Was ist Hochtemperaturplasma?
Plasma ist ein energetisiertes Gas. In einem lichtbogenbeheizten Plasmasystem wird elektrische Energie über einen Lichtbogen in ein Prozessgas eingekoppelt. Dieser Energieeintrag bewirkt Dissoziation und Ionisierung, wodurch ein Plasma entsteht. Das erhitzte Gas verlässt den Brenner als konzentrierter Hochtemperaturstrahl, der Prozesswärme und – je nach Gas und Betriebsbedingungen – chemisch aktive Spezies liefert.
Der Kern des erzeugten Plasmastrahls erreicht im Zentrum Temperaturen bis zu 20.000 °C; die mittlere Temperatur des austretenden Gasstroms liegt bei 2.000–6.000 °C. Dieser Gasstrom wirkt als effektiver Wärmeträger, ohne dass Sauerstoff oder Verbrennung nötig sind. Zusätzlich können reaktive Radikale aus dem Arbeitsgas chemische Reaktionen ermöglichen – etwa die Bildung von HF aus FCKW bei Verwendung von Wasserdampf als Plasmagas.
Technische Eckdaten
Parameter
Wert
Elektrische Leistung
10 – 150 kW (höhere Leistungen in Entwicklung)
Arbeitsgase
Ar, N₂, Luft, Wasserdampf, CO₂, H₂, CH₄, NH₃
Prozessgase und ihre Anwendungen
Wasserdampf als Plasmagas
Wasserdampf ist im Vergleich zu typischen Plasmagasen ein sehr kostengünstiges Arbeitsgas. Seine chemischen Eigenschaften unterstützen verschiedene Prozesse: Wasserdampf-Plasmabrenner werden vor allem zur FCKW-Entsorgung, zur Plasmapyrolyse und zur Konditionierung von Synthesegas sowie als Prozesswärmequelle eingesetzt.
Hybrid-Plasmabrenner (Methan/Wasserstoff + Sauerstoff)
Durch Sauerstoff als Plasmagas und die Zugabe von Methan oder Wasserstoff entsteht eine Kombination aus elektrischer und chemischer Wärme, die als Hochtemperatur-Wärmequelle dient.
Bisher verfügbarer Leistungsbereich: bis zu 50 kW elektrische und bis zu 70 kW chemische Leistung.Ein Anwendungsfeld ist zum Beispiel das Beheizen von Glasschmelzen.
Methan als Plasmagas
Bei der Pyrolyse von Methan wird türkiser Wasserstoff und Black Carbon erzeugt. Grüner Wasserstoff (Elektrolyse) benötigt pro Kilogramm H₂ rund dreimal so viel Strom wie türkiser Wasserstoff aus der Plasma-Methanpyrolyse. Als Systemumfang umfasst ein 100-kW-Aufbau einen Plasmabrenner mit Methan als Plasmagas, die in einem Container modular installierte Peripherie, einen Hochtemperaturreaktor, eine Gaskühlung und einen Trockenfilter zur Kohlenstoffabscheidung. Kern ist ein 100-kW-Hohlkathodenbrenner mit 100 % Methan als Plasmagas. Der Kohlenstoff stellt einen zusätzlichen Wertstoff dar, der z.B. in der Batterieproduktion oder der Stahlherstellung eingesetzt werden kann.
Stickstoff als Plasmagas
In der Halbleiterindustrie ist die Burn-and-Wet-Technologie zur Abgasreinigung etabliert; sie beruht auf Erdgasbrennern zur Verbrennung FCKW-haltiger Gase aus der Chipproduktion. Zur Dekarbonisierung dieser Prozesse werden Stickstoff-Plasmabrenner in Zukunft die Erdgasbrenner ersetzen. In den letzten Jahren wurden erste Anlagen in der Produktion industriell qualifiziert; die elektrische Eingangsleistung des Brenners liegt bei 5–30 kW.
CO₂ als Plasmagas
CO₂ kann als Wärmeträger in Prozessen genutzt werden, in denen es im Kreis geführt wird, um Emissionen zu vermeiden (z. B. Zementindustrie). Erprobt u. a. mit einem 7-kW-CO₂-Plasmabrenner und einem 50-kW-CO₂-Plasmabrenner in einem Reaktor für die Zementproduktion.
Ammoniak als Plasmagas
Diese Plasmaquellen können eingesetzt werden, um Ammoniak in Stickstoff und Wasserstoff zu zerlegen.