes plasma micro-ondes offrent la meilleure alternative pour construire des réseaux d’approvisionnement décentralisés avec des gaz combustibles à base d’hydrogène vert (sans production de CO2) utilises pour le stockage d’énergie ou pour l’utilisation directe dans des emplacements individuels.


Les technologies Power-to-X basées sur le chauffage micro-ondes et les procédés plasma micro-ondes sont des solutions innovantes pour la conversion de l’énergie électrique provenant de sources renouvelables en ressources matérielles telles que l’hydrogène, le monoxyde de carbone et les gaz synthétiques pour le stockage et le recyclage – par ex. la conversion de l’énergie électrique en combustibles gazeux ou liquides pour le transport par camion à grande distance, le transport maritime et l’aviation.

 

 

 

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