IT202100004298A1 - Sistema di compressione d’idrogeno e metodo per produrre idrogeno a bassa temperatura e alta pressione - Google Patents

Sistema di compressione d’idrogeno e metodo per produrre idrogeno a bassa temperatura e alta pressione Download PDF

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Description

TITOLO
Sistema di compressione di idrogeno e metodo per produrre idrogeno a alta pressione a bassa temperatura
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
[0001] L'oggetto descritto nella presente riguarda sistemi di compressione di idrogeno e metodi per produrre idrogeno a alta pressione a bassa temperatura.
STATO DELL'ARTE
[0002] Negli ultimi anni, molte aziende investono le loro risorse ed eseguono ricerche per trovare alternative all'uso di combustibili fossili per il settore dei trasporti, che ? responsabile di circa il 25% del consumo energetico globale e del 14% delle emissioni totali di diossido di carbonio. Un'alternativa che viene considerata ? rappresentata da veicoli che usano idrogeno come vettore energetico.
[0003] Sistemi di compressione e stoccaggio di idrogeno diventano altamente rilevanti per applicazioni di mobilit?, poich? un veicolo pu? immagazzinare idrogeno compresso in un serbatoio a bordo del veicolo e pu? usarlo per alimentare idrogeno ad esempio a una cella a combustibile al fine di fornire potenza a un motore elettrico o a un motore a combustione.
[0004] Per garantire il funzionamento e l'efficienza dei veicoli, il carburante a idrogeno alimentato deve soddisfare determinate specifiche in termini di purezza.
[0005] Pertanto, stazioni di rifornimento di idrogeno devono rendere disponibile idrogeno compresso ad elevata purezza per rifornire veicoli alimentati ad idrogeno.
[0006] Tipicamente, la compressione di idrogeno ? ottenuta usando la comune tecnologia dei compressori, come compressori rotativi a palette, compressori volumetrici, compressori alternativi o compressori a membrana.
SOMMARIO
[0007] ? vantaggioso che i produttori di veicoli diminuiscano la dimensione del serbatoio a bordo per ridurre il peso e per aumentare lo spazio per altri componenti.
[0008] Per diminuire la dimensione di serbatoio di veicolo mantenendo la stessa capacit? di idrogeno, l'idrogeno nel serbatoio viene compresso a pressione molto elevata, ad esempio 700-1000 bar.
[0009] Le specifiche di idrogeno ad elevata purezza a alta pressione sono molto difficili da raggiungere usando la comune tecnologia dei compressori. Ad esempio, i compressori alternativi richiedono che la lubrificazione del cilindro funzioni correttamente, ma l'olio di lubrificazione a alta pressione contaminerebbe l'idrogeno compresso, mentre usare compressori alternativi senza lubrificazione per comprimere idrogeno a alta pressione porterebbe a problemi di prestazioni di tenuta e di vita utile. I compressori a membrana sono invece molto buoni per garantire la corretta purezza, ma essi hanno limitazioni in termini di flusso e scarse prestazioni in termini di disponibilit?.
[0010] Secondo un aspetto, l'oggetto descritto nella presente riguarda un sistema di compressione di idrogeno avente una prima unit? per comprimere idrogeno, una seconda unit? per raffreddare l'idrogeno ricevuto dalla prima unit? e una terza unit? comprendente un serbatoio per riscaldare l'idrogeno ricevuto dalla seconda unit? fino ad alta pressione e immagazzinarlo nel serbatoio; in particolare, la pressurizzazione in corrispondenza della terza unit? ? ottenuta introducendo nel serbatoio il gas idrogeno freddo, ben al di sotto della temperatura ambiente, ricevuto dalla seconda unit? e riscaldandolo mentre il serbatoio ? isolato fluidicamente preferibilmente fino a quando l'idrogeno all'interno del serbatoio raggiunge temperatura ambiente.
[0011] Secondo un altro aspetto, l'oggetto descritto nella presente riguarda un metodo per produrre idrogeno a alta pressione e bassa temperatura riscaldando idrogeno a bassa pressione e bassa temperatura in un serbatoio con un volume fisso o volume sostanzialmente fisso mentre il serbatoio ? isolato fluidicamente.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
[0012] Un apprezzamento pi? completo delle forme di realizzazione descritte e dei relativi vantaggi connessi sar? facilmente ottenuto in quanto lo stesso si comprende meglio facendo riferimento alla seguente descrizione dettagliata quando considerata in relazione ai disegni allegati, in cui:
Fig. 1 mostra un disegno schematico generale di una forma di realizzazione di un sistema di compressione per produrre idrogeno a pressione molto alta e bassa temperatura,
Fig. 2 mostra un disegno schematico dettagliato della forma di realizzazione della Figura 1,
Fig. 3 mostra un disegno schematico dettagliato di una seconda unit? e di alcune terze unit? del sistema di compressione della Figura 1 e 2, e
Fig. 4 mostra un diagramma di flusso di una forma di realizzazione di un metodo per produrre idrogeno a pressione molto alta e bassa temperatura.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME DI REALIZZAZIONE
[0013] L'oggetto qui descritto riguarda un sistema di compressione di idrogeno e un metodo per produrre idrogeno a alta pressione e bassa temperatura.
[0014] L'idrogeno in stazioni di rifornimento di idrogeno deve essere disponibile a alta pressione, temperatura ambiente e elevata purezza per alimentare correttamente il veicolo a idrogeno e garantire il corretto funzionamento di veicolo. Ad esempio: la pressione pu? essere nell'intervallo da 700 bar a 1000 bar, la temperatura pu? essere nell'intervallo da meno 20 ?C a 50 ?C, la purezza pu? essere nell'intervallo da 99 a 100, vantaggiosamente per alcune applicazioni la purezza pu? essere superiore al 99,997%.
[0015] Ci? pu? essere ottenuto usando un sistema di compressione di idrogeno che ha un serbatoio che prima ? riempito con idrogeno a temperatura molto bassa (ad esempio meno 150 ?C) pressione bassa (ad esempio 350 bar) e quindi ? riscaldato fino a temperatura ambiente (ad esempio 20 ?C) mentre il serbatoio ? chiuso. Tale riscaldamento aumenta la pressione dell'idrogeno all'interno del serbatoio (ad esempio, fino a 900 bar). Successivamente, tale serbatoio pu? essere usato ad esempio per rifornire i veicoli. La compressione basata sul riscaldamento consente di ottenere facilmente pressione elevata attraverso un sistema relativamente semplice e senza rischio di ridurre la purezza dell'idrogeno, contrariamente a compressori rotanti e compressori alternativi.
[0016] Si far? ora riferimento in dettaglio a forme di realizzazione della descrizione illustrate nei disegni.
[0017] Le forme di realizzazione sono fornite a titolo esplicativo della descrizione, non limitativo della descrizione. Infatti, risulter? evidente ai tecnici del ramo che ? possibile apportare varie modifiche e variazioni nella presente descrizione senza discostarsi dalla portata o dallo spirito della descrizione.
[0018] Con riferimento non limitativo alla Figura 1, un sistema 1000, in particolare un sistema di compressione di idrogeno, ? disposto per produrre idrogeno a alta pressione e bassa temperatura.
[0019] Secondo questa forma di realizzazione, il sistema 1000 comprende tre unit? diverse disposte per comprimere, raffreddare e riscaldare idrogeno per produrre idrogeno a alta pressione e bassa temperatura, ad esempio idrogeno avente temperatura ambiente e pressione tra 700 - 1000 bar, preferibilmente idrogeno avente una temperatura tra 20 ?C - 40 ?C e pressione tra 900 bar - 1000 bar.
[0020] Una prima unit? 100, avente un primo ingresso 101 e una prima uscita 102, ? un'unit? di compressione configurata per ricevere idrogeno in corrispondenza del primo ingresso 101, e per comprimere l'idrogeno ricevuto a idrogeno a bassa pressione e alta temperatura. La prima unit? 100 pu? avere uno o pi? compressori alternativi o rotanti, a singolo stadio o multistadio, che comprimono l'idrogeno ricevuto attraverso parti mobili agenti sull'idrogeno ricevuto, come pale di un compressore rotante o pistoni di un compressore alternativo.
[0021] Tipicamente, l'idrogeno ricevuto si riscalda a causa della compressione. Come mostrato nella Figura 1, la prima unit? 100 ha un primo compressore rotante 112 e un secondo compressore rotante 113, ciascun compressore 112, 113 essendo seguito da uno scambiatore di calore, rispettivamente un primo scambiatore di calore 115 e un secondo scambiatore di calore 116, configurato per raffreddare l'idrogeno ricevuto.
[0022] L'idrogeno ricevuto pu? provenire da una linea di alimentazione di idrogeno a bassa pressione e bassa temperatura , ad esempio a 20 bar e 40 ?C; l'idrogeno ricevuto ? quindi compresso mediante compressori rotanti 112, 113 della prima unit? 100 fino a una bassa pressione necessaria per riempire il serbatoio 310, tenendo conto di qualsiasi eventuale calo di pressione nel sistema. Ad esempio, la prima unit? 100 comprime l'idrogeno ricevuto fino a 200 bar - 500 bar, vantaggiosamente fino a 300 bar - 450 bar. Va notato che la pressione e la temperatura iniziale dell?idrogeno ricevuto dalla linea di alimentazione di idrogeno possono dipendere ad esempio dal sistema di stoccaggio di idrogeno che rende disponibile l?idrogeno al sistema di compressione di idrogeno.
[0023] In alternativa, l'idrogeno ricevuto pu? provenire da una linea di alimentazione di idrogeno a 80 bar e 30 ?C, ad esempio da un sistema di stoccaggio di idrogeno o un gasdotto di idrogeno.
[0024] In alternativa, l'idrogeno ricevuto pu? provenire da una linea di alimentazione di idrogeno a 250 bar e 20 ?C.
[0025] Vantaggiosamente, la prima uscita 102 della prima unit? 100 pu? essere accoppiata fluidicamente in modo selettivo al primo ingresso 101 della prima unit? 100 attraverso un circuito di ricircolo di idrogeno 150 in modo che l'idrogeno ricevuto possa essere fatto ricircolare dalla prima uscita 102 al primo ingresso 101. A causa di ci?, la pressione dell?idrogeno in corrispondenza della prima uscita 102 pu? essere adeguatamente controllata, cos? come la pressione necessaria per riempire o rabboccare il serbatoio 310 (vedere Figura 2).
[0026] Come mostrato nella Figura 2, il circuito di ricircolo di idrogeno 150 ? dotato di una valvola di controllo di pressione 155 per controllare la pressione dell?idrogeno in corrispondenza dell?uscita 102 della prima unit?. In particolare, un regolatore di pressione 157 fornisce un segnale di controllo alla valvola di controllo di pressione 155 per regolare l'apertura/chiusura di valvola.
[0027] L'uscita 102 della prima unit? 100 ? accoppiata fluidicamente a un ingresso 201 di una seconda unit? 200 e fornisce idrogeno a bassa pressione e alta temperatura alla seconda unit? 200.
[0028] La seconda unit? 200 ? configurata per raffreddare l'idrogeno ricevuto dalla prima unit? 100, ad esempio fino a meno 200 ?C - meno 100 ?C, vantaggiosamente fino a meno 150 ?C - meno 100 ?C. In particolare, la seconda unit? 200 comprende una prima pompa di calore 250 configurata per raffreddare l'idrogeno ricevuto dalla seconda unit? 200. La prima pompa di calore ?, ad esempio, un sistema di compressore/espansore comprendente un compressore 210 per aumentare la pressione del fluido refrigerante, un espansore 220 per diminuire la pressione del fluido refrigerante, uno scambiatore di calore principale 215 per riscaldare il fluido refrigerante e uno scambiatore di calore 217 per raffreddare il fluido refrigerante.
[0029] La prima pompa di calore 250 implementa un primo ciclo frigorifero chiuso e usa azoto come fluido refrigerante, l'azoto essendo usato dallo scambiatore di calore 215 per raffreddare l'idrogeno ricevuto dalla prima unit? 100. L'utilizzo di azoto ? vantaggioso per avere un fluido non tossico e non pericoloso; tuttavia, differenti fluidi refrigeranti possono essere selezionati in base alle specifiche necessit? di applicazione.
[0030] In alternativa, la prima pompa di calore 250 ? un sistema di compressore/valvola comprendente un compressore 210 per aumentare la pressione di fluido refrigerante, una valvola di laminazione per diminuire la pressione di fluido refrigerante, uno scambiatore di calore principale 215 per riscaldare il fluido refrigerante e uno scambiatore di calore 217 per raffreddare il fluido refrigerante.
[0031] Vantaggiosamente, se la prima pompa di calore 250 ? un sistema di compressore/valvola, il sistema 1000 comprende una seconda pompa di calore che implementa un secondo ciclo chiuso frigorifero chiuso e che ? configurata per raffreddare l'azoto della prima pompa di calore 250. La seconda pompa di calore usa in particolare diossido di carbonio come fluido refrigerante ed ? accoppiata al primo ciclo chiuso frigorifero, in particolare allo scambiatore di calore 217 per raffreddare il fluido refrigerante della prima pompa di calore 250. [0032] Una seconda uscita 202 della seconda unit? 200 ? accoppiata fluidicamente a un terzo ingresso 301 di una terza unit? 300 e alimenta idrogeno a bassa pressione e temperatura molto bassa alla terza unit? 300, ad esempio idrogeno a meno 200 ?C - meno 100 ?C e 200 bar - 500 bar, vantaggiosamente idrogeno a meno 175 ?C -meno 125 ?C e 300 bar - 400 bar.
[0033] La terza unit? 300 ? configurata per aumentare la pressione dell?idrogeno ricevuto dalla seconda unit? 200 attraverso riscaldamento dell'idrogeno ricevuto dalla seconda unit? 200 in almeno un serbatoio 310 e per immagazzinare l'idrogeno pressurizzato nel serbatoio 310. Vantaggiosamente, il serbatoio 310 ? un serbatoio a volume fisso. Vantaggiosamente, il serbatoio 310 ha pareti periferiche comprendenti un materiale avente una bassa conducibilit? termica per evitare o ridurre le perdite termiche. Ad esempio, le pareti periferiche di serbatoio possono avere pi? strati in cui uno degli strati ? uno strato di isolamento termico per ridurre perdite termiche dal serbatoio 310 all'ambiente circostante o ci pu? essere uno spazio tra due strati riempito con un fluido o un?attrezzatura.
Va notato che una piccola quantit? di calore pu? ancora fluire nel serbatoio 310 da un ambiente circostante.
[0034] Il terzo ingresso 301 ? accoppiato fluidicamente alla seconda unit? 200, in particolare alla seconda uscita 202 mediante apertura/chiusura di una valvola di ingresso 325, da cui la terza unit? 300 riceve l'idrogeno a bassa pressione e temperatura molto bassa. La terza unit? 300 ? inoltre accoppiata fluidicamente a una terza uscita 302, ad esempio una linea di distribuzione collegata ad almeno un'unit? di distribuzione, in particolare una pompa di rifornimento di idrogeno adatta per rifornire veicoli. In particolare, il serbatoio 310 ? accoppiato fluidicamente selettivamente alla terza uscita 302 mediante apertura/chiusura di una valvola di uscita 335.
[0035] La terza unit? 300 ? configurata per ricevere l'idrogeno dalla seconda unit? 200, alimentare l'idrogeno nel serbatoio 310 mediante apertura della valvola di ingresso 325 e riscaldare l'idrogeno contenuto nel serbatoio 310 mentre la valvola di ingresso 325 ? chiusa. La terza unit? 300 ? inoltre configurata per mantenere la valvola di ingresso 325 e la valvola di uscita 335 chiuse per un periodo di tempo predeterminato dopo il riempimento del serbatoio 310 con l'idrogeno ricevuto dalla seconda unit? 200.
[0036] E? da notare che il serbatoio 310 ? atto a essere riempito con idrogeno ricevuto dalla seconda unit? 200 e ad alimentare l'idrogeno pressurizzato all'unit? di distribuzione, in modo che il serbatoio 310 venga gradualmente svuotato finch? l'idrogeno nel serbatoio 310 raggiunge una quantit? minima predeterminata o la pressione nel serbatoio 310 raggiunge una pressione minima predeterminata. Quando l'idrogeno nel serbatoio 310 raggiunge una quantit? o pressione minima predeterminata, il serbatoio 310 viene rabboccato con idrogeno ricevuto dalla seconda unit? 200.
[0037] Con riferimento non limitativo alla Figura 2, il serbatoio 310 comprende almeno un canale a serpentina, situato all'interno del serbatoio 310 e configurato per far fluire un fluido di raffreddamento e/o un fluido di riscaldamento. In alternativa o in aggiunta, il serbatoio 310 comprende almeno un canale a serpentina, situato all'interno di una parete periferica del serbatoio 310 e configurato per far fluire un fluido di raffreddamento e/o un fluido di riscaldamento. Vantaggiosamente, il serbatoio 310 ha un primo canale a serpentina, come un sistema di raffreddamento 320, configurato per far fluire un fluido di raffreddamento e un secondo canale a serpentina, come un sistema di riscaldamento 330, configurata per far fluire un fluido di riscaldamento. Il fluido di raffreddamento scambia calore con l'idrogeno nel serbatoio 310 per raffreddare l'idrogeno contenuto nel serbatoio 310 e ricevuto dalla seconda unit? 200. Il fluido di riscaldamento scambia calore con l'idrogeno nel serbatoio 310 per riscaldare l'idrogeno contenuto nel serbatoio 310 ricevuto dalla seconda unit? 200. Occorre notare che il sistema di riscaldamento pu? essere evitato; ad esempio, se non sono previste limitazioni temporali al completamento della compressione di idrogeno, l'idrogeno nel serbatoio 310 pu? essere riscaldato mediante l'aria ambiente circostante, in particolare l'aria a temperatura ambiente, scambiando calore attraverso le pareti periferiche del serbatoio 310.
[0038] Vantaggiosamente, il sistema di raffreddamento 320 ? collegato fluidicamente alla seconda unit? 200, in particolare alla prima pompa di calore 250, producendo fluido refrigerante a temperatura molto bassa: parte del fluido refrigerante della prima pompa di calore 250 viene deviata attraverso una valvola a tre vie 230 e immessa nel sistema di raffreddamento 320 prima di essere re-immessa nella prima pompa di calore 250.
[0039] Il sistema di riscaldamento 330 usa un fluido, gas o liquido di riscaldamento, ad esempio aria, per riscaldare l'idrogeno. Occorre notare che il fluido di riscaldamento non necessita di essere a alta temperatura, ad esempio una temperatura superiore a 50 ?C, poich? l'idrogeno contenuto nel serbatoio 310 ? a temperatura molto bassa, consentendo di scambiare calore anche con il fluido di riscaldamento a bassa temperatura, ad esempio fluido di riscaldamento a 30 ?C.
[0040] Vantaggiosamente, il sistema di riscaldamento 330 ? accoppiato fluidicamente alla prima unit? 100 e usa il calore sottratto dall'idrogeno ricevuto dalla prima unit? 100 mentre passa attraverso gli scambiatori di calore 115, 116 per riscaldare l'idrogeno a temperatura molto bassa contenuto nel serbatoio 310. In alternativa o in aggiunta, il sistema di riscaldamento 330 ? accoppiato fluidicamente alla seconda unit? 200 e usa il calore sottratto dall'azoto mediante scambiatore di calore 217 per riscaldare l'idrogeno a temperatura molto bassa contenuto nel serbatoio 310.
[0041] Come descritto di seguito, il serbatoio 310 ? riempito con idrogeno ricevuto dalla seconda unit? 200 attraverso un tubo che collega fluidicamente il terzo ingresso 301 con il serbatoio 310 e in cui il flusso di idrogeno ? regolato dalla valvola di ingresso 325. Quando il serbatoio 310 ? pieno di idrogeno ricevuto dalla seconda unit? 200, il serbatoio 310 ? isolato fluidicamente dalla seconda unit? 200, ad esempio mediante la chiusura della valvola di ingresso 325.
[0042] Vantaggiosamente, il sistema 1000 comprende due o pi? serbatoi 310. Con riferimento non limitativo alla Figura 3, il sistema 1000 comprende due serbatoi 310a, 310b, ciascuno essendo indipendentemente collegato o isolato fluidicamente alla seconda uscita 202 mediante valvole di ingresso 325a, 325b. Vantaggiosamente, i due serbatoi 310a, 310b possono funzionare in ?serie?, essendo riempiti/rabboccati allo stesso tempo ed essere svuotati nello stesso periodo di tempo, o possono funzionare in ?parallelo?, essendo riempiti/rabboccati e svuotati in diversi periodi di tempo.
[0043] Vantaggiosamente, ciascun serbatoio 310a, 310b comprende un primo canale a serpentina, in particolare un sistema di raffreddamento 320a, 320b collegato fluidicamente alla seconda unit? 200, in cui una valvola a tre vie 250 ? disposta per deviare parte del fluido refrigerante per immettere il fluido nei sistemi di raffreddamento 320a, 320b per raffreddare l'idrogeno contenuto in ciascun serbatoio 310a, 310b. Va notato che ciascun sistema di raffreddamento 320a, 320b ? collegato fluidicamente in modo indipendente alla seconda unit? 200 e ciascun sistema di raffreddamento 320a, 320b comprende una valvola 315a, 315b che regola l?immissione di fluido refrigerante nei sistemi di raffreddamento 320a, 320b.
[0044] Vantaggiosamente, ciascun serbatoio 310a, 310b comprende inoltre un secondo canale a serpentina, in particolare un sistema di riscaldamento 330a, 330b collegato fluidicamente alla prima unit? 100, in il sistema di riscaldamento 330a, 330b riceve un fluido di riscaldamento per riscaldare l'idrogeno contenuto in ciascun serbatoio 310a, 310b. Va notato che ciascun sistema di riscaldamento 330a, 330b ? collegato in modo indipendente alla prima unit? 100, in particolare a uno scambiatore di calore 115, 116 della prima unit? 100, e ciascun sistema di riscaldamento 330a, 330b pu? ricevere fluido di riscaldamento da un differente scambiatore di calore. Ad esempio, il sistema di riscaldamento 330a pu? ricevere fluido di riscaldamento dallo scambiatore di calore 115 e il sistema di riscaldamento 330b pu? ricevere fluido di riscaldamento dallo scambiatore di calore 116. Occorre notare che il sistema di riscaldamento 330a, 330b pu? essere evitato se l'idrogeno contenuto in ciascun serbatoio 310a, 310b ? riscaldato mediante aria ambiente, in particolare aria a temperatura ambiente, scambiando calore attraverso pareti periferiche del serbatoio.
[0045] Vantaggiosamente, ciascun serbatoio 310a, 310b ? disposto per alimentare a pressione molto alta e bassa temperatura a una terza uscita 302, ad esempio una linea di distribuzione collegata ad almeno un'unit? di distribuzione, in particolare una pompa di rifornimento di idrogeno adatta per rifornire veicoli. In particolare, la terza unit? 300 ? configurata per accoppiare fluidicamente in modo selettivo i due serbatoi 310a, 310b alla terza uscita 302, cos? che mentre l'idrogeno contenuto in un serbatoio dei due serbatoi 310a, 310b ? pressurizzato, l'idrogeno contenuto in un altro serbatoio dei due serbatoi 310a, 310b ? fornito alla terza uscita 302.
[0046] Secondo un altro aspetto, l'oggetto descritto nella presente riguarda un metodo per produrre idrogeno a alta pressione e bassa temperatura, in particolare riscaldando idrogeno a bassa temperatura contenuto in un serbatoio. Tale metodo pu? essere implementato in un sistema di compressione di idrogeno come il sistema di compressione di idrogeno descritto sopra.
[0047] Il metodo include una fase di riempimento di un serbatoio 430 con idrogeno a bassa temperatura e bassa pressione alimentato da un ingresso. Quando il serbatoio ? pieno di una quantit? predeterminata di idrogeno o di idrogeno a una pressione predeterminata, il serbatoio viene quindi chiuso in modo da essere isolato fluidicamente (fase 440) per un periodo di tempo predeterminato; infine l'idrogeno nel serbatoio viene riscaldato (fase 450) mentre il serbatoio ? isolato fluidicamente fino a quando raggiunge una temperatura ambiente facendo fluire calore nel serbatoio; al termine della fase 450 l'idrogeno nel serbatoio ? a alta pressione.
[0048] Vantaggiosamente, la bassa temperatura ? nell'intervallo tra meno 200 ?C -meno 100 ?C, la bassa pressione ? nell'intervallo tra 200 bar - 500 bar e la alta pressione ? nell'intervallo tra 700 bar -1000 bar. Il calore usato per riscaldare l'idrogeno pu? fluire nel serbatoio attraverso pareti periferiche del serbatoio, vale a dire che il calore proviene da un ambiente circostante il serbatoio. In alternativa o in aggiunta, il calore usato per riscaldare l'idrogeno pu? fluire nel serbatoio attraverso un fluido, in particolare un fluido di riscaldamento alimentato ad almeno un primo canale a serpentina. Il canale a serpentina pu? essere situato all'interno del serbatoio o all'interno di una parete periferica del serbatoio.
[0049] Vantaggiosamente, il metodo comprende inoltre una fase 420 di raffreddamento dell'idrogeno da usare per riempire il serbatoio alla fase 430. Ad esempio, l'idrogeno pu? essere raffreddato attraverso almeno un secondo canale a serpentina in cui fluisce un fluido di raffreddamento prima di essere immesso nel serbatoio e/o pu? essere raffreddato una volta nel serbatoio attraverso un secondo scambiatore di calore, prima di isolare fluidicamente il serbatoio (fase 440).
[0050] Vantaggiosamente, il metodo comprende inoltre una fase 410 di compressione dell?idrogeno da raffreddare alla fase 420; in particolare, l'idrogeno viene compresso prima di essere raffreddato. La fase di compressione 410 ? vantaggiosamente eseguita attraverso almeno un compressore rotante o alternativo. Vantaggiosamente, se si usano una pluralit? di compressori o un compressore multistadio, l'idrogeno viene raffreddato dopo ciascun compressore o dopo ciascuno stadio di compressione, prima di entrare nel compressore successivo o nello stadio di compressione successivo, in modo che ciascuna fase 410 eseguita da ciascun compressore sia seguita dalla fase 420.
[0051] Secondo, ma non limitato, a un esempio di un sistema, mostrato nella Figura 1 e 2, che pu? implementare il metodo sopra descritto, l'idrogeno ? compresso da un primo e da un secondo compressore 112, 113 (fase 410) e raffreddato da un primo e da un secondo scambiatore di calore 115, 116 e da uno scambiatore di calore principale 215 (fase 420). L'idrogeno viene quindi iniettato nel serbatoio 310 passando attraverso una valvola di ingresso 325 (fase 430) finch? la pressione dell?idrogeno all'interno del serbatoio, misurata ad esempio mediante un sensore di pressione, ? uguale alla pressione dell?idrogeno alimentato al serbatoio, vale a dire la pressione dell? idrogeno in corrispondenza di un terzo ingresso 301 della terza unit? 300.
[0052] Vantaggiosamente, il serbatoio 310 comprende un sensore di temperatura che rileva la temperatura di idrogeno nel serbatoio. Se la temperatura dell?idrogeno nel serbatoio ? uguale a una temperatura desiderata predeterminata, la fase 430 ? conclusa, il serbatoio viene isolato fluidicamente (fase 440), ad esempio chiudendo la valvola di refrigerazione 315 e la valvola di ingresso 325 e mantenendo la valvola di uscita chiusa 335. L'idrogeno ? quindi pronto per essere riscaldato (fase 450). Altrimenti, se la temperatura dell?idrogeno nel serbatoio ? superiore a una temperatura desiderata predeterminata, l'idrogeno nel serbatoio viene raffreddato durante la fase 430, ad esempio mediante fluido refrigerante che passa attraverso la valvola di refrigerazione 320, finch? la temperatura dell?idrogeno nel serbatoio ? uguale alla temperatura desiderata predeterminata, in modo che la fase 430 sia conclusa, il serbatoio sia isolato fluidicamente (fase 440) e l?idrogeno sia pronto per essere riscaldato (fase 450).
[0053] Dopo aver isolato fluidicamente il serbatoio (fase 440), la temperatura di idrogeno nel serbatoio viene aumentata (fase 450), ad esempio lasciando che il serbatoio scambi calore attraverso pareti periferiche con aria ambiente oppure usando almeno un canale a serpentina, in particolare un sistema di riscaldamento, ad esempio usando un sistema di riscaldamento 330 mostrato nella Figura 1 e 2. Vantaggiosamente, usare un sistema di riscaldamento consente di ridurre il tempo di riscaldamento dell?idrogeno. Si deve notare che aumentando la temperatura dell?idrogeno in un serbatoio isolato fluidicamente con volume fisso o sostanzialmente fisso, aumenter? anche la pressione dell?idrogeno.
[0054] Vantaggiosamente, il serbatoio 310 comprende un sensore di pressione che rileva la pressione dell?idrogeno nel serbatoio 310. La temperatura dell?idrogeno nel serbatoio 310 viene aumentata fino a quando la temperatura dell?idrogeno raggiunge una temperatura ambiente, ad esempio una temperatura nell'intervallo di meno 20 ?C ? 50 ?C. Successivamente, il riscaldamento dell?idrogeno (fase 450) viene terminato e l'idrogeno ? pronto per essere immesso selettivamente alla terza uscita 302 mediante l?apertura della valvola di uscita 335. Va notato che l'idrogeno pu? essere immagazzinato nel serbatoio isolato fluidicamente 310 prima di essere immesso a una terza uscita 302 di terza unit? 300.
[0055] Se ? usata una pluralit? di serbatoi, la fase 430 e la fase 440 del metodo descritto in precedenza possono essere eseguite in sequenza per la pluralit? di serbatoi. Con riferimento non limitativo alla Figura 3, solo dopo che il primo serbatoio 310a ha terminato la fase 430, la valvola di refrigerazione 315a e la valvola di ingresso 325a vengono chiuse mantenendo al contempo la valvola di uscita 335a chiusa (fase 440), il secondo serbatoio 310b pu? iniziare la fase 430 mediante l?apertura della valvola di refrigerazione 315b e della valvola di ingresso 325b mantenendo al contempo valvola di uscita 335a chiusa, cos? da evitare che le valvole di ingresso 325a, 325b si aprano simultaneamente che porta ad avere problemi durante la fase 430.
[0056] Durante l'avviamento del sistema di compressione di idrogeno, i serbatoi 310a, 310b sono vuoti e devono essere riempiti con idrogeno in ingresso: la prima unit? 100 e la seconda unit? 200 sono accese mentre la valvola di refrigerazione 315a e la valvola di ingresso 325a sono aperte e la valvola di uscita 335a ? chiusa, cos? come la valvola di refrigerazione 315b, la valvola di ingresso 325b e la valvola di uscita 335b.
[0057] Quando il serbatoio 310a ha terminato le fasi 430 e 440, il serbatoio 310b pu? eseguire le fasi 430 e 440, mediante l?apertura di valvola di refrigerazione 315b, valvola di ingresso 325be mantenendo chiusa la valvola di uscita 335b. Si deve notare che durante l'avvio, dopo aver eseguito le fasi 430 e 440, il serbatoio 310a pu? eseguire la fase 450 mentre il serbatoio 310b esegue le fasi 430 o 440. Solo dopo che tutti i serbatoi del sistema di compressione di idrogeno hanno eseguito le fasi 430 e 440, la prima unit? 100 e la seconda unit? 200 possono essere spente, terminando l'avviamento di sistema di compressione di idrogeno.
[0058] Vantaggiosamente, una pluralit? di serbatoi ? usata in alternativa per alimentare idrogeno a pressione molto alta e bassa temperatura alla terza uscita in modo che quando un serbatoio ? usato per alimentare idrogeno a alta pressione e bassa temperatura agli utilizzatori almeno un altro serbatoio, dopo essere gi? stato usato per alimentare idrogeno a pressione molto alta e bassa temperatura alla terza uscita, venga pressurizzato.
[0059] Con riferimento non limitativo alla Figura 3, per alimentare idrogeno dal serbatoio 310a alla terza uscita 302, in particolare a una linea di distribuzione, la valvola di ingresso 325a viene chiusa e la valvola di uscita 335a viene aperta.
[0060] Per preparare il serbatoio 310b, che ? stato gi? usato per alimentare idrogeno a pressione molto alta ebassa temperatura alla terza uscita 302, la valvola di uscita 335b viene chiusa mentre la valvola di ingresso 325b viene mantenuta chiusa in modo che il serbatoio sia isolato fluidicamente. Occorre notare che il serbatoio 310b non ? vuoto ma ? riempito con quantit? insufficiente di idrogeno e/o idrogeno a pressione inferiore rispetto alla alta pressione richiesta dalla terza uscita 302, a causa dell'idrogeno gi? alimentato in corrispondenza della terza uscita 302.
[0061] La valvola di refrigerazione 315b viene quindi aperta per consentire al fluido refrigerante di passare attraverso il sistema di raffreddamento 320b, mentre la quantit? di fluido refrigerante deviata dalla seconda unit? 200 ? controllata dalla valvola a tre vie 250.
[0062] Mantenendo la valvola di ingresso 325b chiusa, la prima unit? 100 e la seconda unit? 200 vengono accese, in modo tale che la fase 410 e la fase 420 siano eseguite finch? l'idrogeno raggiunge la bassa pressione e bassa temperatura necessaria per riempire il serbatoio 310b.
[0063] Quando la temperatura e la pressione dell?idrogeno hanno raggiunto valori richiesti predeterminati, la valvola di ingresso 325b viene aperta e il serbatoio 310b viene riempito con idrogeno a bassa pressione e bassa temperatura (fase 430). Va notato che l'idrogeno a bassa pressione e bassa temperatura viene miscelato con l'idrogeno gi? presente nel serbatoio 310b durante la fase 430.
[0064] Va notato che, a causa dell?idrogeno in ingresso che si miscela con l?idrogeno gi? nel serbatoio, le condizioni di pressione e temperatura all'interno del serbatoio possono cambiare. Vantaggiosamente, durante la fase 430 la valvola di refrigerazione 315b viene mantenuta aperta per consentire al fluido refrigerante di passare attraverso il sistema di raffreddamento 320b, aiutando l?idrogeno nel serbatoio 310b a raggiungere le condizioni desiderate in termini di pressione e temperatura.
[0065] Quando l'idrogeno all'interno del serbatoio 310b raggiunge le condizioni di temperatura e pressione desiderate, la valvola di refrigerazione 315b e la valvola di ingresso 325b sono chiuse e la valvola di uscita 335b viene mantenuta chiusa, in modo da isolare fluidicamente il serbatoio 310b (fase 440). La temperatura dell?idrogeno nel serbatoio 310b viene aumentata lasciando che il serbatoio 310b scambi calore con aria ambiente o facendo fluire calore nel serbatoio 310b attraverso un canale a serpentina, ad esempio il sistema di riscaldamento 330b (fase 450).
[0066] La temperatura dell?idrogeno nel serbatoio 310b viene aumentata fino a quando raggiunge una temperatura ambiente; quindi l'idrogeno pressurizzato nel serbatoio 310b ? pronto e pu? essere immagazzinato nel serbatoio 310b oppure pu? essere immesso selettivamente alla terza uscita 302 mediante l?apertura della valvola di uscita 335b.
[0067] Se altri serbatoi del sistema di compressione di idrogeno sono ancora riempiti con idrogeno pressurizzato, allora la prima unit? 100 pu? essere spenta cos? come la seconda unit? 200. Altrimenti, un altro serbatoio pu? essere pressurizzato come descritto in precedenza.

Claims (15)

RIVENDICAZIONI
1. Sistema (1000) per produrre idrogeno a alta pressione e bassa temperatura, il sistema comprendendo:
- una prima unit? (100) avente un primo ingresso (101) e una prima uscita (102), in cui la prima unit? (100) ? configurata per ricevere idrogeno in corrispondenza del primo ingresso (101), comprimere l'idrogeno ricevuto attraverso parti mobili agenti sull'idrogeno ricevuto, e fornire l'idrogeno compresso alla prima uscita (102), in cui l'idrogeno ricevuto ? a una bassa temperatura e a una bassa pressione,
- una seconda unit? (200) avente un secondo ingresso (201) e una seconda uscita (202), in cui il secondo ingresso (201) ? accoppiato fluidicamente alla prima uscita (102), in cui la seconda unit? (200) ? configurata per raffreddare l'idrogeno ricevuto dalla prima unit? (100),
- una terza unit? (300) avente un terzo ingresso (301) e comprendente un serbatoio (310), in cui il terzo ingresso (301) ? accoppiato fluidicamente alla seconda uscita (202), in cui la terza unit? (300) ? configurata per aumentare la pressione dell'idrogeno ricevuto dalla seconda unit? (200) attraverso il riscaldamento dell'idrogeno ricevuto dalla seconda unit? (200) e immagazzinare l'idrogeno pressurizzato nel serbatoio (310);
in cui la terza unit? (300) comprende inoltre una valvola di ingresso (325) per immettere l'idrogeno nel serbatoio (310), e in cui la terza unit? (300) ? configurata per riscaldare l'idrogeno contenuto nel serbatoio (310) mentre la valvola di ingresso (325) ? chiusa;
in cui il serbatoio (310) ? configurato per immagazzinare l'idrogeno pressurizzato a una bassa temperatura e a una alta pressione.
2. Sistema (1000) secondo la rivendicazione 1, in cui la terza unit? (300) comprende inoltre una valvola di uscita (335), e in cui la terza unit? (300) ? configurata per mantenere la valvola di ingresso (325) e la valvola di uscita (335) chiuse almeno per un periodo di tempo predeterminato dopo il riempimento del serbatoio (310) con l'idrogeno ricevuto dalla seconda unit? (200).
3. Sistema (1000) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il serbatoio (310) ha pareti periferiche comprendenti un materiale avente una bassa conducibilit? termica.
4. Sistema (1000) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il serbatoio (310) comprende almeno un canale a serpentina situato all'interno del serbatoio (310) e configurato per far fluire un fluido di raffreddamento e/o fluido di riscaldamento.
5. Sistema (1000) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il serbatoio (310) comprende almeno un canale a serpentina situato all'interno di una parete periferica del serbatoio (310) e configurato per far fluire un fluido di raffreddamento e/o fluido di riscaldamento.
6. Sistema (1000) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui la seconda unit? (200) comprende:
- una prima pompa di calore (250) che implementa un primo ciclo frigorifero chiuso e che usa azoto come fluido refrigerante, in cui la prima pompa di calore (250) ? configurata per raffreddare l'idrogeno ricevuto dalla prima unit? (100); - una seconda pompa di calore che implementa un secondo ciclo frigorifero chiuso e che usa diossido di carbonio come fluido refrigerante, in cui la seconda pompa di calore ? configurata per raffreddare l'azoto della prima pompa di calore (250).
7. Sistema (1000) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui la prima uscita (102) ? disposta per essere accoppiata fluidicamente in modo selettivo al primo ingresso (101) durante il riempimento o il rifornimento del serbatoio (310).
8. Sistema (1000) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui la terza unit? (300) ha una terza uscita (302),
in cui la terza unit? (300) comprende almeno due serbatoi (310a, 310b), e in cui la terza unit? (300) ? configurata per accoppiare fluidicamente in modo selettivo i due serbatoi (310a, 310b) alla seconda uscita (202), e per accoppiare fluidicamente in modo selettivo i due serbatoi (310a, 310b) alla terza uscita (302), in modo tale che mentre l'idrogeno contenuto in un serbatoio dei due serbatoi (310a, 310b) viene pressurizzato, l'idrogeno contenuto in un altro serbatoio dei due serbatoi (310a, 310b) viene fornito alla terza uscita (302).
9. Metodo per produrre idrogeno a alta pressione e bassa temperatura comprendente le seguenti fasi:
C) (430) riempire un serbatoio con idrogeno a una bassa temperatura e una bassa pressione,
D) (440) isolare fluidicamente il serbatoio per un periodo di tempo predeterminato,
E) (450) riscaldare l'idrogeno nel serbatoio mentre il serbatoio ? isolato fluidicamente fino a quando raggiunge una temperatura ambiente facendo fluire un calore nel serbatoio;
per cui dopo la fase E l'idrogeno nel serbatoio ? a alta pressione.
10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui detto calore fluisce nel serbatoio attraverso un fluido, in cui il fluido ? alimentato a una serpentina situata all'interno del serbatoio o all'interno di una parete periferica del serbatoio.
11. Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10,
in cui detta bassa temperatura ? nell'intervallo tra meno 200 ?C e meno 100 ?C; in cui detta bassa pressione ? nell'intervallo tra 200 bar e 500 bar.
12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, comprendente inoltre la seguente fase prima della fase C (430):
B) (420) raffreddare l'idrogeno da usare per riempire il serbatoio alla fase C.
13. Metodo secondo la rivendicazione 12, comprendente inoltre la fase seguente prima della fase B (420):
A) (410) comprimere l'idrogeno (410) da raffreddare alla fase B.
14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 13, in cui le fasi C (430) e D (440) sono eseguite sequenzialmente per una pluralit? di serbatoi, e in cui dopo esecuzione delle fasi C (430) e D (440) per un serbatoio, le fasi C (430) e D (440) sono eseguite per un altro serbatoio.
15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 14, in cui una pluralit? di serbatoi ? usata alternativamente per alimentare idrogeno a pressione elevata a temperatura bassa ad utilizzatori, e
in cui quando un serbatoio ? usato per alimentare idrogeno agli utilizzatori almeno un altro serbatoio ? pressurizzato.
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