ITMI20091249A1 - Apparato per la produzione di idrogeno gassoso e sistema di generazione di energia impiegante l'apparato - Google Patents

Apparato per la produzione di idrogeno gassoso e sistema di generazione di energia impiegante l'apparato Download PDF

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ITMI20091249A1
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Maurizio Egidio Brioschi
Francesco Gargiuolo
Alberto Limonata
Gabriele Rossato
Davide Sala
Giovanni Sala
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Maurizio Egidio Brioschi
Francesco Gargiuolo
Gabriele Rossato
Davide Sala
Giovanni Sala
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Description

“Apparato per la produzione di idrogeno gassoso e sistema di generazione di energia impiegante l’apparato â€
Campo tecnico dell’invenzione
La presente invenzione riguarda le tecniche di produzione di idrogeno gassoso e in particolare la produzione di idrogeno e ossigeno dall’acqua. Particolarmente, ma non limitativamente, la presente invenzione si riferisce alla produzione di idrogeno gassoso da impiegare come carburante.
Tecnica nota
La produzione di idrogeno gassoso a partire dall’acqua, allo scopo di ottenere carburante, appare un’opportunità estremamente interessante vista la grande disponibilità di acqua in confronto con altre tipologie di carburante.
L’elettrolisi dell’acqua risulta la tecnica più comune per la separazione dell’idrogeno dall’ossigeno. Ciononostante, l’elevata potenza elettrica richiesta dall’elettrolisi ha fatto sì che si ricercassero altre tecniche di produzione dell’idrogeno.
A tal proposito, il documento di Fausto Elisei et al. “Produzione di idrogeno dall’acqua mediante fotolisi assistita da fotocatalizzatori innovativi†, (Ottavo Congresso Nazionale CIRIAF – Atti (Perugia 4-5 Aprile 2008) descrive l’impiego di una tecnica basata sulla fotolisi e fa anche riferimento ad un impianto sperimentale di sonofotolisi.
Breve sommario dell’invenzione
La Richiedente ha osservato che le modalità di produzione di idrogeno gassoso della tecnica nota non risultano soddisfacenti, sia intermini di efficienza sia in termini di realizzabilità pratica di un corrispondente apparato.
Lo scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un apparato di produzione di idrogeno gassoso dall’acqua alternativo a quelli della tecnica nota e che, ad esempio, superi le limitazioni delle tecniche attualmente conosciute.
La presente invenzione ha quindi per oggetto un apparato di produzione di idrogeno gassoso dall’acqua come descritto dalla rivendicazione 1 e da sue forme di realizzazione preferite descritte dalle rivendicazioni dipendenti 2-8.
Forma oggetto dell’invenzione anche un sistema di generazione di energia come definito dalla rivendicazione 9 e da una sua forma di attuazione particolare descritta dalla rivendicazione 10.
Breve descrizione dei disegni
Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione risulteranno dalla descrizione che segue di una forma di realizzazione preferita e di sue varianti, fornita a titolo esemplificativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:
la FIG. 1 mostra una sezione, secondo un piano longitudinale, di un primo stadio di un esempio di un apparato di produzione di idrogeno gassoso;
la FIG. 2 mostra una sezione, secondo un piano longitudinale, di un esempio di un secondo stadio di detto apparato di produzione di idrogeno gassoso;
la FIG. 3 mostra schematicamente un sistema di generazione di energia che impiega detto apparato di produzione di idrogeno.
Descrizione dettagliata
Le FIG. 1 e 2 mostrano, rispettivamente, e in sezione un primo stadio 100 e un secondo stadio 200 di un apparato o reattore per la produzione di idrogeno gassoso, realizzato secondo una forma di attuazione particolare dell’invenzione.
Il primo stadio 100 comprende un contenitore 1 provvisto di uno o più ingressi per l’acqua. Ad esempio, il contenitore 1 à ̈ in acciaio e in particolare in acciaio AISI 361 L e può avere uno spessore di un millimetro. Gli ingressi per l’acqua sono, preferibilmente, realizzati mediante un primo gruppo di elettroiniettori 2 ed un opzionale secondo gruppo di elettroiniettori 3. Tali elettroiniettori sono, vantaggiosamente, del tipo a bassa pressione e provvedono a nebulizzare l’acqua in entrata su una pluralità di getti (per esempio, quattro getti). Secondo un esempio particolare la pressione in ingresso varia da 1 Bar a 5 Bar. Il primo gruppo di elettroiniettori 2 à ̈ controllato in modo asincrono rispetto al secondo gruppo di elettroiniettori 3 da una centralina elettronica (non mostrata) che provvede anche alla regolazione ciclica dei tempi di iniezione.
Il primo stadio 100 à ̈ anche provvisto, in corrispondenza di un primo estremo, di un generatore di onde acustiche 4 adatto ad investire con onde acustiche l’acqua che fuoriesce in forma nebulizzata dai gruppi elettroiniettori 2 e 3, per produrre sonolisi. In particolare il generatore di onde acustiche 4 si concretizza in un trasduttore ad ultrasuoni.
Secondo un esempio, tale trasduttore ad ultrasuoni 4 comprende nove attuatori piezoelettrici circolari di diametro compreso tra 5 e 45 millimetri in ceramica SONOX P4 o PZT con capacità di nebulizzazione compresa fra 500 ml/h e 2000 ml/h, controllati con una potenza compresa tra i 2 e i 50 Watt e modulati con una frequenza compresa tra i 15 kHz e i 35 kHz. Si osservi che il trasduttore ad ultrasuoni à ̈ in grado di generare un fenomeno di cavitazione dell’acqua, trasformandola in vapore “freddo†con temperature d’esercizio comprese tra 30 e 80 °C.
Secondo l’esempio mostrato in FIG. 1, in una camera periferica 5 (di sagoma tubolare) del contenitore 1 à ̈ incluso un dispositivo riscaldatore 6 quale, in particolare, un riscaldatore ad induzione, comprendente una avvolgimento elettrico 7 (ad esempio in rame) avvolto su un nucleo 8. Il riscaldatore ad induzione 6 à ̈ tale da operare ad una frequenza compresa tra 100 kHz e 260 kHz su un nucleo 8 in ferro dolce che si riscalda per effetto induttivo a 700-800 °C consumando 400/500 Watt. Il riscaldatore 6 ha il compito di vaporizzare l’acqua e trasformarla in vapore secco.
Secondo la forma di attuazione mostrata in FIG.
1, una sorgente di radiazione elettromagnetica 11, configurata per provocare fotolisi, à ̈ disposta all’interno della camera periferica 5 in prossimità del trasduttore ultrasonico 4.
La sorgente di radiazione elettromagnetica 11 comprende, vantaggiosamente, un laser, per esempio, a stato solido e con potenza impiegata da 5 mW a 200 mW e una lunghezza d’onda di emissione compresa tra 200 nm a 880 nm e che opera, quindi, anche nel campo del visibile.
Una regione centrale del contenitore 1 à ̈ munita di un dispositivo di generazione elettrolitica 9 (cioà ̈ un dispositivo atto a provocare elettrolisi). Tale dispositivo 9 à ̈, vantaggiosamente, ad alta efficienza e comprende una pluralità di celle elettrolitiche 10, ad esempio in alta tensione (HT) che causano elettrolisi nel vapore che le attraversa in espansione ed accelerazione. Secondo un caso preferito tali celle elettrolitiche 10 sono in nichel e tungsteno e sono formate da più maglie reticolose in nichel, carburo di tungsteno e tungsteno. Le celle elettrolitiche 10 sono alimentate, per esempio, da una tensione continua che varia da 50 V fino a un massimo di 4000 V. Il dispositivo di generazione elettrolitica 9 fornisce un contributo alla trasformazione del vapore in una miscela HHO (cioà ̈ gas di Brown) e alla creazione di vapore ionizzato.
Preferibilmente, il primo stadio 100 à ̈ anche provvisto di un condotto di recupero 15 che si apre all’interno del contenitore 1 quale, ad esempio, un tubo in acciaio AISI 316L controllato da una valvola proporzionale (non mostrata) per il recupero dei gas di scarico/incombusti di un motore e successivamente usati per l’arricchimento stechiometrico e il preriscaldamento delle griglie 10. La prima uscita 12, che si raccorda al secondo stadio 200, fa sì che la miscela gassosa HHO e il vapore ionizzato formatisi nel primo stadio 100 accedano al secondo stadio 200.
Il secondo stadio 200 (FIG. 2) comprende un relativo contenitore 13, ad esempio, analogo (anche per materiali) al contenitore 1 sopra descritto. Una bocca di ingresso 14 del secondo stadio 200 Ã ̈ raccordata alla prima uscita 12 del primo stadio 100.
Vantaggiosamente, nella bocca di ingresso 14 Ã ̈ disposto un ulteriore dispositivo riscaldatore 16, comprendente, ad esempio un riscaldatore ad induzione, provvisto di un relativo nucleo 17 ed un rispettivo avvolgimento 18. Secondo un esempio, il riscaldatore ad induzione 16 opera ad una frequenza compresa tra 100 kHz e 260 kHz su un nucleo 17 in ferro dolce che si riscalda per effetto induttivo a 200-400 °C consumando 200 Watt. Il compito di questo riscaldatore 16 Ã ̈ quello di riscaldare il gas dopo le celle elettrolitiche 10 e riportarlo in temperatura.
All’interno di una camera 19 del secondo stadio 200 à ̈ disposta una pluralità di elementi separatori di flusso 20 (ad esempio, delle barre in acciaio AISI 316L) costruiti per incanalare opportunamente il gas.
Ai bordi della camera 19 à ̈ fissata una pluralità di sorgenti di radiazione elettromagnetica comprendenti, secondo l’esempio, lampade a scarica 22 e/o almeno un dispositivo LED 21. Le lampade a scarica 22 sono, ad esempio, bulbi a scarica operanti a una frequenza che varia tra i 200 e i 600 Hz con una lunghezza d’onda compresa tra 200 e 680 nm, pilotati con una potenza di 50 Watt. Per esempio, il LED 21 à ̈ un dispositivo UV ( ultravioletto )con emissione a 250-400 nm da 60 mW. Gli elementi separatori di flusso 20 obbligano il gas a transitare in prossimità delle sorgenti di radiazione 21 e 22.
Secondo una forma di attuazione preferita, il secondo stadio 200 à ̈ anche provvisto di un dispositivo polarizzatore/separatore magnetico. Secondo un esempio particolare, tale dispositivo polarizzatore/separatore magnetico comprende due magneti 23 (N e S) affacciati (ad esempio, realizzati in lega di Ni-Cu-Ni) in grado di fornire un’energia magnetica di 40 N e un potere di attrazione di 100 Kg. A questi magneti 23 sono collegati diffusori di campo 27 costruiti, per esempio, in acciaio magnetico (per esempio, in AISI 314L).
In accordo con un esempio particolare, il secondo stadio 200 à ̈ anche provvisto di un condotto di aspirazione 24 che consente l’aspirazione dall’esterno di comburente etilico, gassoso o vapore ionizzato per l’alimentazione da fornire ad un’uscita 26 e da impiegare per la messa in moto del motore a cui collegare l’apparato di produzione di idrogeno gassoso e il mantenimento/arricchimento stechiometrico fino al raggiungimento delle temperature di esercizio del motore stesso.
Il condotto di aspirazione 24 à ̈ operativamente associato ad un generatore di plasma ionizzante 25 che consente di ionizzare il vapore o il comburente che transita nel condotto di aspirazione 24. Il generatore di plasma 25 consente di ionizzare il combustibile gassoso/liquido, con una tensione di circa 20000 V a polarità negativa e una frequenza operante tra i 3000 Hz e i 19000 Hz.
Il secondo stadio 200 à ̈ poi provvisto dell’uscita 26 per fornire l’idrogeno presente nel gas di Brown HHO e gas o comburente ibrido al motore. In alcune applicazioni, si potrebbe usare alcol etilico misto a vapore ionizzato o in certi casi ove presente Gas Propano, Butano o Metano.
Nel funzionamento, l’acqua nebulizzata à ̈ immessa mediante i gruppi di elettroiniettori 2 e 3 all’interno del contenitore 1 del primo stadio 100. Il trasduttore ad ultrasuoni 4 viene attivato in modo da generare onde acustiche provocando nell’acqua un fenomeno di cavitazione oscillante. Si osservi che le vibrazioni trasmesse dal trasduttore ad ultrasuoni 4 provocano nella molecola dell’acqua fenomeni di stiramento, deformazione piana e rotazione interna. L’acqua nebulizzata subisce, grazie alla cavitazione oscillante, una prima azione di sonolisi che provoca la formazione di idrogeno, e in particolare di gas di Brown (HHO) a bassa temperatura.
Il gas di Brown (detto anche “ossidrogeno†) à ̈, come noto, una miscela di gas di idrogeno e ossigeno tipicamente nella proporzione atomica di 2 a 1, la stessa dell'acqua.
Con riferimento alla combustione, il gas di Brown sfrutta gli atomi e non le molecole e la fiamma che ne scaturisce in caso di combustione riesce a vaporizzare le sostanze che si pongono davanti ad essa perché interagisce con la sostanza dell'oggetto che sta trattando. Pur sviluppando un calore di 130°C, il gas di Brown riesce a vaporizzare il tungsteno che si scioglie a circa 6.000°C, non emette radiazioni nocive e la sua fiamma può essere guardata senza maschere protettive; à ̈ inodore e non nuoce se inalato, non esaurisce l’ossigeno vicino alla fiamma perché proprio da questo deriva. L'ossidrogeno brucia (trasformandosi in vapore acqueo e rilasciando l'energia che sostiene la reazione) quando viene portato alla sua temperatura di autoignizione.
Questo vapore che risiede nella camera periferica 5 viene anche interessato dalle emissioni del laser 11 che, grazie ad un fenomeno di fotolisi, aumenta ulteriormente la produzione di idrogeno e in particolare di gas di Brown.
Il gas misto a vapore subisce poi un riscaldamento grazie ad uno scambio termico con il nucleo 8, che viene riscaldato dall’avvolgimento 7 raggiungendo, per esempio, una temperatura di circa 700-800 °C. Secondo un esempio, questo riscaldamento fornisce un contributo alla creazione di idrogeno e gas di Brown per un effetto di pirolisi. L’espansione gassosa che si crea grazie a tale riscaldamento consente al fluido trattato di raggiungere la zona in cui si trovano le griglie 10.
Le griglie 10 sono preriscaldate ad una temperatura adeguata dal gas di scarico proveniente dal motore e portato all’interno del contenitore 1 mediante il tubo di recupero 15.
La differenza di potenziale (crescente verso la prima uscita 12) applicata alle griglie 10 provoca delle scariche elettriche che causano un’ulteriore separazione dell’idrogeno (elettrolisi, in questo caso) nel fluido trattato. Ad esempio, la differenza di potenziale varia in senso longitudinale da 50 V fino a 4000 V in modo da compensare la minore conduttività del fluido in prossimità della prima uscita 12. Le griglie 10 concorrono anche ad accelerare il gas (HHO e vapore) che le attraversa.
Il fluido trattato raggiunge quindi la prima uscita 12 e accede al secondo stadio 200. Il secondo stadio 200 ha il compito di tenere il gas HHO separato e stoccato. L’ulteriore riscaldatore ad induzione 16 provvede ad innalzare la temperatura del fluido presente nella bocca di ingresso 14, provocando, preferibilmente, pirolisi. Per fotopirolisi all’interno della camera 19, i LED 21 e la lampada a scarica 22 (che emette, per esempio, una luce a potenza di 50W con una temperatura interna di 1200 °C) agiscono sul fluido concorrendo a mantenerlo nella forma di gas di Brown.
Secondo una forma di attuazione preferita, la lampada a scarica 22 emette ad una lunghezza d’onda compresa fra 220 nm e 550 nm, più preferibilmente, tale lampada emette ad una lunghezza d’onda compresa fra 240 nm e 280 nm. I migliori risultati sono stati ottenuti per lunghezze d’onda di emissione pari a circa 260 nm.
I separatori magnetici 23 mantengono l’ossigeno separato dall’idrogeno e il gas di Brown viene arricchito con del vapore ionizzato grazie all’azione del generatore di plasma 25 e del tubo di aspirazione 24. Il generatore di plasma 25 provoca un processo plasmatico in alta tensione (HT) e, per esempio, opera a una frequenza compresa tra 3 Khz e i 19 Khz a polarizzazione negativa da 20000 V. Il gas di Brown così ottenuto costituisce un gassidrico ionizzato idoneo ad essere fornito ad un bruciatore di motore.
La FIG. 3 mostra mediante blocchi funzionali un sistema di generazione di potenza elettrica 300 comprendente l’apparato per la produzione di idrogeno gassoso 400 (REACT) sopra descritto, un motore 500 (M) in grado di produrre una potenza motrice collegato ad un alternatore 600 (ALT). Il motore 500 à ̈ ad esempio del tipo a ciclo Wankel o a turbina con un’energia prodotta, ad esempio da 5 a 30 kW/h.
L’apparato per la produzione di idrogeno gassoso 400 fornisce il combustibile (comburente e carburante) al motore 500 che, facendo uso di un bruciatore, produce in modo evidente al tecnico del settore una forza motrice che trasmessa all’alternatore 600 permette di generare energia elettrica (ad esempio, fino 5 kW/h).
Questo esempio descritto à ̈ idoneo alla generazione di energia in ambito domestico, come, ad esempio, la generazione di corrente elettrica per l’alimentazione della rete domestica e la generazione di calore per il riscaldamento domestico. Ciononostante, l’apparato per la generazione di idrogeno gassoso 400 in accordo con gli insegnamenti dell’invenzione può essere impiegato per motori termodinamici, cogeneratori, turbine, bruciatori o altri utilizzatori.
L’apparato di produzione di idrogeno descritto risulta particolarmente vantaggioso. L’azione combinata della sonolisi, della fotolisi e dell’elettrolisi risulta estremamente efficiente. Inoltre, l’effettuazione dell’elettrolisi sul vapore e non, come avviene tradizionalmente, sull’acqua allo stato liquido apporta una notevole efficienza della produzione di gas di Brown come la Richiedente ha potuto valutare sperimentalmente.
Il mantenimento del gas di Brown in forma separata dall’acqua effettuato nel secondo stadio 200 mediante l’azione combinata di riscaldamento (fotopirolisi), radiazione elettromagnetica e campo magnetico ha mostrato di essere particolarmente vantaggioso.
Si à ̈ rilevato sperimentalmente che dopo diversi giorni dalla sua produzione il gas di Brown ottenuto non si à ̈ ricombinato. Inoltre, la possibilità di aggiungere comburente mediante l’azione del generatore di plasma 25 rende l’apparato di produzione di idrogeno immediatamente utilizzabile (on demand) per l’alimentazione di combustibile ad un motore. Il combustibile ottenibile con l’apparato descritto risulta adatto a motori attualmente in uso.

Claims (10)

  1. Rivendicazioni 1. Apparato (100, 200, 400) per la produzione di idrogeno gassoso, comprendente: un contenitore (1) provvisto di un ingresso (2, 3) per acqua; un generatore di onde acustiche (4) adatto a provocare sonolisi nell’acqua introdotta nel contenitore; una sorgente di radiazione elettromagnetica (11) configurata per provocare fotolisi nell’acqua introdotta nel contenitore; un dispositivo per provocare elettrolisi (9, 10), disposto in successione al generatore di onde acustiche e alla sorgente di radiazione elettromagnetica; un’uscita (26) per idrogeno allo stato gassoso.
  2. 2. Apparato (100) secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente un primo riscaldatore (6) adatto alla vaporizzazione dell’acqua introdotta nel contenitore (1) per fornire corrispondente vapore; detto dispositivo per provocare elettrolisi (9, 10) essendo disposto in modo da provocare elettrolisi su detto vapore.
  3. 3. Apparato (100) secondo la rivendicazione 2, in cui detto primo riscaldatore à ̈ tale da provocare pirolisi, e in cui il generatore di onde acustiche (4), la sorgente di radiazione elettromagnetica, il dispositivo per provocare elettrolisi e il riscaldatore essendo configurati per la produzione a partire da acqua di almeno uno dei seguenti gas oltre all’idrogeno: gas di Brown, vapore acqueo ionizzato.
  4. 4. Apparato (200) secondo almeno una delle precedenti rivendicazioni, inoltre comprendente una camera (19) in cui accogliere un fluido risultante dall’elettrolisi includente idrogeno ed almeno uno fra gas di Brown e vapore acqueo ionizzato; detta camera comprendendo mezzi (16, 21, 20, 22, 23,27) per il mantenimento del gas di Brown e idrogeno in forma separata.
  5. 5. Apparato (200) secondo la rivendicazione 4, i cui detti mezzi per il mantenimento del gas di Brown in forma separata comprendono: un secondo riscaldatore (16) di tipo induttivo; ulteriori sorgenti di radiazione elettromagnetica (21, 22); elementi separatori (20) per incanalare il gas di Brown e avvicinarlo a dette ulteriori sorgenti di radiazione.
  6. 6. Apparato (200) secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detti mezzi per il mantenimento del gas di Brown in forma separata comprendono: almeno un separatore magnetico (23) atto a generare un campo magnetico in detta camera tale da mantenere ossigeno separato da idrogeno e dal gas di Brown.
  7. 7. Apparato (200) secondo almeno una delle precedenti rivendicazioni, in cui: detto generatore di onde acustiche (4) comprende un trasduttore ad ultrasuoni con attuatori piezoelettrici; detta sorgente di radiazione elettromagnetica (11) comprende un dispositivo laser; detto dispositivo per provocare elettrolisi comprende un pluralità di griglie (10) a cui applicare una differenza di potenziale elettrico; detti primo e secondo riscaldatore comprendono una rispettivo avvolgimento ad induzione associato ad un rispettivo nucleo da riscaldare.
  8. 8. Apparato (200) secondo almeno la rivendicazione 4, inoltre comprendente: un condotto (24) di aspirazione di comburente etilico, gassoso o vapore ionizzato; un generatore di plasma (25) operativamente associato al condotto di aspirazione che consente di ionizzare il vapore o il comburente.
  9. 9. Sistema per la generazione di energia comprendente: un apparato (100, 200, 400) per la produzione di idrogeno gassoso; un apparato di utilizzo di detto idrogeno gassoso per la produzione di energia; caratterizzato dal fatto che detto apparato (100, 200, 400) per la produzione di idrogeno gassoso à ̈ realizzato secondo almeno una delle precedenti rivendicazioni.
  10. 10. Sistema secondo la rivendicazione 9, in cui detto apparato di utilizzo comprende almeno uno dei seguenti dispositivi: un motore, una turbina per la generazione di energia motrice, un motore termodinamico, un cogeneratore, un bruciatore.
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