DBD plasma reactor for CO2 methanation

Abstract

One of the most serious challenges facing society is the need to reduce the emissions of greenhouse gases such as carbon dioxide (CO2), mainly caused by the widespread use of fossil fuels. The energy transition to renewable energies is currently in its initial stages of its implementation. Due to the need to increase renewable energy sources, it is necessary to develop new technologies that can adapt the fluctuating generation of renewables with the energy consumption. The conversion of CO2 into synthetic fuels using electrical energy, technologies known as Power to Gas, presents a solution to the energy storage. In the specific case of the methanation reaction, CO2 is converted to methane (CH4, synthetic natural gas), which can be stored and distributed in large quantities. In this way, synthetic natural gas is used as an energy vector, providing a solution as energy storage and as a method of CO2 valorization. In the last years, Power to Gas technologies are being implemented in several pilot plants with conventional thermochemical technologies for the methanation reaction. In this regard, alternative methods to thermal catalysis are being studied, which could potentially have advantages in terms of conversion or reduction of energy costs, among others. The use of plasmas in the conversion of CO2 is particularly promising due to the ability of plasma to activate stable molecules such as CO2 or N2. In this context, the aim of this thesis is the development of a dielectric barrier discharge plasma reactor for the conversion of CO2 to CH4, the development of catalysts for this reaction and the optimization of both the catalysts and the plasma reactor. Following these objectives, the thesis is structured in 6 main chapters. The first chapter presents the general context, the motivation of the research regarding CO2 conversion technologies and a basic introduction of plasma technologies. In chapter 2, all experimental setup and material synthesis are explained. The following chapters are focused on the main results obtained during the development of the thesis, which can be divided into two parts. The first part is focused on the catalyst evaluation for plasma-CO2 methanation (chapter 3 and chapter 4). The second part is focused on the optimization of the plasma reactor (chapter 5 and chapter 6). In the catalyst evaluation for plasma-CO2 methanation, different types of catalyst were synthesized, physicochemical characterized and evaluated in thermal and plasma methanation. Operation temperature was reduced to 100-200 ºC in the case of plasma methanation. The effect of different catalysts composition and structure was analyzed. The incorporation of cerium in nickel based catalyst boosted the conversion and efficiencies. The different role of plasma activation and catalyst activity were evaluated. In the second part, DBD reactor optimization, different reactor configurations were tested. The role of temperature was analyzed in pseudo-adiabatic and adiabatic DBD reactor. The use of adiabatic reactors allows to increase the energy efficiency. Finally, a new approach was evaluated based on using DBD-plasma as reaction ignitor, rather than the classical approach of continuous operation. After plasma ignition, the operation in autothermal conditions without any external energy input was evaluated. The new methodology allowed to faster start the reaction, due to the plasma activation at a lower temperature, minimizing the start-up time and the energy cost.

Un dels reptes més importants al qual s’enfronta la societat és la necessitat de reduir les emissions de gasos d’efecte hivernacle, principalment el diòxid de carboni (CO2), causades per l’ús generalitzat dels combustibles fòssils. Atesa la necessitat d’augmentar les energies renovables, és necessari desenvolupar noves tecnologies que puguin adaptar la generació fluctuant de les renovables amb el consum energètic. La conversió de CO2 a combustibles sintètics emprant energia elèctrica, tecnologia que es coneix com a Power to Gas, presenta una solució a l’emmagatzematge d’energia. En el cas concret de la reacció de metanització, el CO2 és convertit a metà (CH4, gas natural sintètic), el qual es pot emmagatzemar i distribuir en grans quantitats. En aquest context es presenta la tesi amb l’objectiu de desenvolupar un reactor de plasma de descàrrega de barrera dielèctrica per a la conversió de CO2 a CH4, el desenvolupament de catalitzadors per a aquest reacció i la optimització tant dels catalitzadors com del reactor de plasma. Seguint aquests objectius, la tesi s’estructura en 6 capítols. El primer capítol presenta el context general, i una introducció bàsica de les tecnologies de plasma. En el segon capítol s’explica tota la configuració experimental del reactor de plasma i la síntesi de catalitzadors. En els següents capítols es mostren els principals resultats obtinguts durant el desenvolupament de la tesi, els quals es divideixen en dues parts. La primera part comprèn els capítols 3 i 4 i se centra en l’avaluació de catalitzadors per a la reacció de metanització del CO2. Mitjançant l’activació per plasma, la temperatura de treball dels catalitzadors es va poder reduir fins als 100-200 ºC. Tot seguit es va estudiar l'efecte de la composició i l'estructura de diferents catalitzadors. La incorporació de ceri en els catalitzadors de níquel augmentà considerablement els nivells de conversió i eficiència energètica. La segona part se centra en l’optimització del reactor de plasma (capítols 5 i 6). En aquest apartat es va analitzar el rol de la temperatura en configuracions pseudo-adiabàtica i adiabàtica, demostrant que l’ús de reactors adiabàtics ha permès augmentar l’eficiència energètica. Finalment, es va avaluar un nou enfocament basat en l’ús del plasma DBD com a iniciador de la reacció, en lloc de l’enfocament clàssic d’operació contínua. Després de l’encesa del plasma, es va avaluar el funcionament en condicions autotèrmiques, sense cap aportació externa d’energia. La nova metodologia permet iniciar més ràpidament la reacció, gràcies a l’activació del plasma a baixes temperatures, minimitzant el temps i el cost energètic.