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Die Erfindung betrifft eine Plasmaerzeugungsvorrichtung, die eine Hochspannungsquelle umfasst, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die Plasmagasifizierung von Biomasse oder anderen organischen Stoffen, wie beispielsweise Kohle, stellt eine Möglichkeit dar, Brenngase in günstiger Weise darzustellen. Dies liegt daran, dass Wasserdampf als Vergasungsmittel verwendet werden kann. Thermisches Plasma bietet hierbei die Möglichkeit der Wärmezufuhr, dies unabhängig vom Verbrennungsprozess und des zugeführten Oxidationsmittels. Deshalb hat das entstehende Produkt einen hohen Wasserstoffgehalt und kann vielfältig genutzt werden. Nachteilig ist allerdings, dass aufgrund der hohen Temperatur die typischerweise zwischen 5000°C und 15000°C liegen, das Plasma die dabei entstehende Asche aufschmilzt und dabei Schlacken entstehen, deren Entfernung aus dem Reaktor besondere Vorkehrungen erfordert, die vor allem bei Kleinanlagen zu unverhältnismäßig hohen Aufwand führen. Ferner kann durch den Plasmaprozess erneuerbarer Strom als Energiequelle für den Vergasungsprozess genutzt werden. Konventionell wird diese Energie aus dem Heizwert der zu vergasenden Substanz oder anderen zugeführten Brennstoffen genommen. Deshalb kann der Plasmavergasungsprozess auch als Senke für erneuerbaren Energiequellen dienen, zu Zeiten zu denen ein Energieüberangebot im Stromnetz vorliegt.
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Wie bereits erwähnt weist das konventionelle Plasma eine sehr hohe Temperatur auf, weshalb dieses Plasma als thermisches Plasma bezeichnet wird. Im Unterschied dazu existieren auch Methoden mit sogenanntem nicht-thermischem Plasma, das bei Temperaturen zwischen 1000 und 2000°C liegt. Beispielsweise wird von Koulik 2010, Koulik Pavel et Saychenko Anatoly: Procede et Dispositif Pour La Generation D’un Jet De Plasma Non-Isothermique, FR 2959906, 11.11.2011 die Erzeugung von großvolumigen Mitteltemperaturplasmen beschrieben, die demgegenüber die Vergasung von Biomasse bei so niedrigen Temperaturen erlaubt, dass die Asche nicht aufschmilzt und damit auch keine Schlacken bildet. Im Unterschied zum thermischen Plasma handelt es sich hier um ein sogenanntes nicht-thermisches Plasma. Der Unterschied zum thermischen Plasma liegt in der Temperatur des ionisierten Gases und in der Energie der Elektronen, die während der Ionisation erzeugt werden. Das Produkt der Gasifizierungsverfahren ist in beiden Plasmen vergleichbar. Der Energieverbrauch ist jedoch beim thermischen Plasma deutlich höher als bei dem nicht-thermischen Gasifizieren, bei der die Energiebariere durch die Produktion von Radikalen im Plasma überwunden wird. Die Erzeugung von nicht-thermischem Plasma wird in verschiedenen Systemen durchgeführt, eine Zusammenfassung wird hierbei von Petitpas „A comparative study of non-thermal plasma assisted reforming technologies"; G. Petitpas, J.D. Rollier, A. Darmon, J. Gonzalez-Aguilar, R. Metkemeijer, L. Fulcheri; International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) gegeben.
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Für die Herstellung der nicht-thermischen Plasmen kann beispielsweise ein Pulsgenerator als Plasmaerzeugungsvorrichtung dienen. In einem konventionellen Pulsgenerator wird eine Kapazität über ein Halbleiterschalter an einen Reaktor angeschlossen. Dabei muss die Durchbruchspannung des Halbleiterschalters höher sein als die Ladespannung der Kapazität. Im Falle der Zündung des Plasmas darf der Strom den maximal zulässigen Strom des Schalters nicht überschreiten. Bei hohen und mittleren Leistungen und insbesondere bei hohen Anforderungen an Spannungs- oder Stromamplituden, steigen die Kosten für Halbleiterschalter und deren Ansteuerung überproportional an. Dem kann im Prinzip durch Parallelschaltung von Schaltungselementen und Reihenschaltungen begegnet werden. Dadurch steigen jedoch nicht nur die Kosten sondern auch die Störungsanfälligkeit der Schaltung, wogegen die Lebensdauer der eingesetzten Bauelemente sinkt. Dem wird derzeit durch den Einsatz einer gezielten Redundanz von einzelnen Schaltungsbauteilen begegnet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Pulsgenerator bereitzustellen, der gegenüber dem Stand der Technik eine technisch weniger aufwendige und somit weniger kostenintensive Schaltung aufweist und dabei eine höhere Lebensdauer sowie eine geringere Störanfälligkeit besitzt.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Plasmaerzeugungsvorrichtung nach dem Patentanspruch 1.
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Die Plasmaerzeugungsvorrichtung nach Patentanspruch 1 umfasst eine Hochspannungsquelle, einen Stützkondensator, zwei Elektroden, wobei hiervon eine Elektrode eine Hochspannungselektrode ist und die andere eine Masseelektrode ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Impulsspannungsquelle vorgesehen ist, die mit einer Steuerelektrode in Verbindung steht, wobei die Steuerelektrode in derart an einer elektrisch aktiven Fläche einer der Elektroden angeordnet ist, dass sie durch ein Dielektrikum von dieser getrennt ist.
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Die Erfindung bewirkt also, dass die Zündung einer gepulsten Gasentladung durch die Steuerelektrode erfolgt, die sich auf einem Dielektrikum beispielsweise auf einem Substrat befindet. Die Steuerelektrode ist dabei mit einer Ansteuerungselektronik verbunden, die durch Zündung einer Hilfs-Glimmentladung das Plasma zwischen der Hochspannungs- und Massenelektrode bereitstellt. Die so erzeugten Ladungsträger dienen als Startelektronen für die Generierung einer Gasentladung zwischen der Hochspannungs- und Masseelektrode im Gasraum. Durch dieses beschriebene Triggersystem unter Verwendung der Impulsspannungsquelle und der Steuerelektrode zur Erzeugung der Hilfs-Glimmspannung kann der Aufwand der Hochspannungsquelle wesentlich reduziert werden. Der Hochspannungsschalter, der meistens in Form eines Halbleiterschalters realisiert ist, kann bei Gebrauch einer DC Hochspannungsquelle entfallen. Das beschriebene Triggersystem kann mit konventioneller Elektronik, insbesondere mit preisgünstig verfügbaren Leistungshalbleitern realisiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist das Dielektrikum in Form einer dielektrischen Schicht zwischen der Elektrode und der Steuerelektrode angeordnet.
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Ferner ist es zweckmäßig, dass die Elektroden flächig ausgestaltet sind und die elektrisch aktiven Flächen der Elektroden in einem spitzen Winkel zueinander verlaufen. Dies bewirkt eine lineare Zunahme des Elektrodenabstands, was wiederum dazu führt, dass die zugeführte Energie des Massestroms mit der Temperatur proportional steigt.
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Ferner ist es dabei zweckmäßig, dass die elektrisch aktiven Flächen der beiden Elektroden einen Strömungskanal bilden. Dieser Strömungskanal dient dazu, die zu bearbeitende Biomasse in dem entstandenen Plasma zu befördern und somit die Reaktion kontinuierlich darzustellen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrischen aktiven Flächen der Elektronen jeweils in Form eines gleichschenkligen Trapezes ausgestaltet.
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Dabei ist wiederum in zweckmäßigerweise eine oder mehrere dielektrische Schichten an der elektrisch aktiven Fläche einer Elektrode so angeordnet, dass diese teilweise durch die elektrische Schicht bedeckt ist und dass die Steuerelektrode ebenfalls schichtförmig teilweise die dielektrische Schicht bedeckt. Ferner ist es dabei zweckmäßig, dass die dielektrische Schicht und die damit korrespondierende Steuerelektrode auf der elektrisch aktiven Fläche der Elektrode zumindest teilweise entlang des Strömungskanals verlaufen.
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Eine trapezförmige Struktur der dielektrischen Schicht und der Steuerelektrode haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um reine exemplarische Ausgestaltungsformen die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.
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Dabei zeigen:
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1 ein Ersatzschaltbild für einen Impulsgenerator mit einer Impulsspannungsquelle und einer Steuerelektrode;
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2 eine Querschnittsdarstellung durch die Elektrodenanordnung eines Pulsgenerators mit einer Öffnung eines Strömungskanals im spitzen Winkel;
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3 eine Sicht auf eine Elektrode des Pulsgenerators mit einer dielektrischen Schicht, die von der Steuerelektrode bedeckt ist;
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4 eine analoge Darstellung gemäß 3, bei der die elektrische Schicht und die Steuerelektrode quer zum Strömungskanal verläuft.
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In der folgenden Beschreibung wird zunächst anhand von 1 ein Pulserzeugungsvorrichtung 2, also ein Pulsgenerator beschrieben, der eine Hochspannungsquelle 4 aufweist, wobei ein Stützkondensator 6 zwischen einer Hochspannungselektrode 10 und einer Masseelektrode 12 vorgesehen ist. Ferner ist eine Impulsspannungsquelle 14 vorgesehen, die elektrisch mit einer Steuerelektrode 16 verbunden ist. Die Steuerelektrode 16 wiederum ist von einer elektrisch aktiven Fläche 18, in diesem Fall der Masseelektrode 12 durch ein Dielektrikum 20, das insbesondere in Form einer dielektrischen Schicht 21 (vgl. 2, 3 und 4) ausgestaltet ist, getrennt. Ferner ist die Masseelektrode 12 mit einer Erdung 38 verbunden. Dabei ist es grundsätzlich möglich, die Steuerelektrode mit der dazugehörigen dielektrischen Schicht 21 auch an der Hochspannungselektrode 10 anzuordnen.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Pulsgeneratoren bzw. Plasmaerzeugungsvorrichtungen in Form von Pulsgeneratoren wird bei der beschriebenen Ausgestaltung gemäß 1 keine aufwendigen Halbleiterschalter bzw. störanfällige Parallelschaltungen von entsprechenden Schaltelementen benötigt. Es können dabei technisch weniger aufwendige, kostengünstige Schalter 15 eingesetzt werden. Alternativ ist es auch möglich, auf den Schalter 15 zu verzichten und stattdessen die an der Impulsspannungsquelle 14 anliegende Spannung auf ein Null-Potential herunter zu regeln. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zündung der gepulsten Gesamtladung durch die Steuerelektrode 16 erfolgt, die sich auf der dielektrischen Schicht 20, die in Form eines Substrats aufgebracht ist, befindet. Die Steuerelektrode 16 ist mit der Ansteuerelektronik 14 verbunden, die durch Zünden einer Hilfs-Glimmentladung das Plasma zwischen der Hochspannungselektrode 10 und der Masseelektrode 12 bereitstellt. Die Hochspannung wird so eingestellt, dass sie unterhalb der Initialisierungsspannung für Gasentladungen zwischen Hochspannungselektrode 10 und Masseelektrode 12 liegt. An besonders scharfkantigen Rändern der Steuerelektrode 16 bildet sich unter der Wirkung der tangentialen Feldkomponente eine dielektrisch behinderte Oberflächengleitentladung aus. Der damit verbundene Strom fließt aufgrund der kapazitiven Kopplung über die dielektrische Barriere also der dielektrischen Schicht 21 in Form eines dielektrischen Verschiebestroms von der Steuerelektrode über das Dielektrikum 21 zur Masseelektrode 12. Der hierdurch generierte Strom aus der Glimmentladung fließt über die dielektrische Schicht 21 zur Masseelektrode 12 im Bereich einer Luftisolierung zwischen der Masseelektrode 12 und der Hochspannungselektrode 10. Dort dienen die Ladungsträger als Startelektronen für die Generierung einer Gesamtentladung zwischen der Hochspannungselektrode 10 und der Masseelektrode 12 in einen Gasraum 23. Dabei handelt es sich um eine selbständige Entladung, d.h. das so viele zusätzlichen Ladungsträger durch Stoßprozesse generiert werden, dass die Gesamtladung auch ohne weitere Startelektronen aus der Oberflächengleitentladung so lange existiert, wie am Entladungsspalt eine kritische Haltespannung nicht unterschritten wird.
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Je nach Auslegung der Impulsspannungsquelle 14 kann eine Pulsdauer in einem Bereich liegen, der zwischen Mikrosekunde und Millisekunde liegt. Hierbei sind Pulsrepetitionsraten im Megaherzbereich zu realisieren, wobei die Pulsquelle mittels einer Induktivität 17 von einer Primärversorgung, also der Hochspannungsquelle 4 entkoppelt ist. Ein besonderer Vorteil dieser Ansteuerung liegt insbesondere in dem geringen Kühlaufwand, der im Vergleich zur konventionellen Pulsquellen. Bei diesen muss aufgrund der anliegenden Hochspannung am besagten Hochspannungsschalter je nach Pulslänge und Pulsrepetitionsraten mit massivem Aufwand gekühlt werden.
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Für einen hier nicht näher beschriebenen Reformierungsvorgang, also die Umwandlung von Biomasse mit Wasser zu einem Brenngas bzw. Synthesegas, ist es notwendig, das einströmende Gas bis zum Ort der Reformation auf eine Temperatur von ungefähr 1000°C zu erhitzen. Anders als bei konventionellen thermischen Gasifizierungsanlagen geschieht das bei der beschriebenen Anordnung weder durch eine exotherme Verbrennungsreaktion der Biomasse noch durch äußere Beheizung, sondern durch das beschriebene nicht-thermische Plasma selbst. Der Anteil der Plasmaleistung, der direkt zur Gasaufheizung führt, kann durch die Pulsdauer und/oder durch die Pulswiederholrate eingestellt werden. Dabei gilt, dass ein längerer Puls zu höheren Ionisationsgraden im Plasma und damit zu höherem elektrischem Leitfähigkeit führt. Dies wiederum führt zu einem sinkenden Spannungsabfall am Plasma und damit auch zu einem sinkenden elektrischen Feld. Damit steigt der Anteil der Plasmaleistung, der direkt zur Gasaufheizung führt. Bei einer Erhöhung der Pulswiederholrate sinkt der Ionisationsgrad und der Anteil der Plasmaleistung, der zur Gasaufheizung führt steigt ebenfalls an.
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Da das Verhältnis zwischen dem elektrischen Feld E und dem Volumen bzw. der Gasdichte n im Reaktor bei jeder Temperatur konstant sein sollte, ist es zweckmäßig die Elektrodenform je nach Temperaturgradient entsprechend anzupassen. Dabei sollen insbesondere die Formen der Elektrode an sich und der Abstand der Elektroden zueinander berücksichtigt werden.
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Beispiele für eine zweckmäßige Elektrodengeometrie bzw. Elektrodenanordnung zueinander ist in den 2, 3 und 4 gegeben. In 2 ist dabei ein Querschnitt durch zwei Elektroden 10 und 12 dargestellt, die in einem spitzen Winkel 22 zueinander verlaufen und dabei einen Strömungskanal 24 bilden. Durch das Ansteigen des Abstandes zwischen den Elektroden 10, 12, das wiederum durch den spitzen Winkel 24 zueinander hervorgehoben wird, steigt auch das Volumen zwischen den Elektroden bezogen auf eine Teilstrecke des Strömungskanals 24. Ein größeres Volumen geht auch mit einer höheren Gasmenge einher, wobei anzustreben ist, dass der Quotient aus dem elektrischen Feld E und der Gasdichte n mit dem Temperaturgradienten konstant verläuft. Dies bewirkt gemäß in 2 beschriebener Anordnung eine Steigerung der Temperatur entlang des Strömungskanals 24 bzw. des darin erfolgenden Massestroms. Der hierbei gezeigte Temperaturanstieg beträgt bei den entsprechenden geometrischen Werten etwa einen Faktor 4.
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Die Temperatur steigt zudem proportional zur zugeführten Energie des Massestromes. Zur Stabilisierung des Lichtbogens, also des Plasmas 19 ist die Elektrodenstruktur mit einem konstanten Wellenwiderstand gewählt, womit die Impedanz über die gesamte Elektrodenanordnung ebenso konstant ist.
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3 zeigt eine Draufsicht auf eine der Hochspannungselektroden 10 oder 12 mit der Steuerelektrode 16, die sich auf der elektrischen Schicht 21, beispielsweise Aluminiumoxid befindet. Die Steuerelektrode 16 ist durch die dielektrische Schicht 21 bezüglich der Hochspannungselektrode besonders stark kapazitiv gekoppelt. Über die Steuerspannung werden an den Rändern der Steuerelektrode 16 Oberflächenladungen generiert, die kapazitiv zur Hochspannungselektrode 10 fließen. Die generierten Oberflächengleitentladungen der Steuerelektrode 16 wandern auf der Hochspannungselektrode 10 in den Bereich außerhalb der dielektrischen Schicht 31, was durch die Pfeile 40 in 3 angedeutet ist. Daher ist es zweckmäßig, das die Steuerelektrode 16 von ihrer Flächenausdehnung her kleiner ausgestaltet ist, als die dielektrische Schicht 21. Durch die angedeutete trapezförmige Ausgestaltung sowohl der dielektrischen Schicht 21 als auch der Steuerelektrode 16 und der elektrisch aktiven Schicht 18 bzw. 18‘ der Elektroden 10 und 12 kann sich im Folgenden ein nicht-thermisches Plasma über die vier Sektoren 42, die nicht von der dielektrischen Schicht 21 bedeckt sind, ausbilden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung gemäß erfolgt in der Initiierung der Hauptgasentladung durch kleinvolumige, lokale Hilfsgasentladungen, Glimmentladungen, die direkt am Injektionsort, also im Bereich eines Strömungskanaleingangs 28 des zwischen dem Elektrodenpaar 10, 12 stattfinden. Ausgehend davon breitet sich die Hauptgasentladung durch den Massestrom entlang des Strömungskanals 24 des Gases im gesamten Elektrodenraum aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Koulik 2010, Koulik Pavel et Saychenko Anatoly: Procede et Dispositif Pour La Generation D’un Jet De Plasma Non-Isothermique, FR 2959906, 11.11.2011 [0003]
- „A comparative study of non-thermal plasma assisted reforming technologies“; G. Petitpas, J.D. Rollier, A. Darmon, J. Gonzalez-Aguilar, R. Metkemeijer, L. Fulcheri; International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) [0003]
