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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Die vorliegende Erfindung leistet einen Beitrag zur Realisierung eines CO2-emissionsarmen Energieversorgungssystems, das Versorgungssicherheit auf Basis erneuerbarer Energien gewährleisten kann.
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Um Versorgungssicherheit gewährleisten zu können, benötigen Energieversorgungssysteme mit einem hohen Anteil fluktuierender erneuerbarer Energie aus Windkraft- und Solaranlagen entweder große Reservekapazitäten in Form konventioneller, mit fossilen Brennstoffen betriebener Kraftwerke, oder besser mit biogenen Brennstoffen und damit CO2-emissionsarm betriebenen Kraftwerken, oder Wasserkraftanlagen.
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Mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke haben den Nachteil hoher CO2-Emissionen und entfallen damit als nachhaltige Lösung. Wasserkraftanlagen können in einigen Regionen der Welt durchaus einen wesentlichen Beitrag zu einem nachhaltigen Energiesystem leisten, sind aber in anderen Regionen beispielsweise aufgrund klimatischer oder geologischer Gegebenheiten nicht realisierbar. Mit biogenen Brennstoffen betriebenen Kraftwerke sind hier eine Option, deren Akzeptanz davon abhängt, ob genügend biogene Reststoffe zum Betrieb der Biomassekraftwerke verfügbar sind. Wenn das nicht der Fall ist, kann es zu Interessenkonflikten zwischen Energieversorgung und Versorgung mit Nahrungsmitteln kommen. Biogene Reststoffe hingegen haben häufig einen niedrigen volumetrischen Brennwert, der unter Nachhaltigkeitsaspekten einen Transport über Entfernungen von mehr als 25 km kaum zulässt und sich ungünstig auf den Wirkungsgrad von Kraftwerken auswirkt. Zudem erlauben biogene Reststoffe ohne Aufbereitung häufig gar keine saubere Verbrennung. Mit Biomasse betriebene Dampferzeuger haben häufig wegen Korrosionsproblemen eine geringe Standzeit. Deshalb ist die Erzeugung sauberer Brenngase mit hohem Brennwert durch thermische Vergasung von Biomasse mit verschiedenen Konzepten und Reaktoren betrachtet worden. Wirtschaftlicher Betrieb konnte bisher aber lediglich in Ausnahmesituationen nachgewiesen werden. Insbesondere die Erzielung eines hohen spezifischen Brennwertes stellt eine Herausforderung dar. Die wirtschaftlich günstigste Lösung ist eine Gasifizierung von Biomasse mit Luft. Das dabei gebildete Produktgas besteht aber zu rund 50% aus Luftstickstoff, der durch Verdünnung der brennbaren Gasanteile den spezifischen Brennwert reduziert. Die Nutzung von Sauerstoff als Vergasungsmittel, der beispielsweise mittels einer Luftzerlegungsanlage aus der Umgebungsluft gewonnen werden kann, würde dieses Problem zwar lösen, ist aber aufgrund der damit verbundenen Kosten wirtschaftlich nicht darstellbar.
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Die Plasmagasifizierung von Biomasse stellt eine mögliche Lösung dieses Problems dar, weil Wasserdampf als Vergasungsmittel verwendet werden kann. Das thermische Plasma bietet hier die Möglichkeit der Wärmezufuhr unabhängig von Verbrennungsprozessen, beispielsweise mit Luft. Deshalb hat das entstehende Produktgas einen hohen Wasserstoffgehalt und kann vielfältig genutzt werden. Nachteilig ist allerdings, dass aufgrund der hohen Temperatur des Plasmas, die typischerweise zwischen 5000°C und 15000°C ist, die dabei entscheidende, im Prinzip landwirtschaftlich nutzbare Asche aufschmilzt und Schlacken entstehen, deren Entfernung aus dem Reaktor besondere Vorkehrungen erfordern, die vor allem bei kleinen Anlagen zu unverhältnismäßig hohem Aufwand führen.
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Außerdem 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 den erneuerbaren Strom dienen, insbesondere zu Zeiten, wenn der Strom aufgrund von hoher Einspeisung erneuerbarer Stromerzeugung billig zur Verfügung steht.
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Herkömmlicherweise ist die Erzeugung großvolumiger Mitteltemperaturplasmen bekannt, die demgegenüber die Vergasung von Biomasse bei so niedrigen Temperaturen ermöglicht, dass die Asche nicht aufschmilzt und damit auch keine Schlacken gebildet werden. Im Unterschied zu dem eben erwähnten thermischen Plasma handelt es sich hier um ein nicht-thermisches Plasma, das ebenso Nicht-Gleichgewichtsplasma bezeichnet werden kann.
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Der Unterschied zum thermischen Plasma liegt in der Temperatur des ionisierten Gases und der Energie der Elektronen, die während der Ionisation erzeugt werden. Das Produkt der Gasifizierungsverfahren ist in beiden Plasmen vergleichbar, aber der Energieverbrauch ist bei dem thermischen Plasma deutlich höher als bei der nicht-thermischen Gasifizierung, bei der die Energiebarriere durch die Produktion von Radikalen im Plasma überwunden wird. Die Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas wird in verschiedenen Systemen durchgeführt, die sich in der Gestaltung des Reaktores, des angewandten Drucks, der üblicherweise atmosphärisch ist, und der Spannungsquelle unterscheiden.
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Letztlich bestimmt das Design des Reaktors und der Spannungsquelle die Effizienz des Gasifizierungsverfahrens. Es ist bekannt, dass vor allem die Strömungsführungen im Bereich des Plasmas charakterisiert durch Reynoldszahlen von 2000<Re<15000 ausschlaggebend für den Betrieb eines großvolumigen, mit 50Hz Wechselspannung betriebenen Mitteltemperaturplasmas ist. Tatsächlich ist das aber lediglich eine von mehreren notwendigen Bedingungen. Der Betrieb ausgedehnter thermischer Plasmen hoher Temperatur unter vorstehend genannten Strömungsbedingungen ist bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Massevergasung, insbesondere Biomassevergasung, mit einem großen Wirkungsgrad und Nutzungsgrad bereit zu stellen. Es soll dafür ein nicht-thermisches Plasma stabil und großvolumig erzeugbar sein. Es soll dafür eine wirksame und vollständige Vergasung von Feststoffen und Reformierung von organischen Gasen oder Dämpfen ausführbar sein.
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Energieversorgung und Elektrodenanordnungen vorgeschlagen, mit denen ein nicht-thermisches Plasma stabil großvolumig erzeugt werden kann, wobei die für die effiziente und vor allem vollständige Vergasung von Feststoffen und Reformierung organischer Gase beziehungsweise Dämpfe erforderliche Erhöhung der Gastemperatur durch Parameter der elektrischen Energieversorgung eingestellt werden kann.
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Reformierung meint hier insbesondere Luft- und/oder Dampfreformierung als Umwandlung eines Kohlenwasserstoffgases unter Zugabe von Luft und/oder Wasserdampf zu einem brennbaren Gasgemisch.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein Verfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus einer Masse, insbesondere einer Biomasse, mittels eines in einem Reaktor geschaffenen nicht-thermischen Plasmas vorgeschlagen, wobei eine mittels einer Steuerungseinrichtung gesteuerte elektrische Leistungsversorgungseinrichtung zeitliche Impulsmusterverläufe an Elektroden eines in dem Reaktor ausgebildeten Elektrodensystems anlegt, wobei die Leistungsversorgungseinrichtung ein einen induktiven Spannungsaddierer aufweisender Spannungsimpulsgenerator ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus einer Masse, insbesondere einer Biomasse, mittels eines in einem Reaktor geschaffenen nicht-thermischen Plasmas vorgeschlagen, wobei eine mittels einer Steuerungseinrichtung gesteuerte elektrische Leistungsversorgungseinrichtung zeitliche Impulsmusterverläufe an Elektroden eines in dem Reaktor ausgebildeten Elektrodensystems anlegt, wobei die Leistungsversorgungseinrichtung ein einen Induktiven Spannungsaddierer aufweisender Spannungsimpulsgenerator ist.
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Die Erfindung beruht auf einer Spannungsquelle mit einer neuartigen Topologie, in die das Elektrodensystem des Reaktors integriert ist. Mit Hilfe dieser Anordnung können kurze Pulse mit Dauern im µ-Sekundenbereich mit hohen Wiederholraten generiert werden, mit denen großvolumige, nicht-thermische Plasmen mit hoher Leistungsdichte, das heißt elektrische Leistung pro Reaktorvolumen, effizient erzeugt werden können. Die hohe Leistungsdichte erlaubt den Aufbau kompakter Vergasungsreaktoren, in denen bei angepasstem Durchsatz an Biomasse oder geeigneten Abfallstoffen oder Kohle oder Gemischen daraus, sowie Wasserdampf die spezifische Energie, das ist die elektrische Leistung pro Massenstrom an Biomasse und Wasserdampf, so eingestellt werden kann, dass ein vollständiger Umsatz der Biomasse erreicht werden kann.
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Ein dem Reaktor zugeführter, aus dem zu vergasenden Brennstoff, beispielsweise Biomasse, organische Abfälle, Kohle und dergleichen, und Wasserdampf gebildete Massenstrom wird im Folgenden Eduktmassenstrom genannt, wobei der durch das Plasma umgesetzte und aus dem Reaktor ausgetragene Massenstrom Produktmassenstrom genannt wird.
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Da die Plasmaenergie dem Eduktmassenstrom gepulst zugeführt wird, wird ein wesentlicher Bruchteil davon für Ionisation und Dissoziation von Molekülen, beispielsweise des Wasserdampfes, aufgewendet, wobei dies im Folgenden als Radikalbildung bezeichnet wird. Lediglich ein kleinerer Bruchteil führt direkt zu einer Aufheizung des Eduktmassenstroms. Die Radikale leiten effizient Vergasungsreaktionen an der Oberfläche von Biomasse oder organischem Abfall- oder Kohlepartikeln und Reformierungsreaktionen an organischen Gasen oder Dämpfen ein, die sonst lediglich bei hoher Temperatur schnell ablaufen würden. Die durch das Plasma moderat erhöhte Gastemperatur bewirkt, dass die im Plasma gebildeten Radikale bevorzugt organische Gasmoleküle und Feststoffe angreifen und nicht durch Rekombination verloren gehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindungen mit den Unteransprüchen beansprucht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der induktive Spannungsaddierer für eine Sekundärseite Pulsleitungen bis zum Kilowatt/Bereich, in Pulslängen bis ca. 50 µs und Pulswiederholungsraten bis ca. 500 kHz bereitstellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann parallel zur Primärwicklung der Primärseite des Transformators auf der Sekundärseite eine Vielzahl von Sekundärwicklungen angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an jeder Sekundärwicklung ein elektrischer Isolator elektrisch angeschlossen sein, der von Elektrodenpaaren des Elektrodensystems reflektierte Wellen dämpft oder absorbiert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann an jedem elektrischen Isolator jeweils ein Verzögerungselement zur Gestaltung der Impulsmusterverläufe elektrisch angeschlossen sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können in jedem Strang die Wellenwiderstände der Sekundärwicklung, des elektrischen Isolators, des Verzögerungselementes und der angesteuerten Elektroden des Elektrodensystems gleich sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Elektrodensystem eine Mehrzahl sich entlang einer axialen Mittenelektrode um diese herum räumlich erstreckenden Umlaufelektroden aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an jede Umlaufelektrode mit Bezug auf die Mittenelektrode ein Spannungsimpulsmusterverlauf anlegbar sein, wobei jeder Spannungsimpuls ein Plasmafilament zwischen einer jeweiligen Umlaufelektrode und der Mittenelektrode erzeugen kann.
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Plasma bezeichnet insbesondere ein Teilchengemisch auf atomar-molekularer Ebene, dessen Bestandteile teilweise geladene Komponenten, Ionen und Elektronen sind. Das bedeutet, dass ein Plasma freie Ladungsträger enthält.
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Filament bezeichnet insbesondere eine faserförmige längliche räumliche Ausgestaltung.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann an alle Umlaufelektroden mit Bezug auf die Mittenelektrode jeweils ein Spannungsimpulsmusterverlauf anlegbar sein, wobei ein die Mittenelektrode umlaufendes Plasmafilament zwischen einer jeweiligen Umlaufelektrode und der Mittenelektrode erzeugbar sein kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Größe eines jeweiligen elektrischen Spannungsimpulses und/oder die zeitliche Spannungsimpulsmusterverläufe zueinander derart einstellbar sein, dass zusätzlich Lichtbögen zwischen der jeweiligen Umlaufelektrode und zu benachbarten Umlaufelektroden erzeugbar sind.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Masse entlang der Mittenelektrode strömen und in dieser Strömungsrichtung kann der Abstand einer jeweiligen Umlaufelektrode zu der Mittenelektrode mit einem Proportionalitätsfaktor sich vergrößern geschaffen sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerungseinrichtung mit den Spannungs- und Stromwerten der jeweils ein Plasmafilament erzeugenden Impulse die Temperatur des Plasmas einstellen bzw. steuern.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann mittels der Größe eines jeweiligen elektrischen Spannungsimpulses für ein Plasmafilament ein Volumen zwischen Umlaufelektrode und Mittenelektrode einstellbar sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mittels Halbleiterschaltern Impulsanstiegszeiten im Bereich von 50 ns bis 200 ns einstellbar sein.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Masse zusätzlich turbulent um die Mittenelektrode herum strömen, insbesondere in Umlaufrichtung des Plasmafilaments, geführt sein.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung;
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung;
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems;
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5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Impulsmusterverlaufs;
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6 eine weitere Darstellung zum ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems;
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7 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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8 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung. Die Generierung von Spannungsimpulsen wird herkömmlicherweise beispielsweise mit einem Pulsgenerator gemäß 1 gelöst. 1 zeigt einen Pulsgenerator mit einer Leistungsversorgungsquelle 2 und einer Ladekapazität 4, wie über einen Halbleiterschalter 6 an einen Reaktor 12 elektrisch angeschlossen sind. 1 zeigt einen herkömmlichen Pulsgenerator. Mittels des Halbleiterschalters 6 wird die Ladekapazität 4 an dem Reaktor 12 angeschlossen. Dabei muss die Durchbruchspannung des Halbleiterschalters 6 größer sein als die Ladespannung der Ladekapazität 6. Im Falle der Zündung des Plasmas zwischen Elektrode 8 und Anode 10 in der Kammer darf der Strom den maximal zulässigen Strom des Halbleiterschalters 6 nicht überschreiten.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung. Gemäß 2 ist in einem Längszweig eine Zwischenkreiskapazität 4 mittels einer Vollbrücke mit Schaltern oder Halbleiterschaltern 6 an einen Reaktor 12 elektrisch angeschlossen. Mittels der Schalter A bis D als Ausführungsform eines Halbleiterschalters 6 können vorteilhafte Pulsmuster generiert werden. Grundsätzlich bestehen aber ähnliche Einschränkungen bezüglich Strom und Spannung gemäß dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die neuartige Topologie des erfindungsgemäßen Pulsgenerators und des erfindungsgemäßen Reaktors 3 die gemäß der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, stellt 3 dar. Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet ein sogenannter induktiver Spannungsaddierer (IVA), wie er in [1] Bluhm 2006 „Pulsed Power Systems, Principles and Applications; Hansjoachim Bluhm, Springer Verlag 2006 beschrieben ist, die Grundlage für einen Pulsgenerator gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein derartiger Pulsgenerator bewirkt zahlreiche Vorteile für die erfindungsgemäße Anwendung, insbesondere im Vergleich zur Art der Impulserzeugung gemäß dem Stand der Technik. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Pulsgenerators, der in einen Reaktor 3 für insbesondere Reformierungsverfahren integriert ist. 3 zeigt eine Vorrichtung I zur Erzeugung eines brennbaren Gases aus einer Masse M, insbesondere einer Biomasse, mittels eines in einem Reaktor 3 geschaffenen nicht-thermischen Plasmas, wobei eine mittels einer Steuerungseinrichtung 5 gesteuerte elektrische Leistungsversorgungseinrichtung 7 zeitliche Impulsmusterverläufe an Elektroden in einen Reaktor 3 ausgebildeten Elektrodensystems anlegt, wobei die Leistungsversorgungseinrichtung 7 ein einen induktiven Spannungsaddierer 11 aufweisender Spannungsimpulsgenerator ist. Der induktive Spannungsaddierer 11 stellt ein Transformatorelement bereit, wobei parallel zu einer Primärwicklung 13 der Primärseite des Transformators auf der Sekundärseite dieses Transformators eine Vielzahl n von Sekundärwicklungen 15 angeordnet und elektrisch zueinander in Reihe geschaltet sind. An jeder Sekundärwicklung 15 ist ein elektrischer Isolator 17 elektrisch angeschlossen. Ein derartiger Isolator 17 kann von Elektroden bzw. von Elektrodenpaaren des Elektrodensystems reflektierte Wellen dämpfen oder absorbieren. An jedem elektrischen Isolator 17 ist hier jeweils ein Verzögerungselement 19 zur Gestaltung von Impulsmusterverläufen elektrisch angeschlossen. In jedem Strand sollten die Wellenwiderstände der Sekundärwicklung 15, des elektrischen Isolators 17, des Verzögerungselementes 19 und der angesteuerten Elektroden 9 des Elektrodensystems im Reaktor 3 gleich ausgeführt sein. Je nach Auslegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung I können Pulsleistungen bis zu mehreren 100 W bei Pulslängen bis zu 50 µs und einer Pulsrepetitionsrate, je nach Kühlung von Schaltern 6, bis 400 kHz realisiert werden. Der induktive Spannungsaddierer 11 wird einer definierten Pulsleistung, Pulslänge und Pulsrepetitionsraten angeschlossen an die Primärseite des Transformators betrieben. Auf der Sekundärseite des Transformators sind n-Sekundärwicklungen 15 in Reihe elektrisch verschaltet. Jede Sekundärwicklung 15 ist mit einem Isolator 17 versehen, der die reflektierenden Wellen von den einzelnen Elektrodenpaaren des Elektrodensystems über einen zusätzlichen Widerstand sumpft. Mit Hilfe eines jeweiligen Verzögerungsgliedes oder Verzögerungselementes 19 können unterschiedliche Pulsmuster für einzelne verwendete Elektrodenpaare generiert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Wellenwiderstände zwischen den einzelnen Komponenten untereinander angepasst sind.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine mögliche Elektrodenkonfiguration von Elektroden 9 in einem Elektrodensystem, das in einem Reaktor 3 ausgebildet ist. 4 zeigt eine Mehrzahl sich entlang einer axialen Mittenelektrode 21 um diese herum räumlich erstreckende Umlaufelektroden 23. Die Umlaufelektroden 23 sind von 1 bis 6 nummeriert. Die Mittenelektrode 21 in der Mitte dieses Querschnitts ist vorteilhaft eine Masseelektrode. Zusammen mit der gemeinsamen Masseelektrode bzw. Mittenelektrode 21 können gemäß 4 sechs Elektrodenpaare gebildet werden. 4 zeigt eine Elektrodenkonfiguration mit sechs Elektroden 9, an die jeweils über eine gemeinsame Masseelektrode bzw. Mittenelektrode 21 eine Hochspannung anlegbar ist.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spannungsimpulsmusterverlaufs. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Pulsmusters, das an Elektroden 9 gemäß der 4 anlegbar ist. Mit einem Pulsmuster gemäß 5 können die Elektrodenpaare gemäß 4 beispielhaft angesteuert werden. 5 zeigt ein zu 4 zugehöriges Pulsmuster, wobei jeweils einzelne Elektrodenpaare angesteuert werden, so dass an den entsprechenden Elektroden 9 ein Plasmafilament gezündet werden kann. 5 zeigt für jede der sechs Umlaufelektroden 23 einen Zeitverlauf einer an die jeweilige Umlaufelektrode 23 angelegten Spannung, die in Form von Pulsen angelegt wird. Entsprechend bezieht sich die obere Spannungszeitverlaufskurve auf die erste Umlaufelektrode 23, die zweite Darstellung auf die zweite Umlaufelektrode 23 und so weiter bis zur unteren Darstellung des Spannungsverlaufs an der sechsten Umlaufelektrode 23. Eine Spannungsdifferenz kann dabei immer mit Bezug auf die Mittenelektrode 21 erzeugt werden. Durch das Anlegen eines jeweiligen Pulsmusters können die einzelnen Elektroden 9, und zwar die Umlaufelektroden 23 mit der Nummer 1 bis 6 mit der gemeinsamen Gegenelektrode, die die Mittenelektrode 23 ist, nacheinander gezündet werden. Durch das dazugehörige Pulsmuster können die Elektroden 9 grundsätzlich beliebig gezündet werden. Je nach Potentialdifferenz können die Elektroden 23 ebenso zur nächst angeordneten Umlaufelektrode 23 zünden. Dies ist aber von dem angelegten Pulsmuster abhängig, welches durch die Verzögerungselemente 19 vorgegeben wird. Vom technischen her ist die Zündung des Plasmas über mehrere Elektroden 23 gleichzeitig möglich, weil da die Isolatoren 17 die rücklaufende elektrische Leistung zum induktiven Spannungsaddierer (inductive voltage adder) absorbiert. Entsprechend dem Pulsmuster und der damit entstehenden Plasmen kann ein großes Volumen zwischen den Elektroden für einen Reformierungsvorgang genutzt werden. Ziel ist es, mittels eines geeigneten Pulsmusters, ein möglichst großes Volumen mit generiertem Plasma auszufüllen. Mittels Pulsdauern von einigen µs je Impuls bzw. Spannungsimpuls und einer hohen Pulsrepetition bis zu 400 kHz kann eine hohe Effizienz im Vergleich zur herkömmlichen Methoden der Reformierung bewirkt werden.
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Für einen Reformierungsvorgang ist es notwendig, das einströmende Gas bzw. die einströmende Biomasse bis zum Ort der Reformierung auf eine Temperatur von ungefähr 1000°C zu erhitzen. Anders als bei herkömmlichen, thermischen Gasifizierungsanlagen geschieht dies hier weder durch insbesondere exotherme Verbrennungsreaktionen der Biomasse, noch in Folge äußerer Beheizung, sondern mittels des nicht-thermischen Plasmas selbst. Der Anteil der Plasmaleistung, der direkt zur Gasaufheizung führt, wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels der Pulsdauer und der Pulswiederholungsrate eingestellt. Längere Pulse führen zu höheren Ionisationsgraden im Plasma und damit zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit. Dies führt zu einem sinkenden Spannungsabfall im Plasma und damit zu einer sinkenden elektrischen Feldstärke. Damit steigt der Anteil der Plasmaleistung, der direkt zur Gasaufheizung führt. Mit einer großen Pulswiederholungsrate sinkt der Ionisationsgrad zwischen aufeinanderfolgenden Plasmapulsen weniger stark ab, als bei einer kleinen Pulswiederholungsrate. Damit steigt der mittlere Ionisationsgrad ebenfalls und der Anteil der Plasmaleistung, der zur Aufheizung der Biomasse bzw. des Biogases führt, steigt ebenfalls an.
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6 zeigt einen Längsschnitt zum Ausführungsbeispiel gemäß 4. Da das Verhältnis zwischen der elektrischen Feldstärke bezogen auf das Volumen in einem Reaktor 3 bei jeder Temperatur konstant sein soll, muss die Form der Elektroden 9 je nach dem Temperaturgradienten entsprechend Form und Abstand auf die Elektroden 9 angepasst werden. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Elektrodengeometrie im Längsschnitt beispielsweise einer Elektrodenanordnung gemäß 4. 6 zeigt eine axiale Mittenelektrode 21 und eine Umlaufelektrode 23. In 6 ist mit dem Pfeil die Strömungsrichtung der zu behandelnden Masse M dargestellt. 6 zeigt das entlang dieser Strömungsrichtung der Abstand der Umlaufelektrode 23 zu der Mittenelektrode 21 mit einem Proportionalitätsfaktor sich vergrößernd ausgebildet worden ist. Da die Temperatur im Plasma proportional mit der dem Massestrom M zugeführten Energie ansteigt, ist es vorteilhaft den Abstand zwischen der Mittenelektrode 21 und der Umlaufelektrode 23 linear zu vergrößern. Hierzu ist am Eingang eines Stroms einer Masse M ein Abstand von 5 und am Ausgang ein Abstand von 20 geschaffen worden. Da der Quotient aus elektrischer Feldstärke und Gasdichte über den erzeugten Temperaturgradienten konstant sein soll, wird bei einem Temperaturanstieg um den Faktor 4 vom Anfang des Massenstroms bis zum Ende des Massenstroms im Elektrodensystem das hier dargestellte Elektrodenpaar in Form und Anordnung derart ausgeführt, dass der Abstand ebenso um den Faktor 4 von 5 auf 20 vergrößert ausgebildet ist.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 zeigt eine zeitliche Abfolge einer Ansteuerung eines Elektrodensystems gemäß 4. 4 zeigt jeweils eine Mittenelektrode 21, Umlaufelektroden 23 sowie entsprechend einer Ansteuerung erzeugte Plasmafilamente 25. Eine Ansteuerung kann hier beispielsweise 5 ausgeführt werden. Mittels eines Zeitverzuges der einzelnen Hochspannungsimpulse an den entsprechenden Elektroden 23 entsteht ein nicht-thermisches Plasma zwischen jeweils benachbarten Elektroden 23 und 21, wobei das nicht-thermische Plasma in Form von Plasmafilamenten 25 kreisförmig um die zentrale Masseelektrode bzw. Mittenelektrode 21 läuft. Die Geschwindigkeit dieser kreisförmigen Bewegung des Plasmas 25 ist von der Länge der einzelnen Impulse abhängig. Für eine möglichst homogene Umsetzung eines Eduktmassenstromes ist eine möglichst hohe kreisförmige Geschwindigkeit vorteilhaft.
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Die Aufheizung des Eduktmassenstroms durch das Plasma ist mittels Parameter, die am Netzteil bzw. an der Steuerungseinrichtung 5 eingestellt werden können, effizient steuerbar. Gegenüber einer äußeren elektrischen Beheizung ergibt sich der Vorteil, dass die Aufheizung mittels des Plasmas praktisch trägheitslos erfolgt. Da Gastemperatur und elektrische Leitfähigkeit durch den oben beschrieben Mechanismus gekoppelt sind, kann die elektrische Leitfähigkeit im jeweils aktiven Plasmakanal als Kenngröße für die Temperatur herangezogen werden. Die elektrische Leitfähigkeit wiederum kann ohne zusätzliche Sensoren direkt aus Mess-Signalen im induktiven Spannungsaddierer IVA ermittelt werden. Damit ergibt sich eine einfache Möglichkeit die Temperatur zu steuern und so die Gasifizierung zu optimieren.
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4 stellt ein hier entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufendes Plasma dar.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese weitere Ausführung bewirkt eine besonders effiziente Umsetzung von Biomasse, und zwar dadurch, dass im Bereich der Elektroden 9 eine Drallströmung, d.h. eine turbulente Strömung um die Mittenelektrode 21 geschaffen sind. 8 zeigt durch den Umlaufpfeil die Drallkomponente einer Strömung einer Masse M. Je nach Anwendung können die Anforderungen an die Größe des Volumens unterschiedlich sein, dass mit dem generierten Plasma ausgefüllt ist. Mittels der Amplitude der Impulsspannung kann der Abstand zwischen den Elektroden und somit die Größe des Volumens des Reaktors skaliert werden. Bedingt durch den modularen Aufbau des induktiven Spannungsaddierers kann eine Impulsspannung von mehreren 100 kV erzeugt werden. Neben der Skalierbarkeit des Reaktors 3 spielt ebenso die Zeitdauer der Zündung des Plasmas eine wesentliche Rolle. Dies wird entscheiden durch die Anstiegszeit der Spannungsimpulse beeinflusst. Diese liegen bei kommerziellen Halbleiterschaltern 6 beispielsweise Insolated Gate Bipolar Transistors (IGBT) im Bereich von 100 ns.
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Literaturliste
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- [1] Bluhm 2006 „Pulsed Power Systems, Principles and Applications; Hansjoachim Bluhm, Springer Verlag 2006
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bluhm 2006 „Pulsed Power Systems, Principles and Applications; Hansjoachim Bluhm, Springer Verlag 2006 [0047]
