Gas Konversion in strukturierten dielektrisch behinderten Plasmen für den Umweltschutz

• Antragsteller: Professor Dr. Julian Schulze
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 432514770

Umweltschutz ist angesichts des Klimawandels und der menschlichen Gesundheit eine Schlüsselaufgabe unserer Zeit. Momentan werden große Mengen schädlicher Gase von Fabriken, Haushalten und Fahrzeugen emittiert. Abhängig von den emittierten Spezies tragen diese Emissionen zur globalen Erwärmung bei oder schaden der menschlichen Gesundheit direkt. Daher müssen Abgase gereinigt werden, indem schadhafte Bestandteile in weniger toxische oder idealerweise wertvollere Komponenten umgewandelt werden. Dies muss auf energieeffiziente Weise unter Verwendung überschüssiger erneuerbarer Energie geschehen. Dies erfordert kurze An- und Abschaltvorgänge. Existierende Methoden, z. B. Adsorption, thermische oder katalytische Oxidation, sind meist nicht energieeffizient, können nicht kurzfristig an- und ausgeschaltet werden und die Erzeugung spezifischer Reaktionsprodukte kann nicht kontrolliert werden. Niedertemperatur-Atmosphärendruckplasmen stellen eine attraktive Alternative dar. Da sie elektrisch betrieben werden, sind kurze An- und Abschaltprozesse möglich. In solchen Plasmen werden Elektronen geheizt und initiieren die Gaskonversion, während die Schwerteilchen kalt bleiben. Indem die Energieverteilungsfunktion der Elektronen kontrolliert wird, können die Energieeffizienz der Konversion verbessert und die Erzeugung spezifischer Produkte sichergestellt werden. In diesem Projekt soll eine neuartige Plasmaquelle, die Patterned Dielectric Barrier Discharge (pDBD), für die Gaskonversion erprobt werden. Im Gegensatz zu anderen Plasmaquellen basiert die pDBD auf einem strukturierten Elektrodendesign, bei dem maßgeschneiderte Pellets in die Elektrode eingelassen sind anstelle von sphärischen Pellets, die sich unkontrolliert im Reaktorvolumen bewegen. Auf diese Weise wird das Plasma stabilisiert, der Gasfluss nicht mehr blockiert und Plasmadiagnostikzugang ermöglicht. Im Gegensatz zu klassischen Oberflächen- und Volumen-DBDs sind in der pDBD sowohl Oberflächen- als auch Volumenstreamer präsent. So wird das aktive Plasmavolumen vergrößert und der Gastransport in die aktiven Plasmazonen durch komplexere plasmainduzierte Vortexströmungen optimiert. Die Verwendung der pDBD für die Konversion ausgewählter Volatile Organic Compounds (VOCs) und CxFy-Gase, die versch. Trägergasen hinzugefügt werden, soll systematisch untersucht werden. Mittels versch. Diagnostikmethoden sollen die Konversion, Energieeffizienz und Selektivität der Erzeugung von Reaktionsprodukten als Funktion des Reaktordesigns und externer Kontrollparameter untersucht werden. Die Ergebnisse sollen mit den entsprechenden Leistungsdaten klassischer DBDs und mit der orts- und zeitaufgelösten Streamerdynamik in der pDBD, die parallel vermessen wird, verglichen werden, um ein grundlegendes Verständnis der Gaskonversion auf Basis der Plasmaphysik zu erlangen. Letztlich soll ein kompaktes Array mehrerer pDBDs konstruiert und getestet werden, um größere industriell relevante Gasströme reinigen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: High Voltage Generator
• Gerätegruppe: 6060 Hochspannungsspeisegeräte (über 1 kV, außer 268)