ITCO20100004A1 - "sistema generatore di idrogeno per più utilizzi" - Google Patents
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Description
“Sistema generatore di idrogeno per più utilizziâ€
Descrizione dell’invenzione
Campo di impiego
La presente invenzione si riferisce ad un sistema generatore di idrogeno per più utilizzi secondo il preambolo della rivendicazione 1.
Sfondo tecnologico e stato della tecnica
È noto che la produzione industriale di idrogeno e di ossigeno ha luogo in elettrolizzatori alcalini utilizzando il processo dell’elettrolisi, laddove detti elettrolizzatori sul lato di ingresso sono collegati rispettivamente ad un’alimentazione di acqua potabile, con successivo trattamento in dispositivi demineralizzatori per trasformarla in acqua demineralizzata, e ad un’alimentazione di corrente elettrica, attraverso gruppi di trasformatore/convertitore A/C, mentre sul lato di uscita vengono raccolti separatamente l’idrogeno e l’ossigeno prodotti. Si tratta pertanto di circuiti di per sé semplici, i cui componenti sono acquistabili sul mercato con vari dimensionamenti, previsti per impianti industriali di diverse prestazioni. Sono parimenti note celle a combustibile, le quali sono alimentabili con idrogeno e forniscono energia elettrica. Tali celle a combustibile sono sviluppate in particolare nel settore automobilistico, ad esempio per trazioni ibride di tipo gasolio/benzina-elettrico.
Recentemente sono inoltre divenuti noti combustori con combustione catalitica dell’idrogeno senza formazione di fiamma per impianti di riscaldamento domestici in alternativa alle tradizionali caldaie a gasolio o a gas, in particolare per impianti di riscaldamento di abitazioni (ovvero per superfici fino a circa 250/300 m<2>). Tali combustori con combustione catalitica dell’idrogeno con innesco della reazione a temperatura ambiente senza apporto di fiamma, ovvero con reazione completamente al di sotto della temperatura di formazione degli NOx, con scarico costituito da sola aria calda umida, e con cessione totale del calore all’acqua dell’impianto di riscaldamento, ad esempio di un impianto di riscaldamento domestico di tipo radiante, sono rilevabili ad esempio dal documento WO 2005/024301 della richiedente.
Sono parimenti noti dispositivi con compressori per l’accumulo dell’idrogeno prodotto in contenitori in pressione. E’ anche noto accumulare l’idrogeno in idruri metallici, laddove nella fase di accumulo dell’idrogeno viene sviluppato calore e gli idruri devono essere raffreddati mentre nella fase di cessione dell’idrogeno essi vanno riscaldati.
Per l’alimentazione di diverse utenze che funzionano con idrogeno, per esempio i detti combustori a combustione catalitica o le celle a combustibile sono richiesti diversi gradi di purezza dell’idrogeno.
È infine nota la richiesta sul mercato di ossigeno, ad esempio per impieghi tecnologici, come pure di ozono, per scopi di sterilizzazione e di sanificazione, nonché di acqua distillata purissima per l’impiego ad esempio in laboratori.
E’ anche noto che in molti settori, ad esempio in ospedali, sono necessari servizi di back-up elettrico, in grado di fornire una continuità di alimentazione di energia elettrica in caso di interruzione della fornitura di energia elettrica dalla rete. Per tali servizi si utilizzano in generale accumulatori elettrici, i quali vanno mantenuti continuamente al loro stato di massima carica mediante alimentazione di energia elettrica dalla rete e devono essere sottoposti a manutenzione periodica. Questo sistema à ̈ palesemente dispendioso per l’acquisto degli accumulatori, i quali non hanno altro utilizzo, ed essi richiedono generalmente una corrispondente superficie di installazione e, in generale, un proprio locale di installazione. Sommario dell’invenzione
Alla base della presente invenzione à ̈ posto pertanto il compito di fornire un sistema generatore di idrogeno in grado di alimentare più utenze diverse funzionanti ad idrogeno e di fornire oltre ad idrogeno ed ossigeno anche acqua distillata purissima, nonché in grado di fornire parimenti servizi ed il quale sistema à ̈ inoltre producibile in modo estremamente compatto.
Questo compito viene risolto, secondo l’invenzione, con un sistema generatore di idrogeno per più utilizzi presentante le caratteristiche della rivendicazione 1.
Ulteriori sviluppi e forme di esecuzione vantaggiose sono rilevabili dalle rivendicazioni dipendenti.
Con il sistema generatore di idrogeno per più utilizzi secondo l’invenzione si ottengono diversi vantaggi.
Innanzitutto per la soluzione proposta dall’invenzione viene richiesto solo idrogeno, il quale inoltre può essere prodotto vantaggiosamente con energia elettrica da fonti rinnovabili, à ̈ accumulabile e può essere ritrasformato in energia elettrica e in energia termica con un sistema utilizzante dispositivi di per sé noti, vantaggiosamente dimensionati per l’uso specifico in funzione delle utenze, e che consentono nello stesso tempo la produzione di prodotti come acqua distillata purissima, nonché ossigeno e/o ozono per usi tecnici.
Un altro vantaggio va visto nel fatto che il sistema generatore di idrogeno per più utilizzi secondo l’invenzione può essere assemblato in modo molto compatto ed alloggiato premontato in una custodia, la quale presenta esternamente solo raccordi di entrata e di uscita. In seguito al suo limitato ingombro l’unità formata da detta custodia alloggiante il sistema generatore di idrogeno può essere anche installata direttamente all’interno o all’esterno di un’abitazione, in ospedali, alberghi, in laboratori di analisi richiedenti acqua distillata purissima per le analisi, e così via. Una tale unità può essere inoltre utilizzata per impieghi industriali, come ad esempio in itticoltura per un apporto continuo di ossigeno alle vasche di allevamento del pesce oppure in serre per scopi di riscaldamento, nonché in altri possibili campi di impiego.
Sebbene per il processo di elettrolisi si preveda vantaggiosamente l’impiego di energia elettrica da fonte rinnovabile e si preveda un accumulo dell’idrogeno prodotto, rientra nell’ambito dell’invenzione anche l’utilizzo di energia elettrica da rete, ad esempio in fasce privilegiate, ad esempio in fascia notturna.
Mediante l’impiego di uno scambiatore di calore prevedente un’area destinata alla condensazione del vapor d’acqua à ̈ vantaggiosamente possibile utilizzare la condensazione del vapor d’acqua formatesi per l’ottenimento di acqua distillata purissima.
Un ulteriore vantaggio del sistema generatore di idrogeno per più utilizzi secondo l’invenzione consiste nel prevedere un comando dello stesso coadiuvato da software specifico, il quale à ̈ atto a gestire in modo ottimale il comando di tutti i dispositivi e componenti circuitali comandabili, per cui si ottengono le migliori ed economiche condizioni di funzionamento e si evitano interventi erronei da parte dell’utente sulle regolazioni dei vari componenti del sistema.
Prevedendo un’alimentazione elettrica da fonte rinnovabile e/o un accumulo dell’idrogeno prodotto si garantisce una riserva di energia (in forma di idrogeno) che viene realizzata durante i periodi di disponibilità dell’energia da fonte rinnovabile e la si utilizza nei momenti in cui serve, anche se non à ̈ disponibile l’energia da fonte rinnovabile.
Ancora un vantaggio va visto nel fatto che si ottiene una semplificazione del sistema nel suo insieme (dispositivi progettati per il caso specifico, collegamenti idraulici, gassosi ed elettrici, regolazioni, controlli di esercizio e di sicurezza) evitando così la maggior parte degli errori durante l’installazione e l’utilizzo. L’alloggiamento del sistema generatore di idrogeno in una custodia consente una semplice, rapida e sicura installazione del tipo ad innesto o “plug and play†ed un facile collaudo ed utilizzo del sistema generatore di idrogeno ancora in cantiere.
Breve descrizione del disegno
Ulteriori caratteristiche, vantaggi e dettagli del sistema generatore di idrogeno per più utilizzi secondo l’invenzione sono rilevabili dalla descrizione seguente di un forma di esecuzione preferita illustrata a titolo di esempio nel disegno allegato, al quale si rimanda anche per eventuali particolari non descritti in modo dettagliato nella descrizione seguente. L’unica figura del disegno illustra schematicamente una disposizione circuitale dei vari dispositivi o componenti ed i relativi collegamenti del sistema generatore di idrogeno proposto, laddove nella forma di esecuzione illustrata l’intero sistema generatore di idrogeno per più utilizzi à ̈ alloggiato in una custodia contenente lo stesso in modo compatto.
Descrizione della forma di esecuzione preferita
Come rilevabile dal disegno, il sistema generatore di idrogeno per più utilizzi indicato nel suo insieme con 1 à ̈ alloggiato in una custodia 2, la quale à ̈ munita di raccordi di ingresso e di uscita, e più precisamente di un raccordo 3 di ingresso per il collegamento all’acqua di rete ed un raccordo di ingresso 4 per il collegamento all’alimentazione di corrente elettrica, fornita da una rete elettrica, preferibilmente da una fonte rinnovabile, ad esempio solare, eolica, la quale può essere sempre utilizzata quando disponibile, ovvero in presenza di luce o di vento.
Come raccordi di uscita sono previsti un raccordo 5 di uscita dell’ossigeno, un raccordo 6 per l’uscita di corrente elettrica come back-up, un raccordo 7 di raccolta di acqua distillata, un raccordo 8 di mandata e un raccordo 9 di un impianto di riscaldamento 10, ad esempio dell’impianto di riscaldamento di un’abitazione. Con 11 à ̈ indicato un ozonizzatore derivato dall’uscita 5 per ossigeno e servente alla produzione di ozono. Il sistema generatore di idrogeno per più utilizzi 1 secondo l’invenzione illustrato à ̈ previsto per la fornitura dei seguenti servizi/prodotti:
- energia termica per scopi di riscaldamento,
- energia elettrica per scopi back-up,
- acqua distillata purissima,
- ossigeno e/o ozono per usi tecnici.
Nel sistema generatore di idrogeno per più utilizzi 1 secondo l’invenzione viene utilizzata ad esempio la tecnologia di produzione di idrogeno tramite elettrolisi di acqua in un elettrolizzatore di tipo alcalino 12. All’elettrolizzatore 12 viene addotta acqua di rete preliminarmente demineralizzata in quanto l’acqua deve essere priva di impurità e ioni non necessari al processo di elettrolisi, laddove considerato l’impiego dell’idrogeno prodotto viene prevista vantaggiosamente una demineralizzazione con osmosi inversa in un demineralizzatore 13. Come elettrolizzatore si possono utilizzare in alternativa anche gli elettrolizzatori PEM, ovvero a membrana a scambio protonico. L’energia elettrica, da addurre all’elettrolizzatore 12 attraverso un gruppo trasformatore/convertitore A/C, non illustrato, proveniente preferibilmente da una fonte rinnovabile, solare o eolica, e quindi utilizzabile quando disponibile, ovvero in presenza di luce o di vento.
Durante il processo di elettrolisi viene prodotto in continuo calore che, secondo un insegnamento dell’invenzione, viene recuperato limitando così il calo di rendimento del ciclo elettrico-idrogeno-energetico del sistema 1. A tale scopo viene utilizzato uno scambiatore di calore 14, il cui circuito primario 15 à ̈ alloggiato nell’elettrolizzatore 12 e contiene una pompa di circolazione 16 mentre il suo circuito secondario 17, contenente parimenti una pompa di circolazione 16A, viene condotto all’impianto di riscaldamento previsto 10, vantaggiosamente previo passaggio attraverso un combustore 18, come illustrato. Come combustore catalitico dell’idrogeno 18 per la produzione di energia termica si può prevedere un combustore come illustrato nel documento WO 2005/024301 della richiedente. Un tale combustore à ̈ previsto per la combustione catalitica dell’idrogeno con innesco della reazione a temperatura ambiente senza apporto di fiamma, reazione interamente al di sotto della temperatura di formazione degli NOx, con scarico costituito da sola aria calda umida e cessione del calore interamente all’acqua di riscaldamento di un impianto di riscaldamento, ad esempio di tipo radiante.
Si osserva che l’impianto di riscaldamento indicato, integrato con il solare termico, forma una combinazione ideale per il riscaldamento radiante a bassa temperatura, integrato dalla fonte solare termica.
Come rilevabile dal disegno, in parallelo al combustore 18 à ̈ collegata una cella a combustibile 19, laddove detto collegamento in parallelo di combustore 18 e cella a combustibile 19 à ̈ collegato, tramite una valvola a più vie 20 sia con l’uscita dell’idrogeno dell’elettrolizzatore 12 sia con l’uscita di un dispositivo 21 di stoccaggio dell’idrogeno a guisa di serbatoio in pressione o utilizzante idruri metallici, il quale dispositivo di stoccaggio 21 dell’idrogeno à ̈ basilare per poter disporre di un vettore energetico, ovvero di idrogeno, su richiesta da parte della cella a combustibile 19 e/oppure del combustore 18 in alternativa all’alimentazione di idrogeno direttamente dall’elettrolizzatore 12. Uno stoccaggio con idruri metallici sarebbe preferibile per ragioni di spazio e sicurezza.
L’energia elettrica fornibile dalla cella a combustibile 19, alimentabile in ogni momento in modo sicuro tramite lo stoccaggio dell’idrogeno, rappresenta un affidabile back-up elettrico indipendente da alimentazioni esterne e non richiedente dispositivi di accumulo elettrico preliminare, come batterie di accumulatori elettrici.
I collegamenti circuitali tra i vari componenti o dispositivi del sistema 1 sono rilevabili dal disegno, sul quale la direzione di movimento dei fluidi à ̈ indicata da frecce.
Dal disegno à ̈ inoltre rilevabile che oltre alla fornitura di servizi consistenti nella fornitura di energia termica e di energia elettrica partendo da idrogeno sono ottenibili anche diversi prodotti rappresentati da ossigeno, proveniente dal processo di elettrolisi, nonché da ozono, ottenuto dall’ossigeno prodotto tramite lo stadio di ozonizzazione 11, nonché pregiata acqua distillata purissima ottenuta dal recupero delle condense del vapor d’acqua come illustrato più sopra.
Il sistema generatore di idrogeno per più utilizzi 1 secondo l’invenzione ed alloggiato un una custodia 2, come illustrato, può rappresentare vantaggiosamente una piattaforma energetica efficiente ed utilizzabile anche in casi di emergenza, la quale richiede solamente acqua da rete (oppure da cisterna in caso di eventi di emergenza, come terremoti e simili) ed energia elettrica fornibile, in casi di emergenza, o dalla rete oppure da gruppi elettrogeni.
La pluralità di servizi e prodotti fornibili dal sistema generatore di idrogeno 1 secondo l’invenzione, utilizzabili in forma singola o mista a seconda delle esigenze, à ̈ impiegabili in molteplici settori, ad esempio:
- In tutte le aree in cui à ̈ importante assicurare un back up sia elettrico che termico. La più immediata applicazione à ̈ la realizzazione di impianti di riscaldamento per uso civile ad emissioni zero, combinando una quota di energia termica solare con quella di combustione catalitica, la cui origine à ̈ totalmente rinnovabile, e fornire la struttura di un sistema di back-up elettrico.
- In strutture ospedaliere in cui oltre alla garanzia energetica si può fornire, con produzione in loco, anche ossigeno terapeutico da integrare nelle rampe di distribuzione ai reparti.
- In strutture alberghiere e di benessere in cui si richieda l’ossigenoterapia.
Ed inoltre:
- Come utilizzo dell’ossigeno in itticoltura mediante un apporto continuo di ossigeno alle vasche di coltivazione del pesce.
- Come creazione di ozono dall’ossigeno nei trattamenti di sterilizzazione e sanificazione di acque.
- In laboratori di analisi in cui si richiede acqua distillata purissima per le analisi.
- Come produzione di calore per l’utilizzo come riscaldamento ad esempio di capannoni industriali, in palestre, in serre e così via.
Dalla descrizione strutturale e funzionale soprastante del sistema generatore di ossigeno per più utilizzi secondo l’invenzione à ̈ rilevabile che con lo stesso si risolve efficacemente il compito indicato e si conseguono i vantaggi menzionati.
In pratica gli esperti del ramo potranno introdurre diverse modifiche e varianti, come per esempio prevedere un serbatoio di acqua demineralizzata disposto tra il demineralizzatore e l’elettrolizzatore, e così via, senza per questo fuoriuscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come descritta più sopra e rivendicata nelle rivendicazioni allegate.
Claims (11)
- “Sistema generatore di idrogeno per più utilizzi†Rivendicazioni 1. Sistema generatore di idrogeno per più utilizzi, comprendente un elettrolizzatore per eseguire un processo di elettrolisi dell’acqua ed associati dispositivi per il suo funzionamento per la produzione di idrogeno e di ossigeno, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre, intercollegati funzionalmente tra loro: - un dispositivo (14) di recupero del calore prodotto dall’elettrolisi e di raffreddamento dell’elettrolizzatore (12), - un dispositivo (21) di stoccaggio dell’idrogeno prodotto, - un combustore (18) per la generazione di calore, e - una cella a combustibile (19) per la produzione di energia elettrica, laddove detto combustore (18) e detta cella a combustibile (19) sono collegati in parallelo ed alimentabili con l’idrogeno prodotto direttamente dall’elettrolizzatore (12) e/o con l’idrogeno prelevato da detto dispositivo di stoccaggio (21), - nonché relativi componenti circuitali e di comando e di regolazione, e dal fatto che l’intero sistema generatore di idrogeno (1) à ̈ alloggiato in una custodia (2), la quale presenta esternamente una pluralità di raccordi di collegamento di entrata (3, 4) per l’acqua di rete e la corrente elettrica per l’alimentazione dell’elettrolizzatore (12) e di uscita (5, 6, 7, 8, 9) per i vari servizi e prodotti forniti.
- 2. Sistema generatore di idrogeno secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’energia elettrica à ̈ fornita da fonti rinnovabili, eventualmente integrata da corrente elettrica di rete disponibile in fascia privilegiata, per esempio in fascia notturna.
- 3. Generatore di idrogeno secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di stoccaggio dell’idrogeno (21) à ̈ previsto come serbatoio in pressione oppure contiene idruri metallici e forma un associato serbatoio di stoccaggio.
- 4. Generatore di idrogeno secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il demineralizzatore (13) Ã ̈ un demineralizzatore ad osmosi inversa.
- 5. Sistema generatore di idrogeno secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il dispositivo di recupero di calore (14) comprende uno scambiatore di calore (14), il cui circuito primario (15) à ̈ associato all’elettrolizzatore (12) ed il cui circuito secondario (17) à ̈ collegato ad un utilizzatore di calore, ad esempio ad un impianto di riscaldamento (10) domestico o industriale.
- 6. Sistema generatore di idrogeno secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il combustore (18) per la produzione di calore à ̈ ad esempio un combustore a combustione catalitica dell’idrogeno con innesco della reazione a temperatura ambiente, senza apporto di fiamma, con reazione interamente al di sotto della temperatura di formazione degli NOxe scarico costituito da sola aria calda umida, e con cessione del calore interamente all’acqua di riscaldamento del detto impianto di riscaldamento (10).
- 7. Sistema generatore di idrogeno secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l’energia elettrica generata dalla cella a combustibile (19) à ̈ prevista per fornire un servizio di back-up elettrico per strutture associate ad essa, come ospedali e così via.
- 8. Sistema generatore di idrogeno secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’impianto di riscaldamento (10) à ̈ un impianto di riscaldamento per abitazioni, preferibilmente di tipo radiante, integrato con impianto solare termico.
- 9. Sistema generatore di idrogeno secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dal recupero della condensa del vapore d’acqua dal combustore (18) si ottiene acqua distillata purissima.
- 10. Sistema generatore di idrogeno secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di formare con detta custodia di alloggiamento (2) un’unità premontata pronta per la sua installazione e per l’allacciamento, sul lato di ingresso, alle reti di alimentazione di acqua e corrente e, sul lato di uscita, alle utenze per i servizi di riscaldamento (10) e di back-up elettrico ed ai punti di raccolta dei prodotti previsti, ad esempio ossigeno, ozono ed acqua distillata purissima.
- 11. Sistema generatore di idrogeno secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di comando coadiuvato da software programmabile, il quale à ̈ atto a gestire nel modo più opportuno tutti i dispositivi e componenti circuitali comandabili.
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