대기 마이크로파 플라즈마 기술 – 고온 및 Power-to-X 애플리케이션

MUEGGE의 마이크로파 플라즈마 토치는 마이크로파가 일으키는 플라즈마 소스로, 대기압에서 작동하고 비접촉 플라즈마를 생성하도록 설계되어 있으며, 또한 2.45GHz 및 915MHz에서 광범위한 매개변수 범위의 가스 유형, 가스 흐름 및 마이크로파 전력에 대해 안정적인 작동을 보장한다. MUEGGE의 마이크로파 플라즈마 토치는 특수 가스의 합성과 반응성이 높은 가스 종(species)과의 화학 반응 지원 모두에 적합하다. 이것은 Power-to-Gas(전력→가스) 및 Power-to-Chemicals(전력→화학물질)와 같은, 많은 Power-to-X 애플리케이션의 핵심이다.

당신이 기대 하는 것은 무엇입니까?

  1.    대기 플라즈마?

  2.    모든 응용 분야를 위한 다양한 서비스

  3.    산업 및 연구 분야의 Power-to-X 애플리케이션

  4.    전기 가스 버너: 화학 연료를 사용하지 않고도, 온도 > 1400°C

  5.    결론

1. 대기 플라즈마?

물리학에서 테크니컬 플라즈마는 물질의 4차 응집 상태로 설명되며, 이온과 전자뿐만 아니라 다른 여기된 가스 종과 반응성이 높은 전하 캐리어로 구성된다. 고도의 이온화로 거의 완전한 국부적 열평형 상태이므로, 대기 마이크로파 플라즈마는 특수한 형태의 테크니컬 플라즈마이다. 다른 플라즈마 시스템과 달리, 마이크로파 플라즈마는 비접촉 캐비티(cavity) 공진기에서 생성되며, 플라즈마와 고온 가스 운반 부품 간의 접촉으로 인해, 에너지 운반 전극의 연소 또는 매체 오염을 일으키지 않는다. 플라즈마 토치는 최대 3500K의 가스 온도를 달성하는 것으로 측정되었는데, 이 온도는 광학 방출 분광법에 의해 결정된 것이다.


2. 모든 응용 분야에 대한 광범위한 서비스

차세대 MUEGGE의 마이크로파 파워 헤드는 표면 및 부피 처리에 사용되는, 대기압에서의 소형 플라즈마 소스를 만들 수 있다. APS(Atmospheric Plasma Source)는 2.45GHz 및 915MHz의 마이크로파 주파수에서 작동할 수 있다. 그림 1에 2.45GHz, 6kW(왼쪽) 및 3kW(오른쪽)에서 실행되는 두 개의 Muegge 마이크로파 플라즈마 토치가 보인다. 마이크로파는 마이크로파 캐비티의 중앙에 매우 높은 전자기장 농도를 생성하기 위해, 플라즈마 소스로 공급된다. 이 영역에서, 플라즈마는 점화되고 유지된다. 수 킬로와트의 마이크로파 전력이 플라즈마에 흡수되어, 최대 3500K의 가스 온도로 될 수 있다.

 


그림 1: 6kW (왼쪽) 및 3kW (오른쪽)에서 작동하는 2.45GHz 대기압 마이크로파 플라즈마 토치

 

APS 시스템은 2.45GHz에서 최대 6kW, 915MHz에서 최대 75kW를 사용할 수 있다. 2.45 GHz의 실험실용 연구개발 시스템에서부터 산업용 915MHz의 대규모 생산 시스템까지 공정 확장이 쉽다. 2.45GHz 및 915MHz에서 작동하는 서로 다른 두 시스템의 설치 공간이 그림 2에 보인다.

 

 

Figure 2

그림 2: 2.45GHz에서 915MHz로 APS 확장

 

APS 시스템은 공정 영역과 그 주변 사이의 격리없이 작동하지만, 다운 스트림 소스는 환경에서 공정 가스를 분리한다. 이러한 시스템은 10~500mbar의 압력을 처리하고, 최대 75kW, 915MHz까지 작동하도록 설계되어 있다(그림 3). 이러한 고유한 특성으로 인해, APS 시스템은 높은 가스 흐름 처리를 위한 최선의 선택이다.

 

 

Figure 3

그림 3: 60kW에서 실행되는 915MHz 마이크로파 플라즈마 다운스트림 소스


3. 산업 및 연구 분야의 Power-to-X 애플리케이션

고출력 기간 동안, 재생가능 에너지 공급원(예: 태양, 바람, 물)으로부터의 전기 에너지 생산은 수요를 쉽게 초과 할 수 있기 때문에, 이 잉여 에너지는 보통 낭비된다. 안정적인 공공 주전원 전력 공급을 유지하기 위해서는, 재생가능 자원의 잉여 에너지를 저장해야 하는데, 현재 이것은 에너지 전환의 가장 큰 도전과제일 것이다. Power-to-X는 재생가능 자원에서 저장 가능한 물질로 잉여 에너지를 변환하는 모든 기술을 요약하는 일반적인 용어이다. Power-to-X는 다른 기술에 비해 다음과 같은 두 가지 큰 장점이 있다:

 

  • 저장 가능한 물질은 언제든지 에너지로 다시 변환할 수 있으며, 기존 인프라를 사용하여 쉽게 운송할 수 있다;
  • 화학공업이나 화석연료를 대체하는 CO2 중성합성연료를 위해 복잡한 분자를 생산할 때 기초재료로 사용 된다

그림 4는 마이크로웨이브 플라즈마 기술을 기반으로 하는 Power-to-X 응용 프로그램의 몇 가지 예를 보여준다.

Figure 4 rechts

그림 4: 마이크로파 플라즈마 기술(왼쪽) 및 표준 6kW, 2.45GHz APS(오른쪽)에 기반한 Power-to-X 애플리케이션의 일부 예

 

재생가능 자원에서 잉여 전기 에너지를 저장하는 것은 공공 주 전원 공급의 안정성을 유지하는 데 중요한 요소이다. 이산화탄소(CO2) 변환은 잉여 재생가능 에너지를 저장하기 위한 유망한 접근 방식이다. CO2 전환의 개념은 대기압 마이크로파 플라즈마 공정에서 CO2가 산소 라디칼 (O)과 일산화탄소 라디칼 (CO)로 해리되는 것을 기반으로 한다(그림 5 참조). 일산화탄소(CO)는 산업용 화학물질 제조에 널리 사용되는 산업용 가스이다. CO는 기존의 화학공정을 통해 기존 인프라를 사용하여 메탄올 또는 메탄과 같은 기본 화학물질 및 화학 에너지 운반체로 전환될 수 있다.

 

 


그림 5: Power-to-Chemicals 애플리케이션을 위한 CO2 변환 개략도

CO2 변환은 재생가능 소스의 과도한 전기 에너지를 사용하는 고출력 마이크로파 플라즈마 토치로 효율적으로 수행할 수 있다. 가스 혼합물에서 산소를 분리한 후, 남은 CO는 합성 가스 또는 고급 탄화수소로 전환될 수 있다. 따라서 제로배출 탄소 순환이 확립될 수 있다. 이것은 페 로브스카이트 멤브레인을 사용하여 

 

그림 6에 나와 있다.

 

그림 6: 대기압 마이크로파 플라즈마 토치를 사용한 CO2 변환 및 페로브스카이트 멤브레인을 사용하여 얻은 CO의 후속 분리를 위한 실험실 장치

대학 연구에서, 마이크로파 플라즈마 토치는 이산화탄소(CO2) 변환뿐만 아니라 고온 연소 공정의 분석 및 최적화에도 사용된다(EU 지원 프로젝트). 그림 7에 보이듯이, 마이크로파 플라즈마 토치는 매우 빠른 시작 동작과 기존 열교환기를 훨씬 능가하는 열 적용 범위로 인해, 불활성 고온 가스 공급을 위한 탁월한 유연성을 달성할 수 있다.

 


그림 7: TU Darmstadt에서 엔진 및 연료 연구를 위해 915MHz 플라즈마 토치를 이용한 고온 연소 테스트

4. 전기 가스 버너: 온도> 1400 °C (화학 연료 미사용)

마이크로파 플라즈마 토치의 또 다른 흥미로운 응용은 뜨거운 가스의 공급이다. 전용 플라즈마 시스템은 다양한 압력 범위와 다양한 응용분야에 사용할 수 있는데, 여기에는 표면 활성화, 불활성 가스 하에서 원료의 무산소 처리, 합성 결정 성장을 위한 CVD 공정, 즉 탄소 증착이 포함된다. 20kW와 75kW 사이에서 작동하는, 그림 8에 보이는 915MHz 마이크로파 플라즈마 토치는 120m³/h 이상의 가스 흐름에서 1400 °C 보다 높은 가스 배출온도를 달성할 수 있다.

 

 

Figure 8

그림 8: 60kW 마이크로파 전력에서의 915MHz 플라즈마 토치의 불꽃

915 MHz 플라즈마 토치의 고효율 및 다용도성은 기존의 로(爐) 시스템, 특히 저부하 조절 로(爐; furnace)의 재래식 가스 또는 액체 연료 연소기를 직접 교체할 수 있다. 전통적인 에너지 공급원에서 전기 구동 마이크로파 또는 플라즈마 가열로 변경 되면, 고객은 소유 비용(CoO; Cost of Ownership)을 획기적으로 낮추고, 미래 산업 환경의 요건에 따라 공정 CO2 발생량과 관련된 비용을 절감할 수 있다.

5. 결론

넓고 다양한 활용 범위로 인해, MUEGGE의 최신 대기압 마이크로파 플라즈마 토치는 광범위한 산업 및 연구 프로세스를 가능하게 한다. 연소기 기술은 다음과 같은 경우에 매우 효율적이고 경제적인 애플리케이션을 제공한다:

 

  • 합성 가스 생산;
  • 개질 공정에서 탄화수소 분해;
  • 불활성 가스의 가열;
  • 이산화탄소-중성가스 연소기로 사용한다.

공진기 구조 내의 비접촉 플라즈마 생성은 이러한 마이크로파 에너지 구동 고온 응용 분야의 핵심 속성이다. 동시에 마이크로파 플라즈마 시스템은 에너지 저장을 위해, 또는 직접적이고 위치 독립적인 사용을 위해 CO2 중립 수소기반 연료 가스를 사용하여 분산된 공급 네트워크를 구축하기 위한 최상의 대안을 제공한다. 마이크로파 가열 및 마이크로파 플라즈마 공정을 기반으로 하는 Power-to-X 기술은 재생가능 자원의 전기 에너지를 저장 및 재활용을 위해 수소, 일산화탄소 및 합성 가스와 같은 물질 자원으로 변환시키는 혁신적인 해법인데, 예를 들어 장거리 트럭 운송, 운송 및 항공용으로 전기 에너지를 기체 또는 액체 연료 또는 화학물질로 변환하는 것이다.

 

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