La décharge d'arc, l'une des formes les plus répandues de décharge électrique dans les gaz, se produit lorsqu'un courant électrique de forte densité – généralement de l'ordre de 100-1 000 A/cm² – circule entre des électrodes métalliques. Dans un plasma d'arc, la densité de courant et la pression élevées multiplient les collisions entre les électrons et les particules lourdes ; il en résulte un échange d'énergie efficace entre les électrons et les autres composants du plasma et, par voie de conséquence, l'établissement d'une même température pour les électrons et pour le gaz. Cette température est assez élevée : selon les conditions de décharge, elle s'échelonne de 4 500 K à 8 000 K.
Systèmes plasmachimiques hors équilibre pour la production d'hydrogène
Ces dernières années, de nombreuses tentatives ont été menées pour exploiter le plasma hors équilibre des décharges par étincelles pulsées, des décharges à barrière, des décharges couronne et des décharges micro-ondes, avec pour objectif principal de réduire l'énergie consommée pour chauffer le gaz et amorcer les réactions chimiques, énergie qui représente au moins 40 % dans un plasma d'arc quasi à l'équilibre. On trouvera ci-après une tentative d'analyse de l'état actuel des questions que pose la chimie appliquée des plasmas hors équilibre à la pression atmosphérique, dans la perspective de son emploi en production de gros tonnage. La production d'hydrogène a fait l'objet, au cours des dernières décennies, d'une attention soutenue, y compris dans les systèmes plasmachimiques hors équilibre. Cela tient aux enjeux du développement de la filière hydrogène avec des piles à combustible, qui assurent la conversion directe de l'énergie chimique du combustible en énergie électrique avec un rendement maximal et une pollution environnementale minimale, ce qui suppose d'accroître la production industrielle d'hydrogène.
Plasma de vapeur d'eau à arc électrique
L'eau occupe une place à part parmi les milieux plasmagènes. Cette substance est largement répandue dans la nature, où elle joue un rôle considérable en rendant possibles des réactions chimiques et des processus physiques très divers. Il s'agit ici de la vapeur d'eau à une pression voisine de la pression atmosphérique, portée à des températures pouvant atteindre plusieurs dizaines de milliers de degrés. Ce que l'on appelle le plasma de vapeur d'eau est l'un des milieux chimiquement les plus actifs, et la vapeur d'eau est un gaz plasmagène extrêmement bon marché. Le plasma de vapeur d'eau n'est pas seulement un fluide caloporteur : c'est aussi un réactif actif dans les réactions physiques et chimiques. Par ses propriétés uniques d'enthalpie, son innocuité environnementale, son absence de risque d'explosion et sa très large disponibilité, le plasma de vapeur d'eau est prometteur pour les procédés technologiques de la métallurgie, de l'énergie, de la construction mécanique et de la chimie des plasmas. L'avantage du plasma de vapeur d'eau tient à l'absence d'oxydes d'azote nocifs lorsque le plasmatron fonctionne à la vapeur d'eau. À ce jour, la contribution majeure au développement des procédés plasmachimiques de pyrolyse et de conversion oxydative des hydrocarbures a été apportée par le plasma d'arc quasi à l'équilibre.