BR202022012104U2

BR202022012104U2 - Sistema de armazenamento de gases

Info

Publication number: BR202022012104U2
Application number: BR202022012104-0U
Authority: BR
Inventors: Paulo Augusto Piazzon; Andre Luiz Gollo
Original assignee: Legazus The Future Ltda
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2023-12-19

Abstract

sistema de armazenamento de gases. este modelo de utilidade se refere a um sistema de armazenamento de gases baseado em coluna d´água composto por entrada para alimentação de gases e água (a), compartimento pulmão (b), saída de conexão (c), reservatório central de gases (d), canal de conexão (e), tubulação de gás (f), reservatório central de água (g) e, em caso de sistema fechado, tubulação de água (h), e se aplica nos campos de energia, combustíveis gasosos, e gases industriais.

Description

Campo da Invenção

1 Este modelo de utilidade se refere a um sistema de armazenamento de gases baseado em coluna d'água e se aplica nos campos de energia, combustíveis gasosos, e gases industriais.

Fundamentos da Invenção e Estado da Técnica

2 O armazenamento de gases industriais e gases combustíveis é um grande desafio tecnológico. Por terem baixa densidade e geralmente ocuparem grandes volumes, os gases são, com frequência, pressurizados, o que demanda investimento energético e em requisitos de segurança. Ainda, muitos desses gases são altamente inflamáveis, o que torna sua coleta e armazenamento seguros um desafio ainda maior. Um exemplo é o gás hidrogênio, o qual será brevemente descrito a seguir.

3 O hidrogênio é um gás de altíssima densidade energética cuja reação de combustão produz água como produto, além da energia. O hidrogênio possui energia específica de cerca de 140 kJ/g, ao passo que o metano não ultrapassa os 60 kJ/g, e o diesel não chega a 50 kJ/g. O hidrogênio pode ser obtido de fontes não renováveis como o gás natural, ou de fontes renováveis como resíduos orgânicos e até mesmo a água.

4 Por ser altamente explosivo e inflamável, apresentando entalpia de combustão de -286 kJ/mol, é indispensável que o hidrogênio seja armazenado com segurança. Atualmente, os sistemas de armazenamento de hidrogênio em grande escala envolvem a compressão do gás em cilindros, a liquefação, a adsorção, e a formação de hidretos metálicos para armazenamento na forma sólida ou hidretos químicos como metanol ou amônia para armazenamento na forma líquida.

5 O gás hidrogênio apresenta baixíssima densidade (0,0899 g/L) e, por ser uma molécula apolar, é praticamente insolúvel em água, na ordem de 0,00155 g/kg a 25°C. A 0°C, a solubilidade é da ordem de 0,0019 g/kg.

6 O documento de patente CN113846338-A, publicado em 2021, apresenta um sistema de produção e armazenamento de hidrogênio para produção cíclica de hidrogênio multimodo, que compreende célula eletrolítica para preparar hidrogênio por eletrólise de água, e três dispositivos de armazenamento para hidrogênio, oxigênio e água, separadamente. Esse documento, no entanto, não menciona as características de segurança do sistema de armazenamento, o qual é baseado em pressurização.

7 O documento de patente CN214736136-U, publicado em 2021, descreve um modelo de utilidade caracterizado por ser um dispositivo de armazenamento de energia e produção de hidrogênio. Esse dispositivo compreende um sistema de produção de hidrogênio, um dispositivo de pressurização de hidrogênio, um dispositivo de armazenamento de hidrogênio, um sistema de coleta de água da chuva e uma tremonha de coleta de água. Aqui, sobre o sistema de armazenamento de hidrogênio, é mencionado somente que o mesmo é conectado ao sistema de pressurização. Não é mencionado o uso de coluna d’água para a contenção do gás hidrogênio, e o sistema de armazenamento depende da pressurização do gás.

8 O documento de patente CN207634244-U, publicado em 2018, descreve um modelo de utilidade que consiste em um sistema de economia de energia de armazenamento de hidrogênio em torre de ventilador, que possui dispositivo de produção de hidrogênio eletrolítico de água conectado à extremidade de entrada de hidrogênio e dispositivo de produção de hidrogênio eletrolítico cuja extremidade de saída de água é conectada ao dispositivo de armazenamento de hidrogênio. Nesse sistema, não há menção ao uso de coluna d’água como mecanismo para contenção segura do gás hidrogênio. A energia do sistema é armazenada em uma bateria.

9 Há registros na literatura sobre o uso de coluna d’água para o armazenamento de gases. No documento publicado por Silva et al., 2021 (Produção de biogás a partir da codigestão anaeróbia de dejetos suínos e lodo de frigorífico; DOI: 10.37885/201202649), a coleta do biogás produzido é realizada em proveta invertida preenchida por coluna d’água, parcialmente imersa em um reservatório de água, e o gás produzido é alimentado na base da proveta através de uma mangueira. Por ser menos denso, o gás ascende na proveta, na forma de bolhas, e se acumula na parte superior, pressionando a coluna d’água para baixo. A coluna d’água “sela” o sistema de modo que o gás fica retido na proveta.

10 O documento de patente DE102013107677-A/WO2015007600-A1, publicado em 2015, descreve um reservatório de gás para armazenamento subterrâneo de gás sob pressão, o qual possui um recipiente adjacente à coluna d’água para recebimento de gás sob pressão, onde o recipiente é flexível para que o volume do recipiente dependa da massa do gás sob pressão. O reservatório de gás tem uma cavidade subterrânea com um eixo que se estende verticalmente conectado à superfície e segmentos que se estendem horizontalmente conectados ao eixo. Uma coluna d’água está presente no poço, onde a coluna d’água se estende acima do nível do segmento e se comunica com o segmento. Os recipientes adjacentes à coluna de água recebem o gás sob pressão. Nesse sistema, o gás recebido é anteriormente pressurizado, de modo que a configuração com a coluna d’água garanta o armazenamento eficiente e seguro.

11 Percebe-se que, no estado da técnica, existem sistemas de armazenamento de gases baseados em coluna d’água, no entanto, esses sistemas não apresentam configuração desenvolvida para aplicação industrial, não apresentam configuração que posiciona a coluna d’água acima do reservatório de gases, ou então apresentam a necessidade de um sistema de pressurização adicional ao sistema de armazenamento.

Descrição da abordagem do problema técnico

12 A solução proposta pela presente invenção consiste no armazenamento de gases em recipiente com entrada de gás localizada na parte inferior, preenchido por coluna d’água, a qual se movimenta em sentido ascendente em razão da pressão exercida pelo gás na alimentação.

13 A presente invenção traz uma solução simples, segura e de baixo custo para o armazenamento de gases, a exemplo do hidrogênio, tendo como vantagens a possibilidade de aplicação industrial e em sistemas de armazenamento de combustíveis gasosos, sem a necessidade de um pressurizador adicional. A coluna d’água, além de evitar o escape dos gases para a atmosfera, consiste em um mecanismo de segurança contra explosões.

Descrição detalhada da Invenção

14 O presente modelo de utilidade descreve um sistema de armazenamento de gases caracterizado por ser baseado no deslocamento de coluna d’água. Os componentes do sistema, com suas variações de configuração, estão apresentados nas Figuras 1 a 4. O sistema contém uma entrada para alimentação de gases e água (A), onde se encontra opcionalmente uma válvula que impede a saída do conteúdo interno, e um compartimento pulmão (B), o qual é unido, através de uma saída de conexão (C) contendo opcionalmente uma segunda válvula, ao reservatório central de gases (D). O compartimento pulmão (B) pode conter saídas adicionais para outros reservatórios de gases ligados em série. Um canal de conexão (E), contendo opcionalmente uma terceira válvula, liga o reservatório central de gases (D) ao reservatório central de água (G) que pode ser aberto ou fechado e ter estrutura cilíndrica, quadrada, retangular, ou cônica. Este reservatório (G), cujo volume varia de 1 a 10 vezes o volume do reservatório central de gases (D), fica localizado acima do reservatório (D), que acompanha o formato do reservatório (G). A partir do reservatório central de gases (D) também sai uma tubulação de gás (F) que se estende até o exterior do sistema para a retirada dos gases armazenados, a qual contém opcionalmente uma quarta válvula que isola o sistema evitando a saída dos gases e da água. Caso o reservatório central de água (G) seja fechado, deste também sai uma tubulação de água (H) que contém opcionalmente uma quinta válvula, para alimentação ou retirada da água.

15 A Figura 1 apresenta um sistema fechado com todas as válvulas. A Figura 2 apresenta um sistema fechado, porém sem as válvulas, indicando que esse sistema está conectado a outros módulos, não apresentados neste documento. A Figura 3 apresenta um sistema aberto com todas as válvulas, enquanto a Figura 4 apresenta um sistema aberto sem as válvulas, indicando que esse sistema está conectado a outros módulos, não apresentados neste documento.

16 A operação do sistema inicia-se com a alimentação de água através da entrada para alimentação de gases e água (A), de modo a preencher o compartimento pulmão (B) e o reservatório central de gases (D). Então, inicia-se a alimentação do(s) gás(es) através da mesma entrada (A), de modo que a pressão exercida pelo gás, que passa pelo compartimento pulmão (B) e pela saída de conexão (C), desloca a água do reservatório central de gases (D), que sai por meio do canal de conexão (E), preenchendo assim o reservatório central de água (G). Essa coluna d’água exerce pressão nos gases do reservatório (D), facilitando a retirada dos gases sem gasto de energia e garantindo a segurança do sistema contra explosões.

17 Em outro modo de operação, a alimentação de água ocorre através da tubulação de água (H), escoando pelo canal de conexão (E) e preenchendo o reservatório central de gases (D). Então, inicia-se a alimentação do(s) gás(es) através da entrada para alimentação de gases e água (A), e o compartimento pulmão (B) funciona como um pré-filtro para os gases alimentados. Ao adentrarem o reservatório central de gases (D), passando pela saída de conexão (C), os gases deslocam a água, que sai por meio do canal de conexão (E), preenchendo assim o reservatório central de água (G).

Exemplo: Teste em protótipo

18 Um exemplo de concretização deste modelo de utilidade consiste na construção de um protótipo para o armazenamento de gás hidrogênio, em material acrílico, produzido a partir da água utilizando energia fotovoltaica. O protótipo apresenta uma entrada para alimentação de gases e água (A) de diâmetro 2 mm, comprimento 5 mm e localizada a uma altura de 5 mm da base do compartimento pulmão (B), que tem dimensões de 30 mm altura X 20 mm comprimento X 10 mm profundidade com volume total de 6.000 mm3, e uma saída de conexão (C) de diâmetro 2 mm, comprimento 5 mm, localizada a uma altura de 18 mm da base do compartimento pulmão (B). O protótipo é composto ainda por um reservatório central de gases (D), com altura final de 25 mm e raio de 15 mm, totalizando um volume de 17.671 mm3, e um tanque sobreposto a este (reservatório central de água G), com altura de 33,49 mm e raio de 15 mm, com volume total de 23.672 mm3. A água preenche o compartimento pulmão (B) e o reservatório central de gases (D), totalizando 23.671 mm3, saindo então através do canal de conexão (E) que tem diâmetro de 2 mm e está localizado na base do reservatório central de gases (D), em lado oposto ao da saída de conexão (C), totalizando uma alimentação de 23,67 mL de água. Inicia-se então a alimentação com gás hidrogênio, o qual é produzido a partir da água em uma célula separada, a qual não é objeto deste documento, através da entrada para alimentação de gases e água (A), a uma vazão de 7,86 mL/min durante 3 min, totalizando 23,6 mL de gás hidrogênio alimentado. O gás alimentado, por meio da pressão exercida, move a água de modo que esta sai do reservatório central de gases (D) através do canal de conexão (E) preenchendo assim o reservatório central de água (G), formando uma coluna d’água sobre o gás que fica contido no reservatório central de gases (D). O gás armazenado pode ser removido do reservatório (D) por meio da tubulação de gás (F), que tem diâmetro 2 mm, comprimento 5 mm e uma curva de 90°, e está localizada na parte superior do reservatório central de gases (D). O gás hidrogênio contido no reservatório proposto neste modelo de utilidade pode ser utilizado para alimentar uma célula combustível, a qual não é objeto deste documento, a uma vazão de 11,8 mL/min por 2 min, saindo através da tubulação de gás (F), gerando corrente elétrica equivalente a 8,76 mA por minuto em uma lâmpada de led.

Exemplo: Tanque industrial

19 Este modelo de utilidade pode ser construído para ser um reservatório de gás hidrogênio em material polimérico, metálico como o aço ou de concreto, em uma usina fotovoltaica de 5 MW com 741 MW de fornecimento mensal. Neste exemplo, a entrada para alimentação de gases e água (A), com diâmetro de 100 mm, recebe alimentação de gases para o compartimento pulmão (B), de medidas 4 m altura X 1 m raio X 2 m largura, que é unido através da saída de conexão (C), de diâmetro 100 mm, ao reservatório central de gases (D), que tem um raio de 6 m e uma altura de 5,2 m, com capacidade total de armazenamento de 588 m3 de gás. O gás pode ser retirado pela tubulação de gás (F), de 75 mm de diâmetro. Da mesma forma, o reservatório central de água (G) tem um raio de 6 m e uma altura de 5,2 m, com capacidade total de armazenamento de 588 m3 de água. O reservatório central de água (G) pode ser fechado, tendo assim uma tubulação de água (H) de 75 mm de diâmetro para alimentação ou retirada da água. Configurações alternativas para esses reservatórios podem ser propostas de acordo com a necessidade de armazenamento.

Descrição das figuras

20 Figura 1. Sistema de armazenamento de gases fechado, com válvulas. A - Entrada para alimentação de gases e água. Neste local é opcional a presença de uma válvula, que impedirá o retorno da água quando estiver sendo feita a alimentação do(s) gás(es). B - Compartimento pulmão. Compartimento anterior ao reservatório central de gases. Serve também como compartimento para ligação em série a outros tanques de armazenamento. C - Saída de conexão. Conecta o compartimento pulmão ao reservatório central de gases. Neste local é opcional a presença de uma válvula. D - Reservatório central de gases. Reservatório principal onde o(s) gás(es) fica(m) armazenado(s). Pode ter estrutura cilíndrica, quadrada, retangular, ou cônica da mesma forma que o reservatório central de água. E - Canal de conexão. Conecta o reservatório central de gases ao reservatório central de água. Neste local é opcional a presença de uma válvula. F - Tubulação de gás. Utilizada para a retirada do gás armazenado. Neste local é opcional a presença de uma válvula. G - Reservatório central de água. Reservatório que comporta a coluna d’água. Essa estrutura pode ou não ser fechada. Caso seja fechada é necessária uma tubulação para alimentação ou saída da água, e o sistema pode se tornar pressurizado. H - Tubulação de água. Utilizada para a alimentação ou retirada da água quando o sistema for fechado. Neste local é opcional a presença de uma válvula.

21 Figura 2. Sistema de armazenamento de gases fechado, sem válvulas.

22 Figura 3. Sistema aberto, com válvulas.

23 Figura 4. Sistema aberto, sem válvulas.

Claims

1. SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE GASES caracterizado por ser baseado no deslocamento de coluna d’água e conter uma entrada para alimentação de gases e água (A), onde se encontra opcionalmente uma válvula que impede a saída do conteúdo interno, um compartimento pulmão (B), unido através de uma saída de conexão (C), a qual contém opcionalmente uma segunda válvula, ao reservatório central de gases (D), sendo que o compartimento pulmão (B) pode conter saídas adicionais para outros reservatórios de gases ligados em série, um canal de conexão (E), contendo opcionalmente uma terceira válvula, que liga o reservatório central de gases (D) ao reservatório central de água (G), cujo volume varia de 1 a 10 vezes o volume do reservatório central de gases (D) e que pode ser aberto ou fechado e ter estrutura cilíndrica, quadrada, retangular, ou cônica localizado acima do reservatório central de gases (D), que acompanha o formato do reservatório central de água (G), sendo que do reservatório central de gases (D) também sai uma tubulação de gás (F) que se estende até o exterior do sistema para a retirada dos gases armazenados, a qual contém opcionalmente uma quarta válvula que isola o sistema evitando a saída dos gases e da água, e caso o reservatório central de água (G) seja fechado, deste também sai uma tubulação de água (H) que contém opcionalmente uma quinta válvula, para alimentação ou retirada da água.