Wie man CO2 mit kaltem Plasma recycelt

Plasmen und insbesondere kalte Plasmen könnten eine wichtige Rolle bei der Rückgewinnung und dem Recycling von CO spielen₂. Olivier Guaitella und seine Kollegen vom Plasma Physics Laboratory (LPP¹) arbeiten an der Aktivierung von CO₂ unter Verwendung dieser Plasmen und ihrer Umwandlung in Moleküle mit höherer Energiedichte. Es ist somit möglich, CO zu recyceln₂ bevor es in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Auch wenn wir es schaffen, CO zu reduzieren₂, die Priorität bleibt, werden die Industrien, von denen wir abhängig sind, wie Stahlwerke, Zementfabriken und Glasfabriken, dieses Treibhausgas weiterhin emittieren – zumindest für die absehbare Zukunft. Anstatt das CO zu begraben₂ in unterirdischen Sequestrationsfeldern, was ein technisch komplexer Prozess ist, der den Boden versauert und zukünftigen Generationen das CO-Problem hinterlässt₂ gespeichert, die Idee ist, zu versuchen, das CO einzufangen₂ emittieren und recyceln, indem sie es in Moleküle mit höherer Energiedichte wie Ethanol oder Methanol umwandeln. Damit ist es auch möglich, eine Lösung zur Speicherung erneuerbarer Energien in chemischer Form anzubieten, um die Energie transportieren und bei Bedarf nutzen zu können.

Für das Recycling besteht eine der Techniken darin, das CO zu hydrieren₂aber eine Schwierigkeit bleibt: CO₂ ist ein extrem stabiles Molekül, das chemisch weder mit Wasserstoff noch mit anderen Atomen oder Molekülen gut reagiert. Es gibt also eine gewisse Anzahl von Techniken, um entweder die CO-Emissionen zu reduzieren₂an der Quelle, um es entweder umzuwandeln oder abzufangen. Dazu gehören: die klassische thermische Katalyse, bei der CO₂ und Wasserstoff zusammen in Gegenwart eines Katalysators erhitzt werden; Elektrolyse; thermisches Cracken beispielsweise in Solaröfen; und die Verwendung von Pflanzen wie Raps und Rote Bete oder Algen, die sich von CO ernähren₂ CO-Emissionen umzuwandeln₂ im Biokraftstoff.

Eine neue Lösung: kalte Plasmen

Als Physiker arbeiten Olivier Guaitella und seine Kollegen an einem anderen Ansatz mit kalten Plasmen. Plasmen sind Gase, die durch ein elektrisches Feld ionisiert wurden, sodass sie positive Ionen und Elektronen enthalten. Kalte Plasmen werden nur teilweise ionisiert – typischerweise wird nur eines von 10.000 Teilchen im Gas ionisiert. Die Besonderheit dieses Plasmatyps (auch „nicht-thermisches“ Plasma genannt) besteht darin, dass die Elektronen, Ionen und neutralen Atome des Gases nicht die gleiche Temperatur haben. Kalte Plasmen sind daher das einzige Medium, in dem die Moleküle von CO₂ können vorzugsweise angeregt werden, um sie reaktiver zu machen, ohne Energie zu verschwenden, die das gesamte Gas erhitzt.

Mit kaltem Plasma können wir chemische Reaktionen erzeugen, die durch einfaches Erhitzen des Gases nicht erreicht werden können.

In einem kalten Plasma haben einige der erzeugten Elektronen viel Energie, aber das Gas bleibt auf relativ niedrigen Temperaturen. Diese Elektronen sind in der Lage, die Bindungen von CO-Molekülen aufzubrechen₂oder um diese Bindungen zu erregen. ” Kalte Plasmen sind das, was wir ein nicht-thermodynamisches Gleichgewichtsmedium nennen “, erklärt Olivier Guaitella. ” Dieses Medium ermöglicht es uns, chemische Reaktionen zu erzeugen, die wir durch einfaches Erhitzen des Gases nicht erreichen können, da es uns erlaubt, die thermodynamischen Grenzen zu überschreiten. »

” Was wir versuchen, ist, die wenigen Elektronen, die viel Energie haben, zu verwenden, um die Schwingungen des CO-Moleküls anzuregen₂. Wenn wir es schaffen, genügend Energie auf diese Schwingungen zu übertragen, entsteht das CO-Molekül₂ wird in Bezug auf andere Moleküle reaktiv, nachdem es ein Minimum an Energie verbraucht hat. »

Vermeiden Sie die „Rückreaktion“

Zur Erzeugung des Plasmas nutzen die Forscher elektrische Energie – idealerweise aus erneuerbaren Quellen – um Elektronen im Gas zu beschleunigen, die dann Energie auf die Schwingungen des CO-Moleküls übertragen.₂. ” Ist uns das gelungen, können wir versuchen, das CO-Molekül umzusetzen₂ mit grünem Wasserstoff (der aus Prozessen wie der Elektrolyse stammen kann) oder Methan (das beispielsweise aus der Vergärung von Bioabfällen stammen kann) zur Umwandlung von CO₂ in Methan, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe. »

Was die Effizienz der CO-Umwandlung wirklich begrenzt₂ vom Plasma induziert wird, ist nicht so sehr die Dissoziation der C-O-Bindungen, weil dieser Prozess gut funktioniert, sondern die sogenannten „Reverse-Reaction“-Prozesse, die unbedingt vermieden werden müssen, erklärt Olivier Guaitella. „Sobald wir das CO-Molekül dissoziiert haben₂ in Kohlenmonoxid (CO) und ein Sauerstoffatom (O), müssen wir verhindern, dass dieses Sauerstoffatom mit CO rekombiniert, um CO zu reformieren₂er erklärt. Wenn dies eintritt, die Effizienz des CO-Umwandlungsprozesses₂ wird erheblich reduziert. »

Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Reaktion zu vermeiden, indem kalte Plasmen an Katalysatoren, flüssige Lösungsmittel oder ionische Membranen (Materialien, die die kontinuierliche Extraktion der gebildeten Sauerstoffatome ermöglichen) gekoppelt werden. ” In unserem Team untersuchen wir diese drei Ansätze parallel. “, unterstreicht Olivier Guaitella.

Optimieren Sie die CO2-Rückgewinnung

Es gibt auch verschiedene Möglichkeiten, das Plasma vorzubereiten. Eine der am LPP – rein für Zwecke der Grundlagenforschung – eingesetzten Plasmaquellen sind „Glimmentladungen“ (ähnlich wie sie in Leuchtstoffröhren zur Beleuchtung verwendet werden). Sie haben den Vorteil, dass sie leicht mit numerischen Modellen verglichen werden können, um das Verhalten von CO-Plasmen besser zu verstehen₂, ein sehr komplexes Medium für sich. Glimmentladungen sind jedoch bei der Umwandlung von CO ineffizient₂. ” Eine Idee zur Verbesserung der Effizienz besteht darin, gepulste Hochfrequenzentladungen zu verwenden, die elektrische Felder erzeugen, die typischerweise im Bereich von 13–56 MHz oszillieren. », erklärt Olivier Guaitella. ” Diese Plasmen ermöglichen es uns, hohe Elektronendichten zu erreichen, während wir ein durchschnittliches elektrisches Feld haben, das niedrig genug ist, um die Anregung von CO-Schwingungen zu optimieren.₂.

Wir haben einen Demonstrator gebaut, der zeigt, dass wir mit solchen Hochfrequenzentladungen die Methanisierung von CO2 durchführen können.

” Zu diesem Thema haben wir derzeit ein Projekt am Laufen, das zuerst von IP Paris und jetzt von SATT Paris Saclay finanziert wurde. Genau genommen befindet es sich noch nicht im Prototypenstadium, in dem Sinne, dass wir es noch nicht auf einem Industriegelände einsetzen können. Wir haben jedoch einen Demonstrator gebaut, der bereits größer ist als unsere Laborreaktoren. Dieser Demonstrator wurde insbesondere von der Doktorandin entwickelt Edmond Baratte, zeigt, dass wir in der Lage sind, die Methanisierung von CO durchzuführen₂ mit solchen Hochfrequenzentladungen.

” CO-Recycling₂ stellt sowohl gesellschaftliche als auch technologische Herausforderungen dar. Obwohl es mehrere CO-Rückgewinnungstechnologien gibt₂, keiner von ihnen ist derzeit wirtschaftlich und energetisch tragfähig. Sie könnten es aber werden, wenn CO-Emissionen entstehen₂ in der Atmosphäre stärker belastet. Dies würde große Verursacher dazu bewegen, mehr in CO-Recyclinganlagen zu investieren₂. Dies sind politische und wirtschaftliche Entscheidungen. »

Isabelle Dume

Verweise

• PIONEER-Projekt
• PLASMAScience Graduate School
• E4C (Energy4Climate)
• C. Fromentin et al 2023. Untersuchung der Schwingungskinetik von CO 2 und CO in CO 2 -O 2 -Plasmen unter Nichtgleichgewichtsbedingungen. Plasmaquellen Sci. Technologie. 32 024001
• C. Fromentin, T. Silva, TC Dias, E. Baratte, O. Guaitella, V. Guerra. Validierung der Nichtgleichgewichtskinetik in CO2-N2-Plasmen. arXiv:2301.08938v1
• Silva, T., Morillo-Candas, AS, Guaitella, O., & Guerra, V. (2021). Modellierung der zeitlichen Entwicklung des Dissoziationsanteils in Niederdruck-CO2-Plasmen. Zeitschrift für CO2-Nutzung, 53101719
• Bogaerts, A., Neyts, EC, Guaitella, O., & Murphy, AB (2022). Grundlagen der Plasmakatalyse für Umweltanwendungen. Plasmaquellen Wissenschaft und Technologie, 31(5), 053002