IT202100000209A1 - METHANE GAS ENGINE, SUITABLE FOR CONVERTING METHANE GAS COMING FROM PIPELINES INTO ELECTRICITY AT ZERO COST AND WITH ZERO CO2 EMISSIONS - Google Patents
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Description
Descrizione dell?invenzione avente per titolo: Description of the invention entitled:
?MOTORE A GAS METANO, ATTO A CONVERTIRE IN ENERGIA ELETTRICA IL GAS METANO PROVENIENTE DA METANODOTTI A COSTO ZERO E A ZERO EMISSIONI DI CO2? ?METHANE GAS ENGINE, SUITABLE FOR CONVERTING METHANE GAS COMING FROM PIPELINES INTO ELECTRICITY AT ZERO COST AND WITH ZERO CO2 EMISSIONS?
Descrizione Description
Campo della tecnica field of technique
La presente invenzione opera nell?ambito delle infrastrutture di distribuzione del gas metano. Pi? dettagliatamente l?oggetto di questa domanda di brevetto ? un motore a gas metano che consenta di raccogliere il gas metano direttamente da una grossa fonte di produzione senza dover produrre energia appositamente per lo scambio evitando un notevole dispendio di energia. The present invention operates in the context of methane gas distribution infrastructures. Pi? in detail the object of this patent application? a methane gas engine that allows methane gas to be collected directly from a large source of production without having to produce energy specifically for the exchange, thus avoiding a considerable expenditure of energy.
Arte nota Known art
Il modello ideato dalla Westinghouse Electric, con poche modifiche, corrisponde ancora oggi al modello di distribuzione della corrente elettrica in tutto il mondo. Sebbene le tensioni d?esercizio commerciale ed industriale dei singoli paesi cambino, il modello concettuale ? uguale per tutti. La corrente elettrica viene prodotta nelle centrali elettriche, che convertono vari tipi di energia (nucleare, termica, idraulica, eolica, solare, ecc.) in un moto costante di giganteschi alternatori, ossia dei rotori magnetici che girano attorno a un elemento conduttore, capace di generare una forza elettromotrice. Gli alternatori producono spontaneamente un flusso elettronico alternato nella polarit?, che viene opportunamente unito ad altri due flussi di eguale tensione, formando un sistema definito ?trifase?. Grazie al sistema trifase, l?energia elettrica viene inviata, in altissima tensione e tramite elettrodotti, per chilometri e chilometri fino alla relativa centrale di distribuzione, dove arriva praticamente intatta, con minime dispersioni termiche. The model devised by Westinghouse Electric, with a few modifications, still corresponds today to the model of distribution of electricity throughout the world. Although the commercial and industrial operating tensions of individual countries change, the conceptual model is The same for everyone. Electricity is produced in power plants, which convert various types of energy (nuclear, thermal, hydraulic, wind, solar, etc.) into a constant motion of gigantic alternators, i.e. magnetic rotors that rotate around a conducting element, capable to generate an electromotive force. The alternators spontaneously produce an electronic flux with alternating polarity, which is suitably combined with two other fluxes of equal voltage, forming a system defined as "three-phase". Thanks to the three-phase system, the electricity is sent, in very high voltage and via power lines, for kilometers and kilometers up to the relative distribution center, where it arrives practically intact, with minimal heat loss.
Ad oggi, per?, il costo dell?approvvigionamento di energia elettrica si misura non solo in termini economici ma soprattutto tenendo presenti le opportunit? di risparmio energetico oltre alle profonde problematiche ambientali, elemento chiave della nostra epoca. To date, however, the cost of the supply of electricity is measured not only in economic terms but above all bearing in mind the opportunities? of energy saving as well as the profound environmental problems, a key element of our age.
In questo senso si sono sviluppati una pluralit? di metodi per il risparmio e la trasformazione dell?energia. Tra questi esistono gli impianti a cogenerazione per le grandi industrie che hanno lo scopo di auto produrre energia elettrica e termica, combinata, mediante l?utilizzo di motori endotermici alimentati a gas naturale. Ad esempio, in un?azienda denominata Ventures s.r.l., l?impianto di cogenerazione ? alloggiato in un container insonorizzante predisposto per includere le diverse sezioni dell?impianto: il gruppo elettrogeno a gas metano, il generatore di vapore, gli scambiatori termici, la sala quadri elettrici ed il trasformatore elevatore. Nel dettaglio l?impianto comprende: In this sense have developed a plurality? of methods for saving and transforming energy. Among these there are cogeneration plants for large industries that have the purpose of self-producing combined electrical and thermal energy through the use of endothermic engines fueled by natural gas. For example, in a company called Ventures s.r.l., the cogeneration plant? housed in a soundproof container designed to include the various sections of the plant: the methane gas generator, the steam generator, the heat exchangers, the electrical switchboard room and the step-up transformer. In detail, the system includes:
- un gruppo elettrogeno Waukesha APG1000 alimentato a gas naturale (metano); - a Waukesha APG1000 generator powered by natural gas (methane);
- una potenza elettrica nominale di 1.000 kWe; - a nominal electrical power of 1,000 kWe;
- una potenza termica nominale pari a 970 kWt. - a nominal thermal power of 970 kWt.
Dal recupero dei circuiti di raffreddamento delle camicie del motore, dal circuito di raffreddamento dell'olio e dell?intercooler viene prodotta acqua calda, mentre dai gas di scarico viene prodotto vapore saturo. L?energia termica prodotta dall?impianto viene impiegata principalmente nel processo produttivo dello stabilimento ed in parte per il riscaldamento invernale. Hot water is produced from the recovery of the engine jacket cooling circuits, from the oil cooling circuit and from the intercooler, while saturated steam is produced from the exhaust gases. The thermal energy produced by the plant is mainly used in the production process of the plant and partly for winter heating.
Un altro esempio di dispositivo di produzione di calore ed elettricit? con un unico combustibile metano ? un dispositivo chiamato Totem. Esso consente una riduzione di emissioni fino al 40% rispetto alla media con un conseguente risparmio a beneficio di ciascun utilizzatore. La produzione di elettricit? e calore ? in costante monitoraggio dei consumi grazie ad una piattaforma web dedicata che indica, inoltre, la potenza elettrica e termica costantemente erogate. Another example of a heat and electricity producing device? with a single methane fuel ? a device called a Totem. It allows a reduction of emissions up to 40% compared to the average with consequent savings for the benefit of each user. The production of electricity? and heat? in constant monitoring of consumption thanks to a dedicated web platform which also indicates the electrical and thermal power constantly supplied.
Tra le soluzioni ad oggi in uso non sembra esistere un sistema che consenta di inviare energia direttamente da una grossa fonte di produzione ad uno scambiatore di energia, senza dover produrre energia appositamente per lo scambio. Scopo della presente invenzione ? risolvere tale problematica consentendo un notevole risparmio di metano associato alla produzione di energia elettrica. Among the solutions in use today, there does not seem to exist a system that allows energy to be sent directly from a large production source to an energy exchanger, without having to produce energy specifically for the exchange. Purpose of the present invention? solve this problem by allowing a considerable saving of methane associated with the production of electricity.
Descrizione dell?invenzione Description of the invention
Secondo la presente invenzione viene realizzato un motore a gas metano progettato per produrre energia elettrica utilizzando il gas metano proveniente da metanodotti, stazioni di riduzione, distribuzione e trasporto di gas naturale opportunamente filtrato. According to the present invention a methane gas engine is provided designed to produce electrical energy using the methane gas coming from methane pipelines, reduction stations, distribution and transport of suitably filtered natural gas.
La pressione del gas metano viene cos? convertita in una quantit? di energia elettrica variabile, in rapporto alla portata del motore in oggetto, consentendo un re-impiego di energia trasferibile, a costo zero, in una rete elettrica o in batterie di accumulo che mantengono l?energia generata a disposizione per qualsiasi impiego. The pressure of the methane gas is cos? converted into a quantity? variable electric energy, in relation to the capacity of the motor in question, allowing a re-use of transferable energy, at no cost, in an electric grid or in storage batteries which keep the generated energy available for any use.
Sono compresi nel motore in oggetto: The engine in question includes:
- un motore a pistoni; - a piston engine;
- almeno un alternatore; - at least one alternator;
- un albero d?ingresso; - an entrance tree;
- un albero di trasmissione, comprendente almeno un giunto di scambio monodirezionale; - a transmission shaft, comprising at least one one-way transfer joint;
- almeno un?interfaccia atta ad impedire il ritorno dell?energia in uso in caso di fermo motore. - at least one? interface able to prevent the return of the energy in use in case of engine stop.
Il processo di conversione del gas metano, proveniente dai su elencati metanodotti, ha inizio a partire dalla deviazione, per mezzo di un albero di ingresso, che consente anche la misurazione della pressione del metano in ingresso per mezzo di un sensore di pressione, internamente al suddetto motore. Ciascun pistone comprendendo almeno due valvole interne: almeno una valvola a monte, e almeno una valvola a valle, di scarico pressione atta ad intervenire automaticamente in caso di guasto. Tramite l?attivazione dei suddetti pistoni, il processo prosegue fino al trasferimento tramite il suddetto albero di trasmissione ed un giunto di scambio monodirezionale, nel suddetto alternatore. The methane gas conversion process, coming from the methane pipelines listed above, begins from the deviation, by means of an input shaft, which also allows the methane input pressure to be measured by means of a pressure sensor, inside the said engine. Each piston comprising at least two internal valves: at least one upstream valve, and at least one downstream pressure relief valve suitable for automatically intervening in the event of a failure. Through the activation of the aforesaid pistons, the process continues up to the transfer through the aforesaid transmission shaft and a unidirectional exchange joint, in the aforesaid alternator.
In caso di fermo motore la suddetta interfaccia impedisce il ritorno dell?energia in uso: essa, inoltre, ? lo snodo di trasmissione verso una rete elettrica ad una portata minima di 3 Kwh e massima di 200 Kwh. In the event of engine standstill, the aforementioned interface prevents the return of energy in use: it also ? the transmission hub towards an electricity network with a minimum flow rate of 3 kWh and a maximum of 200 kWh.
Vengono garantite portate elevate ed alta precisione della pressione regolata, anche in presenza di pressioni in arrivo fortemente variabili. High flow rates and high precision of the regulated pressure are guaranteed, even in the presence of highly variable incoming pressures.
Eventualmente e vantaggiosamente una pluralit? di guarnizioni dinamiche garantiscono un?assenza di perdite e bassissimi attriti allungando il ciclo di vita dell?intero trasformatore. Possibly and advantageously a plurality? of dynamic seals guarantee an absence of losses and very low friction, extending the life cycle of the entire transformer.
In un?ulteriore versione il suddetto trasformatore ? configurato a stadio unico nel qual caso comprende un motore e un alternatore inclusi all?interno della stessa scatola. In another version, the aforementioned transformer ? configured in single stage in which case it includes an engine and an alternator included inside the same box.
Sempre in un?ulteriore vantaggiosa versione, il trasformatore si caratterizza per una tecnologia di abbassamento della pressione in serie del gas metano nella quale ? compresa una serie contigua di almeno quattro motori, interconnessi, per mezzo di una serie di detti alberi di trasmissione, ciascuno dei quali progettati per abbassare i bar del gas metano che, a conclusione del processo di conversione, esce ad una pressione inferiore rispetto alla pressione d?entrata. Also in another advantageous version, the transformer is characterized by a technology of lowering the pressure in series of the methane gas in which ? including a contiguous series of at least four engines, interconnected, by means of a series of said transmission shafts, each of which designed to lower the bar of methane gas which, at the end of the conversion process, comes out at a lower pressure than the pressure of entry.
In una versione tecnologica il motore in oggetto converte energia elettrica ma ? alimentato a idrogeno e/o a energia verde, ricavata dal sole o dall?acqua senza emissioni di co2. In a technological version, the engine in question converts electricity but ? powered by hydrogen and/or green energy, obtained from the sun or water without CO2 emissions.
In una variante vantaggiosa sono inclusi nel motore un filtro particellare integrato ad alta efficienza, una valvola di scambio mono-direzionale che mantiene un alto livello di pressione, anche nelle fasi di inutilizzo ed una valvola di scarico pressione che interviene automaticamente in caso di guasto del regolatore di pressione. In an advantageous variant, the engine includes an integrated high-efficiency particle filter, a one-way exchange valve which maintains a high level of pressure, even when not in use, and a pressure relief valve which automatically intervenes in the event of a failure of the pressure regulator.
L?intero impianto viene collaudato ad una pressione di 1/1,2 dalla pressione di esercizio per verificarne la capacit? di sopportazione delle pressioni mentre al fine di una verifica di assenza di perdite viene impiegato un manotermografo per la pressione. The entire system is tested at a pressure of 1/1.2 from the operating pressure to verify its capacity? of withstanding the pressures while a manothermograph for pressure is used for the purpose of verifying the absence of leaks.
Descrizione delle figure Description of the figures
L?invenzione verr? qui di seguito descritta in almeno una forma di realizzazione preferita a titolo esplicativo e non limitativo con l?ausilio delle figure annesse, nelle quali: The invention will come described hereinafter in at least one preferred embodiment by way of explanation and not of limitation with the aid of the accompanying figures, in which:
- FIGURA 1 mostra una vista dell?intero motore a gas metano atto produrre energia elettrica che a partire da un motore 1 a pistoni 1.2 comprende un albero di ingresso 1.1 comprendente un sensore di pressione di ingresso 1.3 attraverso il quale avviene immissione di gas metano, proveniente da un condotto 100, in detto motore 1, trasportato a sua volta in un alternatore 2 per mezzo di un albero di trasmissione 3 e un giunto 3.1; detto motore, inoltre, comprende un?interfaccia 2.1 snodo di scambio con una rete elettrica 200. - FIGURE 1 shows a view of the entire methane gas engine capable of producing electricity which starting from a piston engine 1 1.2 comprises an input shaft 1.1 comprising an inlet pressure sensor 1.3 through which methane gas is introduced, coming from a duct 100, in said engine 1, transported in turn to an alternator 2 by means of a transmission shaft 3 and a joint 3.1; furthermore, said motor comprises an interface 2.1 exchange joint with an electrical network 200.
- FIGURA 2 mostra un dettaglio di detti pistoni 1.2 ciascuno dei quali comprende almeno una valvola a valle e almeno una valvola a monte 1.5. - FIGURE 2 shows a detail of said pistons 1.2 each of which comprises at least one downstream valve and at least one upstream valve 1.5.
- FIGURA 3 mostra una vista del suddetto motore in una configurazione a stadio unico comprendente un suddetto motore 1.2 e un suddetto alternatore 2 all?interno della stessa scatola, un albero di ingresso 1.1 e un albero di uscita 1.4 ed un?interfaccia 2.1. - FIGURE 3 shows a view of the aforementioned engine in a single stage configuration comprising a aforementioned engine 1.2 and a aforementioned alternator 2 inside the same box, an input shaft 1.1 and an output shaft 1.4 and an interface 2.1.
- FIGURA 4 mostra una vista del motore in una configurazione del processo in serie comprendente una pluralit? di detti motori 1.2 interconnessi per mezzo di una pluralit? di detti alberi di trasmissione 3. FIGURE 4 shows a view of the engine in a series process configuration comprising a plurality of of said engines 1.2 interconnected by means of a plurality? of said transmission shafts 3.
Descrizione dettagliata dell?invenzione Detailed description of the invention
La presente invenzione verr? ora illustrata a titolo puramente esemplificativo ma non limitativo o vincolante, ricorrendo alle figure le quali illustrano alcune realizzazioni relativamente al presente concetto inventivo. Facendo riferimento alla Fig. 1 viene mostrato il motore a gas metano, in oggetto, pensato per convertire gas metano, proveniente da metanodotti, in energia elettrica, installabile su qualsiasi tipo di metanodotto e impiegato in stazioni di riduzione, distribuzione e trasporto di gas naturale opportunamente filtrato. This invention will come now illustrated purely by way of example but not in a limiting or binding way, making use of the figures which illustrate some embodiments with respect to the present inventive concept. With reference to Fig. 1, the methane gas engine in question is shown, designed to convert methane gas, coming from methane pipelines, into electricity, which can be installed on any type of methane pipeline and used in natural gas reduction, distribution and transport stations properly filtered.
Per mezzo del motore in oggetto, invece, viene generata una conversione di energia del gas metano, proveniente da condotti 100, in una quantit? di energia elettrica variabile (compresa tra 3 Kwh e 200 Kwh) in rapporto alla portata di ciascun motore 1 precedentemente installato consentendo cos? un re-impiego di energia trasferibile, a costo zero e a rese costanti, utilizzando il metano, in una rete elettrica 200 o in batterie di accumulo che mantengano l?energia generata a disposizione per qualsiasi impiego. By means of the engine in question, on the other hand, an energy conversion of the methane gas, coming from pipes 100, is generated in a quantity? of variable electrical energy (between 3 kWh and 200 kWh) in relation to the flow rate of each motor 1 previously installed thus allowing? a re-use of transferable energy, at no cost and at constant yields, using methane, in an electric network 200 or in storage batteries which keep the generated energy available for any use.
Il suddetto motore a gas metano comprende almeno un motore 1 a pistoni 1.2 e almeno un alternatore 2 progettati al fine di abbassare la pressione del metano proveniente da un condotto 100, deviandolo per mezzo di un albero di ingresso 1.1 (che consente anche la misurazione della pressione del metano in ingresso per mezzo di un sensore di pressione 1.3) e cos? produrre una quantit? di energia elettrica variabile in rapporto alla portata di ciascun motore a gas metano. Attraverso detto albero d?ingresso 1.1 il gas metano entra in detto motore 1 attivando il processo di produzione di energia elettrica e passando attraverso un albero di trasmissione 3 e un giunto di scambio monodirezionale 3.1 detto gas metano viene trasferito in detto alternatore 2 che genera energia elettrica. Un?interfaccia 2.1 impedisce il ritorno dell?energia in uso in caso di fermo motore. The aforementioned methane gas engine comprises at least one piston engine 1 1.2 and at least one alternator 2 designed to lower the pressure of the methane coming from a duct 100, diverting it by means of an input shaft 1.1 (which also allows the measurement of pressure of the natural gas input by means of a pressure sensor 1.3) and cos? produce a quantity? of variable electrical energy in relation to the capacity of each methane gas engine. Through said input shaft 1.1 the methane gas enters said engine 1 activating the process of production of electricity and passing through a transmission shaft 3 and a one-way exchange joint 3.1 said methane gas is transferred to said alternator 2 which generates energy electric. A 2.1 interface prevents the return of energy in use in the event of engine standstill.
Come mostrato in Fig. 2, ciascuno dei suddetti pistoni 1.2 comprende almeno due valvole interne 1.5: As shown in Fig. 2, each of the aforementioned pistons 1.2 includes at least two internal valves 1.5:
- almeno una valvola a monte, di scambio mono-direzionale pensata per mantenere un alto livello di pressione, anche nelle fasi di inutilizzo e - almeno una valvola a valle, di scarico pressione atta ad intervenire automaticamente in caso di guasto. - at least one upstream, one-way exchange valve designed to maintain a high level of pressure, even when not in use and - at least one downstream, pressure discharge valve capable of automatically intervening in the event of a failure.
Un tale assetto regola la pressione d?uscita consentendo un funzionamento fluido e a ridotto inquinamento acustico dell?intero motore. Such a setup regulates the outlet pressure allowing for smooth, low noise operation of the entire engine.
La suddetta interfaccia 2.1 ? connessa ad una rete di energia elettrica 200 consentendo l?alimentazione da parte del suddetto motore e una produzione di energia elettrica utilizzando il metano una volta abbassate le pressioni e rese costanti. The aforementioned 2.1 interface ? connected to an electric energy network 200 allowing the supply by the aforesaid motor and a production of electric energy using methane once the pressures have been lowered and the yields constant.
In questo modo, inoltre, vengono garantite portate elevate ed alta precisione della pressione regolata, anche in presenza di pressioni in arrivo fortemente variabili. Il suddetto motore 1, inoltre, ? configurabile: Furthermore, in this way high flow rates and high precision of the regulated pressure are guaranteed, even in the presence of highly variable incoming pressures. Furthermore, the aforementioned motor 1 ? configurable:
- a stadio unico nel qual caso comprende un suddetto motore 1.2 e un suddetto alternatore 2 all?interno della stessa scatola (come mostrato in Fig. 3); - single-stage in which case it comprises a aforementioned engine 1.2 and a aforementioned alternator 2 inside the same box (as shown in Fig. 3);
- in una tecnologia di abbassamento della pressione in serie del gas metano (come mostrato in Fig.4) nella quale ? compresa una serie contigua di almeno quattro motori 1.2, interconnessi, per mezzo di una serie di detti alberi di trasmissione 3, ciascuno dei quali progettati per abbassare dello i bar del gas metano che a conclusione del processo di conversione esce ad una pressione di almeno inferiore rispetto alla pressione d?entrata. - in a methane gas series pressure lowering technology (as shown in Fig.4) in which ? including a contiguous series of at least four engines 1.2, interconnected, by means of a series of said drive shafts 3, each of which is designed to lower the methane gas by 1 bar which, at the end of the conversion process, comes out at a pressure at least lower compared to the inlet pressure.
Il motore 1 in oggetto, in una ulteriore versione ? progettato per convertire la pressione in energia elettrica, funzionando a idrogeno e/o energia verde, ricavata dal sole o dall?acqua senza emissioni di co2. The engine 1 in question, in a further version? designed to convert pressure into electricity, running on hydrogen and/or green energy, obtained from the sun or water without CO2 emissions.
In una variante nel motore in oggetto sono inclusi un filtro particellare integrato ad alta efficienza, una valvola di scambio mono-direzionale che mantiene un alto livello di pressione, anche nelle fasi di inutilizzo ed una valvola di scarico pressione che interviene automaticamente in caso di guasto. A variant of the engine in question includes an integrated high-efficiency particulate filter, a one-way exchange valve which maintains a high level of pressure, even when not in use and a pressure relief valve which automatically intervenes in the event of a failure .
L?intero motore viene collaudato ad una pressione di 1/1,2 dalla pressione di esercizio per verificarne la capacit? di sopportazione delle pressioni. The entire engine is tested at a pressure of 1/1.2 from the operating pressure to verify its capacity? of withstanding pressures.
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