Un réacteur de décharge à barrière diélectrique de haute puissance, refroidi par eau, pour les études de dissociation et de valorisation du plasma de CO2

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7394 (2023) Citer cet article

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Visant l'utilisation économe en énergie et la valorisation du dioxyde de carbone dans le cadre d'études de décarbonation et de recherche sur l'hydrogène, un nouveau réacteur à décharge à barrière diélectrique (DBD) a été conçu, construit et développé. Ce banc d'essai avec électrodes refroidies à l'eau est capable de fournir une puissance plasma réglable dans une large plage allant de 20 W à 2 kW par unité. Le réacteur a été conçu pour être prêt à accueillir des catalyseurs et une intégration de membranes visant une large gamme de conditions et de processus plasmatiques, y compris des pressions faibles à modérées (0,05 à 2 bars). Dans cet article, des études préliminaires sur la dissociation hautement endothermique du CO2, en O2 et CO, dans un flux de mélange de gaz purs, inertes et rares sont présentées. Ces premières expériences ont été réalisées dans une géométrie avec un espace plasma de 3 mm dans un volume de chambre de 40 cm3, où la pression du processus variait de quelques 200 mbar à 1 bar, en utilisant du CO2 pur et dilué dans du N2. Les premiers résultats ont confirmé le compromis bien connu entre le taux de conversion (jusqu'à 60 %) et l'efficacité énergétique (jusqu'à 35 %) des produits de dissociation, tels que mesurés en aval du système réacteur. L'amélioration du taux de conversion, de l'efficacité énergétique et de la courbe de compromis peut être réalisée en ajustant les paramètres de fonctionnement du plasma (par exemple le débit de gaz et la géométrie du système). Il a été constaté que la combinaison d'un réacteur à plasma de haute puissance refroidi à l'eau, de diagnostics électroniques et de formes d'onde, d'émissions optiques et de spectroscopies de masse fournit un cadre expérimental pratique pour les études sur le stockage chimique des transitoires et des surtensions électriques rapides.

La gestion à grande échelle et économe en énergie des gaz pertinents pour les cycles énergétiques, à la fois liés aux activités humaines et aux processus naturels, du volcanique au naturel-biologique, est un objectif historique pour la technologie humaine tout en posant plusieurs défis scientifiques et multidisciplinaires. En effet, les transformations chimiques en phase gazeuse entre H2, H2O, O2, CO2, CO, N2, NH3, CH4 et les hydrocarbures supérieurs représentent la plus grande partie de l'échange d'énergie des processus naturels et humains à la surface de la Terre et des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Au-delà de la faisabilité technologique d’interférer avec un système planétaire à si grande échelle en dehors de l’omniprésente combustion par oxydation, l’acquisition de connaissances pratiques depuis la science fondamentale jusqu’aux détails technologiques sur le stockage et la transformation de l’énergie est une prémisse obligatoire à toute « transition écologique » qui n’implique pas une réduction drastique des (vies et) du bien-être humains sur terre.

Le concept d'utilisation de la dissociation du plasma de CO2 pour mettre en œuvre un stockage d'énergie à grande échelle a été développé à la fin des années 70, principalement par le groupe de Legasov1. À l'époque, le problème était la disponibilité abondante de l'énergie nucléaire pendant la nuit, et il a été proposé que l'hydrogène puisse être produit par dissociation du plasma de CO2, séparation CO/O2 et réaction en aval du CO avec l'eau en H2 (et CO2) comme une alternative à l'électrolyse de l'eau. En raison du temps de réponse extrêmement rapide des systèmes d’énergie plasma, le même concept est intéressant pour être appliqué aux transitoires et aux surtensions d’énergie électrique renouvelable, afin de mettre en œuvre un système de stockage d’énergie en boucle fermée « power to gas » dans H2. En outre, la présence simultanée dans la même usine de H2 et de CO suggère que la voie de réaction en « boucle ouverte » pourrait devenir pratique en fonction de la disponibilité et des prévisions de l’électricité renouvelable, des besoins du réseau et des carburants pour produire des carburants électriques (appelés e-carburants).

En effet, à l'échelle du laboratoire, ces premières études ont trouvé et rapporté des rendements énergétiques de dissociation élevés : 80 % pour le flux subsonique et 90 % pour le flux supersonique, pour une pression de gaz, une densité électronique et une énergie électronique optimisées dans des plasmas excités par micro-ondes2. À l'inverse, les plasmas à décharge à barrière diélectrique (DBD) pilotés à haute fréquence (HF, dans la gamme 100 kHz)3 sont plus intéressants que les plasmas à micro-ondes (MW)4 pour appliquer pratiquement le concept en raison de plusieurs avantages : faible coût, efficacité élevée du pilote électrique (c'est-à-dire mur plug-in au plasma), des pilotes de puissance moyenne élevée avec des composants à faible coût, l'évitement des réseaux d'adaptation MW et la mise à l'échelle industrielle (comme pour les ozoniseurs5). Contrairement aux décharges luminescentes à courant continu6, les plasmas DBD sont facilement stabilisés à haute pression (c'est-à-dire atmosphérique et supérieure7) car ils empêchent intrinsèquement les emballements thermiques sur les surfaces des électrodes en injectant une charge limitée par cycle. Sur la figure 1, nous montrons un schéma du plasma DBD, dans lequel le claquage du gaz est induit par une haute tension alternative appliquée à travers des enceintes murales diélectriques remplies de gaz, car les charges sont induites de manière capacitive sur la surface diélectrique des parois internes et se déplacent le long des surfaces internes ( décharge de surface) et à travers l'espace (décharge de gaz).