IT202100005471A1 - Sistema combinato di produzione di idrogeno, ossigeno e anidride carbonica segregata e sequestrata provvisto di un motore termico a ciclo chiuso - Google Patents

Sistema combinato di produzione di idrogeno, ossigeno e anidride carbonica segregata e sequestrata provvisto di un motore termico a ciclo chiuso Download PDF

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IT202100005471A1
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Attilio Brighenti
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S A T E Systems And Advanced Tech Engineering S R L
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?SISTEMA COMBINATO DI PRODUZIONE DI IDROGENO, OSSIGENO E ANIDRIDE CARBONICA SEGREGATA E SEQUESTRATA PROVVISTO DI UN MOTORE TERMICO A CICLO CHIUSO?
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione ? relativa ad un sistema combinato di produzione di idrogeno, ossigeno e anidride carbonica segregata e sequestrata provvisto di un motore termico a ciclo chiuso (ovvero che non scambia gas con l?ambiente esterno).
ARTE ANTERIORE
? noto che uno dei problemi pi? limitanti nell?utilizzazione efficiente dell?energia convertita da fonti energetiche primarie rinnovabili, quali vento, maree, correnti o solare, consiste nello sfasamento tra gli intervalli di tempo di disponibilit? di tali fonti e di domanda di energia. Questo problema costringe, durante i picchi di domanda, ad utilizzare generatori di energia di punta, con tempi di avviamento rapidi, tipicamente costituiti da motogeneratori con motori ad accensione comandata oppure a turbina a gas (che ovviamente generano allo scarico anidride carbonica che viene dispersa nell?atmosfera); inoltre, questo problema costringe, durante i picchi di eccedenza della disponibilit? di energia rispetto alla domanda, ad utilizzare sistemi di accumulo dell?energia, quali impianti di pompaggio di energia idroelettrica (possibili solo in paesi con caratteristiche orografiche adeguate) oppure accumulatori elettrici che rappresentano tuttavia una soluzione molto costosa.
Lo sviluppo di un?industria sostenibile sia nei paesi sviluppati che in quelli meno sviluppati o emergenti richiede tecnologie e soluzioni tecniche atte a limitare ed invertire il cambiamento climatico indotto prevalentemente dalla crescente concentrazione di gas con ?effetto serra? (tra cui l?anidride carbonica) nell?atmosfera. Questo obiettivo richiede metodi efficaci per ridurre le emissioni di anidride carbonica nell?ambiente anche attraverso la cosiddetta ?cattura?, ovvero la sua separazione dall?atmosfera, ed il suo confinamento, detto anche sequestrazione o stoccaggio, permanente in fase gassosa (ad esempio in giacimenti di idrocarburi esauriti) o in fase solida (ad esempio in materiali da costruzione basati su carbonati). Naturalmente l?anidride carbonica ha anche impieghi industriali per i quali essa viene prodotta appositamente, cosa che potrebbe essere limitata attraverso un ciclo maggiormente integrato dell?utilizzo di tale gas, al fine di limitarne l?immissione cumulativa in atmosfera.
La cattura dell?anidride carbonica dalla miscela atmosferica, in cui compare comunque in bassa percentuale molare (390 ppm), richiede un?elevata energia e grandi superfici di scambio, ad esempio con setacci molecolari o membrane semipermeabili. Riuscire a intercettare e separare questo prodotto di combustione all?origine (ossia estraendolo da una miscela in cui prevalga come concentrazione) ha il vantaggio di limitare l?energia spesa per separare l?unit? di anidride carbonica prodotta dalla combustione.
Nel contempo, un utilizzo pi? flessibile delle energie rinnovabili pu? essere conseguito mediante la trasformazione dell?energia elettrica da esse prodotta, per la parte che non pu? essere immediatamente assorbita ed utilizzata attraverso la rete di distribuzione, in energia chimica, spezzando il legame che unisce idrogeno e ossigeno nella molecola d?acqua attraverso il noto processo di elettrolisi, che produce le due sostanze, separate, allo stato gassoso. Dei due gas, tuttavia, il vero ?vettore? energetico ? l?idrogeno, che non si trova libero in natura, mentre l?ossigeno costituisce un gas di valore, in quanto ottenuto puro da tale processo, solo se destinato ad utilizzi nei quali sia richiesto come tale, in particolare in siderurgia per la produzione dell?acciaio. In caso contrario, ad esempio per l?alimentazione della combustione, ? di per s? gi? disponibile in atmosfera e per un tale impiego deve normalmente essere comunque diluito per limitare le temperature di combustione. Ovvero per alimentare veicoli con propulsione mediante pile a combustibile (fuel cells) alimentate a idrogeno, non ? n? necessario n? conveniente (salvo che in veicoli sottomarini con equipaggio) stoccare anche l?ossigeno puro, potendo tali pile a combustibile sfruttare direttamente l?ossigeno contenuto nell?aria in sistema a ciclo aperto (ovvero un sistema che scambia gas con l?ambiente esterno).
Un impiego estensivo dell?elettrolisi, quale metodo di produzione efficiente di idrogeno senza o con produzione limitata di anidride carbonica, ? strettamente legato all?utilizzo dell?ossigeno, oltre che all?invio in condotte o in serbatoi e bombole di stoccaggio dell?idrogeno.
Il brevetto EP2759691B1 descrive un sistema di conversione di potenza per immagazzinare energia mediante una reazione di idrogenazione di un idrocarburo aromatico, in cui un motore a combustione interna del tipo ad accensione per compressione viene utilizzato come fonte di calore nella reazione di idrogenazione. Questo sistema di conversione sfrutta solo il calore ceduto dal motore a combustione interna per favorire la reazione di idrogenazione dell?idrocarburo aromatico ed assorbire con ci? l?idrogeno prodotto da un processo elettrolitico; inoltre, in questo sistema di conversione il motore a combustione interna emette anidride carbonica nell?atmosfera.
DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE
Lo scopo della presente invenzione ? di proporre un sistema combinato di produzione di idrogeno, ossigeno e anidride carbonica segregata e sequestrata provvisto di un motore termico a ciclo chiuso, il quale sistema combinato permetta di massimizzare l?efficienza energetica (ovvero minimizzare il consumo di energia per la produzione dell?idrogeno) nel contempo trovando un immediato impiego utile dell?ossigeno ed evitando il rilascio di anidride carbonica in atmosfera.
Secondo la presente invenzione viene fornito un sistema combinato di produzione di idrogeno, ossigeno e anidride carbonica segregata e sequestrata provvisto di un motore termico a ciclo chiuso, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.
Le rivendicazioni illustrano una forma di attuazione preferita della presente invenzione facente parte integrante di questa descrizione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, in cui:
? la figura 1 ? una vista schematica di un sistema combinato, realizzato in accordo con la presente invenzione, di produzione di idrogeno, ossigeno e anidride carbonica segregata e sequestrata provvisto di un motore termico a ciclo chiuso;
? la figura 2 ? una vista schematica di un impianto di generazione di energia elettrica del sistema combinato della figura 1 basato su un motore termico a ciclo chiuso con liquefazione della anidride carbonica ottenuta mediante compressione e raffreddamento ad aria; e
? la figura 3 ? una vista schematica di un impianto di generazione di energia elettrica del sistema combinato della figura 1 basato su un motore termico a ciclo chiuso con liquefazione della anidride carbonica ottenuta mediante compressione e raffreddamento ad acqua.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL?INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 ? indicato nel suo complesso un sistema combinato di produzione di idrogeno, ossigeno e anidride carbonica segregata e sequestrata.
Il sistema 1 combinato esegue un processo di elettrolisi in un impianto 2 di elettrolisi di tipo noto. L?impianto 2 di elettrolisi riceve in ingresso acqua (indicata con la formula chimica H2O) ed energia elettrica (proveniente da due fonti diverse ed indicata con E1 ed E2) e fornisce in uscita idrogeno e ossigeno in forma gassosa (indicati dalle rispettive formule chimiche H2 e O2). Esempi non esaustivi di elettrolizzatori d?acqua ad alta pressione sono descritti nei documenti brevettuali US20100089747A1, US9255333B2, e US7226529B2, in cui l?energia elettrica fornita viene convertita nell?energia chimica e pneumatica dei due gas, entrambi o solo uno dei quali, pi? convenientemente l?idrogeno, sotto pressione.
Secondo una preferita forma di attuazione, l?impianto 2 di elettrolisi ? collegato ad un impianto 3 di generazione di energia elettrica che sfrutta fonti rinnovabili (quali l?eolica o la solare) ed ? anche collegato ad un impianto 4 di generazione di energia elettrica provvisto di un motore 5 termico a ciclo chiuso (ovvero che non scambia gas con l?ambiente esterno), preferibilmente ma non esclusivamente di tipo ad accensione spontanea o per compressione o a ciclo Diesel. Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, l?energia elettrica potrebbe venire esclusivamente fornita dall?impianto 4 di generazione di energia elettrica, ovvero senza il contributo di fonti rinnovabili (ed in questo caso il motore 5 termico dell?impianto 4 di generazione di energia elettrica potrebbe operare a ciclo solo parzialmente chiuso); in alternativa l?impianto 3 di generazione di energia elettrica che sfrutta fonti rinnovabili potrebbe venire sostituito dalla normale rete elettrica.
Nell?impianto 4 di generazione di energia elettrica ? presente un generatore 6 elettrico che viene portato in rotazione dal motore 5 termico; a sua volta, il motore 5 termico ? alimentato da un combustibile 7 liquido o gassoso costituito da idrocarburi o derivati (ed indicato con la generica formula chimica CnHm), ad esempio gas naturale o biocarburanti ottenuti da processi biologici o di trattamento di rifiuti. Come detto in precedenza, il motore 5 termico opera a ciclo chiuso e quindi non scambia gas con l?ambiente esterno (ovvero non aspira aria fresca dall?atmosfera e non rilascia anidride carbonica ed altri gas in atmosfera). In particolare, nel motore 5 termico vengono riciclati all?aspirazione i gas di scarico generati dallo stesso motore 5 termico dopo averne estratto la frazione acquosa prodotta dalla combustione (ovvero dopo avere deumidificato i gas di scarico attraverso la condensazione del vapore d?acqua, a temperatura ambiente), in modo tale che l?anidride carbonica contenuta nei gas di scarico sia sequestrata immediatamente a valle del motore 5 termico grazie alla sua alta concentrazione.
La concentrazione di anidride carbonica nei gas di scarico del motore 5 termico ? mantenuta alta sia per effetto della carica iniziale di gas, sia come conseguenza del ricircolo totale dei gas di scarico deumidificati all?aspirazione, dopo avere reintegrato il loro potere comburente iniettandovi l?ossigeno prodotto nell?elettrolisi che viene aggiunto a quello residuo nei prodotti di combustione, quest?ultimo essendo dipendente dall?eccesso di comburente rispetto alla massa stechiometrica di combustione.
La produzione di idrogeno da parte del sistema 1 combinato costituisce, in definitiva, un modo di accumulare e trasportare energia a distanza, per la sua distribuzione ed impiego sia per la generazione di energia, quale combustibile, sia quale gas di processo. L?idrogeno ? prodotto con un processo flessibile, in cui la quota di energia inviata all?impianto 2 di elettrolisi pu? essere modulata secondo la disponibilit? della fonte rinnovabile primaria (solare o eolica) dell?impianto 3 di generazione di energia elettrica e della fonte combustibile (il combustibile 7) dell?impianto 4 di generazione di energia elettrica, pur mediamente rispettando le proporzioni dei prodotti delle rispettive reazioni che a loro volta dipendono anche dal rapporto atomico carbonio/idrogeno nel combustibile 7 che alimenta il motore 5 termico e dai rendimenti degli impianti 3 e 4 di generazione di energia elettrica.
La reazione chimica che avviene nell?impianto 2 di elettrolisi (bilanciata stechiometricamente rispetto alla reazione chimica che avviene nel motore 5 termico) ? la seguente:
(2n m/2)H20 E1 + E2 -> (2n m/2)H2 + (n m/4)O2 La reazione chimica che avviene nel motore 5 termico (bilanciata stechiometricamente rispetto alla reazione chimica che avviene nell?impianto 2 di elettrolisi) ? la seguente:
CnHm (n m/4)O2 -> (m/2)H2O (n)CO2 E1 L?impianto 2 di elettrolisi ? di tipo noto e preferibilmente (ma non necessariamente) ? del tipo a membrana polimerica (cosiddetto ?PEM?), che ha il vantaggio di permettere la produzione di idrogeno ad alta pressione partendo da acqua pompata alla pressione del processo di elettrolisi, quindi con dispendio di energia molto minore rispetto a quella eventualmente richiesta per la compressione dell?idrogeno permeato dalla pressione atmosferica all?alta pressione di stoccaggio e trasporto, ad esempio in bombole, tipicamente compresa tra 200 e 300 bar.
Il motore 5 termico ? preferibilmente di tipo volumetrico ad accensione spontanea; tuttavia, ? anche possibile utilizzare motori volumetrici ad accensione comandata oppure turbine a gas, queste ultime in particolare per potenze elevate.
L?impianto 3 di generazione di energia elettrica prevede una estrazione della anidride carbonica prodotta dalla combustione nel motore 5 termico e prevede anche il recupero della frazione incondensabile dei gas di scarico del motore 5 termico, costituito praticamente solo da ossigeno eccedente la quantit? stechiometrica. Il ciclo chiuso del motore 5 termico pu? essere preferibilmente realizzato secondo una delle soluzioni note dallo stato della tecnica dei motori a ciclo chiuso (ad esempio come descritto nella domanda di brevetto GB1513958).
Motori termici, in particolare ad accensione spontanea, a ciclo chiuso sono stati gi? studiati, sviluppati e applicati per la propulsione di mezzi sottomarini con o senza equipaggio, in missioni cosiddette ?air independent? prolungate in immersione. Tra i vari sistemi che permettono il ricircolo dei gas di scarico all?aspirazione, previa separazione dell?eccesso di gas combusti prodotti dalla combustione, la tecnologia di particolare interesse per la presente applicazione ? quella che prevede una parziale compressione dei gas di scarico e la liquefazione dell?anidride carbonica (come descritto nella domanda di brevetto GB1513958). Per missioni particolarmente lunghe, quali ad esempio quelle richieste per veicoli autonomi sottomarini (AUV) ? stato anche concepito un miglioramento del sistema descritto nella domanda di brevetto GB1513958, che prevede l?impiego di ossigeno liquido e/o gas naturale liquefatto come sostanze reagenti, in cui la liquefazione dell?anidride carbonica avviene a pi? bassa pressione e temperatura, quindi con minor consumo di energia per la compressione, grazie al raffreddamento ottenuto con l?evaporazione dell?ossigeno e/o del gas naturale liquefatti durante il funzionamento del motore (come descritto nel brevetto US4891939A1).
Per quanto riguarda il funzionamento a ciclo chiuso di un motore termico, ? noto che la riduzione di rendimento termodinamico conseguente alla prevalenza di un gas triatomico (con minore rapporto ? = cp/cv, ovvero con minore coefficiente di dilatazione adiabatica o indice adiabatico comunemente denotato con la lettera ?) pu? essere compensata aumentando il rapporto volumetrico di compressione del motore alternativo oppure aggiungendo alla carica iniziale di gas inerti riciclati nel motore un gas monoatomico (tipicamente Argon) in proporzioni adeguate; mentre la prima soluzione ? applicabile indipendentemente dal processo di gestione della anidride carbonica prodotta dal motore termico, la seconda soluzione ? applicabile convenientemente solo se il motore termico prevede anche un processo di liquefazione della anidride carbonica, onde evitare la necessit? di un ulteriore stoccaggio del gas monoatomico e la sua onerosa dispersione nell?ambiente.
Secondo quanto illustrato nelle figure 2 e 3 (che differiscono tra di loro solo per il diverso metodo di raffreddamento utilizzato nel processo di liquefazione della anidride carbonica), il motore 5 termico comprende un condotto 8 di aspirazione attraverso il quale alle camere di combustione (ad esempio ricavate in cilindri al cui interno scorrono dei pistoni) viene alimentato il gas di ciclo contenente gas inerte, costituito da anidride carbonica preferibilmente pura oppure miscelata con gas inerti monoatomici o biatomici che non partecipano alla combustione ma ne limitano la temperatura entro valori compatibili con i materiali costituenti la camera di combustione, ed una sufficiente quantit? di ossigeno (ovvero di comburente) per alimentare la reazione di combustione. Il motore 5 termico comprende un condotto 9 di scarico attraverso il quale le camere di combustione espellono i gas di scarico generati dalla combustione. Il motore 5 termico comprende un condotto 10 di ricircolo che collega il condotto 9 di scarico al condotto 8 di aspirazione in modo tale che i gas di scarico vengano ricircolati nel condotto 8 di aspirazione tornando nelle camere di combustione.
Lungo il condotto 9 di scarico ? disposto uno scambiatore 11 di calore raffreddato da un refrigerante (ad esempio aria oppure acqua a temperatura sostanzialmente ambiente) che consente di raffreddare i gas di scarico provenienti dalle camere di combustione fino ad una temperatura sufficientemente bassa da condensare e quindi separare il vapore d?acqua prodotto dalla combustione.
Preferibilmente, i gas di scarico vengono raffreddati alla pressione atmosferica oppure ad un valore superiore alla pressione atmosferica che permette la successiva sovralimentazione del motore senza necessit? di turbocompressione quando i gas di scarico raffreddati vengono ricircolati nel condotto 8 di aspirazione attraverso il condotto 10 di ricircolo.
Lungo il condotto 9 di scarico ed a valle dello scambiatore 11 di calore ? disposto un separatore 12 che separa dai gas di scarico l?acqua che ? stata prodotta dalla combustione ed ? stata condensata nello scambiatore 11 di calore; in particolare, il condotto 9 di scarico termina nel separatore 12. L?acqua separata dal separatore 12 viene alimentata ad un serbatoio 13 da cui l?acqua viene prelevata per alimentare l?impianto di elettrolisi.
Ovviamente, per il mantenimento a regime di una pressione di lavoro costante nel condotto 9 di scarico, nel condotto 10 di ricircolo, e nel condotto 8 di alimentazione, ? necessario rimuovere continuativamente o ciclicamente una parte dei gas di scarico che quindi non vengono integralmente ricircolati; di conseguenza, lungo il condotto 9 di scarico ? disposto anche un condotto 14 di prelievo che porta fuori (spilla) dal condotto 9 di scarico una parte dei gas di scarico sottraendoli al condotto 10 di ricircolo. In particolare, il condotto 14 di prelievo si origina dal separatore 12 che costituisce il termine del condotto 9 di scarico. Preferibilmente, il condotto 10 di ricircolo si origina dal separatore 12 ed il condotto 14 di prelievo si origina dal separatore 12 a monte del condotto 10 di ricircolo. Lungo il condotto 14 di prelievo ? disposto un filtro 15 deumidificatore che trattiene i residui di acqua e vapore trascinati nei gas di scarico e li invia al separatore 12 ed ? disposto anche un filtro 16 disidratatore a valle del filtro 15 deumidificatore.
Lungo il condotto 14 di prelievo ed a valle dei filtri 15 e 16 ? disposto un compressore 17 che viene azionato direttamente dal motore 5 termico oppure viene azionato da un motore elettrico dedicato ed ? atto a comprimere il gas di scarico in eccesso (ovvero che fluisce lungo il condotto 14 di prelievo). La portata del compressore 17 viene regolata mediante un controllore della pressione che si trova nel separatore 12 dell?acqua condensata in modo tale che la pressione nel separatore 12 sia sempre pari ad un valore desiderato entro tolleranze assegnate rispetto al valore di riferimento.
Lungo il condotto 14 di prelievo ed a valle del compressore 17 pu? essere disposto anche uno scambiatore 18 di calore (presente nella forma di attuazione illustrata nella figura 3 e non presente nella forma di attuazione illustrata nella figura 2) che provvede a raffreddare (desurriscaldare) i gas di scarico deumidificati e compressi dal compressore 17; ovvero, lo scambiatore 18 di calore elimina dai gas di scarico deumidificati e compressi il calore assorbito durante la compressione nel compressore 17.
Lungo il condotto 14 di prelievo ed a valle dello scambiatore 18 di calore (oppure a valle del compressore 17 se lo scambiatore 18 di calore non ? presente) ? disposta una valvola 19 di non ritorno (ovvero una valvola 19 unidirezionale) che permette unicamente un flusso di gas di scarico in allontanamento dal compressore 17.
Lungo il condotto 14 di prelievo ed a valle della valvola 19 di non ritorno ? disposto uno scambiatore 20 di calore (che utilizza come refrigerante per il raffreddamento aria nella forma di attuazione illustrata nella figura 2 oppure acqua nella forma di attuazione illustrata nella figura 3) che provvede a condensare l?anidride carbonica; infatti, il refrigerante (aria o acqua) viene fatto entrare nello scambiatore 20 di calore in controcorrente rispetto ai gas di scarico compressi e soprattutto ad una temperatura inferiore ad una temperatura di rugiada dei gas di scarico; a tale proposito ? importante osservare che i gas di scarico sono composti da una miscela di anidride carbonica ed altri gas incondensabili (ossigeno residuo ed eventuali gas inerti diversi dall?anidride carbonica, ad esempio preferibilmente un gas monoatomico, Argon, introdotto appositamente e come spiegato in precedenza per mantenere il rapporto ? della miscela prossimo al rapporto ? dell?aria atmosferica).
L?efficienza del sistema di liquefazione dell?anidride carbonica dipende dalla temperatura del refrigerante utilizzato nello scambiatore 20 di calore. In climi freddi l?aria esterna a temperatura inferiore a 0?C pu? consentire di liquefare l?anidride carbonica a relativamente bassa pressione, comportando con ci? una modesta potenza di compressione dei gas di scarico in eccesso (ovvero una modesta potenza assorbita dal compressore 17), in rapporto alla potenza generata dal motore 5 termico. Inoltre, qualora si utilizzi come combustibile del motore 5 termico del metano conservato allo stato liquido (LNG), il sistema di liquefazione dell?anidride carbonica pu? essere realizzato in modo ancora pi? efficiente utilizzando l?evaporazione del metano liquido per condensare l?anidride carbonica a temperatura molto bassa, tra -45 e -35 ?C, come descritto anche nel brevetto US4891939A1.
Infine, il condotto 14 di prelievo termina in un separatore 21, ovvero il separatore 21 ? disposto lungo il condotto 14 di prelievo a valle dello scambiatore 20 di calore; nel separatore 21 viene separata l?anidride carbonica liquefatta dai gas incondensabili presenti nei gas di scarico e quindi l?anidride carbonica liquefatta (e quindi segregata) viene inviata ad un serbatoio esterno (non illustrato). I gas incondensabili ottenuti dalla separazione dai gas di scarico della anidride carbonica liquefatta vengono inviati ad un condotto 22 di recupero.
L?impianto 3 di generazione di energia elettrica comprende un condotto 23 di alimentazione che alimenta ossigeno quasi puro e termina (ovvero confluisce) in un dispositivo 24 di miscelazione in cui termina (ovvero confluisce) anche il condotto 10 di ricircolo. Il dispositivo 24 di miscelazione miscela insieme l?ossigeno quasi puro alimentato dal condotto 23 di alimentazione con i gas di scarico poveri di ossigeno alimentati dal condotto 10 di ricircolo (e provenienti dal separatore 12) per ottenere una nuova miscela avente una quantit? di ossigeno sufficiente per la combustione nelle camere di combustione del motore 5 termico, detta quantit? di ossigeno potendo anche differire dalla frazione di ossigeno presente nell?aria atmosferica, in rapporto alla massa totale del gas di alimentazione del motore.
Il condotto 23 di alimentazione inizia da un serbatoio 25 in cui viene stoccato l?ossigeno puro prodotto dall?elettrolisi e destinato alla riossigenazione dei gas di scarico ricircolati dal condotto 10 di ricircolo. Lungo il condotto 23 di alimentazione ? disposto un dispositivo 26 di miscelazione in cui l?ossigeno puro proveniente dal serbatoio 25 viene miscelato con i gas incondensabili di ricircolo recuperati e ricchi di ossigeno alimentati dal condotto 22 di recupero e provenienti dal separatore 21; a valle del dispositivo 26 di miscelazione scorre quindi ossigeno quasi puro (ovvero una miscela in cui l?ossigeno ? il componente di gran lunga prevalente). Lungo il condotto 23 di alimentazione ed a monte ed a valle del dispositivo 26 di miscelazione sono disposte due valvole 27 e 28 di intercettazione che vengono pilotate in modo coordinato per regolare l?afflusso di ossigeno puro verso il dispositivo 24 di miscelazione e l?afflusso di ossigeno quasi puro verso il dispositivo 26 di miscelazione.
Lungo il condotto 23 di alimentazione ed a monte del dispositivo 24 di miscelazione ? disposta una valvola 29 di regolazione che viene pilotata da una unit? 30 di controllo in funzione del segnale fornito da un sensore 31 di misura della concentrazione di ossigeno accoppiato al dispositivo 24 di miscelazione.
Secondo quanto illustrato nella figura 1, l?impianto 1 combinato comprendere una pompa 32 che alimenta l?acqua in pressione all?impianto 1 di elettrolisi e viene azionata direttamente dal motore 5 termico; in alternativa, la pompa 32 viene azionata da un motore elettrico dedicato.
Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente innovazione.
Il sistema 1 combinato sopra descritto presenta numerosi vantaggi.
Nel sistema 1 combinato sopra descritto, l?ossigeno necessario alla combustione viene ottenuto dall?elettrolisi come sottoprodotto di elevato valore della produzione di idrogeno, trovando immediato impiego nello stesso sistema 1 combinato, che pertanto ha un utilizzo massimizzato ed integrato. Diversamente si dovrebbe convogliare l?ossigeno, per la sua utilizzazione, o in bombole o in condotte (salvo eventuale integrazione pi? complessa di altri processi che necessitino di ossigeno puro).
Quindi il sistema 1 combinato sopra descritto rende pi? flessibile l?impiego di energie primarie rinnovabili mediante la produzione di idrogeno attraverso un processo di elettrolisi, noto dalla tecnica, combinato efficacemente con un sistema di generazione di energia elettrica costituito dal motore 5 termico che utilizza interamente l?ossigeno prodotto dall?elettrolisi e produce in forma gi? sequestrata l?anidride carbonica risultante dalla combustione del combustibile 7 utilizzato.
Considerando i rapporti stechiometrici nelle reazioni chimiche coinvolte ed i rendimenti del motore 5 termico a combustione interna, della generazione di energia elettrica, dell?elettrolizzatore e delle pompe e compressori facenti parte del sistema 1 combinato si pu? affermare che pi? di un quinto dell?energia elettrica necessaria per il processo elettrolitico pu? essere fornito dal motore 5 termico che ne utilizza l?ossigeno prodotto, mentre tutta l?anidride carbonica prodotta dalla combustione viene condensata e resa disponibile allo stato puro per una stabile e permanente sequestrazione o per usi industriali.
E? importante osservare che l?idrogeno pu? essere prodotto dal reforming con vapore d?acqua da metano o da altri idrocarburi, con produzione di anidride carbonica che, tuttavia si trova diluita con altri gas nei prodotti di reazione, sia intermedi che finali; questo processo di reforming ? tutt?oggi il pi? economico tra quelli possibili.
Tuttavia la sequestrazione della anidride carbonica, pur essendo possibile anche con il processo di reforming, comporta alti dispendi di energia e costi elevati. Il costo degli elettrolizzatori (utilizzati nel sistema 1 combinato sopra descritto) ha la concreta possibilit? di permettere una produzione dell?idrogeno a prezzi competitivi con quelli del processo di reforming, permettendo nel contempo di evitare la produzione di elevate quantit? di anidride carbonica, sostanzialmente nella misura di una mole di anidride carbonica per ogni mole di metano convertita.
ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE 1 impianto combinato
2 impianto di elettrolisi
3 impianto di generazione di energia elettrica 4 impianto di generazione di energia elettrica 5 motore termico
6 generatore elettrico
7 combustibile
8 condotto di aspirazione
9 condotto di scarico
10 condotto di ricircolo
11 scambiatore di calore
12 separatore
13 serbatoio
14 condotto di prelievo
15 filtro deumidificatore
16 filtro disidratatore
17 compressore
18 scambiatore di calore
19 valvola di non ritorno
20 scambiatore di calore
21 separatore
22 condotto di recupero
23 condotto di alimentazione
24 dispositivo di miscelazione
serbatoio
dispositivo di miscelazione valvola di intercettazione valvola di intercettazione valvola di regolazione unit? di controllo sensore di misura
pompa

Claims (10)

R I V E N D I C A Z I O N I
1. Sistema (1) combinato di produzione di idrogeno, ossigeno e anidride carbonica segregata e sequestrata; il sistema (1) combinato comprende:
un impianto (2) di elettrolisi configurato per ricevere in ingresso acqua ed energia (E1, E2) elettrica e fornire in uscita idrogeno e ossigeno in forma gassosa; ed
un impianto (4) di generazione di energia elettrica che ? provvisto di un motore (5) termico e di un generatore (6) elettrico che viene portato in rotazione dal motore (5) termico e genera almeno parte dell?energia (E2) elettrica utilizzata dall?impianto (2) di elettrolisi;
il sistema (1) combinato ? caratterizzato dal fatto che il motore (5) termico viene fatto operare a ciclo chiuso senza aspirare aria fresca dall?atmosfera, senza rilasciare gas di scarico in atmosfera, ed utilizzando per la combustione l?ossigeno generato dall?impianto (2) di elettrolisi.
2. Sistema (1) combinato secondo la rivendicazione 1, in cui i gas di scarico generati dalla combustione nel motore (5) termico vengono completamente ricircolati e trattati per separare l?anidride carbonica e non vengono rilasciati in alcun modo in atmosfera.
3. Sistema (1) combinato secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il motore (5) termico comprende:
un condotto (8) di aspirazione;
un condotto (9) di scarico;
un condotto (10) di ricircolo che collega il condotto (9) di scarico al condotto (8) di aspirazione per ricircolare i gas di scarico prodotti dalla combustione; ed
un condotto (23) di alimentazione che invia al condotto (8) di aspirazione l?ossigeno generato dall?impianto (2) di elettrolisi.
4. Sistema (1) combinato secondo la rivendicazione 3 e comprendente un dispositivo (24) di miscelazione da cui si origina il condotto (8) di aspirazione, configurato per miscelare l?ossigeno convogliato dal condotto (23) di alimentazione con i gas di scarico convogliati dal condotto (10) di ricircolo.
5. Sistema (1) combinato secondo la rivendicazione 3 o 4 e comprendente un condotto (14) di prelievo configurato per spillare dal condotto (9) di scarico una parte dei gas di scarico sottraendoli al condotto (10) di ricircolo in modo da mantenere a regime una pressione di lavoro costante nel condotto (9) di scarico, nel condotto (10) di ricircolo, e nel condotto (8) di alimentazione.
6. Sistema (1) combinato secondo la rivendicazione 5 e comprendente:
un primo scambiatore (11) di calore che ? disposto lungo il condotto (9) di scarico ed ? configurato per raffreddare i gas di scarico fino ad una temperatura sufficientemente bassa da condensare e quindi separare l?acqua prodotta dalla combustione; ed
un primo separatore (12) che ? disposto lungo il condotto (9) di scarico a valle del primo scambiatore (11) di calore, ed ? configurato per separare dai gas di scarico l?acqua condensata nel primo scambiatore (11) di calore.
7. Sistema (1) combinato secondo la rivendicazione 6 e comprendente un compressore (17) che ? disposto lungo il condotto (14) di prelievo, ? configurato per comprimere i gas di scarico che fluiscono lungo il condotto (14) di prelievo, e presenta una portata che viene preferibilmente regolata in modo tale che una pressione misurata nel primo separatore (12) sia sempre pari o prossima ad un valore desiderato.
8. Sistema (1) combinato secondo la rivendicazione 5, 6 o 7 e comprendente:
un secondo scambiatore (20) di calore che ? disposto lungo il condotto (14) di prelievo ed ? configurato per raffreddare i gas di scarico ad una temperatura inferiore ad una temperatura di rugiada della miscela gassosa per condensare l?anidride carbonica;
un secondo separatore (21) che ? disposto lungo il condotto (14) di prelievo a valle del secondo scambiatore (20) di calore ed ? configurato per separare l?anidride carbonica liquefatta dai gas incondensabili presenti nei gas di scarico; ed
un condotto (22) di recupero che collega il secondo separatore (21) al condotto (23) di alimentazione per immettere nel condotto (23) di alimentazione stesso i gas incondensabili presenti nei gas di scarico ed estratti dal secondo separatore (21).
9. Sistema (1) combinato secondo la rivendicazione 8 e comprendente un secondo dispositivo (26) di miscelazione che ? disposto lungo il condotto (23) di alimentazione ed ? configurato per miscelare l?ossigeno puro proveniente dall?impianto (2) di elettrolisi con i gas incondensabili convogliati dal condotto (22) di recupero.
10. Sistema (1) combinato secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9 e comprendente un impianto (3) di generazione di energia elettrica che sfrutta fonti rinnovabili e genera parte dell?energia (E1) elettrica utilizzata dall?impianto (2) di elettrolisi.
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