IT202100016688A1

IT202100016688A1 - Micro-cogeneratore

Info

Publication number: IT202100016688A1
Application number: IT102021000016688A
Authority: IT
Inventors: Fabio Pellegrini
Original assignee: Kira Tech S R L
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-12-25
Also published as: WO2022269555A1; EP4359654A1

Description

TITOLO: MICRO-COGENERATORE

Descrizione

Campo dell?invenzione

La presente invenzione riguarda un micro-cogeneratore per la produzione di energia elettrica e calore a partire da una fonte energetica rinnovabile e sostenibile, ad esempio biomassa legnosa. In particolare, la presente invenzione riguarda un micro-cogeneratore per utilizzo domestico o di piccole utenze, comprendente un gassificatore pirolitico, un bruciatore e un motore Stirling.

Stato dell?arte

In una fase storica nella quale il passaggio da una logica di economia lineare (in cui ogni processo crea nuovi rifiuti) ad una di economia circolare ? diventato di vitale importanza e nella quale i combustibili fossili stanno divenendo sempre pi? scarsi e costosi, ? sentito in maniera crescente il bisogno di ricercare soluzioni adatte a nuovi valori e stili di vita. In termini di sostenibilit?, autonomia e sicurezza nella produzione elettrica, l?autoproduzione ? la risposta pi? adatta.

? noto l?impiego di sistemi di cogenerazione alimentati da biomassa e costituiti da tre parti fondamentali: un gassificatore pirolitico, un bruciatore e un motore Stirling. All?interno del gassificatore pirolitico viene prodotto syngas combustibile a partire dalla biomassa; all?interno del bruciatore viene bruciato il syngas prodotto con un apporto controllato di aria; il motore Stirling, grazie al calore generato dalla combustione del syngas, mette in oscillazione il generatore elettrico producendo energia elettrica.

La gassificazione pirolitica ? un processo termochimico grazie al quale ? possibile estrarre da un materiale organico, ad esempio la biomassa, un gas combustibile (syngas) comprendente una miscela di idrogeno, monossido di carbonio, metano e altri composti in misura inferiore. La gassificazione pirolitica avviene mantenendo la biomassa a una temperatura particolarmente elevata in un ambiente povero di ossigeno. Il prodotto di scarto della gassificazione pirolitica ? un residuo solido, detto char, che contiene quasi esclusivamente carbonio.

L?utilizzo della gassificazione pirolitica, rispetto alla combustione diretta della biomassa, consente di ridurre le emissioni carboniose in atmosfera poich?, una volta estratto il syngas combustibile, rimane esclusivamente il char contenente la quotaparte del carbonio che non verr? emesso in atmosfera sotto forma di CO2 ma che viene evacuato in forma solita e raccolto.

Inoltre, l?utilizzo della gassificazione pirolitica consente di disporre di un gas combustibile molto pi? efficace nella combustione in termini di temperatura massima ottenibile, emissioni di particolato e riscaldamento degli scambiatori di calore.

Esempi di cogeneratori basati sull?applicazione della gassificazione pirolitica e del motore Stirling sono descritti in US 2009/0078176 e US 2006/0089516.

Tuttavia, ad oggi ? sempre pi? sentita l?esigenza di massimizzare l?efficienza e la resistenza chimica e meccanica del gassificatore pirolitico, che costituisce un elemento particolarmente delicato del micro-cogeneratore, al cui interno viene a crearsi un ambiente di difficile gestione e controllo.

Il gassificatore pirolitico contiene una camera di reazione al cui interno la biomassa viene gassificata in presenza di una certa quantit? di aria generando syngas. Per sua natura, l?atmosfera all?interno di detta camera di reazione durante il suo funzionamento ? fortemente riducente, poich?, essendo ricca di idrogeno, monossido di carbonio e metano, presenta una forte tendenza a reagire con l?ossigeno. In tale ambiente, i materiali refrattari non presentano la stessa resistenza al calore che avrebbero in un ambiente neutro od ossidante, bens? la loro temperatura di classificazione subisce una notevole riduzione. Di conseguenza, tali materiali tendono rapidamente a degradarsi chimicamente.

Per questi motivi, ? molto sentita l?esigenza di incrementare la resistenza chimica del gassificatore pirolitico in tali condizioni di processo e a temperature molto elevate dell?ordine dei 1200-1400?C, garantendo allo stesso tempo una buona resistenza meccanica, un?ottima resistenza a shock termico per il gradiente termico che si genera longitudinalmente al reattore stesso e massimizzando l?efficienza di gassificazione.

Pertanto, il problema tecnico che sta alla base della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un micro-cogeneratore per impiego domestico, o di piccole utenze, in cui il gassificatore pirolitico sia in grado di garantire elevate caratteristiche prestazionali e soddisfare le esigenze sopra esposte.

Sommario dell?invenzione

Il problema sopra enunciato ? risolto da un microcogeneratore come delineato nelle annesse rivendicazioni, le cui definizioni formano parte integrante della presente descrizione.

L?oggetto della presente invenzione ? un microcogeneratore comprendente:

un gassificatore pirolitico atto a produrre syngas e biochar a partire da una fonte energetica rinnovabile e sostenibile, preferibilmente biomassa legnosa,

un bruciatore atto a ricevere il syngas prodotto da detto gassificatore pirolitico e generare gas caldi di combustione,

un motore Stirling comprendente uno scambiatore di calore (cosiddetto ?scambiatore caldo?) alimentato con detti gas caldi di combustione, detto motore Stirling essendo atto a generare energia elettrica,

in cui detto gassificatore pirolitico comprende una camera di reazione al cui interno detta fonte energetica viene gassificata in presenza di aria generando syngas e biochar,

detto micro-cogeneratore essendo caratterizzato dal fatto che detta camera di reazione ha forma tronco-conica ed ? realizzata in un materiale a base di fibra di allumina policristallina comprendente almeno il 70% in peso di allumina policristallina e, opzionalmente, almeno il 5% in peso di silice, detto materiale avente densit? compresa preferibilmente tra 350 e 500 kg/m<3>.

Per comodit? di riferimento, i termini fonte energetica e biomassa saranno utilizzati indistintamente nella descrizione che segue. Pertanto il termine biomassa non deve assolutamente essere inteso come limitante.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto materiale a base di fibra di allumina policristallina comprende almeno il 75% in peso di allumina policristallina, preferibilmente almeno l?80% in peso, ad esempio circa il 90% in peso. Preferibilmente, detto materiale a base di fibra di allumina policristallina comprende inoltre una quantit? di silice pari ad almeno il 5% in peso, preferibilmente tra il 10% e il 30% in peso, pi? preferibilmente tra il 10% e il 25% in peso, ancor pi? preferibilmente tra il 10% e il 20% in peso.

Ad esempio, detto materiale a base di fibra di allumina policristallina ? prodotto dall?azienda Unifrax con il nome commerciale High Temperature Saffil? Rigiform<TM>. Preferibilmente, detto materiale ? prodotto dall?azienda Unifrax con il nome commerciale Saffil? 160 HD.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto gassificatore pirolitico comprende un rivestimento esterno a detta camera di reazione avente forma anulare.

Preferibilmente, detto rivestimento esterno ? realizzato in un materiale isolante microporoso, preferibilmente comprendente silice. Preferibilmente, detto materiale isolante microporoso comprende polvere o filamenti di rinforzo in silice pirogenica a cui possono essere aggiunti opacizzanti e/o ossidi inorganici. Ad esempio, detto materiale isolante microporoso ? prodotto dall?azienda Promat con il nome commerciale Promalight?, oppure dall?azienda Bifire con il nome commerciale Microbifire?, oppure dall?azienda Unifrax con il nome commerciale Excelfrax?.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il suddetto rivestimento esterno avente forma anulare ? costituito da una pluralit? di anelli sovrapposti realizzati in detto materiale isolante microporoso.

Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il gassificatore pirolitico comprende uno strato di detto materiale a base di fibra di allumina policristallina avente spessore variabile interposto tra detta camera di reazione e detto rivestimento esterno. Preferibilmente, detta camera di reazione e detto strato di materiale a base di fibra di allumina policristallina costituiscono una struttura monolitica.

Secondo una forma di realizzazione preferita, detta camera di reazione tronco-conica possiede una superficie superiore e una superficie inferiore, in cui il diametro della superficie superiore ? minore del diametro della superficie inferiore, detti diametri essendo tali da conferire alla superficie interna della camera di reazione tronco-conica un angolo di sformo compreso tra 2? e 15?, preferibilmente compreso tra 2? e 10?, pi? preferibilmente di circa 4?.

In una forma di realizzazione della presente invenzione, il gassificatore pirolitico comprende:

una coclea di scarico per l?evacuazione del biochar, una tramoggia di collegamento tra la camera di reazione e la coclea di scarico, detta tramoggia formando un volume di raccolta del syngas prodotto nella camera di reazione, e

un condotto di collegamento tra detta tramoggia e il bruciatore, dal quale il syngas viene aspirato e alimentato a detto bruciatore.

Preferibilmente, detta tramoggia comprende una cornice (o bordo) superiore atta a sorreggere il suddetto rivestimento esterno, preferibilmente attraverso una opportuna piastra di supporto.

Preferibilmente, detta tramoggia comprende un labbro che si protrae al di sotto di detta cornice e che definisce una base di appoggio per la camera di reazione attraverso cui la tramoggia riceve il syngas prodotto.

Preferibilmente, la camera di reazione comprende un riscaldatore elettrico atto a riscaldare la camera di reazione alla temperatura di gassificazione, e una termocoppia atta a monitorare la temperatura nella parte superiore della camera di reazione. Preferibilmente, il fronte di reazione ? compreso tra detto riscaldatore e detta termocoppia.

In una forma di realizzazione preferita, la fonte energetica in reazione ? sostenuta dal biochar prodotto durante la gassificazione di detta fonte energetica, e il micro-cogeneratore non comprende alcuna griglia di sostegno per detta fonte energica.

In una forma di realizzazione preferita, il microcogeneratore oggetto della presente invenzione comprende un sistema di scarico atto a ricevere fumi di scarico in uscita dallo scambiatore caldo del motore Stirling. Detto sistema di scarico comprende uno scambiatore per il recupero di calore da detti fumi di scarico, una sonda lambda che regola il rapporto aria ? syngas in ingresso al bruciatore e una termocoppia che misura la temperatura di detti fumi di scarico.

Secondo questa forma di realizzazione, il microcogeneratore oggetto della presente invenzione comprende preferibilmente anche una ventola di estrazione collegata a detto scambiatore per il recupero di calore dai fumi di scarico tale da estrarre i fumi di scarico creando una depressione all?interno del bruciatore e del gassificatore pirolitico e, a sua volta, regolare l?afflusso del syngas proveniente dal gassificatore pirolitico al bruciatore e gli afflussi di aria sia all?interno del gassificatore pirolitico sia all?interno del bruciatore.

Preferibilmente, il gassificatore pirolitico comprende una prima valvola a farfalla all?interfaccia di ingresso della fonte energetica nella camera di reazione tale da consentire l?afflusso della fonte energetica all?interno della camera stessa.

Preferibilmente, il gassificatore pirolitico comprende inoltre una seconda valvola a farfalla all?interfaccia di uscita del biochar dalla coclea di scarico tale da consentire l?evacuazione del biochar dalla camera di reazione qualora necessario.

Preferibilmente, dette prima e seconda valvola a farfalla comprendendo un corpo valvola cilindrico, un otturatore a piattello e un inserto avente la forma di un arco di circonferenza. Quando la valvola a farfalla ? in posizione di apertura totale, l?otturatore assume una posizione parallela all?asse longitudinale X-X del corpo valvola cilindrico, e l?inserto aderisce ad una porzione del bordo dell?otturatore colmando lo spazio presente tra il corpo valvola e l?otturatore lungo l?asse longitudinale X-X del corpo valvola cilindrico. In questo modo viene impedito il deposito della fonte energetica o, rispettivamente, del biochar sul bordo dell?otturatore. Pertanto, detto inserto assolve alla funzione di proteggere la tenuta dell?otturatore a piattello quando la valvola ? in posizione di apertura totale.

Il gassificatore pirolitico in accordo con la presente invenzione, grazie alle caratteristiche peculiari sopra menzionate, sia relativamente alla sua struttura sia ai materiali con cui ? realizzato, ? in grado di garantire elevate caratteristiche prestazionali e una notevole durata, grazie ad una sorprendente resistenza chimica e meccanica in un ambiente fortemente riducente che raggiunge temperature dell?ordine dei 1200-1400?C. Inoltre, il gassificatore pirolitico in accordo con la presente invenzione presenta dimensioni compatte, garantisce un elevato isolamento termico e una elevata resistenza a shock termico, e consente un buon scorrimento della biomassa al suo interno.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione di alcuni esempi di realizzazione, fatta qui di seguito a titolo indicativo e non limitativo.

Breve descrizione delle figure

La Figura 1 mostra una sezione del micro-cogeneratore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

La Figura 2 mostra una sezione del gassificatore pirolitico del micro-cogeneratore in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.

La Figura 3 mostra una sezione dell?assieme comprendente reattore e tramoggia del gassificatore pirolitico in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.

La Figura 4 mostra una vista in prospettiva di una valvola a farfalla seconda una forma di realizzazione della presente invenzione atta a consentire l?afflusso della biomassa all?interno del reattore del gassificatore illustrato in Figura 3 e a consentire l?evacuazione del biochar da detto reattore qualora necessario.

La Figura 5 mostra un dettaglio della valvola a farfalla di Figura 4 quando detta valvola ? in posizione di apertura totale.

La Figura 6 mostra una prima vista del gruppo costituito da bruciatore e motore Stirling in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.

La Figura 7 mostra la sezione lungo l?asse A-A rappresentato in Figura 6 del gruppo costituito da bruciatore e motore Stirling in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.

La Figura 8 mostra un dettaglio del bruciatore illustrato in Figura 7.

La Figura 9 mostra una seconda vista del gruppo costituito da bruciatore e motore Stirling in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.

La Figura 10 mostra la sezione lungo l?asse C-C rappresentato in Figura 9 del gruppo costituito da bruciatore e motore Stirling in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.

Descrizione dettagliata delle figure

Con riferimento alla Figura 1, un micro-cogeneratore in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione ? complessivamente indicato con il numero di riferimento 1.

Detto micro-cogeneratore 1 comprende un gassificatore pirolitico 2, un bruciatore 3 e un motore Stirling 4.

Il gassificatore pirolitico 2 ? illustrato pi? nel dettaglio in Figura 2, mentre il bruciatore 3 e il motore Stirling 4 sono maggiormente visibili nelle Figure 6-10.

Il gassificatore 2 di Figura 2 comprende:

un contenitore 5 di stoccaggio della biomassa 6; un reattore 7 al cui interno la biomassa 6 viene gassificata generando syngas combustile 8 e biochar 9; una coclea di carico 10 della biomassa 6 che collega il contenitore 5 all?ingresso 11 del reattore 7;

una coclea di scarico 12 attraverso la quale il biochar 9 viene evacuato;

un condotto 13 di uscita del syngas combustile 8, attraverso cui quest?ultimo ? alimentato al bruciatore 3;

una tramoggia 14 che collega l?uscita 15 del reattore 7 alla coclea di scarico 12 del biochar 9, e attraverso la quale viene aspirato il syngas combustile 8 all?interno del condotto 13;

un contenitore 16 di raccolta del biochar 9 estratto del reattore 7.

Il reattore 7 definisce una camera di reazione 17 e comprende un riscaldatore elettrico 18 e una termocoppia 19. Il riscaldatore elettrico 18 porta la biomassa contenuta nella camera di reazione 17 alla temperatura di gassificazione, ad esempio di 900?C, mentre la termocoppia 19 tiene monitorata la temperatura nella parte superiore della camera di reazione 17 durante il processo di gassificazione. Il riscaldatore 18 e la termocoppia 19 rappresentano, rispettivamente, il limite inferiore e il limite superiore della zona al cui interno deve essere mantenuto il fronte di reazione della biomassa 6.

Un elemento di collegamento 20, cosiddetto ?buffer?, ? interposto tra la coclea 10 di carico della biomassa 6 e l?ingresso 11 del reattore 7. Un sensore 21 rileva il livello di riempimento del buffer 20 e la coclea di carico 10 della biomassa 6 viene avviata ogniqualvolta detto sensore 21 rileva che il livello di riempimento del buffer 20 ? al di sotto di un valore soglia prefissato.

La biomassa 6 in reazione ? sostenuta dal biochar 9 generatosi durante il processo di gassificazione pirolitica all?interno della camera di reazione 17 senza soluzione di continuit?. Vantaggiosamente, il gassificatore pirolitico 2 in accordo con la presente invenzione non presenta alcuna griglia di sostegno per la biomassa in reazione che la separi dal biochar 9 esausto. Preferibilmente, la coclea di scarico 12 e la tramoggia 14 vengono costantemente mantenute piene di biochar 9.

Il reattore 7 del gassificatore pirolitico 2 ? illustrato in maggior dettaglio in Figura 3.

Come gi? menzionato, il reattore 7 comprende una camera di reazione 17 al cui interno la biomassa 6 viene gassificata in presenza di una certa quantit? di aria. Il reattore 7 comprende inoltre un rivestimento esterno 71 a detta camera di reazione 17. Detta camera di reazione 17 ha forma tronco-conica ed ? realizzata vantaggiosamente in un materiale a base di fibra di allumina policristallina, preferibilmente formata sottovuoto, comprendente almeno il 70% in peso di allumina policristallina ed avente densit? compresa preferibilmente tra 350 e 500 kg/m<3>. Ad esempio, detto materiale a base di fibra di allumina policristallina ? prodotto dall?azienda Unifrax con il nome commerciale High Temperature Saffil? Rigiform<TM>, ad esempio Saffil? 160 HD.

La camera di reazione 17 possiede una superficie superiore 72 e una superficie inferiore 73, in cui il diametro della superficie superiore 72 ? leggermente inferiore al diametro della superficie inferiore 73 in modo tale da conferire alla superficie interna della camera di reazione 17 un adeguato angolo di sformo, ad esempio di circa 4?. Ad esempio, il diametro della superficie superiore 72 ? compreso tra 70 e 90 mm e il diametro della superficie inferiore 73 ? compreso tra 100 e 120 mm. Tale geometria della camera di reazione 17 agevola lo scorrimento della biomassa 6 verso il basso.

Detto rivestimento esterno 71 ha forma anulare ed ? vantaggiosamente realizzato in un materiale isolante microporoso comprendente silice. Ad esempio, detto materiale isolante microporoso ? prodotto dall?azienda Promat con il nome commerciale Promalight?, oppure dall?azienda Bifire con il nome commerciale Microbifire?, oppure dall?azienda Unifrax con il nome commerciale Excelfrax?.

Detto rivestimento esterno 71 ? costituito da una pluralit? di anelli sovrapposti 74 realizzati in detto materiale isolante microporoso, che garantiscono l?isolamento termico del reattore 7.

Nell?esempio di Figura 3, il reattore 7 comprende inoltre uno strato 75 di detto materiale a base di fibra di allumina policristallina avente spessore variabile interposto tra la camera di reazione 17 e il rivestimento esterno 71. Preferibilmente, la camera di reazione 17 e lo strato 75 di materiale a base di fibra di allumina policristallina costituiscono una struttura monolitica. Secondo un esempio specifico, detta struttura monolitica ? sigillata superiormente con la carpenteria per mezzo di una guarnizione 76 in gomma; inferiormente, invece, data l?elevata temperatura di lavoro, tramite una guarnizione 77 a base di fibra di allumina policristallina.

La tramoggia 14 mostrata nelle Figure 2 e 3 comprende una cornice (o bordo) superiore 78 atta a sorreggere il rivestimento esterno 71 attraverso una opportuna piastra di supporto 79, preferibilmente anulare. Nell?esempio di Figura 3, al di sopra di detta piastra di supporto 79 ? posizionata una lastra 80 isolante, anch?essa preferibilmente anulare, realizzata per esempio con fibre refrattarie biosolubili; detta lastra 80 garantisce il taglio termico con la piastra di supporto 79 e quindi con la tramoggia 14, nonch? la tenuta ermetica. Sia la tramoggia 14 sia la piastra di supporto 79 sono vantaggiosamente realizzate in acciaio inox.

Detta tramoggia 14 comprende inoltre un labbro 81 che si protrae al di sotto di detta cornice 78 e che definisce una base di appoggio per la camera di reazione 17 attraverso cui la tramoggia 14 stessa riceve il syngas prodotto 8. Tale geometria consente di creare un volume anulare nella parte superiore della tramoggia 14 attraverso il quale viene aspirato il syngas 8 all?interno del condotto 13.

Il condotto 13 di alimentazione del syngas possiede una guarnizione all?interfaccia con la piastra di supporto 79 costituita da anelli 82 a base di fibra di allumina policristallina.

La tramoggia 14 ? vantaggiosamente isolata dalla coclea di scarico 12 per mezzo di un elemento 83 realizzato in detto materiale isolante microporoso.

Una prima valvola 22 di separazione della biomassa 6 (mostrata nelle Figure 2 e 3) ? posizionata all?interfaccia di ingresso della biomassa 6 nel reattore 7, in particolare al di sopra del buffer 20. Una seconda valvola 23 di separazione del biochar 9 (mostrata in Figura 2) ? posizionata all?interfaccia di uscita del biochar 9 dalla coclea di scarico 12.

La valvola 22 di separazione della biomassa 6 viene aperta all?avvio del processo e permette l?afflusso di biomassa 6 e aria all?interno del reattore 7. L?apporto di aria, se pur limitato, ? necessario per sostenere il processo di gassificazione fornendo calore tramite combustione di una piccola parte della biomassa 6 e del syngas 8 prodotto.

La valvola 23 di separazione del biochar 9 viene aperta ogniqualvolta ? necessario espellere il biochar 9, funzionando perci? in discontinuo.

Dette valvole di separazione 22, 23 sono valvole a farfalla e sono illustrate in maggior dettaglio nelle Figure 4 e 5. La valvola 22, 23 illustrata in Figura 4 ? in posizione di chiusura totale, mentre la valvola 22, 23 illustrata in Figura 5 ? in posizione di apertura totale.

La valvola 22, 23 secondo la forma realizzazione di Figura 4 comprende un attuatore 24, un corpo valvola cilindrico 25, un otturatore a piattello 26 e un inserto 27 avente la forma di un arco di circonferenza.

Quando detta valvola 22, 23 ? in posizione di apertura totale (Figura 5), l?otturatore a piattello 26 assume una posizione parallela all?asse longitudinale X-X del corpo valvola cilindrico 25 e l?inserto 27 aderisce ad una porzione 28 del bordo dell?otturatore 26 che altrimenti verrebbe a contatto con la biomassa 6 o con il biochar 9. In questo modo viene colmato lo spazio presente tra il corpo valvola 25 e l?otturatore 26 lungo l?asse longitudinale X-X del corpo valvola 25, evitando che la biomassa 6 e il biochar 9 vadano a depositarsi sul bordo dell?otturatore 26, otturando la valvola 22, 23 e impedendo una corretta chiusura della valvola stessa.

Alla luce della descrizione di cui sopra, ? chiaro che il gassificatore 2 ? di tipo ?downdraft? (ovvero la biomassa 6 scorre verso il basso e nello stesso senso transita il syngas 8 prodotto) ?open core? (ovvero con immissione di aria dall?alto insieme alla biomassa).

Come menzionato sopra, le Figure 6-10 illustrano l?assieme costituito da bruciatore 3 e motore Stirling 4.

Il bruciatore 3 comprende:

una camera di combustione 30 al cui interno il syngas combustibile 8 proveniente dal gassificatore 2 viene combusto in presenza di aria comburente 31 generando gas caldi di combustione 32;

un sistema di scarico 33, fissato superiormente alla camera di combustione 30, che riceve i fumi di scarico 34 in uscita dal motore Stirling 4, come meglio descritto nel seguito;

flange di pre-miscelazione 35 per il syngas combustibile 8 e l?aria comburente 31;

un ugello ceramico 36 a valle delle flange di premiscelazione 35, che convoglia il syngas combustibile 8 e l?aria comburente 31 all?interno della camera di combustione 30. La miscela di syngas combustibile 8 e aria comburente 31 in uscita dall?ugello 36 ? indicata con il numero di riferimento 37 in Figura 8.

Le flange di pre-miscelazione 35 consentono inoltre un parziale raffreddamento del syngas combustibile 8 per mezzo dell?aria comburente 31.

Il motore Stirling 4 comprende uno scambiatore di calore ad alta temperatura 38 (cosiddetto ?scambiatore caldo?) mostrato nelle Figure 7, 8, 10, uno scambiatore a bassa temperatura (cosiddetto ?scambiatore freddo?), un rigeneratore e un generatore elettrico 39. Lo scambiatore freddo e il rigeneratore non sono visibili nelle figure. Lo scambiatore caldo 38 del motore Stirling ? inserito all?interno della camera di combustione 30.

A valle dello scambiatore caldo 38 del motore Stirling ? posto un elemento tubolare 40, indicato anche come anello di raffreddamento, al cui interno fluisce un fluido di raffreddamento, tale da impedire il trasferimento termico a valle di detto scambiatore caldo 38. In altre parole, l?anello di raffreddamento 40 assolve alla funzione di taglio termico fra bruciatore 3 e motore Stirling 4 impedendo l?ingresso di calore indesiderato nella parte del motore Stirling 4 al di sotto dello scambiatore caldo 38 e salvaguardando i componenti sottostanti da un eccessivo riscaldamento.

La camera di combustione 30 del bruciatore 3 ? costituita da un cilindro che integra gli attacchi per il condotto 13 di alimentazione del syngas combustibile 8 proveniente dal gassificatore 2 e per il condotto 41 di alimentazione dell?aria comburente 31. La camera di combustione 30 integra inoltre la flangia 42 di attacco al motore Stirling 4 e la flangia 43 di attacco al sistema di scarico 33.

All?interno della camera di combustione 30 del bruciatore 3 sono posizionate una campana 44 e un elemento 45 in materiale poroso ceramico (mezzo poroso ceramico 45).

Detta campana 44 ? aperta sul fondo e alloggia al suo interno lo scambiatore caldo 38 del motore Stirling. In particolare, detto scambiatore caldo 38 si inserisce dal fondo aperto della campana 44. Detta campana 44 ? tale da convogliare i gas caldi di combustione 32 nello scambiatore caldo 38, dove sono sottoposti a scambio termico fornendo calore e generando fumi di scarico 34 (o fumi di combustione 34). In altre parole, detta campana 44 vincola i gas caldi di combustione 32 ad attraversare tutto lo scambiatore caldo 38 con dissipazioni termiche minime verso l?esterno, ottimizzando cos? lo scambio termico con il motore Stirling 4.

Detta campana 44 comprende pareti in acciaio internamente rivestite con un materiale isolante refrattario, preferibilmente un materiale a base di fibra di allumina policristallina. Ad esempio, detto materiale comprende almeno il 70% in peso di allumina policristallina, preferibilmente almeno il 75% in peso, pi? preferibilmente almeno l?80% in peso, ad esempio circa il 90% in peso. Preferibilmente, detto materiale comprende inoltre almeno il 5% in peso di silice, preferibilmente tra il 10% e il 30% in peso di silice, pi? preferibilmente tra il 10% e il 25% in peso di silice, ancor pi? preferibilmente tra il 10% e il 20% in peso di silice. Ad esempio, detto materiale a base di fibra di allumina policristallina ? prodotto dall?azienda Schupp con il nome commerciale ITM-Fibermax?, preferibilmente Blanket 1600-130.

Tra detta campana 44 e detta camera di combustione 30 ? presente una intercapedine 46 percorsa verso l?alto dai fumi di scarico 34 in uscita dallo scambiatore caldo 38, come evidente dalla Figura 8.

Il mezzo poroso ceramico 45 ? alloggiato nella parte superiore della campana 44 al di sopra dello scambiatore caldo 38 ed ? supportato almeno parzialmente dal materiale isolante refrattario della campana 44. Detto mezzo poroso ceramico 45 rappresenta un volume di combustione ottimizzato al cui interno il syngas 8 viene combusto in presenza di aria comburente 31 generando gas caldi di combustione 32 (Figura 8). Il mezzo poroso 45 consente inoltre una distribuzione omogenea della temperatura, a garanzia di uno scambio termico ottimale con il motore Stirling 4 e basse emissioni inquinanti. Ad esempio, il materiale poroso con cui ? realizzato detto mezzo 45 comprende carburo di silicio, allumina e silice ed ?, ad esempio, prodotto dall?azienda Lanik con il nome commerciale Vukopor? S.

Nell?esempio delle Figure 7 e 8, la campana 44 comprende un ulteriore elemento 47 realizzato in materiale isolante refrattario, ad esempio a base di fibra di allumina policristallina, immediatamente al di sotto del mezzo poroso ceramico 45, tale da impedire l?ingresso indesiderato di calore dalla sommit? del motore Stirling sottostante. Tale elemento 47 ricalca la forma della cupola superiore dello scambiatore caldo 38 del motore Stirling, visibile nelle Figure 7, 8, 10.

Il sistema di scarico 33 menzionato sopra riceve i fumi di combustione 34 in uscita dallo scambiatore caldo 38 del motore Stirling 4, dopo che questi ultimi hanno percorso verso l?alto l?intercapedine 46 presente tra la camera di combustione 30 e la campana 44.

Detto sistema di scarico 33 comprende uno scarico 55 da cui fuoriescono i fumi di combustone 34, uno scambiatore di calore 56 collegato a detto scarico 55 per il recupero di calore dai fumi di combustione 34 (Figura 10), una sonda lambda 57 che regola il rapporto aria-syngas in ingresso al bruciatore 3 (Figure 6, 10), e una termocoppia 58 che misura la temperatura dei fumi di combustione 34 (Figure 6, 10).

A detto scambiatore di calore 56 ? collegata una ventola di estrazione 59 (mostrata nelle Figure 6 e 10) dei fumi di combustione 34, grazie alla quale vengono aspirati il syngas combustile 8 proveniente dal gassificatore 2 e l?aria comburente 31 all?interno della camera di combustione 30. Detta ventola di estrazione 59 ha velocit? variabile.

Per ovviare al fatto che il gassificatore pirolitico e il motore Stirling, per loro natura, hanno tempi di avviamento e reazione al controllo piuttosto lenti, il micro-cogeneratore 1 pu? vantaggiosamente prevedere l?accoppiamento con sistemi di accumulo di energia elettrica (batterie) e di energia termica (puffer). Per entrambi gli accumuli viene misurata la capacit? residua in modo tale che il micro-cogeneratore 1 si accenda solo se ? garantito un tempo di funzionamento minimo necessario alla regimazione termica di tutti i condotti di passaggio del syngas. In particolare, viene usata una sonda di temperatura per il puffer e di tensione per le batterie. Per le batterie ? prevista la possibilit? sia della lettura di tensione sia della lettura del SoC (?state of charge?) da Bus sia dell?ingresso di un segnale digitale di richiesta.

Il micro-cogeneratore 1 ? equipaggiato con un controllo elettronico che gestisce il funzionamento della macchina tramite i sensori e gli attuatori installati ed ? alimentato in maniera autonoma da batterie a bordo macchina in modo tale da garantirne lo spegnimento in sicurezza anche in caso di interruzione della connessione elettrica esterna. Per potersi avviare, il microcogeneratore 1 verifica la presenza della rete elettrica esterna (sia ?on-grid? che ?off-grid? tramite inverter).

Il processo di cogenerazione di energia elettrica e calore all?interno del micro-cogeneratore 1 a partire dalla biomassa 6 ? descritto nel seguito con riferimento alle figure.

Il processo di gassificazione pirolitica viene avviato mediante il riscaldatore elettrico 18, che porta la biomassa 6 alla temperatura di gassificazione, ad esempio di circa 900?C. Durante la fase di avvio del processo, viene aperta la valvola 22 di separazione della biomassa 6. Durante la fase di avvio del processo, la ventola di estrazione 59 viene attivata con una velocit? proporzionale alla temperatura del riscaldatore elettrico 18.

La biomassa 6 viene introdotta nel reattore 7 del gassificatore pirolitico 2, attraverso l?ingresso 11, tramite la coclea di carico 10. Quando il livello di riempimento del buffer 20 ? al di sotto di una certa soglia viene avviata la coclea 10 di carico della biomassa; quando il livello di riempimento del buffer 20 ? al di sopra di detta soglia viene arrestata la coclea 10 di carico della biomassa e interrotta l?alimentazione della biomassa 6 al reattore.

Una volta che la gassificazione ? stata avviata e il biochar 9 accumulato nel reattore 7, il fronte di reazione avanza dal basso verso l?alto dove si trova la biomassa 6 non ancora gassificata.

La camera di reazione 17 ? mantenuta a una apposita temperatura di gassificazione alla quale la biomassa reagisce generando syngas e biochar, preferibilmente compresa tra 1000?C e 1200?C allo scopo di massimizzare la produzione di syngas.

La termocoppia 19 tiene monitorata la temperatura della parte superiore della camera di reazione 17; quando l?integrale nel tempo della temperatura misurata dalla termocoppia 19 supera un certo valore soglia di detto integrale, viene aperta la valvola 23 di separazione del biochar 9, avviata la coclea di scarico 12 ed estratta una parte del biochar 9. In questo modo viene fatta scorrere verso il basso la biomassa 6 in reazione e insieme ad essa anche il fronte di reazione, che rimane confinato nella zona di reazione delimitata tra la termocoppia 19 e il riscaldatore elettrico 18.

Il gassificatore 2, una volta a regime, lavora con un flusso lento e intermittente di biomassa 6 tale da mantenere il fronte di reazione all?interno della suddetta zona di reazione.

Il syngas combustibile 8 prodotto, prima di fuoriuscire dal gassificatore 2 attraverso il condotto 13, attraversa uno strato di biochar 9 ancora caldo che garantisce un buon abbattimento di polveri e tar.

Durante la fase di arresto del processo, viene estratta una piccola quantit? di biochar 9 in modo da garantire che la biomassa 6 sia in una zona sufficientemente bassa e sicura della camera di reazione, e viene chiusa la valvola 22 di separazione della biomassa in modo da impedire l?ingresso di aria nel reattore 7 e la fuoriuscita di fumi.

Azionando la ventola di estrazione 59 viene messo in depressione il sistema costituito da gassificatore 2 e bruciatore 3 e vengono regolati gli afflussi di syngas combustibile 8 dal gassificatore 2 al bruciatore 3 e di aria sia al gassificatore 2 sia al bruciatore 3.

Azionando la ventola di estrazione 59, vengono estratti i fumi di combustione 34 che attraversano verso l?alto l?intercapedine 46 tra la camera di combustione 30 e la campana 44, creando una depressione all?interno del bruciatore 3. A loro volta, il syngas combustibile 8 in uscita dal gassificatore 2 e l?aria comburente 31 vengono aspirati all?interno della camera di combustione 30 del bruciatore, rispettivamente, attraverso i condotti di alimentazione 13 e 41. A sua volta, viene aspirata aria all?interno del gassificatore 2.

Una volta rilevata la presenza di syngas combustibile 8 all?interno del bruciatore 3, quest?ultimo viene acceso e viene apportata una quantit? crescente di aria comburente 31 agendo sulla valvola 60 dell?aria posta sul condotto 41.

Il syngas combustibile 8 e l?aria comburente 31 vengono aspirati all?interno della camera di combustione 30 passando attraverso le flange di pre-miscelazione 35, quindi l?ugello ceramico 36, fino ad arrivare all?interno del mezzo poroso ceramico 45 che definisce il volume nel quale avviene la combustione con la generazione dei gas caldi di combustione 32.

I gas caldi di combustione 32 vengono sottoposti a scambio termico all?interno dello scambiatore caldo 38 del motore Stirling 4, dal quale viene recuperato il calore che mette in oscillazione il generatore elettrico 39 generando i suddetti fumi di combustione 34.

I fumi di combustione 34 vengono estratti mediante la ventola di estrazione 59. Detti fumi di combustione 34 percorrono verso l?alto l?intercapedine 46 presente tra la camera di combustione 30 e la campana 44, passano attraverso lo scarico 55 su cui sono poste la sonda lambda 57 e la termocoppia 58, quindi vengono alimentati allo scambiatore di calore 56 per il recupero del calore in essi contenuto. La sonda lambda 57 regola con precisione il rapporto aria-syngas grazie alla valvola 60 posta sul condotto 41 di immissione dell?aria comburente 31, regolandone la perdita di carico e quindi l?afflusso.

? evidente che quella che ? stata descritta ? solo una forma particolare di realizzazione della presente invenzione. L?esperto dell?arte sar? in grado di apportare al micro-cogeneratore 1 tutte quelle modifiche necessarie per il suo adattamento a particolari condizioni, senza peraltro discostarsi dall?ambito di protezione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Micro-cogeneratore (1) comprendente:

un gassificatore pirolitico (2) atto a produrre syngas (8) e biochar (9) a partire da una fonte energetica rinnovabile e sostenibile (6), preferibilmente biomassa legnosa,

un bruciatore (3) atto a ricevere il syngas (8) prodotto da detto gassificatore pirolitico (2) e generare gas caldi di combustione (32),

un motore Stirling (4) comprendente uno scambiatore di calore (38) (cosiddetto ?scambiatore caldo?) alimentato con detti gas caldi di combustione (32), detto motore Stirling (4) essendo atto a generare energia elettrica, in cui detto gassificatore pirolitico (2) comprende una camera di reazione (17) al cui interno detta fonte energetica (6) viene gassificata in presenza di aria generando syngas (8) e biochar (9),

detto micro-cogeneratore (1) essendo caratterizzato dal fatto che detta camera di reazione (17) ha forma tronco-conica ed ? realizzata in un materiale a base di fibra di allumina policristallina comprendente almeno il 70% in peso di allumina policristallina e, opzionalmente, almeno il 5% in peso di silice, detto materiale avente densit? compresa preferibilmente tra 350 e 500 kg/m<3>.

2. Micro-cogeneratore (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto materiale a base di fibra di allumina policristallina comprende almeno il 75% in peso di allumina policristallina, preferibilmente almeno l?80% in peso, pi? preferibilmente circa il 90% in peso, e una quantit? di silice pari ad almeno il 5% in peso, preferibilmente tra il 10% e il 30% in peso, pi? preferibilmente tra il 10% e il 25% in peso, ancor pi? preferibilmente tra il 10% e il 20% in peso.

3. Micro-cogeneratore (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto gassificatore pirolitico (2) comprende un rivestimento esterno (71) a detta camera di reazione (17), detto rivestimento esterno (71) avente forma anulare ed essendo preferibilmente realizzato in un materiale isolante microporoso comprendente silice.

4. Micro-cogeneratore (1) secondo la rivendicazione 3, in cui detto gassificatore pirolitico (2) comprende uno strato (75) di detto materiale a base di fibra di allumina policristallina avente spessore variabile interposto tra detta camera di reazione (17) e detto rivestimento esterno (71), preferibilmente detta camera di reazione (17) e detto strato (75) di materiale a base di fibra di allumina policristallina costituendo una struttura monolitica.

5. Micro-cogeneratore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, detta camera di reazione (17) tronco-conica possedendo una superficie superiore (72) e una superficie inferiore (73) in cui il diametro della superficie superiore (72) ? minore del diametro della superficie inferiore (73), detti diametri essendo tali da conferire alla superficie interna della camera di reazione tronco-conica un angolo di sformo compreso tra 2? e 15?, preferibilmente di circa 4?.

6. Micro-cogeneratore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto gassificatore pirolitico (2) comprende:

una coclea di scarico (12) per l?evacuazione del biochar (9),

una tramoggia (14) di collegamento tra la camera di reazione e la coclea di scarico (12), detta tramoggia (14) formando un volume di raccolta del syngas (8) prodotto nella camera di reazione, e

un condotto di collegamento (13) tra detta tramoggia (14) e il bruciatore (3), dal quale il syngas (8) viene aspirato e alimentato a detto bruciatore (3),

in cui detta tramoggia (14) comprende una cornice superiore (78) atta a sorreggere detto rivestimento esterno (71), preferibilmente attraverso una opportuna piastra di supporto (79), e un labbro (81) che si protrae al di sotto di detta cornice (78) e che definisce una base di appoggio per detta camera di reazione (17) attraverso cui la tramoggia (14) riceve il syngas prodotto (8).

7. Micro-cogeneratore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta camera di reazione (17) comprende un riscaldatore elettrico (18) atto a riscaldare la camera di reazione (17) alla temperatura di gassificazione, e una termocoppia (19) atta a monitorare la temperatura nella parte superiore della camera di reazione (17),

in cui il fronte di reazione ? compreso tra detto riscaldatore (18) e detta termocoppia (19).

8. Micro-cogeneratore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la fonte energetica (6) in reazione ? sostenuta dal biochar (9) prodotto durante la gassificazione di detta fonte energetica (6), detto micro-cogeneratore (1) non comprendendo alcuna griglia di sostegno per detta fonte energica (6).

9. Micro-cogeneratore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un sistema di scarico (33) atto a ricevere fumi di scarico (34) in uscita dallo scambiatore caldo (38) del motore Stirling (4),

in cui detto sistema di scarico (33) comprende uno scambiatore (56) per il recupero di calore da detti fumi di scarico (34), una sonda lambda (57) che regola il rapporto aria (31) ? syngas (8) in ingresso al bruciatore (3) e una termocoppia (58) che misura la temperatura di detti fumi di scarico (34),

detto micro-cogeneratore comprendente inoltre una ventola di estrazione (59) collegata a detto scambiatore (56) per il recupero di calore dai fumi di scarico (34), detta ventola di estrazione (59) essendo tale da estrarre i fumi di scarico (34) creando una depressione all?interno del bruciatore (3) e del gassificatore pirolitico (2) e, a sua volta, regolare l?afflusso del syngas (8) proveniente dal gassificatore pirolitico (2) al bruciatore (3) e gli afflussi di aria sia all?interno del gassificatore pirolitico (2) sia all?interno del bruciatore (3).

10. Micro-cogeneratore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto gassificatore pirolitico (2) comprende una prima valvola a farfalla (22) all?interfaccia di ingresso della fonte energetica (6) nella camera di reazione tale da consentire l?afflusso della fonte energetica (6) all?interno della camera di reazione (17), e/o una seconda valvola a farfalla (23) all?interfaccia di uscita del biochar (9) dalla coclea di scarico (12) tale da consentire l?evacuazione del biochar (9) dalla camera di reazione (17) qualora necessario, dette valvole a farfalla (22, 23) comprendendo un corpo valvola cilindrico (25), un otturatore a piattello (26) e un inserto (27) avente la forma di un arco di circonferenza,

quando detta valvola (22, 23) ? in posizione di apertura totale, l?otturatore (26) assume una posizione parallela all?asse longitudinale X-X del corpo valvola cilindrico (25),

detto inserto (27) aderendo ad una porzione (28) del bordo dell?otturatore (26) quando la valvola (22, 23) ? in posizione di apertura totale, colmando lo spazio presente tra il corpo valvola (25) e l?otturatore (26) lungo l?asse longitudinale X-X del corpo valvola cilindrico (25) ed impedendo il deposito della fonte energetica (6) o del biochar (9) sul bordo dell?otturatore (26).