IT202100015770A1 - Processo integrato per la produzione sostenibile ed autonoma di idrogeno senza emissione di CO2 e relativo sistema - Google Patents
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Description
PROCESSO INTEGRATO PER LA PRODUZIONE SOSTENIBILE ED AUTONOMA DI IDROGENO SENZA EMISSIONE DI CO2 E RELATIVO
SISTEMA
La presente invenzione riguarda un processo integrato di produzione sostenibile ed autonoma di idrogeno da biomasse algali e il relativo sistema. In particolare, la presente invenzione riguarda un processo integrato rinnovabile di produzione di idrogeno nel quale sono impiegati quattro sottoprocessi che, opportunamente integrati tra loro, consentono di ottenere idrogeno puro, cosiddetto verde, senza emissione di CO2 e riciclando i sottoprodotti generati dai vari processi.
La lotta al cambiamento climatico ? un fondamentale obiettivo politico di quasi tutte le nazioni mondiali, le cui azioni primarie sono focalizzate nella riduzione drastica delle emissioni di CO2 (diretta, indiretta, industriale e da combustione). A tal fine, l?uso dell?idrogeno, soprattutto nei processi di combustione, ? fortemente raccomandato e viene considerato una delle fonti future per la mobilit?: esso non deve essere considerato una fonte di energia ma un ?vettore energetico?, ovvero un mezzo di accumulo e trasporto di energia verso l?utilizzatore finale.
Tuttavia, la produzione dell?idrogeno ? essa stessa fonte di elevate emissioni di CO2. La attuale ricerca tecnologica si concentra sui processi di produzione di idrogeno cosiddetto ?verde?, ovvero senza emissione di CO2.
Come ? ben noto, circa il 90% dell?idrogeno mondiale ? prodotto con il processo chimico di Steam Reforming (mostrato in Figura 3). Esso si basa sulla trasformazione ad alta temperatura (oltre 800 ?C) di carbone e/o idrocarburi in generale, e metano pi? in particolare, mediante reazione con vapore d?acqua. Si tratta di una tecnologia nota e utilizzata da molto tempo, che ? stata adattata ai singoli casi applicativi, principalmente a valle di impianti di raffinazione petrolifera. Questo processo ha lo svantaggio di produrre quantit? enormi di CO2, che viene di solito rilasciato nell?atmosfera. In questo caso l?idrogeno prodotto viene definito ?nero? oppure ?grigio?.
Pi? recentemente, si sono applicati sistemi di cattura della CO2 prodotta e relativo immagazzinamento: in tal caso, l?idrogeno prodotto viene definito ?blu?. Data l?alta temperatura del processo, ottenuta di solito bruciando parte dello stesso idrocarburo necessario alla trasformazione chimica, gli impianti di Steam Reforming rilasciano (e sprecano) grandi quantit? di energia termica sottoforma di calore a 150?C ? 200?C in modalit? vapore.
La reazione principale di trasformazione primaria di una reazione di reforming con valore ?:
CH4 H2O ? CO 3H2
La miscela del reattore primario contiene CH4, H2O, H2 e CO. Attraverso un?ulteriore post-reazione con aria si ottiene un?ulteriore trasformazione di CH4 secondo le seguenti reazioni:
CH4 2O2 ? CO2 2H2O
2H2 + O2 ? 2H2O
CH4 H2O ? CO 3H2
CH4 CO2 ? 2CO 2H2
Per aumentare la resa di idrogeno, il processo di Steam Reforming viene seguito da un processo detto Water Gas Shift Reaction, che trasforma le frazioni di monossido di carbonio CO prodotte in CO2 e H2 (CO H2O ? CO2 H2) in presenza di catalizzatori specifici.
Come detto sopra, tale tecnologia ha lo svantaggio di produrre quantit? enormi di CO2, pari a circa 9,5 kg di CO2 per ogni kg di idrogeno prodotto, e di dissipare grandi quantit? di energia termica.
Un ulteriore processo impiegato per la produzione di idrogeno ? il processo di elettrolisi dell?acqua mediante idrolisi alcalina, anch?esso un processo noto ed utilizzato da tempo. L?immissione diretta di corrente elettrica in acqua permette la sua scissione in frazioni gassose di idrogeno e ossigeno secondo la seguente reazione elementare
H2O ? H2O H<+ >+ OH-in equilibrio libero di dissociazione.
Applicando un campo elettrico, si ottiene:
2H<+ >+ 2e<- >? H2
4OH<- >- 4e<- >? 2H2O O2
L?utilizzo industriale del processo di elettrolisi alcalina richiede l?uso di opportuni sali, quali il KOH, che favoriscono la conducibilit? elettrica, e opportune membrane, che evitano il contatto diretto dei gas ed eliminano il rischio di esplosioni. Il processo di elettrolisi alcalina ? maggiormente efficiente quanto pi? alta ? la densit? di corrente applicata; inoltre, il processo ? fortemente influenzato dalla temperatura e dalla fase in cui si trova l?acqua, che consente maggiori rendimenti quanto maggiori sono temperatura e pressione. Negli elettrolizzatori industriali, tale aumento di temperatura si ottiene mediante utilizzo di parte dell?energia elettrica immessa.
Questo processo, oltre ad essere meno efficiente (economicamente ed energeticamente) del processo chimico di Steam Reforming, dipende dalla ?qualit?? dell?energia elettrica utilizzata per l?elettrolisi. L?uso di energia elettrica da fonti fossili tradizionali o da combustione di biomasse comporta l?emissione in atmosfera di CO2 e di conseguenza l?idrogeno prodotto deve definirsi ?grigio?; viceversa l?uso di energia elettrica da fonti completamente rinnovabili e senza emissione di CO2, quali eolico, idroelettrico o fotovoltaico produce idrogeno ?verde?, ovvero senza emissione di CO2. In tal caso la successiva combustione di questo tipo di idrogeno (che genera come sottoprodotto solo acqua) non contribuisce, neanche indirettamente, alla emissione di CO2 nell?atmosfera.
Tuttavia, anche questo schema di produzione dell?idrogeno, ossia ?energia da fonte rinnovabile elettrolizzatori?, induce indirettamente emissione di CO2 (cosiddetta secondaria) e genera altri problemi ambientali legati alla fonte rinnovabile. In particolare:
- nel caso del fotovoltaico, la produzione di un modulo richiede circa 3.500 kWh/kwp e l?emissione di circa 350 g/kwp di CO2 (soprattutto nella fase di produzione del lingotto di silicio ?solar grade? con il processo Siemens ed il processo Czochralski) e, pertanto, esiste il problema della ?rinnovabilit?? della fonte primaria di energia utilizzata per produrre il modulo fotovoltaico stesso; altre problematiche legate all?uso di energia fotovoltaica sono la grande quantit? di terreno necessaria, il decadimento di efficienza nel tempo e lo smaltimento a fine vita degli impianti;
- nel caso dell?eolico, l?energia necessaria alla produzione ed installazione di una pala eolica ? ancora pi? alta del caso fotovoltaico (oltre 5.000 kWh/kwp) e l?impatto ambientale in termini di spazio occupato ? notevole;
- la produzione di energia idroelettrica richiede la costruzione di dighe di contenimento dell?acqua per le quali si usano enormi quantit? di cemento il cui processo di produzione industriale ? responsabile della maggiore emissione di CO2 in atmosfera, oltre a richiedere importanti quantit? di energia, seppure inferiori ai due processi precedenti; nonostante la notevole efficienza dei bacini idroelettrici, tuttavia essi hanno impatti ambientali notevolissimi.
Per ognuno dei tre i casi sopra illustrati ?, inoltre, importante considerare l?aspetto economico di ammortamento degli investimenti richiesti, che devono essere sommati all?investimento, non meno importante, per la tecnologia degli elettrolizzatori.
Esistono altri processi di produzione dell?idrogeno (per via termochimica, biologica diretta, nucleare) il cui stadio di sviluppo ? ancora sperimentale o non sono caratterizzati dall?assenza di emissione di CO2.
Alla luce di quanto sopra, appare evidente la necessit? di fornire nuovi processi di produzione di idrogeno che siano sostenibili e che siano in grado di superare gli svantaggi dei processi noti, in particolare riguardo alla emissione di CO2 ed al consumo di energia.
In questo contesto viene ad inserirsi la soluzione secondo la presente invenzione, che si propone di fornire un processo integrato e circolare per la produzione sostenibile ed autonoma di idrogeno verde ad alto rendimento.
In particolare, il procedimento secondo la presente invenzione, permette di produrre idrogeno puro, cosiddetto verde, senza emissione in atmosfera di CO2, in quanto quest?ultima viene riutilizzata nel processo con continuit?.
Inoltre, il procedimento secondo la presente invenzione permette di conseguire i seguenti vantaggi rispetto ai processi di produzione noti sopra menzionati:
- non richiede fonti di energia esterna, eccetto quella di supporto al funzionamento di apparati di servizio;
- non emette CO2 primario e secondario;
- genera sottoprodotti sostenibili ed utilizzabili in agricoltura (per la cui produzione industriale solitamente si emette ulteriore CO2);
- nel caso in cui il processo comprenda l?uso di generatori fotovoltaici, permette di raddoppiare il rendimento per unit? di superficie occupata;
- si basa fondamentalmente su un processo agricolo e permette ricadute culturali sostenibili sul territorio ed un impatto ambientale minore.
Scopo della presente invenzione ? quindi quello di realizzare un processo che permetta di superare i limiti delle soluzioni secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.
Ulteriore scopo dell?invenzione ? che detto processo possa essere realizzato con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di investimento sia per quanto concerne i costi di produzione e gestione.
Non ultimo scopo dell?invenzione ? quello di realizzare un sistema che sia sostanzialmente semplice, sicuro ed affidabile.
Questi e altri risultati sono ottenuti attraverso l?uso parziale di quattro processi tecnologici diversi, gi? noti per altri utilizzi, integrandoli fra loro in termini di scambio di sottoprodotti, energia termica ed energia elettrica.
I quattro processi integrati, totalmente o parzialmente, all?interno del procedimento secondo la presente invenzione sono i seguenti processi a ciclo aperto:
i) il processo di proliferazione autotrofica di microalghe ad alto contenuto lipidico alimentate da CO2, solitamente destinato alla produzione di biodiesel;
ii) il processo biologico di digestione anaerobica mediante enzimi fermentativi destinato alla produzione di biometano;
iii) il processo chimico di Steam Reforming, destinato alla scissione di metano in idrogeno, sopra descritto; e
iv) il processo elettrochimico di elettrolisi alcalina ad alta densit? di corrente (EAHCD) sopra descritto.
Il processo noto di proliferazione di microalghe, mostrato in Figura 1A, ? un sottoprocesso utilizzato per la produzione del biodiesel mediante l?estrazione della massa lipidica ottenuta dalla biomassa algale. La proliferazione delle microalghe avviene in ambiente protetto e controllato, in stagni a circolazione continua di acqua. Le alghe vengono alimentate tramite flussi di CO2 immessi e disciolti per gorgogliamento direttamente nell?acqua di proliferazione, in modo che la combinazione dell?irraggiamento solare e il processo di fotosintesi generano ulteriori microalghe pluricellulari (autotrofia). Queste ultime hanno la caratteristica di avere tempi di residenza molto bassi e quindi velocit? di proliferazione molto alti, se alimentate con CO2 e micronutrienti specifici su base nitrati. Gli stagni di proliferazione, notoriamente detti fotobioreattori, possono essere sia planari protetti o non da serre, oppure possono essere costituiti da tubi trasparenti in cui scorre il fluido di proliferazione. Esistono molte variet? di microalghe (oltre 50 variet?) adatte a questo tipo di coltura, e la tecnologia relativa alla coltura, crescita e raccolta di tale tipologia di biomasse ? ormai diffusa per scopi industriali (farmaceutica, chimica etc.), alimentari ed energetici. Solitamente, il fabbisogno di CO2 necessario alla proliferazione viene catturato da fonti esterne al fotobioreattore, quali grossi impianti termodinamici (centrali termoelettriche, inceneritori di rifiuti etc.). La temperatura di vegetazione e proliferazione di questi organismi deve essere costante e mantenuta intorno a 22?-28?C in base al tipo di microalga.
Nel processo di produzione di biocarburanti, la biomassa prodotta viene sottoposta ad una concentrazione della parte lipidica che, con un processo di esterificazione, viene separata dai glicoli e quindi in carburante, come riportato in Fig. 1A.
Per quanto concerne il processo noto di digestione anaerobica, mostrato in Figura 2, questo si basa sulla scomposizione enzimatica di materiali biologici di varia natura (grassi, proteine, carboidrati), principalmente di provenienza agricola (scarti di coltivazione, liquami di allevamento, etc.) ma anche rifiuti organici e frazioni umide di rifiuti urbani. Esso consiste nella reazione biologica di alcune tipologie di batteri in ambiente anaerobico con detti materiali, fino ad ottenere acetificazione e conseguente metanizzazione. La scissione enzimatica avviene in 3 fasi:
- idrolisi e acidificazione: in cui grassi, proteine e carboidrati si scindono in acidi grassi volatili e monomeri semplici;
- acetificazione: in cui gli acidi semplici (butirrico e propionico) si scindono in acido acetico;
- metanizzazione: in cui l?acido acetico si converte in metano CH4 e anidride carbonica CO2. Nella terza fase agiscono due tipologie differenti di batteri, una che agisce direttamente sull?acido acetico producendo CH4 e CO2, l?altra, attraverso un Post-Digestore, che tramite frazioni di idrogeno H2 ricombina il CO2 in altro CH4. I batteri utilizzati possono essere del tipo psicrofilo, mesofilo o termofilo a seconda della temperatura di crescita.
Il processo di Digestione Anaerobica ? noto da tempo ed utilizzato principalmente per la valorizzazione di scarti e rifiuti agricoli od anche rifiuti urbani al fine di ottenere energia elettrica da generatori termodinamici alimentati da Biogas, oppure alimentare mezzi di trasporto con Biometano (se l?impianto prevede l?ultimo elemento descritto).
Secondo la presente invenzione, i quattro processi sopra menzionati, o parte di essi, sono stati opportunamente integrati nello scambio di sottoprodotti ed energia, configurando una serie di anelli di processo chiusi, sinteticamente illustrati nella Figura 5. La configurazione finale del sistema secondo l?invenzione presenta un?estensione di superficie tale da processare CO2 attraverso la proliferazione di biomassa algale che viene trasformata per via biologica e chimica in idrogeno, preferibilmente coadiuvata da un generatore fotovoltaico. Il ciclo complessivo ? chiuso ed ? vantaggiosamente in grado di riprocessare i propri sottoprodotti tramite l?energia radiante del sole, con un rendimento finale molto alto.
Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un processo integrato per la produzione di idrogeno comprendente le seguenti fasi:
a) produzione di biomassa algale mediante un fotobioreattore in cui microalghe sono nutrite con acqua e biossido di carbonio e irradiate con radiazione luminosa;
b) digestione anaerobica per l?ottenimento di biometano e digestati azotati mediante un digestore anaerobico, in cui detta digestione anaerobica avviene a partire da detta biomassa algale ottenuta in detta fase a);
c) steam reforming per l?ottenimento di idrogeno, biossido di carbonio e calore a partire da vapore, ossigeno e da detto biometano ottenuto in detta fase b), e successiva separazione del biossido di carbonio; e
d) elettrolisi alcalina dell?acqua per l?ottenimento di idrogeno e ossigeno, mediante elettrolizzatori, a partire da acqua riscaldata dal calore ottenuto nella fase c) ed energia elettrica, in cui il biossido di carbonio in detta fase a) proviene dalla fase c) e l?ossigeno in detta fase c) proviene dalla fase d).
L?acqua della fase a), o acqua di proliferazione delle microalghe, ? preferibilmente a una temperatura di 25?C ed ? quasi completamente riciclata (tranne le perdite per evaporazione).
La digestione anaerobica della fase b) ? preferibilmente una digestione anaerobica di tipo termofilo, pi? preferibilmente una digestione anaerobica condotta a una temperatura di circa 55?C. Il digestore anaerobico ? alimentato con il calore prelevato in recupero dalla fase di Steam Reforming. Il tempo di residenza della biomassa algale nel digestore anaerobico ? preferibilmente pari a circa 5 volte il tempo di residenza delle microalghe nel fotobioreattore (circa 5 giorni).
L?acqua della fase d) proviene da fonti esterne. Secondo il processo della presente invenzione, detti digestati azotati prodotti nella fase b) possono essere ricircolati da detto digestore anaerobico verso detto fotobioreattore.
Inoltre, secondo la presente invenzione, parte dell?idrogeno prodotto nella fase c) e/o nella fase d) pu? essere ricircolato in detto digestore anaerobico. Infatti, Il digestore anaerobico pu? essere alimentato da frazioni di H2 prelevate a valle del processo, ossia provenienti dallo Steam Reformer e dagli elettrolizzatori, permettendo una ulteriore trasformazione del CO2 in CH4 e aumentando la resa percentuale di biometano finale.
Secondo il processo della presente invenzione, l?energia elettrica della fase d) pu? provenire da fonti rinnovabili. In particolare, l?energia elettrica della fase d) pu? essere energia elettrica fotovoltaica.
Forma ulteriore oggetto della presente invenzione un sistema integrato per attuare un processo come definito sopra, detto sistema comprendendo
un fotobioreattore per la produzione di detta biomassa algale comprendente un ingresso di biossido di carbonio, almeno un ingresso di acqua e una uscita di biomassa algale;
un digestore anaerobico comprendente un ingresso di biomassa algale idraulicamente connesso a detta uscita di biomassa algale di detto fotobioreattore, una uscita di biometano e una uscita di digestati azotati;
un impianto di steam reforming, comprendente una sezione di reforming, seguita da una sezione di spostamento del gas d?acqua e una sezione di separazione dell?idrogeno dal biossido di carbonio provenienti da detta sezione di reforming (detta sezione di separazione comprendendo ad esempio un impianto di tipo criogenico, un impianto a membrana o PSA), detto impianto di steam reforming comprendendo un ingresso di biometano idraulicamente connesso a detta uscita di biometano di detto digestore anaerobico, un ingresso di vapore e un ingresso di ossigeno, nonch? un?uscita di idrogeno, un?uscita di biossido di carbonio idraulicamente connessa all?ingresso di biossido di carbonio di detto fotobioreattore, e uno o pi? scambiatori di calore volti a riscaldare acqua all?interno di tubi idraulicamente connessi a detto almeno un ingresso di acqua di detto fotobioreattore, a detto ingresso di acqua di detto digestore anaerobico e a detto ingresso di acqua di detti elettrolizzatori; e elettrolizzatori per l?elettrolisi dell?acqua comprendenti un ingresso di acqua, detta acqua provenendo da fonti esterne, connesso a detti uno o pi? scambiatori di calore di detto impianto di steam reforming, una o pi? uscite di ossigeno, di cui almeno una idraulicamente connessa a detto ingresso di ossigeno di detto impianto di steam reforming, e almeno una uscita di idrogeno.
In una forma di realizzazione preferita, detto fotobioreattore ? costituito da una o pi? vasche chiuse. Le vasche possono essere protette da una serra, che evita l?evaporazione dell?acqua e mantiene le temperature nel range di sopravvivenza delle alghe (termostatazione). Inoltre, le vasche possono ricevere la CO2 in ingresso mediante gorgogliatori presenti sul fondo. In particolare, in un sistema secondo l?invenzione, per realizzare un fotobioreattore per la crescita della biomassa algale si utilizza preferibilmente la metodologia a stagno canalizzato, secondo cui il fotobioreattore ? costituito da una vasca chiusa protetta da serra (Closed Raceway Pond), con canaline profonde ad esempio circa 30 cm, con impianto di ricircolo ed alimentazione della CO2 mediante gorgogliamento. Preferibilmente, la vasca comprende un percorso a labirinto che permette alle alghe di proliferare lungo il percorso.
Secondo il sistema della presente invenzione, detto fotobioreattore pu? comprendere un ingresso di digestati azotati idraulicamente connesso a detta uscita di digestati azotati di detto digestore anaerobico.
Inoltre, secondo il sistema della presente invenzione, detto digestore anaerobico pu? comprendere un ingresso di idrogeno idraulicamente connesso a detta uscita di idrogeno di detto impianto di steam reforming e/o a detta almeno una uscita di idrogeno di detti elettrolizzatori.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto sistema pu? comprendere un impianto fotovoltaico connesso elettricamente a detti elettrolizzatori, a detto fotobioreattore, a detto digestore anaerobico e a detto impianto di steam reforming mediante mezzi di trasmissione di energia elettrica.
Secondo la presente invenzione, detto digestore anaerobico pu? comprendere un digestore primario idraulicamente connesso a un postdigestore.
Inoltre, secondo la presente invenzione, detto sistema pu? comprendere ulteriormente un impianto di raffreddamento, preferibilmente un impianto di raffrescamento geotermico a bassa entalpia, per la termostatazione delle acque di proliferazione del fotobioreattore. Ci? consente di evitare l?impiego di forza motrice esterna (o autoprodotta).
In particolare, l?impianto geotermico consiste in uno scambiatore di calore situato diversi metri sotto terra, possibilmente al livello di falda, dove l?acqua della serra si raffresca alla temperatura del sottosuolo. Esso pu? contribuire in modo vantaggioso al risparmio energetico del sistema secondo l?invenzione raffreddando le serre in estate ed evitando di impiegare a tale scopo l?energia dell?impianto fotovoltaico.
La presente invenzione verr? ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:
- la Figura 1A mostra uno schema del procedimento noto di proliferazione di microalghe;
- la Figura 1B mostra uno schema della fase di produzione di biomassa algale secondo la presente invenzione;
- la Figura 2 mostra uno schema del procedimento noto di digestione anaerobica; e
- la Figura 3 mostra uno schema del procedimento noto di Steam Reforming;
- la Figura 4 mostra uno schema di un sistema integrato per la realizzazione di un processo integrato secondo la presente invenzione;
- la Figura 5 mostra uno schema del processo integrato della presente invenzione come ciclo ad anelli; e
- la Figura 6 mostra un impianto fotovoltaico elettricamente connesso a elettrolizzatori secondo la presente invenzione.
Come ? possibile osservare, la combinazione dei prodotti dei quattro processi integrati nel sistema 100 di Figura 4 genera quattro anelli di retroazione, rappresentati in Figura 5, ognuno alimentato dagli altri processi. Il loro insieme costituisce un anello a ciclo chiuso alimentato solo da energia solare e acqua, che genera prevalentemente idrogeno, oltre ad ossigeno gassoso e digestato NPK destinato alla fertilizzazione agricola.
Nel dettaglio, secondo il sistema integrato 100 mostrato in Figura 4, il processo comprende una fase di produzione di biomassa algale mediante almeno un fotobioreattore 1 (ossia uno o pi? fotobioreattori 1), preferibilmente un fotobioreattore a stagno 1, o Raceway Pond, protetto da serra, in cui le microalghe vengono alimentate con acqua e CO2 ottenendo la produzione di biomassa (Fig. 1B). Nel processo secondo la presente invenzione viene utilizzata solo la parte tratteggiata del processo noto di proliferazione delle alghe mostrato in Figura 1A, meglio rappresentata nella Figura 1B. In particolare, secondo la presente invenzione, detto fotobioreattore 1 (sia esso a stagno che a tubi, preferibilmente a stagno protetto da serra) ? alimentato con CO2 per gorgogliamento o con altro sistema di assorbimento di un gas in acqua.
Come mostrato in Figura 4, secondo il processo dell?invenzione, l?alimentazione di CO2 per le microalghe proviene dalla integrazione con i due processi successivi, ossia la fase di digestione anaerobica, attuata mediante un digestore anaerobico 2 (Figura 2), e la fase di Steam Reforming, attuata mediante un apposito impianto di Steam Reforming 3 o Steam Reformer 3 (Figura 3), che produce CO2 come sottoprodotto di scissione del biometano proveniente da detto digestore anaerobico 2.
In particolare, a fine ciclo di proliferazione, viene estratta da detto fotobioreattore 1 una certa quantit? di biomassa algale (che dipende dai fattori di proliferazione quali irraggiamento solare, tipologia di microalga, velocit? del flusso d?acqua etc.), che risulta umida e, pertanto, viene preferibilmente sottoposta a sedimentazione e/o centrifugazione al fine di ridurre la quantit? d?acqua fino al raggiungimento della concentrazione utile per trattare la biomassa con il processo successivo, ossia la digestione anaerobica. Pertanto, il digestore anaerobico 2 viene preferibilmente alimentato dalla biomassa algale proveniente dal fotobioreattore 1 nella corretta e pi? opportuna concentrazione di umidit?. L?acqua estratta dalla sedimentazione e/o centrifugazione della biomassa algale pu? essere vantaggiosamente recuperata, eventualmente filtrata, e riutilizzata nel fotobioreattore 1 (circolarit?).
Inoltre, come descritto pi? avanti, il gas CO2 di alimentazione di detto fotobioreattore 1 proviene dalla fase di Steam Reforming, come anche l?energia termica necessaria alla termostatazione dell?acqua dei fotobioreattori 1. Infatti, una parte dell?energia termica di scarico dell?impianto di Steam Reforming 3, molto inferiore rispetto all?energia termica totale prodotta, pu? essere utilizzata per il condizionamento dell?acqua di ricircolo del Raceway Pond 1. Il condizionamento dell?acqua degli stagni di detto fotobioreattore 1 pu? avvenire attraverso serpentine di tubi depositati nello stagno. In particolare, in inverno ? necessario un riscaldamento, mentre in estate occorre raffrescare l?acqua, pertanto ? preferibile utilizzare impianti geotermici con scambiatori di calore sotto terra.
Come mostrato in Figura 4, il digestore anaerobico 2 fornisce farine a base azotata (digestato), che possono essere vantaggiosamente destinate in parte alla alimentazione delle acque di ricircolo del Raceway Pond 1 per le microalghe.
Come detto sopra, un?ulteriore fase del processo integrato secondo la presente invenzione ? la fase di digestione anaerobica. Un digestore anaerobico 2 secondo il sistema 100 della presente invenzione ? preferibilmente un digestore del tipo ad alimentazione continua (oppure pu? essere un digestore di tipo batch) e, come mostrato in Figura 4, riceve la biomassa algale, opportunamente ridotta nella corretta frazione umida, proveniente dal Fotobioreattore 1. Preferibilmente, il digestore anaerobico ? composto da un digestore primario e un postdigestore come mostrati in Figura 2.
Poich? la velocit? di digestione anaerobica ? molto pi? veloce nel caso di utilizzo di batteri termofili, in particolare a una temperatura di 55?70?C, l?eventuale fabbisogno di calore pu? essere fornito mediante il riciclo di parte del calore in uscita dal successivo processo di Steam Reforming. Inoltre, una frazione trascurabile di H2 in uscita dal processo di Steam Reforming pu? essere opzionalmente come apporto aggiuntivo di H2 nella fase di digestione anaerobica, al fine di stabilizzare la fase di ?metanizzazione? della CO2.
Il risultato finale della digestione anaerobica ? la produzione di gas metano (o biometano) in percentuali superiori al 90% e CO2 residuo, che vengono avviati al processo successivo di Steam Reforming illustrato in Figura 3. Il substrato batterico semisolido rimanente ? composto da digestato a base azotata (NPK), che pu? essere utilizzato come fertilizzante ed ammendante agricolo (anche in metodi di coltivazioni idroponici ed aeroponici) oppure pu? essere ricircolato in ingresso verso detto fotobioreattore 1.
Per quanto concerne la fase di Steam Reforming, come mostrato in Figura 3, l?alimentazione dello Steam Reformer 3 avviene con il biometano proveniente dal Digestore Anaerobico 2 e con acqua proveniente da fonte esterna al processo (per la quale occorre un opportuno trattamento). L?impianto di Steam Reforming 3 utilizza una piccola parte del biometano per produrre vapore tramite combustione (i cui fumi vengono opportunamente catturati e riutilizzati), al fine di raggiungere le temperature richieste da processo, e la restante parte viene impiegata per la trasformazione. Attraverso il processo gi? descritto in precedenza, in virt? dell?integrazione con una sezione di water gas shift, l?impianto di Steam reforming 3 produce una miscela di gas idrogeno H2 e anidride carbonica CO2, che vengono separati da un opportuno impianto di separazione (ad esempio un impianto a membrana o PSA), in modo che l?idrogeno sia destinato all?utilizzo finale, mentre il gas CO2 (circa 9,5 kg per ogni kg di idrogeno prodotto) sia destinato all?alimentazione delle microalghe nelle vasche del fotobioreattore 1.
Il calore di uscita dalla fase di Steam Reforming 3, prelevato dal vapore a bassa entalpia, viene riciclato, in particolare mediante opportuni scambiatori di calore. In particolare, il calore viene in parte indirizzato al digestore anaerobico 2, in parte viene impiegato per il riscaldamento dell?acqua di proliferazione delle microalghe (che si trova preferibilmente a una temperatura costante di 25 ?C) ed in gran parte ? destinato agli apparati elettrolizzatori 4 della fase di elettrolisi alcalina, che utilizzano l?energia elettrica, preferibilmente di origine fotovoltaica, per produrre direttamente idrogeno dall?acqua.
L?integrazione della fase di elettrolisi alcalina nel ciclo a 4 anelli secondo il processo dell?invenzione, permette l?alimentazione di elettrolizzatori 4 direttamente con il calore di uscita dalla fase di Steam Reforming, che consente di ridurre gli usuali 58 kWh di energia elettrica attualmente necessari per produrre 1 kg di idrogeno. Gli elettrolizzatori 4 possono essere alimentati con acqua a temperatura e pressione aumentate, recuperando parte del calore residuo disponibile dall?impianto di Steam Reforming 3, contribuendo ad aumentare l?efficienza di produzione dell?elettrolizzatore stesso. Questo quarto processo, si integra finalmente con gli altri tre descritti che alimenta (con energia elettrica) e da cui ? alimentato (con energia termica), contribuendo a produrre ulteriore idrogeno gassoso.
Gli elettrolizzatori 4 producono anche ossigeno puro che, oltre ad essere un prodotto commercialmente destinato al mercato, pu? essere in piccola parte utilizzato per la stabilizzazione della produzione delle microalghe nel Fotobioreattore e/o per la regolazione delle temperature di funzionamento dello Steam Reformer 3.
Secondo una forma di realizzazione preferita del processo secondo la presente invenzione, l?energia elettrica necessaria al sistema ? fornita mediante un impianto fotovoltaico 5. In particolare, poich? il fotobioreattore 1 ? costituito da uno stagno protetto da una serra portante trasparente, detto impianto fotovoltaico 5 pu? essere alloggiato sopra detto fotobioreattore 1, in particolare sul tetto della suddetta serra. In particolare, su detto fotobioreattore 1 pu? essere alloggiato un generatore fotovoltaico dei tipi tradizionali a silicio monocristallino, policristallino o film sottile, o qualunque altra tecnologia di produzione fotovoltaica integrabile nel tetto della serra, che preferibilmente non occupi oltre il 75% del tetto della serra (il fotobioreattore 1 ha bisogno esso stesso di irraggiamento solare per favorire la proliferazione autotrofica algale).
Detto impianto fotovoltaico 5 pu? vantaggiosamente alimentare gli elettrolizzatori 4 (del tipo alcalino o altra tecnologia equivalente) i quali producono ulteriore idrogeno e ossigeno gassosi da ulteriore acqua di alimentazione. Una parte dell?energia elettrica prodotta da detto impianto fotovoltaico 5 pu? essere destinata all?alimentazione degli apparati di servizio del fotobioreattore 1, del digestore anaerobico 2 e dell?impianto di Steam Reforming 3, come mostrato in Figura 4. Ad esempio, l?impianto fotovoltaico pu? essere impiegato per fornire l?energia elettrica necessaria alla alimentazione degli agitatori a pala ed alle pompe di rilancio in detto fotobioreattore 1. Inoltre, anche il fabbisogno di energia elettrica necessaria alla alimentazione dell?impianto di separazione del gas pu? provenire da detto impianto fotovoltaico 5.
In sintesi, secondo la forma di realizzazione preferita del processo e del relativo sistema integrato 100 secondo l?invenzione mostrati nello schema di Figura 4:
- il fotobioreattore 1 (o serra di proliferazione delle microalghe) fornisce biomassa al Digestore Anaerobico 2, ricevendo anidride carbonica e calore dallo Steam Reformer 3 e ricevendo digestato azotato (fertilizzante) dal Digestore Anaerobico 2;
- il digestore anaerobico 2 fornisce metano allo Steam Reformer 3, ricevendo biomassa dal Fotobioreattore 1, piccoli apporti di idrogeno dall?uscita finale (quindi dallo Steam Reformer 3 e/o dagli elettrolizzatori 4) e calore dallo Steam Reformer 3;
- lo Steam Reformer 3 genera idrogeno puro e fornisce calore agli elettrolizzatori 4, ricevendo metano dal Digestore Anaerobico 2 e piccoli apporti di ossigeno dagli elettrolizzatori 4;
- gli elettrolizzatori 4 generano idrogeno e ossigeno puro ricevendo calore dallo Steam Reformer 3; e
- l?impianto fotovoltaico fornisce potenza elettrica a tutti gli altri impianti.
In una forma di realizzazione preferita, il sistema secondo la presente invenzione (o ?Fattoria dell?Idrogeno?) si configura pertanto come una serra contenente vasche di crescita e proliferazione di microalghe ad alto contenuto lipidico, sul cui tetto ? posizionato un impianto fotovoltaico, e comprendente un impianto di centrifugazione delle alghe per la concentrazione di biomassa, un digestore anaerobico per la produzione di biometano, un impianto di Steam Reforming alimentato dal biometano per la produzione di idrogeno e un impianto di separazione e purificazione dalla CO2 del tipo criogenico oppure a membrana o a tecnologia PSA. Completano il sistema un impianto di elettrolizzatori alimentati dall?energia fotovoltaica e dal calore dello Steam Reformer.
In definitiva, l?intero processo a quattro anelli secondo la presente invenzione si basa sulla produzione di idrogeno da biometano e dall?elettrolisi dell?acqua surriscaldata di sottoprodotto mediante energia da fonte fotovoltaica. L?intero processo attinge dall?energia solare per la proliferazione della biomassa e per la produzione di energia elettrica in un unico impianto integrato.
Il bilanciamento dei vari fattori di produzione e sottoprodotti permette all?impianto di produzione di idrogeno secondo la presente invenzione di essere autonomo e di riciclare i sottoprodotti, utilizzando solo quantit? trascurabili di prodotti esterni (catalizzatori, flocculanti, anticorrosivi, etc.).
L?invenzione verr? descritta nel seguito a titolo illustrativo, ma non limitativo, con particolare riferimento ad un esempio illustrativo.
ESEMPIO 1. Bilanciamento di un ciclo a quattro anelli secondo il processo della presente invenzione.
Utilizzando una variet? di microalghe stabile come la Scenedesmus obliquus, caratterizzata da un contenuto medio-alto di lipidi (circa 40%), si ottengono per un m<2 >di fotobioreattore (serra) esposto alla radiazione solare in una zona del Centro Italia a 1.570 kWh/m<2 >annui (efficienza fotosintetica 7%), 14,3 kg/m<2 >annui di biomassa (peso secco), che richiedono 27,9 kg/m<2 >annui di CO2 (1,987 kgCO2/kgalga), da cui si ricava circa il 70% in peso di biogas ad alta concentrazione di metano (90%): 10,0 kg/m<2 >annui di biogas (di cui 0,8 kg CO2), che in Steam Reforming generano 2,87 kg/m<2 >annui di idrogeno (pari a 31,86 m<3>/m<2 >annui) e 27,1 kg/m<2 >annui di CO2 (pari al 97% del fabbisogno del fotobioreattore).
Il tetto della serra ? coperto al 75% da pannelli fotovoltaici commerciali efficienza 14,3% circa (1.350 kWh/kWp annui) con una produzione di 168,75 kWh/m<2 >annui, di cui il 2% destinati al fabbisogno diretto (pompe, illuminazione, sistemi di controllo etc. etc.), che gli elettrolizzatori alcalini (alimentati con calore scambiato dal vapore surriscaldato) trasformano in 3,48 kg/m<2 >annui di idrogeno (con una efficienza del 20%).
(N.B.: tutti i conteggi, per semplicit? di lettura, sono riferiti ad un m<2 >standard di serra produttiva)
Pertanto, l?impianto restituisce esattamente la CO2 necessaria al fotobioreattore per l?alimentazione delle microalghe e produce 7,73 kg/m<2 >annui di idrogeno (2,87 3,48), pari a 305,0 kWh/m<2 >che rapportati alla irradiazione restituisce una efficienza effettiva globale del 15,9%, superiore a quella disponibile dalla tecnologia fotovoltaica.
L?impianto di Steam Reforming restituisce complessivamente 33,0 kWterm/m<2 >annui di cui 15,96 kWhT/m<2 >annui da emissioni convettive (165?C/190?C -CO2, H2O, CO, H2, NOx) ed il resto energia radiante: il calore ? necessario alla alimentazione di elettrolizzatori e alla termostatazione del Fotobioreattore e del Digestore.
La presente invenzione ? stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma ? da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (11)
1) Processo integrato per la produzione di idrogeno comprendente le seguenti fasi:
a) produzione di biomassa algale mediante un fotobioreattore (1) in cui microalghe sono nutrite con acqua e biossido di carbonio e irradiate con radiazione luminosa;
b) digestione anaerobica per l?ottenimento di biometano e digestati azotati mediante un digestore anaerobico (2), in cui detta digestione anaerobica avviene a partire da detta biomassa algale ottenuta in detta fase a);
c) steam reforming per l?ottenimento di idrogeno, biossido di carbonio e calore a partire da vapore, ossigeno e da detto biometano ottenuto in detta fase b), e successiva separazione del biossido di carbonio; e
d) elettrolisi alcalina dell?acqua per l?ottenimento di idrogeno e ossigeno, mediante elettrolizzatori (4), a partire da acqua riscaldata dal calore ottenuto nella fase c) ed energia elettrica, in cui il biossido di carbonio in detta fase a) proviene dalla fase c) e l?ossigeno in detta fase c) proviene dalla fase d).
2) Processo secondo la rivendicazione 1, in cui detti digestati azotati prodotti nella fase b) sono ricircolati da detto digestore anaerobico (2) verso detto fotobioreattore (1).
3) Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui parte dell?idrogeno prodotto nella fase c) e/o nella fase d) ? ricircolato in detto digestore anaerobico (2).
4) Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?energia elettrica della fase d) proviene da fonti rinnovabili.
5) Processo secondo la rivendicazione 4, in cui l?energia elettrica della fase d) ? energia elettrica fotovoltaica.
6) Sistema integrato (100) per attuare un processo come definito in una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, detto sistema comprendendo
un fotobioreattore (1) per la produzione di detta biomassa algale comprendente un ingresso di biossido di carbonio, almeno un ingresso di acqua e una uscita di biomassa algale;
un digestore anaerobico (2) comprendente un ingresso di biomassa algale idraulicamente connesso a detta uscita di biomassa algale di detto fotobioreattore (1), una uscita di biometano e una uscita di digestati azotati;
un impianto di steam reforming (3), comprendente una sezione di reforming, seguita da una sezione di spostamento del gas d?acqua e una sezione di separazione dell?idrogeno dal biossido di carbonio provenienti da detta sezione di reforming, detto impianto di steam reforming (3) comprendendo un ingresso di biometano idraulicamente connesso a detta uscita di biometano di detto digestore anaerobico (2), un ingresso di vapore e un ingresso di ossigeno, nonch? un?uscita di idrogeno, un?uscita di biossido di carbonio idraulicamente connessa all?ingresso di biossido di carbonio di detto fotobioreattore (1), e uno o pi? scambiatori di calore volti a riscaldare acqua all?interno di tubi idraulicamente connessi a detto almeno un ingresso di acqua di detto fotobioreattore (1), a detto ingresso di acqua di detto digestore anaerobico (2) e a detto ingresso di acqua di detti elettrolizzatori (4); e
elettrolizzatori (4) per l?elettrolisi dell?acqua comprendenti un ingresso di acqua connesso a detti uno o pi? scambiatori di calore di detto impianto di steam reforming (3), una o pi? uscite di ossigeno, di cui almeno una idraulicamente connessa a detto ingresso di ossigeno di detto impianto di steam reforming (3), e almeno una uscita di idrogeno.
7) Sistema (100) secondo la rivendicazione 6, in cui detto fotobioreattore (1) comprende un ingresso di digestati azotati idraulicamente connesso a detta uscita di digestati azotati di detto digestore anaerobico (2).
8) Sistema (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-7, in cui detto digestore anaerobico (2) comprende un ingresso di idrogeno idraulicamente connesso a detta uscita di idrogeno di detto impianto di steam reforming (3) e/o a detta almeno una uscita di idrogeno di detti elettrolizzatori (4).
9) Sistema (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-8, in cui detto sistema comprende un impianto fotovoltaico (5) connesso elettricamente a detti elettrolizzatori (4), a detto fotobioreattore (1), a detto digestore anaerobico (2) e a detto impianto di steam reforming (3) mediante mezzi di trasmissione di energia elettrica.
10) Sistema (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-9, in cui detto digestore anaerobico (2) comprende un digestore primario idraulicamente connesso a un postdigestore.
11) Sistema (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 6-10, detto sistema comprendendo ulteriormente un impianto di raffreddamento, per la termostatazione delle acque di proliferazione del fotobioreattore (1).
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