ITMI20090373A1 - Dispositivo e procedimento atto a generare energia elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica - Google Patents

Dispositivo e procedimento atto a generare energia elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo e procedimento atto a generare energia elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica; un tale dispositivo si presta, ad esempio, a produrre corrente elettrica sfruttando la differenza di salinità tra acqua dolce, proveniente da fiumi o laghi, e acqua salata marina, oppure tra acqua salata marina e acqua ad alta concentrazione di sali ottenuta per evaporazione tramite vasche di salina.
L'interesse nello sfruttamento della differenza di salinità, o gradiente di salinità, risale già agli anni '70, e risiede nel fatto che tale risorsa energetica è largamente disponibile, poco costosa, non inquinante e rinnovabile.
Le principali soluzioni sviluppate sono note con i nomi di "Pressure Retarded Osmosis" (PRO), "Reverse Electro-Dìalysis" (RED) e "Vapor Pressure" (VP).
I tre metodi possono arrivare a produrre potenze dell'ordine del MW con un flusso di 1 m3/s di acqua dolce. I dispositivi PRO sono basati su una membrana semipermeabile, che separa l 'acqua dolce da quella salata. La pressione osmotica è di circa 24 atm, pari a circa 250 m dì carico idraulico. Il flusso osmotico risultante viene poi usato per azionare un motore, eventualmente a turbina, che a sua volta aziona un alternatore o una dìnamo. Il problema di questo genere di dispositivi è la necessità di grandi quantità di membrana semipermeabile, con elevata permeabilità, resistenti a forti pressioni. Tali membrane sono relativamente costose, e le loro prestazioni si deteriorano rapidamente, a causa del deposito dei materiali in sospensione.
Anche i dispositivi RED sono basati su membrane. In questo caso, si tratta di membrane selettive, permeabili a ioni positivi o negativi; esse vengono alternate, e tra di loro viene fatta scorrere acqua alle differenti salinità.
II passaggio selettivo degli ioni genera differenze di potenziale, che vengono tradotte in corrente tramite elettrodi. Le membrane per i dispositivi RED sono ancora più costose dì quelle per i PRO, e altrettanto sensibili ai materiali in sospensione.
Per evitare l'uso di membrane, sono stati infine sviluppati i dispositivi VP, basati sulla differenza di pressione di vapore di acqua salata e acqua dolce. La differenza di pressione viene usata per muovere una turbina, che a sua volta muove un alternatore o una dinamo. La piccola differenza di pressione è l'ostacolo principale incontrato nello sviluppo di tali sistemi.
I sistemi PRO e VP, che richiedono organi in movimento, sono più adatti a impianti di grandi dimensioni, mentre per impiantì piccoli o casalinghi i RED sono i più promettenti. Nonostante il grande interesse, i costi di queste tecnologie restano ancora alti, e non c'è ancora una grande diffusione .
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare un dispositivo generatore di energia elettrica, che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica, in grado di superare gli inconvenienti della tecnica nota, non necessitando cioè né di membrane, né di meccanismi atti a convertire movimento meccanico in corrente elettrica, quali alternatori o dinamo. Un altro scopo dell’invenzione è poi quello di realizzare un dispositivo in grado di raggiungere elevati valori di potenza, a parità di quantità di soluzione ionica impiegata.
Questi scopi, secondo la presente invenzione, vengono raggiunti realizzando un dispositivo generatore dì energia elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica, come esposto nella rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni successive.
Le caratteristiche ed i vantaggi di un dispositivo e relativo procedimento atto a generare energia elettrica utilizzando soluzioni con differente concentrazione ionica, secondo la presente invenzione, risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati, nei quali :
la figura 1 è uno schema generale di un esempio di realizzazione preferito di un dispositivo atto a generare energia elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica secondo la presente invenzione;
le figure 2, 3 e 4 mostrano gli schemi di tre esempi, esemplificativi e non limitativi, di realizzazione del sistema idraulico e della cella (22), che mostrano come sia possibile utilizzare le soluzioni al fine di cambiare la concentrazione ionica all'interno della cella (22);
le figure 5 e 6 mostrano lo schema dettagliato di una possibile realizzazione della cella (22) e della disposizione degli elettrodi (18) e (20), esemplificative e non limitative, in visione esplosa in assonometria e in proiezione ortogonale;
la figura 7 mostra lo schema elettrico generico relativo a una possibile implementazione del sistema elettrico, esemplificativa e non limitativa, che si occupa di caricare e scaricare gli elettrodi (18) e (20).
Con riferimento in particolare alla figura 1, viene mostrato schematicamente un esempio di realizzazione preferito di un dispositivo atto a generare energia elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica secondo la presente invenzione, indicato complessivamente con il numero di riferimento
(10).
La sorgente di energia utilizzata dal dispositivo consiste nella differenza di concentrazione ionica delle due soluzioni (14) e (16), tali che la soluzione (14) abbia una concentrazione ionica maggiore della soluzione (16). In una tipica applicazione, le due soluzioni sono acqua dolce proveniente da un fiume e acqua salata proveniente dal mare, oppure acqua di mare e acqua proveniente da una vasca di salina.
La cella (22) contiene un liquido, ottenuto da una delle dette soluzioni (14) e (16), o una loro miscela. Il procedimento è caratterizzato dal fatto che il liquido contenuto nella cella (22) viene modificato nella sua composizione, immettendo nella cella in istanti diversi e in diverse proporzioni le due soluzioni (14) e (16), in modo tale da modificare la concentrazione ionica della soluzione presente nella cella (22), o in parti di essa.
Tale operazione ha lo scopo di ottenere almeno due diverse fasi: una "fase ad alta concentrazione" , nella quale il liquido contenuto nella cella (22) è prevalentemente composto dalla soluzione (14) e una "fase a bassa concentrazione" , nella quale il lìquido contenuto nella cella (22) è prevalentemente composto dalla soluzione (16) .
Il dispositivo comprende almeno due elettrodi (18) e (20), immersi almeno parzialmente nel liquido contenuto nella cella (22). In una parte della "fase ad alta concentrazione" viene fatta scorrere una corrente tra gli elettrodi (18) e (20), in modo da caricarli elettricamente (fase di carica): essi si comportano come un condensatore . Se la differenza di potenziale non eccede il valore al quale si possono attivare reazioni di ossido-riduzione, il condensatore mantiene la sua carica. Nel caso specifico di soluzioni acquose, tale valore limite di differenza di potenziale è di IV. In questa fase viene consumata energia. Quando successivamente si passa alla "fase a bassa concentrazione", la capacità equivalente del condensatore formato dai due elettrodi (18) e (20) diminuisce. Poiché la sua carica accumulata non subisce una diminuzione, la sua energia elettrostatica aumenta, e viene utilizzata, lasciando scorrere corrente tra gli elettrodi attraverso il carico (12) (fase dì scarica). L'energia consumata durante la fase di carica è minore della energia estratta durante la fase di scarica, e quindi il sistema ha effettivamente estratto energia utilizzando la energìa libera proveniente dalla differenza di concentrazione ionica delle soluzioni.
Dal punto di vista della conservazione dell'energia, tale energia viene estratta a spese della energia termica dal liquido: per mantenere la temperatura, il liquido assorbe calore. Dal punto di vista del secondo principio della termodinamica, il sistema consuma l'energia libera della differenza di concentrazione ionica: infatti, dopo l'estrazione di energia, parte delle soluzioni iniziali vengono mescolate, e aumentano la loro entropia.
L'uso di elettrodi di materiale poroso aumenta la capacità del sistema, e riduce le dimensioni degli elettrodi. In particolare carbone attivo, aerogel di carbonio e nanotubi, sviluppati per costruire i supercondensatori, possono essere utilmente impiegati per questa invenzione.
Il sistema che si occupa di variare la composizione del liquido nella cella (22) e la cella stessa possono essere realizzati in un qualunque modo; tre esempi sono mostrati nelle figure 2, 3 e 4; tali figure sono esemplificative ma non limitative.
Nella figura 2, ì due elettrodi (18) e (20) sono disposti sulle pareti opposte della cella (22). L'intercapedine tra gli elettrodi (18) e (20) viene riempita alternativamente con la soluzione (14) oppure (16) , azionando una delle due pompe (24) o (26). Questo permette di passare dalla "fase ad alta concentrazione", dopo che è stata attivata la pompa (24), alla "fase a bassa concentrazione", dopo che è stata attivata la pompa (26).
Nello schema proposto in figura 3, gli elettrodi (18) e (20) sono posti paralleli l'uno all'altro, a piccola distanza, e sono composti di materiale poroso. La cella (22) è divisa dalla coppia di elettrodi (18) e (20) come da un setto, in due porzioni. In questo caso, le pompe (24) e (26) si occupano di far fluire, in fasi diverse, le soluzioni (14) e (16) nelle due porzioni della cella. Quando la pompa (24) è attiva e la pompa (26) è disattivata, la soluzione (14) fluisce, e, per diffusione, la concentrazione nell'intera cella aumenta, e si ottiene la "fase ad alta concentrazione". Successivamente, la pompa (24 ) viene disattivata e la pompa (26) viene attivata . Per diffusione la concentrazione del liquido nell'intera cella diminuisce .
Nello schema proposto in figura 4, la cella (22) è composta di due compartimenti separati, ognuno dei quali contiene una delle soluzioni (14) e (16). Gli elettrodi (18) e (20) vengono spostati da uno compartimento all'altro in fasi diverse . Quando gli elettrodi (18) e (20) sono immersi nella soluzione (14) si ha la "fase ad alta concentrazione", mentre quando essi sono immersi nella soluzione (16) si ha la "fase a bassa concentrazione".
In base ad un esempio pratico di realizzazione del dispositivo atto a generare corrente elettrica secondo la presente invenzione, gli elettrodi sono composti da piastre di grafite di forma quadrata, lato 10cm, dello spessore di Imm. Su queste piastre è depositato uno strato dello spessore di 0,lm, composto da da carbone attivo. Questa deposizione si può effettuare seguendo i procedimenti adottati per la fabbricazione di supercondensatori al carbone attivo. In un esempio di procedimento per ottenere questo strato, il carbone attivo viene dapprima polverizzato fino a presentare grani minori di un micron; viene aggiunta una quantità del 5% rispetto al carbone di un polimero con funzione di legante (ad esempio PVDF, polivinilidene fluoruro); viene aggiunto un solvente adatto al polimero (ad esempio, dimetilacetamide oppure n-metil-2-pirrolidone) in quantità adatta, per ottenere la completa dissoluzione del polimero, e una consistenza pari a quella di una vernice a pennello; infine, si spande la sospensione ottenuta su uno dei lati delle piastre di grafite, con uno spessore di 0,lmm e le si lascia asciugare.
Una sìngola cella (figure 5 e 6) viene ottenuta assemblando una coppia di piastre, parallele, a distanza di Imm, in modo che lo strato di carbone attivo sia all'interno dell'intercapedine tra le piastre. Esse costituiscono gli elettrodi (18) e (20). Due lati opposti delle piastre vengono quindi sigillati con le guarnizioni (28), e i due lati restanti vengono collegati ai condotti (30) e (32), che costituiscono un sistema idraulico che permette di riempire lo spazio tra le piastre, in fasi successive, con acqua salata, proveniente dal mare, e con acqua dolce proveniente da un fiume, eventualmente addizionata di una piccola parte dì acqua di mare, al fine di aumentare la conducibilità.
Due cavi di rame vengono posti all'esterno, collegati a ciascuna delle piastre.
Un circuito elettrico che utilizza il dispositivo (10) è mostrato schematicamente in figura 7. Gli elettrodi (18) e (20) vengono collegati in serie al carico (12) e al condensatore (36), di capacità 300F (un supercondensatore). Il circuito in cui è inserito il carico (12) può essere aperto o chiuso tramite il deviatore (38). Quando il circuito è aperto, il generatore (34), da 400mV, è collegato al condensatore (36) in modo da ricaricarlo.
Il procedimento consiste in quattro fasi:
1)Deviatore (38) apre il circuito del carico (12). La cella (22) viene riempita con acqua salata. Il condensatore (36) viene ricaricato alla tensione 400mV dal generatore (34).
2) Deviatore (38) chiude il circuito del carico (12). Una corrente scorre dagli elettrodi (18) e (20), alimentando il carico (12) .
3) Deviatore (38) apre il circuito del carico (12). La cella (22) viene riempita con acqua dolce. Il condensatore (36) viene ricaricato alla tensione 400mV dal generatore (34).
4)Deviatore (38) chiude il circuito del carico (12). Una corrente scorre dagli elettrodi (18) e (20), alimentando il carico (12) .
Ad ogni ciclo, al carico viene fornita un’energia dì circa 20mJ. L'acqua che circola nella cella per ogni ciclo
è 10cm . Una certa energia viene consumata nelle fasi 1 e 3 per ricaricare il condensatore (36) , al fine di compensare le correnti dì perdita (circa lmJ), e nelle fasi 2 e 4 per muovere i fluidi (circa lmJ) . Questa energia consumata dovrà essere sottratta alla energia fornita al carico. Un sistema potrà comprendere un gran numero di celle, tali da raggiungere la potenza richiesta, o celle di dimensioni maggiori .
Si è così visto che il dispositivo e il procedimento atto a generare energia elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati. In particolare, si è visto che il dispositivo è in grado di generare corrente elettrica, utilizzando soluzioni ioniche a differente concentrazione; rispetto alla tecnica nota, si apprezza la possibilità di evitare l'uso sia di dinamo e alternatori, sia di membrane semipermeabili, selettive o a scambio ionico, caratteristica che permette di ridurre i costi e la manutenzione. Inoltre, si nota che il dispositivo non altera in maniera significativa la composizione qualitativa delle soluzioni in entrata, ma si limita a modificarne la concentrazione, come se queste si fossero semplicemente miscelate, garantendo pertanto la più completa assenza di inquinamento.
Il dispositivo generatore di energia elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica della presente invenzione così concepito è suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica le forme e le dimensioni potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.
L'ambito di tutela dell'invenzione è pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (10) atto a generare energìa elettrica che utilizza soluzioni con differente concentrazione ionica comprendente almeno due elettrodi di materiale conduttivo, almeno parzialmente immersi in un liquido contenente dette soluzioni, e relativo procedimento caratterizzato dal fatto che la concentrazione ionica del detto liquido in cui sono immersi detti elettrodi viene modificata in fasi successive, sostituendo o miscelando detto liquido con le dette soluzioni, e comprendente almeno una fase di carica nella quale detti elettrodi vengono caricati elettricamente, e almeno una fase di scarica nella quale detti elettrodi vengono scaricati elettricamente in tutto o in parte.
  2. 2. Dispositivo (10) e relativo procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la concentrazione ionica del detto liquido in cui sono immersi gli elettrodi durante almeno parte della detta fase di carica è maggiore della concentrazione ionica del detto liquido in cui sono immersi gli elettrodi durante almeno parte della detta fase di scarica.
  3. 3. Dispositivo (10) e relativo procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detti elettrodi sono fissi, e almeno due diverse delle dette soluzioni con concentrazione ionica differente vengono fatte fluire e portate a contatto con detti elettrodi, in fasi successive.
  4. 4. Dispositivo (10) e relativo procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detti elettrodi sono mobili, e vengono spostati in modo da risultare immersi in fasi successive in una differente tra le dette soluzioni.
  5. 5. Dispositivo (10) e relativo procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che almeno uno di detti elettrodi è composto di materiale conduttivo poroso.
  6. 6. Dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che una delle dette soluzioni utilizzate è costituita da acqua dolce, inclusa quella prelevata da fiumi, laghi, lagune a bassa salinità, acqua di falda, proveniente dalle precipitazioni atmosferiche, sia in forma liquida sia in forma solida.
  7. 7. Dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che una delle dette soluzioni utilizzate è costituita da acqua salata, inclusa acqua prelevata dal mare, lagune ad alta salinità, pozzi presso la linea di costa.
  8. 8. Dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che una delle dette soluzioni utilizzate è costituita da acqua salata, la cui concentrazione sia stata incrementata tramite evaporazione .
  9. 9 . Dispositivo (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che una delle dette soluzioni utilizzate è costituita da acqua dolce, miscelata in qualunque proporzione ad acqua salata.
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