Applications of Plasma Technology in Energy Sector

Abstract

Today, the use of plasma technology in production of energy from waste, biomass and coal has become quite widespread in the world due to the unique and outstanding features of plasma. Experimental and theoretical studies have shown that plasma based system in energy production is a promising alternative to classical system in terms of efficiency, environmental and economic aspects. Plasma assisted combustion, gasification and pyrolysis are different methods used in energy production. Considering the plasma technology applications in energy sector, it is widely used in developed countries like Europe and USA for the energy production from the waste and biomass, but plasma is generally preferred in eastern countries like China, Kazakhstan and Russia for plasma coal gasification and plasma assisted coal burning at thermal plant. Different plasma torch systems (AC, DC and RF) used in these applications are seen in the literature. This paper gives an overview on plasma technologies in energy production from different energy sources (waste, biomass, coal) by different techniques such as combustion, gasification and pyrolysis. In comparison of AC, DC and RF plasma torches in the scientific literature, it has been considered that AC plasma torch is a prominent technology due to some advantages especially in high power as megawatt levels. Lastly, economic assessment is presented and estimated budget for system installation is given for different systems. Although the technology readiness level of the plasma technologies has a level of maturity (over 6) in our facilities at AR&TeCS (ARTECS Inc., Ankara University Technopolis, Gölba?ı, Ankara), the application on the different type of waste management or plasma assisted coal burning/gasification needs some additional R&D activities especially in simulation and modelling for obtaining optimum conditions, process development and controlling of gasification/combustion process. Finally, some technical experience from the high-power alternating current (AC) plasma system established at AR&TeCS is shared.

Günümüzde, plazmanın benzersiz ve olağanüstü özelliklerinden dolayı atık, biyokütle ve kömürden enerji üretiminde plazma teknolojisinin kullanımı dünyada oldukça yaygınlaşmıştır. Deneysel ve teorik çalışmalar, plazma bazlı sistemin enerji üretiminde klasik sisteme verimlilik, çevresel ve ekonomik açıdan umut verici bir alternatif olduğunu göstermiştir. Plazma destekli yanma, gazlaştırma ve piroliz, enerji üretiminde kullanılan farklı yöntemlerdir. Enerji sektöründeki plazma teknolojisi uygulamaları göz önüne alındığında, atık ve biyokütleden enerji üretimi Avrupa ve ABD gibi gelişmiş ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır ancak plazma kömür gazlaştırma ve plazma kömür yakma genellikle Çin, Kazakistan ve Rusya gibi doğu ülkelerinde tercih edilmektedir. Bu uygulamalarda kullanılan farklı plazma sistemleri (AC, DC ve RF) literatürde görülmektedir. Bu makale yakma, gazlaştırma ve piroliz gibi farklı tekniklerle farklı enerji kaynaklarından (atık, biyokütle, kömür) enerji üretiminde plazma teknolojileri hakkında genel bir değerlendirme vermektedir. AC, DC ve RF plazmatronlar bilimsel literatürde karşılaştırıldığında; AC plazmatronun özellikle megawat seviyelerindeki yüksek güçlerde bazı avantajlardan dolayı önemli bir teknoloji olduğu düşünülmektedir. Son bölümde, ekonomik değerlendirme ve sistem kurulumu için tahmini bütçe farklı sistemler için verilmektedir. AR&TeCS’de (ARTECS A.?., Ankara Üniversitesi Teknokent, Gölbaşı, Ankara) kurulu laboratuvarlarda, plazma teknolojilerinin teknoloji hazır olma seviyesi olgunlaşmış (6 üzerinde) olmasına rağmen, farklı atık yönetimi tipi veya plazma kömür yakma/gazlaştırma uygulamaları, özellikle optimum koşulları elde etmek, süreç geliştirme ve gazlaştırma/yanma sürecinin kontrolü için simülasyon ve modellemede bazı ilave Ar-Ge faaliyetlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Son olarak, tesislerimizde kurulu olan yüksek güçlü alternatif akım plazma sisteminden elde edilen bazı teknik deneyimler paylaşılmaktadır.