IT202000027083A1 - Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente - Google Patents
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Description
Descrizione dell?invenzione avente per titolo:
?SISTEMA-IMPIANTO PER STRUTTURA CIVILE AD ISOLA COMPLETAMENTE AUTONOMA ED AUTO-SUFFICIENTE?
Descrizione
Campo della tecnica
L?invenzione si riferisce ad un sistema-impianto ad energia 100% rinnovabile e zero emissioni di CO2, in grado di soddisfare ogni esigenza inerente la vita e l?accoglienza abitativa di un essere umano. Pi? specificamente, l?oggetto del presente brevetto riguarda un sistema ?impiantistico-energetico? atto a rendere autonoma ed auto-sufficiente qualsiasi tipo di struttura edilizia a carattere residenziale, commerciale o anche assistenzialistico, senza la necessit? di disporre di servizi di urbanizzazione primaria.
Arte nota
Con il termine opere di urbanizzazione s?indica l?insieme delle attrezzature necessarie a rendere una porzione di territorio idonea all?uso insediativo previsto dagli strumenti urbanistici vigenti.
?Urbanizzare? un territorio significa realizzare le opere necessarie affinch? esso possa ospitare un insediamento, abitativo o produttivo. Nell?espansione urbana, la costruzione di nuovi edifici ? quindi sempre accompagnata dalla realizzazione di attrezzature, capaci di garantire l?uso futuro degli edifici stessi e la vita di relazione degli abitanti. Nel corso del tempo il termine ?urbanizzazione? ha assunto caratteri e significati diversi.
Negli anni settanta del secolo scorso, caratterizzati da una forte crescita edilizia, questo termine veniva generalmente utilizzato per indicare le grandi trasformazioni che il territorio ?naturale? subiva a causa del processo di espansione fisica della citt?. Edifici residenziali e produttivi, strade e ferrovie modificavano il territorio circostante e i grandi centri abitati, trasformando le precedenti destinazioni d?uso, agricole o boschive, in aree edificabili.
Nell?attuale fase di sviluppo urbano, concentrata sul recupero dei ?vuoti urbani? e sulla riqualificazione delle periferie, terminato ormai il periodo delle grandi espansioni edilizie, il termine ?urbanizzazione? si riferisce in genere ad interventi di manutenzione o ammodernamento delle opere di urbanizzazione esistenti e ad operazioni di completamento. Secondo il tipo e la funzione delle diverse attrezzature, le opere di urbanizzazione si suddividono in primarie, secondarie e generali. Tale classificazione non si riferisce per? ad un carattere di priorit? delle diverse opere, tutte comunque indispensabili e tra loro complementari, quanto piuttosto alla successione temporale con la quale generalmente vengono realizzate.
Le opere di urbanizzazione primaria (o tecnologica) comprendono tutte le attrezzature a rete, o infrastrutture, necessarie per assicurare ad un?area edificabile l?idoneit? insediativa in senso tecnico, cio? tutte quelle attrezzature che rendono possibile l?uso degli edifici. Esse includono, infatti, le strade residenziali, comprese le aree di sosta e di parcheggio, le fognature, la rete idrica, la rete di distribuzione dell?energia elettrica e del gas, la pubblica illuminazione, i piccoli spazi di verde attrezzato al servizio delle abitazioni.
Tali opere rappresentano la premessa indispensabile all?edificabilit? dell?area ed alla possibilit? che essa ospiti insediamenti abitativi o produttivi.
La presente invenzione propone un alternativo sistema-impiantistico applicato ad edifici, sia abitativi che a carattere commerciale o socio-sanitario, in grado di soddisfare ogni esigenza inerente la vita e l?accoglienza quotidiana delle persone rendendo la struttura autonoma ed auto-sufficiente senza la necessit? di disporre di servizi di urbanizzazione primaria.
Il sistema s?inquadra anche nel contesto della ?Green Economy?, ossia delle soluzioni che non prevedono alcuna emissione di CO2 in ambiente. Infatti, il biossido di carbonio emesso viene totalmente annullato e/o bilanciato dalla cattura (e sequestro in forma liquida) di un eguale ammontare massico di CO2. Tale cattura e sequestro avviene mediante la tecnica nota con l?acronimo DAC (Direct Air Capture) e sar? operativamente implementata o direttamente ?in-situ? mediante componentistica a corredo del sistema, oppure in localit? diversa. Questo secondo scenario prevede il trasporto, o meglio la disponibilit? ?in-situ? di un adeguato contenuto massico di CO2 liquida che sar? stoccata in idonee bombole a servizio sia del metanatore che dell?impianto termotecnico.
Per i motivi qui esposti, il sistema si forgia a pieno titolo degli appellativi:
? ?ZERO CO2?;
? ?ZERO FOSSIL ENERGY?;
? ?100% RENEWABLE ENERGY?.
Scopo del presente brevetto ? quindi quello di risolvere le note problematiche legate all?inquinamento ambientale, e all?inefficiente impiego di ?primarie risorse ambientali?, causato dalle utenze domestiche, residenziali e dalla mobilit? personale, garantendo il soddisfacimento di tutte le esigenze umane, sia fisiologiche che energetiche e funzionali, senza limitazioni o restrizioni ma anzi assicurando nella quotidianit? un totale comfort abitativo e funzionale.
Descrizione dell?invenzione
Secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema impiantistico autosufficiente che risolve efficacemente le problematiche suesposte.
Unica fonte di energia primaria del sistema in oggetto ? il Sole (energia fotovoltaica) e/o il vento (energia eolica). La superficie fotovoltaica totale e/o la quantit? di mini-pale eoliche da installare nella struttura vengono calcolate in accordo al fabbisogno energetico annuale delle utenze servite e in funzione della particolare regione geografica in esame. Il sistema oggetto della presente invenzione prevede un accumulo energetico in batterie chimiche (es. ioni di litio o successive evoluzioni tecnologiche). Questo accumulo energetico ? di breve periodo prevedendo un ciclo di carica-scarica nel range 24-72 ore. La finalit? funzionale di questo stoccaggio chimico ? anche quella di conferire a tutto il sistema una ?elasticit? energetica?, assolvendo la primaria funzione di ?vaso energetico inerziale? (vaso di espansione e compensazione) in relazione all?architettura impiantistica della soluzione.
In quest?ottica la percentuale di carica residua del pacco batterie sar? alla base della logica di gestione della cella a combustibile e contestualmente il suo livello orario di carica verr? governato da un dispositivo di supervisione in funzione delle previsioni meteo delle 48 ore successive, ossia in previsione dell?irraggiamento solare medio atteso e questo al fine di valorizzare tutta la naturale radiazione solare. Il nodo batterie costituisce anche un nodo dinamico in riferimento ai kW di potenza elettrica istantanea richiesta dai servizi (di natura esclusivamente elettrica) di tutta la struttura: picchi anche elevati di assorbimento possono essere gestiti e soddisfatti, garantendo una continuit? di servizio anche in caso di forte contemporaneit? di utilizzo dei servizi abitativi o di ricarica dei mezzi per la mobilit? personale.
L?impianto ? totalmente supervisionato, controllato e gestito da un PLC (?Programmable Logic Controller?) il quale assolve il compito di supervisionare, controllare e gestire tutti i servizi elettrici della struttura e i regimi di scarica delle batterie. La sua finalit? ? quella di garantire primariamente il soddisfacimento delle richieste di potenza elettrica istantanea proveniente da tutte le utenze funzionali della casa e stabilire quando attivare l?elettrolizzatore per avviare la conversione dell?energia elettrica, stoccata in ottica di breve periodo nelle batterie, in idrogeno.
Il sistema ? dotato di un elettrolizzatore per la produzione d?idrogeno (H2) ad elevatissimo grado di purezza. Il gas viene erogato ad una pressione superiore ai 20 bar ed ? immagazzinato in un opportuno volume di interfaccia verso il componente metanatore, volume che ha la sola finalit? di assicurare a quest?ultimo un funzionamento regolare, continuativo e stabile. Tale componente metanatore utilizza la nota ?reazione Sabatier?. In tale reazione chimica da n.1 mole di anidride carbonica (CO2) unitamente a n.4 moli d?idrogeno (H2) si ottengono n.1 mole di metano (CH4) e n.2 moli di acqua (H2O). La reazione ? esotermica e pertanto il metanatore deve essere costantemente raffreddato mediante adduzione di opportuno vettore/fluido refrigerante. Tale vettore/fluido refrigerante assolve anche alla funzione di deidratazione dei prodotti della reazione Sabatier, un processo termotecnico che consiste nella condensazione delle moli di vapore d?acqua ottenuta come prodotto della reazione al fine di ottenere una soluzione gassosa di solo CH4.
Il gas metano (CH4) deidratato, ossia privo di H2O, ? compresso alla pressione di circa 70-80 bar e inviato al serbatoio metallico interrato per lo stoccaggio energetico di lungo-periodo. Per ?lungo periodo? s?intende un arco temporale anche di oltre 5-6 mesi (20-25 settimane), e per questo motivo tale riserva pu? essere definita uno ?stoccaggio energetico stagionale?. Il volume dello stoccaggio interrato di metano, alla pressione nel range di 70-80 bar, verr? definito in accordo al profilo energetico annuale delle utenze servite, unitamente alle caratteristiche di irraggiamento solare medio annuale e/o ventilazione prevalente annuale, i cui valori sono funzione della particolare localit? geografica di installazione. Valutazioni su tipologie di nuclei famigliari di n.4 componenti, con profili di comfort abitativo di livello medio-alto, inducono l?installazione di un serbatoio di volume nel range 1-4 m<3>.
La linea di recupero e riutilizzo dell?acqua condensata all?uscita dal metanatore ? atta al riciclo dell?acqua all?interno del sistema-impianto, con le finalit? di minimizzare il fabbisogno di acqua da estrarre dall?aria umida esterna. Bilanci di massa delle reazioni dimostrano che questo recupero interno soddisfa solo il 23% del fabbisogno di acqua della cella a combustibile, e quindi il restante 77% viene inviato alla cella a combustibile dal servizio di filtrazione e recupero delle acquegrigie prodotte dalla struttura.
Il sistema ? inoltre dotato di una linea di recupero e riutilizzo dell?anidride carbonica (CO2) liberata dalla cella a combustibile attraverso il suo camino di espulsione. Vista la non contemporaneit? di attivazione dei servizi energetici ?metanatore? e ?cella-a-combustibile?, tale riciclo viene effettuato mediante un meccanismo di cattura e stoccaggio in-situ di CO2 liquida. La cattura e sequestro della CO2 sar? realizzata o direttamente ?in-situ? sui gas di scarico della cella a combustibile o attraverso una filiera di rifornimento di bombole di CO2 liquida ottenuta dall?attivit? (realizzata in diversa localit?) di DAC-CO2, ossia ?Direct Air Capture? dell?anidride carbonica dall?aria ambiente. Tutto nella finalit? di garantire e tutelare la caratteristica di ?zero emissioni di CO2? del sistema energetico qui in analisi. La cella a combustibile (Fuel-Cell) ? alimentata a CH4 e impiega la tecnologia SOFC ad ossidi solidi, o successive evoluzioni tecnologiche. La cella a combustibile ossida il metano senza per? ricorrere alla sua combustione, producendo contestualmente sia energia elettrica che energia termica sotto forma di acqua riscaldata. Non effettuando alcuna combustione, il componente ? privo di emissioni inquinanti quali SOx o NOx. Il componente ? munito di camino per l?espulsione di gas caldi, gas che sono costituiti esclusivamente da CO2 (biossido di carbonio) e H2O (vapore d?acqua).
L?insieme delle utenze e dei servizi interni alla struttura, anche per la mobilit? personale, sono di esclusiva alimentazione elettrica: dal forno/piano cottura ad induzione per la preparazione dei cibi, fino all?automobile 100% elettrica (e-car); dal frigorifero, TV, PC, Hi-Fi e illuminazione a LED, fino alla e-bike.
La soluzione tecnologica innovativa qui descritta prevede l?utilizzo di un componente frigorifero per la deumidificazione dell?aria umida atmosferica (aria ambiente), componente che si completa di un sistema di filtrazione e trattamento dell?acqua condensata ai fini del suo impiego per scopi potabili. Il componente frigorifero ? di natura termotecnica ed utilizza lo stesso vettore/fluido refrigerante a servizio sia del metanatore che della pompa di calore. L?apparecchiatura deve essere necessariamente installata all?aperto in quanto il suo funzionamento si basa sulla ventilazione di un grande quantitativo (m<3>/h) di aria umida atmosferica, dalla quale si estrae (o anche si condensa) il suo naturale contenuto di umidit? assoluta (kgH2O/kgaria). Il componente ha esclusiva alimentazione elettrica e si basa sul principio del circuito frigorifero a compressione di vapore di gas refrigerante. Tale gas pu? avere origine naturale (CO2 noto come R744), o anche sintetica a basso (fluidi HFC) o bassissimo (fluidi HFO con GlobalWarmingPotential (GWP) < 150) impatto ambientale. Nella soluzione ?ad isola? qui in oggetto ? presente un sistema di ultra-filtrazione (anche ad osmosi) e trattamento sanificante delle acque grigie di scarico dell?impianto idraulico a servizio della struttura abitativa. L?acqua cos? come recuperata, filtrata e sanificata, sar? riutilizzata per soddisfare scopi e servizi non potabili della struttura. L?apparecchiatura termofrigorifera a compressione di vapore di fluido refrigerante (PdC - Pompa di Calore) presente nella soluzione ideata ? atta alla produzione:
A) di acqua refrigerata per il raffrescamento estivo degli ambienti occupati, con contestuale controllo del livello di umidit? relativa interna agli ambienti medesimi;
B) di acqua calda per il riscaldamento invernale degli ambienti occupati; C) di acqua calda per finalit? igienico-sanitarie.
Tale componente (PdC - Pompa di Calore) sar? collegato alla medesima linea del vettore/fluido refrigerante che collega (e alimenta) anche il metanatore e il componente frigorifero per la produzione di acqua potabile dall?aria umida ambiente. Tale linea potr? contenere un fluido refrigerante di origine naturale quale il fluido R744 (anche noto come CO2), o anche di origine sintetica ma caratterizzato da un basso (fluido HFC) o bassissimo (fluido HFO) impatto ambientale, con basso valore di GWP (Global Warming Potential < 150).
La linea del vettore/fluido refrigerante ? atta al collegamento fisico di tutti i servizi termotecnici del ?sistema-impianto? alla (PdC) pompa di calore, componente questo dove risiede fisicamente il servizio di compressione volumetrica dei vapori di gas refrigerante. All?interno di questa tubazione metallica di collegamento dei componenti pu? fluire direttamente gas refrigerante in forma liquida, oppure una soluzione refrigerante (salina o glicolata) a base acquosa o anche semplice acqua fredda, ossia acqua refrigerata priva di additivi. Il componente termotecnico di scambio termico in aria esterna, noto anche come scambiatore ?dry-cooler?, ha il compito di bilanciare energeticamente il funzionamento della pompa di calore. In particolare la logica funzionale prevede di:
A) smaltire in aria atmosferica esterna il calore di condensazione del gas refrigerante, durante il funzionamento estivo della pompa di calore che in questa modalit? operativa ? produttore di effetto utile frigorifero di raffrescamento;
B) prelevare dall?aria atmosferica esterna il calore di evaporazione (a bassa temperatura) del gas refrigerante, durante il funzionamento invernale della pompa di calore che in questa modalit? operativa ? produttore di effetto utile termico di riscaldamento;
C) prelevare dall?aria atmosferica esterna il calore di evaporazione del gas refrigerante, nel funzionamento in riscaldamento della pompa di calore in qualit? di produttore di acqua calda sanitaria da stoccare ad una opportuna temperatura (55-80 ?C) nell?apposito serbatoio.
Il serbatoio di produzione e stoccaggio dell?acqua calda per scopi igienicosanitari sar? di opportuno volume, selezionato in funzione delle esigenze giornaliere di utilizzo di acqua calda sanitaria da parte degli occupanti la struttura (a carattere residenziale, commerciale o anche socio-sanitario quale clinica o ospedale). Il serbatoio ? dotato di una doppia serpentina interna di scambio termico, serpentina totalmente estraibile per attivit? di manutenzione, pulizia e sanificazione del componente. Una serpentina ? collegata al sistema di riscaldamento della pompa di calore mentre la seconda al sistema di recupero dell?energia termica rilasciata dalla cella a combustibile (assetto cogenerativo). Dalla parte sommitale del serbatoio di stoccaggio ? prelevata direttamente l?acqua calda, alla temperatura regolata dalla valvola di miscelazione, da inviare alle utenze sanitarie.
Tutto il sistema-impianto ? munito di un?infrastruttura informatica di supervisione e regolazione con logica proprietaria che assolve alle funzioni di:
A) supervisione funzionale;
B) ottimizzazione energetica;
C) regolazione operativa;
D) manutenzione predittiva e
E) auto-apprendimento adattativo, realizzato mediante modelli neurali e di Machine-Learning, o anche su approcci di AI (Artificial Intelligence). La logica di regolazione, controllo e gestione ? nella disponibilit? del Titolare Sottoscritto Scrivente. La programmazione e gestione degli applicativi (Apps) sar? sviluppata e realizzata nel contesto del 5G o 6G, e quindi nel contesto dell?Internet Of Things. Tale sviluppo si avvarr? di applicativi grafici intuitivi, smart e di facile utilizzo, che saranno rilasciati sulle principali piattaforme di smartphone, tablet o notebook quali (a mero titolo esemplificativo e non limitativo) ?iOS? di Apple, ?Android? di Alphabet o ?Windows? di Microsoft. Sar? possibile da remoto accedere ad ogni sezione, componente o apparecchiatura del sistema, controllando, impostando e programmando qualsiasi aspetto energetico-funzionale della struttura e dell?impianto.
Il sistema-impianto ammette come unica fonte energetica primaria esclusivamente energia 100% rinnovabile, quale ? l?energia di natura fotovoltaica o eolica. Nessun impiego di fonte energetica primaria di origine fossile ? contemplato. Il sistema prevede lo stoccaggio stagionale delle eccedenze fotovoltaiche estive, o delle eccedenze eoliche invernali, sotto forma di RSNG ?Renewable Syntetic Natural Gas? (Syngas o anche noto come Green Natural Gas), ossia sotto forma di fonte energetica a base di carbonio ma non di origine fossile, essendo stata prodotta per mezzo di metanazione di H2 (idrogeno) con CO2 (anidride carbonica). Il servizio di ?water-from-air?, che prevede la condensazione dell?acqua potabile dall?aria umida esterna, unitamente al servizio di raccolta, riciclo e riutilizzo di tutte le acque-grigie della struttura abitativa, conferisce al ?sistema-impianto? qui in esame la connotazione di ?zero water footprint?. Tale caratteristica ? riconosciuta a quelle soluzioni tecniche che minimizzano (o al limite annullano) il loro impatto sulla primaria, e assolutamente limitata, risorsa costituita dall?acqua dolce potabile oggi disponibile sulla Terra. Si evidenzia, infatti, che la pratica della condensazione dell?umidit? assoluta ambiente, umidit? naturalmente presente in aria atmosferica, ? totalmente sostenibile in ottica ambientale essendo questa umidit? continuamente rigenerata attraverso il processo di naturale, spontanea ed incessante evaporazione oceanica.
I vantaggi offerti dalla presente invenzione sono evidenti alla luce della descrizione fin qui esposta e saranno ancora pi? chiari grazie alla figura annessa e alla relativa descrizione dettagliata.
Descrizione della figura
L?invenzione verr? qui di seguito descritta in una forma di realizzazione preferita a titolo esplicativo e non limitativo con l?ausilio della figura annessa nella quale: - FIGURA 1 mostra in forma schematica i componenti del sistema impiantisticoenergetico ed i relativi collegamenti funzionali fra tali elementi.
Descrizione dettagliata dell?invenzione
La presente invenzione verr? ora illustrata a titolo puramente esemplificativo ma non limitativo o vincolante, ricorrendo alla figura la quale illustra una realizzazione relativamente al presente concetto inventivo.
Con riferimento alla Fig. 1 sono mostrati in forma schematica i componenti del sistema impiantistico-energetico ed i relativi collegamenti funzionali fra tali elementi atti a produrre energia 100% rinnovabile senza emissioni di CO2 rendendo la struttura (edificio abitativo, commerciale o a carattere sociosanitario) completamente auto-sufficiente evitando la necessit? di urbanizzazione primaria del territorio. Detto sistema comprende:
- una fonte di energia primaria unica 1 atta a generare e fornire energia in accordo al fabbisogno energetico annuale della struttura, e in funzione della particolare regione geografica in esame. Tale fonte di energia primaria unica 1 ? al 100% rinnovabile come ad esempio l?energia fotovoltaica o energia eolica;
- un dispositivo di accumulo energetico 2 in batterie chimiche (ad esempio ioni di litio) atto a conferire a tutto il sistema una ?elasticit? energetica?, prevedendo un ciclo di carica-scarica nel range di 24-72 ore, assolvendo la primaria funzione di ?vaso energetico di espansione? in relazione all?architettura impiantistica della soluzione. La percentuale di carica residua del pacco batterie sar? alla base della logica di gestione di detta cella a combustibile 9, e contestualmente il suo livello di carica verr? governato da detto supervisore PLC (?Programmable Logic Controller?) 3, 15, 17, 19 anche in funzione delle previsioni meteo delle successive 48 ore. Detto dispositivo di accumulo energetico 2 costituisce anche un ?nodo dinamico? in riferimento ai kW di potenza elettrica istantanea richiesta dai servizi di tutta la struttura, permettendo di gestire in sicurezza picchi elevati di assorbimento elettrico e garantendo una continuit? di servizio anche in caso di forte contemporaneit? di utilizzo dei servizi elettrici interni;
- un supervisore PLC (?Programmable Logic Controller?) 3 atto a gestire i flussi elettrici di scarica delle batterie di detto dispositivo di accumulo energetico 2, con la finalit? di garantire primariamente il soddisfacimento delle richieste di potenza istantanea proveniente da tutte le utenze funzionali della struttura 10, 11, 12, 13, 16 e stabilire quando attivare un elettrolizzatore 4 avviando la conversione in idrogeno (H2) dell?energia elettrica stoccata temporaneamente nelle batterie;
- detto elettrolizzatore 4 per la produzione di idrogeno ad elevatissimo grado di purezza (>99.9%) e con il pi? alto grado di rendimento. Detto elettrolizzatore 4 ? atto all?erogazione di gas (H2) ad una pressione superiore ai 20 bar il quale viene temporaneamente immagazzinato in un opportuno volume di interfaccia e trasferito verso un metanatore 5. Il temporaneo immagazzinamento ha la sola finalit? di assicurare al metanatore un funzionamento regolare, continuativo e stabile;
- detto metanatore 5 utilizza la nota ?reazione Sabatier? dove da n.1 mole di <anidride carbonica (CO>2) unitamente a n.4 moli di idrogeno (H2) si ottengono n.1 mole di metano (CH4) e n.2 moli di acqua (H2O). La reazione ? esotermica e pertanto il metanatore 5 deve essere costantemente raffreddato mediante adduzione di un opportuno vettore/fluido refrigerante 14. Detta linea del vettore/fluido refrigerante 14 ? atta anche alla funzione di deidratazione del metano, un processo termotecnico che consiste nella condensazione delle n.2 moli di vapore d?acqua ottenuta come prodotto dalla ?reazione Sabatier?;
- un serbatoio interrato 6 di stoccaggio energetico di lungo periodo, atto a ricevere e conservare il gas metano (CH4) deidratato (ossia privo di H2O) e compresso alla pressione di circa 70-80 bar. Il volume di detto serbatoio 6 ? definito in accordo al profilo energetico annuale delle utenze servite, unitamente alle caratteristiche di irraggiamento solare medio annuale e/o ventilazione prevalente annuale, i cui valori dipendono dalla regione o localit? geografica di installazione;
- una linea di recupero 7 atta al riciclo dell?acqua all?interno del ?sistemaimpianto?, con le finalit? di minimizzare il fabbisogno di acqua da estrarre dall?aria umida esterna tramite il componente frigorifero 11;
- una linea di recupero 8 atta al riutilizzo dell?anidride carbonica (CO2) liberata da una cella a combustibile 9 attraverso il suo camino di espulsione. Vista la non contemporaneit? di attivazione dei servizi energetici di detto metanatore 5 e detta cella a combustibile 9, tale riciclo viene effettuato mediante un meccanismo di cattura e stoccaggio ?in-situ? di CO2 liquida. La cattura e sequestro della CO2 ? realizzata direttamente ?in-situ? dai fumi di scarico di detta cella a combustibile 9 ovvero anche attraverso una filiera di rifornimento ?in-situ? di bombole di CO2 liquida ottenuta dall?attivit? (realizzata in diversa localit?) di cattura dell?anidride carbonica dall?aria ambiente, garantendo cos? un impatto di ?zero CO2? del sistema energetico; - detta cella a combustibile 9 ? alimentata a CH4 e impiega la tecnologia SOFC ad ?ossidi solidi?, o successive evoluzioni tecnologiche. Detta cella a combustibile 9 ossida il metano senza ricorrere a combustione, producendo contestualmente sia energia elettrica che energia termica sotto forma di acqua riscaldata. Non effettuando alcuna combustione, il componente ? privo di emissioni inquinanti quali SOx o NOx. Detta cella a combustibile 9 ? munita di camino per l?espulsione di gas caldi, gas che sono costituiti esclusivamente da CO2 (biossido di carbonio) e H2O (vapore d?acqua). - detto componente frigorifero 11 svolge la funzione di deumidificazione dell?aria umida atmosferica, con sistema di filtrazione e trattamento chimico sanificante dell?acqua condensata ai fini di un suo impiego per scopi potabili. Detto componente frigorifero 11 ? di natura termotecnica ed utilizza detta linea del vettore/fluido refrigerante 14. Detto componente frigorifero 11 deve essere necessariamente installato all?aperto in quanto il suo funzionamento si basa sulla ventilazione di un grande quantitativo (m<3>/h) di aria umida atmosferica, dalla quale si estrae (o si condensa) il suo naturale contenuto di umidit? assoluta (kgH20/kgaria). Detto componente frigorifero 11 ha esclusiva alimentazione elettrica e si basa sul principio del circuito frigorifero a compressione di vapore di gas refrigerante in cui tale gas pu? avere origine naturale (R744) o sintetica a basso impatto ambientale (fluidi HFO con GWP<150);
- sistema di ultra-filtrazione 12 e trattamento sanificante per le acqua grigie di scarico dell?impianto idraulico a servizio della struttura. L?acqua cos? come trattata da detto sistema di ultra-filtrazione 12, sar? riutilizzata per soddisfare scopi e servizi non potabili della struttura quali irrigazione, lavaggi esterni, alimentazione delle cassette di scarico, alimentazione di detta cella a combustibile 9. Successive implementazioni della soluzione potranno prevedere l?impiego di filtrazioni chimiche sanificanti (anche ad osmosi) per il re-impiego dell?acqua, cos? come riciclata e trattata, anche per finalit? potabili o igienico-sanitarie;
- una pompa di calore (PdC) 13 a compressione di vapore di fluido refrigerante atta alla produzione di: A) acqua refrigerata per il raffrescamento estivo degli ambienti occupati e contestuale controllo del livello di umidit? relativa interna ai medesimi ambienti; B) acqua calda per il riscaldamento invernale degli ambienti occupati; C) acqua calda per finalit? igienico-sanitarie. Detta pompa di calore 13 sar? collegata alla linea del vettore/fluido refrigerante 14 la quale potr? contenere un fluido refrigerante di origine naturale quale il fluido R744 (anche noto come CO2), o anche di origine sintetica ma caratterizzato da un basso (fluido HFC) o bassissimo (fluido HFO) impatto ambientale, con ridotto valore di GWP (Global Warming Potential);
- detta linea del vettore/fluido rigenerante 14 ? atta al collegamento dei servizi termotecnici del ?sistema-impianto? a detta pompa di calore 13 dove risiede fisicamente il servizio di compressione volumetrica dei vapori di gas refrigerante e la contestuale produzione di acqua refrigerata. All?interno di questa tubazione metallica di collegamento dei componenti 5, 11, 13 pu? fluire direttamente gas refrigerante in forma liquida, oppure una soluzione refrigerante (salina o glicolata) a base acquosa o ancora semplice acqua fredda priva di qualsiasi additivo;
- detto PLC (?Programmable Logic Controller?) 15 atto al controllo e alla supervisione dell?interfaccia energetica di scambio di detta pompa di calore 13. In particolare questa funzione sar? espletata da valvole automatizzate a ?2-vie? o a ?3-vie? che saranno azionate secondo una logica di gestione atta a governare l?interfaccia di scambio termico ad alta temperatura della pompa di calore (PdC) 13, dirottando il vettore caldo prodotto alternativamente o su uno scambiatore 16 (es. ?dry-cooler?) di scambio termico in ambiente esterno, o su uno scambiatore a fascio tubiero inserito nel serbatoio di produzione e stoccaggio 18 dell?acqua calda da utilizzare per impieghi igienico-sanitari. Detto PLC (Programmable Logic Controller) 17, ? altres? atto al controllo dell?interfaccia di scambio termico (ad alta temperatura) della cella a combustibile 9, dirottando il vettore caldo prodotto durante il funzionamento della cella a combustibile 9 alternativamente o sullo scambiatore 16 di scambio termico in ambiente esterno, o sullo scambiatore a fascio tubiero inserito nel serbatoio di produzione e stoccaggio 18 dell?acqua calda sanitaria. Tale servizio sottolinea l?impiego in assetto cogenerativo (energia elettrica energia termica) della cella a combustibile 9 quando essa ? chiamata ad operare in relazione ai fabbisogni energetici previsionali della struttura;
- detto scambiatore 16 (noto come ?dry-cooler?) ha il compito di bilanciare energeticamente il funzionamento della pompa di calore 13. In particolare prevede di: A) smaltire in aria atmosferica esterna il calore di condensazione del gas refrigerante, durante il funzionamento estivo della pompa di calore 13 che in questa modalit? operativa ? produttore di effetto utile frigorifero di raffrescamento; B) prelevare dall?aria atmosferica esterna il calore di evaporazione (a bassa temperatura) del gas refrigerante, durante il funzionamento invernale della pompa di calore 13 che in questa modalit? operativa ? produttore di effetto utile termico di riscaldamento; C) prelevare dall?aria atmosferica esterna il calore di evaporazione del gas refrigerante, nel funzionamento in riscaldamento della pompa di calore 13 in qualit? di produttore di acqua calda sanitaria da stoccare ad una opportuna temperatura (range 55-80 ?C) nel serbatoio 18 dedicato a questo servizio;
- detto serbatoio di produzione e stoccaggio 18 dell?acqua calda per scopi igienico-sanitari ? opportunamente dimensionato in funzione delle esigenze giornaliere di utilizzo di acqua calda sanitaria da parte degli occupanti la struttura. Detto serbatoio di produzione e stoccaggio 18 ? dotato di una doppia serpentina interna di scambio termico totalmente estraibile per attivit? di manutenzione, pulizia e sanificazione del componente. Una serpentina ? collegata al sistema di riscaldamento della pompa di calore 13, mentre la seconda serpentina ? collegata al sistema di recupero dell?energia termica rilasciata dalla cella a combustibile 9 (assetto cogenerativo). Dalla parte sommitale del serbatoio di produzione e stoccaggio 18 ? prelevata direttamente l?acqua calda (ad una temperatura regolata dalla valvola di miscelazione con acqua fredda) da inviare alle utenze sanitarie;
- un dispositivo centrale di controllo 19 (PLC ?Programmable Logic Controller? o anche DDC ?Direct Digital Controller?) monitora l?intero sistema-impianto ed ? atto a svolgere le funzioni di: A) supervisione funzionale; B) ottimizzazione energetica; C) regolazione operativa; D) manutenzione predittiva e E) auto-apprendimento adattativo, realizzato mediante modelli neurali, di Machine-Learning o su approcci di Intelligenza Artificiale (IA). La programmazione e gestione degli applicativi ? realizzata nel contesto del 5G o 6G, e dell??Internet Of Things? (IoT). Detto dispositivo permette di accedere da remoto ad ogni parte o apparecchiatura del sistema, permettendo agli utenti di controllare, impostare e programmare (anche da remoto) qualsiasi aspetto energeticofunzionale della struttura.
Detto sistema-impianto ammette come unica fonte energetica primaria esclusivamente energia 100% rinnovabile, come l?energia di natura fotovoltaica o eolica. Nessun impiego di fonte energetica primaria di origine fossile ? contemplato. Detto sistema prevede lo stoccaggio stagionale delle eccedenze fotovoltaiche estive, e/o delle eccedenze eoliche invernali, sotto forma di RSNG ?Renewable Syntetic Natural Gas? (Syngas o anche noto come ?Green Natural Gas?), ossia sotto forma di fonte energetica a base di carbonio ma non di origine fossile, essendo stata prodotta per mezzo di metanazione di H2 (idrogeno) con CO2 (anidride carbonica).
L?insieme delle utenze 10 interne alla struttura, nonch? dei servizi per la mobilit? personale, sono di esclusiva alimentazione elettrica, dal forno/piano cottura ad induzione per la preparazione dei cibi, fino all?automobile 100% elettrica, ecc. ? infine chiaro che all?invenzione fin qui descritta possono essere apportate modifiche, aggiunte o varianti ovvie per un tecnico del ramo, senza per questo fuoriuscire dall?ambito di tutela che ? fornito dalle rivendicazioni annesse.
Claims (10)
1. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente caratterizzato dal fatto che detto sistema-impianto ? atto a garantire il soddisfacimento di tutte le esigenze umane, sia fisiologiche che energetiche e funzionali, in qualsiasi locazione geografica anche in assenza di servizi di ?urbanizzazione primaria? quali rete elettrica, rete gas e rete idro-potabile; detto sistema-impianto comprendendo:
? una fonte di energia primaria unica (1) al 100% rinnovabile atta a generare e fornire energia elettrica in accordo al fabbisogno energetico annuale della struttura abitativa;
? un dispositivo di accumulo energetico (2) in batterie chimiche atto ad assolvere la primaria funzione di ?vaso energetico di espansione? in relazione all?architettura impiantistica della soluzione; la percentuale di carica residua del pacco batterie ? alla base della logica di gestione di una cella a combustibile (9), e contestualmente il suo livello verr? governato da un supervisore PLC (?Programmable Logic Controller?) (3, 15, 17, 19); detto dispositivo di accumulo energetico (2) costituisce inoltre un nodo dinamico in riferimento ai kW di potenza elettrica istantanea richiesta dai servizi interni di tutta la struttura, gestendo in sicurezza picchi elevati di loro assorbimento elettrico, e garantendo una continuit? di servizio anche in caso di forte contemporaneit? di utilizzo dei servizi e/o utenze abitative;
? detto supervisore PLC (?Programmable Logic Controller?) (3) atto a gestire i flussi elettrici di scarica delle batterie di detto dispositivo di accumulo energetico (2), con la finalit? di garantire primariamente il soddisfacimento delle richieste di potenza elettrica istantanea proveniente da tutte le utenze funzionali della casa (10, 11, 12, 13, 16) e stabilire quando attivare un elettrolizzatore (4) avviando la conversione dell?energia elettrica accumulata in idrogeno (H2);
? detto elettrolizzatore (4) per la produzione di idrogeno ad elevatissimo grado di purezza >99,9% e altissimo grado di rendimento atto all?erogazione di gas (H2) ad una pressione superiore ai 20 bar, il quale viene immagazzinato in un opportuno volume di interfaccia e trasferito verso un metanatore (5); detto volume di interfaccia avendo la finalit? di assicurare al metanatore (5) un funzionamento regolare, continuativo e stabile;
? detto metanatore (5) atto ad applicare e contenere la ?reazione Sabatier? dove da n.1 mole di anidride carbonica unitamente a n.4 moli di idrogeno si ottengono n.1 mole di metano e n.2 moli di acqua; tale reazione ? esotermica pertanto detto metanatore (5) deve essere costantemente raffreddato mediante adduzione di un opportuno vettore/fluido refrigerante (14) il quale ? atto anche alla funzione di deidratazione del metano;
? un serbatoio interrato (6) di stoccaggio energetico di lungo periodo, atto a ricevere e conservare il gas metano, preventivamente deidratato, compresso alla pressione di circa 70-80 bar;
? una linea di recupero (7) atta al riciclo dell?acqua all?interno del sistemaimpianto, con le finalit? di minimizzare il fabbisogno di acqua da estrarre dall?aria umida esterna tramite un componente frigorifero (11);
? una linea di recupero (8) atta al riutilizzo dell?anidride carbonica liberata da una cella a combustibile (9) attraverso il suo camino di espulsione; data la non contemporaneit? di attivazione dei servizi energetici di detto metanatore (5) e detta cella a combustibile (9), tale riciclo essendo effettuato mediante un meccanismo di cattura e stoccaggio ?in-situ? di anidride carbonica liquida;
? detta cella a combustibile (9) alimentata a CH4 che impiega la tecnologia SOFC ad ?ossidi solidi?; detta cella a combustibile (9) ossida il metano evitando di ricorrere alla sua combustione e producendo contestualmente sia energia elettrica che energia termica sotto forma di acqua riscaldata; detta cella a combustibile (9) essendo munita di camino per l?espulsione di gas caldi, gas che sono costituiti esclusivamente da CO2 (biossido di carbonio) e H2O (vapore d?acqua);
? detto componente frigorifero (11) atto a svolgere la funzione di deumidificazione dell?aria umida atmosferica, con sistema di filtrazione e trattamento dell?acqua condensata ai fini di un suo impiego per scopi potabili; detto componente frigorifero (11) essendo di natura termotecnica ed utilizzando detta linea del vettore/fluido refrigerante (14); detto componente frigorifero (11) essendo esclusivamente dotato di alimentazione elettrica e basandosi sul principio del circuito frigorifero a compressione di vapore di gas refrigerante;
? un sistema di ultra-filtrazione (12) e trattamento sanificante per le acque grigie di scarico dell?impianto idraulico a servizio della struttura; detto sistema di ultra-filtrazione (12) essendo atto a trattare l?acqua che sar? riutilizzata per soddisfare scopi e servizi della struttura diversi da quelli potabili quali: irrigazione, lavaggi esterni, alimentazione delle cassette di scarico, alimentazione di detta cella a combustibile (9);
? una pompa di calore (13) a compressione di vapore di fluido refrigerante atta alla produzione di:
A) acqua refrigerata per il raffrescamento estivo degli ambienti occupati e contestuale controllo del livello di umidit? relativa interna ai medesimi ambienti;
B) acqua calda per il riscaldamento invernale degli ambienti occupati; C) acqua calda per finalit? igienico-sanitarie;
detta pompa di calore (13) essendo collegata a detta linea del vettore/fluido refrigerante (14) la quale contiene un fluido refrigerante; ? detta linea del vettore/fluido rigenerante (14) atta al collegamento dei servizi termotecnici del ?sistema-impianto? a detta pompa di calore (13) dove risiede fisicamente il servizio di compressione volumetrica dei vapori di gas refrigerante e produzione di acqua refrigerata;
? un PLC (?Programmable Logic Controller?) (15) atto al controllo e alla supervisione dell?interfaccia di scambio termico ad alta temperatura di detta pompa di calore (13), in particolare questa funzione sar? espletata da una valvola automatizzata a ?2-vie? o a ?3-vie?, valvola che viene azionata secondo una logica di gestione atta a convogliare il vettore caldo prodotto alternativamente o su uno scambiatore (16) di scambio termico in ambiente esterno, o su uno scambiatore a fascio tubiero inserito nel serbatoio di produzione e stoccaggio (18) di acqua calda per finalit? igienico-sanitarie;
? detto scambiatore (16), noto come ?dry-cooler?, atto a bilanciare energeticamente il funzionamento della pompa di calore (13) ed atto a: A) smaltire in aria atmosferica esterna il calore di condensazione del gas refrigerante, durante il funzionamento estivo della pompa di calore (13) che in questa modalit? operativa ? produttore di effetto utile frigorifero di raffrescamento;
B) prelevare dall?aria atmosferica esterna il calore di evaporazione (a bassa temperatura) del gas refrigerante, durante il funzionamento invernale della pompa di calore (13) che in questa modalit? operativa ? produttore di effetto utile termico di riscaldamento;
C) prelevare dall?aria atmosferica esterna il calore di evaporazione del gas refrigerante, nel funzionamento in riscaldamento della pompa di calore (13) in qualit? di produttore di acqua calda sanitaria da stoccare ad una temperatura compresa tra 55?C e 80 ?C nel serbatoio di produzione e stoccaggio (18) dedicato a questo servizio;
? un PLC (Programmable Logic Controller) (17), atto alla gestione dell?interfaccia di scambio termico ad alta temperatura della cella a combustibile (9), dirottando il vettore caldo prodotto durante il funzionamento di detta cella a combustibile (9) alternativamente o sullo scambiatore (16) di scambio termico in ambiente esterno, o sullo scambiatore a fascio tubiero inserito nel serbatoio di produzione e stoccaggio (18) dell?acqua calda per finalit? igienico-sanitarie;
? detto serbatoio di produzione e stoccaggio (18) dell?acqua calda, dotato di una doppia serpentina interna di scambio termico totalmente estraibile per attivit? di manutenzione, pulizia e sanificazione del componente; una serpentina essendo collegata al sistema di riscaldamento della pompa di calore (13), mentre la seconda serpentina essendo collegata al sistema di recupero dell?energia termica rilasciata dalla cella a combustibile (9); dalla parte sommitale del serbatoio di produzione e stoccaggio (18) essendo prelevata direttamente l?acqua calda, alla temperatura regolata da una valvola di miscelazione, da inviare alle utenze sanitarie.
2. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente, secondo la precedente rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fonte di energia primaria unica (1) al 100% rinnovabile ? energia di origine fotovoltaica e/o eolica, prodotta tramite pannelli fotovoltaici o pale eoliche, o una combinazione di entrambe le tecnologie.
3. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che all?interno della tubazione di collegamento dei componenti (5, 11, 13) di detta linea del vettore/fluido refrigerante (14), fluisce una soluzione refrigerata, salina o glicolata, a base acquosa.
4. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che all?interno della tubazione di collegamento dei componenti (5, 11, 13) di detta linea del vettore/fluido refrigerante (14), fluisce gas refrigerante in forma liquida.
5. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che all?interno della tubazione di collegamento dei componenti (5, 11, 13) di detta linea del vettore/fluido refrigerante (14), fluisce acqua fredda priva di qualsiasi additivo.
6. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di accumulo energetico (2) in batterie chimiche ha un ciclo di carica-scarica di breve periodo e quantificabile nel range di 24-72 ore.
7. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la cattura e sequestro dell?anidride carbonica ? realizzata direttamente ?in-situ? dai fumi di scarico di detta cella a combustibile (9).
8. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed autosufficiente, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che la cattura e sequestro dell?anidride carbonica ? realizzata attraverso una filiera di rifornimento di bombole di CO2 liquida ottenuta dall?attivit?, realizzata in diversa localit?, di cattura dell?anidride carbonica dall?aria ambiente garantendo un impatto di ?zero CO2?.
9. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che l?insieme delle utenze e dei servizi (10) interni all?abitazione, sono di esclusiva alimentazione elettrica prodotta da detto sistema-impianto.
10. Sistema-impianto per struttura civile ad isola completamente autonoma ed auto-sufficiente, secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di supervisione e controllo (19) atto a monitorare l?intero sistema-impianto ed atto a svolgere le funzioni di:
A) supervisione funzionale;
B) ottimizzazione energetica;
C) regolazione operativa;
D) manutenzione predittiva e
E) auto-apprendimento adattativo,
detto dispositivo di controllo (19) essendo realizzato mediante modelli neurali o su approcci di Intelligenza Artificiale (IA) o di Machine-Learning; la programmazione e gestione degli applicativi essendo realizzata nel contesto del 5G o 6G, e dell?Internet Of Things (IoT); detto dispositivo (19) permettendo di accedere da remoto per mezzo di qualsivoglia dispositivo mobile, ad ogni parte o apparecchiatura del sistema, controllando, impostando e programmando qualsiasi aspetto energetico-funzionale della struttura residenziale, commerciale, di cura o socio-sanitaria.
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ID=74669244
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013029701A1 (de) * | 2011-08-29 | 2013-03-07 | Ostsee Maritime Gmbh | Energieversorgungsanlage, insbesondere für den bereich der haustechnik |
-
2020
- 2020-11-12 IT IT102020000027083A patent/IT202000027083A1/it unknown
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