ITMI20092260A1 - Apparato e metodo per produrre energia elettrica tramite sistemi mcfc con autocattura di co2 - Google Patents

Apparato e metodo per produrre energia elettrica tramite sistemi mcfc con autocattura di co2 Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“APPARATO E METODO PER PRODURRE ENERGIA ELETTRICA TRAMITE SISTEMI MCFC CON AUTOCATTURA DI CO2”
La presente invenzione è relativa a un apparato e un metodo per produrre energia elettrica tramite sistemi MCFC con autocattura di CO2.
È noto che le celle a combustibile a carbonati fusi (MCFC) si possono usare per concentrare il biossido di carbonio (CO2), sfruttando la proprietà di queste celle di trasferire tale sostanza dal lato catodico a quello anodico.
Nelle comuni applicazioni in cui le celle MCFC sono usate a scopo di concentrazione di CO2, il biossido di carbonio per la reazione catodica proviene da una sorgente esterna, per esempio da fumi di combustione di processi industriali; il biossido di carbonio presente nell’esausto anodico viene quindi avviato al sequestro mediante apposita apparecchiatura.
La cattura di CO2 dopo il trasferimento nell’esausto anodico di un sistema MCFC è molto facilitata, rispetto per esempio alla medesima operazione condotta direttamente su fumi di combustione, sia per il livello di concentrazione elevato, sia per le caratteristiche dei gas con cui è miscelata (principalmente H2 e H2O).
D’altra parte, l’applicazione principale delle celle MCFC fin qui perseguita è quella in sistemi di generazione distribuita, vale a dire come generatori di energia elettrica. In questa applicazione standard, il biossido di carbonio per la reazione catodica è quello prodotto dalla reazione anodica: gli esausti anodici vengono inviati in ingresso catodo, normalmente previo passaggio in un bruciatore catalitico. Il biossido di carbonio prodotto dall’ossidazione del carbonio presente nel combustibile primario è quindi scaricato in atmosfera insieme all’ossidante esaurito in uscita dal catodo.
Perciò nelle celle MCFC impiegate come generatori distribuiti realizzati in conformità allo stato dell’arte non viene sfruttata la capacità di tale tipo di celle di concentrare CO2.
È uno scopo della presente invenzione quello di fornire un apparato e un metodo per produrre energia elettrica tramite sistemi MCFC che, rispetto alle tecniche note, consentano non solo una efficiente produzione di energia elettrica, ma al contempo un efficiente concentrazione e recupero di CO2.
La presente invenzione è dunque relativa a un apparato e un metodo per produrre energia elettrica tramite sistemi MCFC come definiti in termini essenziali nelle annesse rivendicazioni 1 e, rispettivamente, 15, nonché, per i caratteri addizionali preferiti, nelle rivendicazioni dipendenti.
In accordo all’invenzione, le celle MCFC sono opportunamente disposte e collegate in modo tale da realizzare un sistema MCFC pluristack che ottiene un esausto anodico con forte concentrazione di CO2, facilitandone la successiva cattura, senza pregiudicare gli alti rendimenti elettrici.
L’invenzione è descritta in dettaglio nel seguente esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alla figura annessa che mostra schematicamente un apparato per produrre energia elettrica tramite sistemi MCFC in accordo all’invenzione.
Nella figura annessa, è indicato nel suo complesso con 1 un apparato per produrre energia elettrica tramite celle MCFC con autocattura di CO2.
L’apparato 1 comprende una prima unità 10 MCFC, una seconda unità 20 MCFC e un sistema di collegamento 30 fluidico che collega le unità 10, 20 una all’altra.
La prima unità 10 comprende una pluralità di prime celle 11 MCFC organizzate in blocchi 12, ciascuno dei quali comprende almeno una cella 11 o, più vantaggiosamente, una batteria (stack) di celle 11 MCFC (rappresentate in figura come una singola cella per semplicità).
Ciascuna cella 11 della prima unità 10 presenta un comparto anodico 13, avente un ingresso anodico 14 e una uscita anodica 15, e un comparto catodico 16, avente un ingresso catodico 17 e una uscita catodica 18. In ogni blocco 12 della prima unità 10 le celle 11 sono associate ad un reformer 31 e ad un bruciatore 32 catalitico. Resta inteso che più celle 11 di un blocco 12 possono essere collegate a un reformer 31 e/o a un bruciatore 32 comune. Il reformer 31 può essere eliminato nel caso l’alimentazione anodica alle celle 11 dell’unità 10 provenga da un gassificatore.
La seconda unità 20 comprende almeno una seconda cella 21 MCFC o, preferibilmente, una batteria (stack) di celle 21 MCFC (rappresentate in figura come una singola cella per semplicità); anche ciascuna cella 21 presenta un comparto anodico 23, avente un ingresso anodico 24 e una uscita anodica 25, e un comparto catodico 26, avente un ingresso catodico 27 e una uscita catodica 28.
Nell’esempio mostrato in figura, le celle 21 formano un blocco 22 che comprende anche uno o più reformer 33 associati ai comparti anodici 23, almeno un bruciatore 34 catalitico e almeno un dispositivo 35 di separazione di CO2. Il reformer 33 può essere eliminato quando l’alimentazione anodica alle celle 21 dell’unità 20 proviene da un gassificatore.
Le celle 11, 21, i reformer 31, 33, i bruciatori 32, 34 e il dispositivo 35 di separazione di CO2 sono di tipo noto e non sono pertanto descritti in dettaglio per semplicità.
Il sistema di collegamento 30 comprende: una o più linee di alimentazione ossidante 36 che alimentano i comparti catodici 16 delle celle 11 della prima unità 10 con gas ossidante (per esempio, aria); una o più linee di alimentazione combustibile 37 che alimentano i comparti anodici 13, 23 delle celle 11, 21 con gas combustibile (per esempio, gas naturale); e una linea catodica 38 che collega i comparti catodici 16 delle celle 11 della prima unità 10 con i comparti catodici 26 delle celle 21 della seconda unità 20.
In maggior dettaglio, gli ingressi catodici 17 delle celle 11 della prima unità 10 sono collegati alla linea di alimentazione ossidante 36 (opportunamente ramificata, oppure costituita da una pluralità di linee indipendenti); le uscite catodiche 18 delle celle 11 sono collegate in parallelo alla linea catodica 38, che presenta una pluralità di rami 39 collegati a rispettive uscite catodiche 18 delle celle 11 e confluenti in un ramo di alimentazione 40 che è collegato agli ingressi catodici 27 delle celle 21 della seconda unità 20.
Le uscite catodiche 18 delle celle 11 della prima unità 10 sono quindi collegate in parallelo dalla linea catodica 38, che alimenta poi in serie rispetto ai comparti catodici 16 della prima unità 10 i comparti catodici 26 della seconda unità 20.
Le uscite catodiche 18 delle celle 11 della prima unità 10 sono anche collegate, tramite linee ausiliarie 41, ai bruciatori 32.
Gli ingressi anodici 14 delle celle 11 della prima unità 10 sono collegati alla linea di alimentazione combustibile 37 o a rispettive linee di alimentazione combustibile 37, lungo cui sono disposti i reformer 31; le uscite anodiche 15 sono collegate ai bruciatori 32.
In ciascun blocco 12 della prima unità 10, i bruciatori 32 sono alimentati, oltre che con gas anodici uscenti dai comparti anodici 13 delle celle 11, con porzioni di gas catodici provenienti dai comparti catodici 16 delle stesse celle 11. I bruciatori 32 hanno uscite collegate, tramite linee di ricircolo 42, con le linee di alimentazione ossidante 36. I comparti catodici 16 sono quindi alimentati, oltre che con gas ossidante proveniente dall’esterno, anche con gas (fumi) di combustione prodotti nei bruciatori 32. Il calore generato nei bruciatori 32 è vantaggiosamente impiegato per sostenere le reazioni di riforma nei reformer 31.
Nella seconda unità 20, gli ingressi anodici 24 delle celle 21 sono collegati a una linea di alimentazione combustibile 37, lungo cui sono disposti i reformer 33. Secondo una variante, invece, anche gli ingressi anodici 24 delle celle 21 sono collegati all’uscita di uno o più reformer 31 che alimentano i comparti anodici 13 delle celle 11 della prima unità 10 (e quindi i reformer 33 sono sostituiti dai reformer 31).
le uscite anodiche 25 sono collegate al dispositivo 35 di separazione di CO2 che separa un flusso di CO2 dai gas anodici, i quali sono poi inviati al bruciatore 34. Gli ingressi catodici 27 delle celle 21 sono collegati alla linea catodica 38 e precisamente al ramo di alimentazione 40, e le uscite catodiche 28 sono collegate, tramite una linea di scarico 43, al bruciatore 34.
Il bruciatore 34 è alimentato con gas catodico uscente dai comparti catodici 26 delle celle 21 e con gas anodico proveniente dai comparti anodici 23 delle stesse celle 21, che è transitato nel dispositivo 35 di separazione di CO2. Il bruciatore 34 ha una uscita collegata, tramite una linea di ricircolo 42, con la linea catodica 38, precisamente con il ramo di alimentazione 40, a monte degli ingressi catodici 27, in modo da ricircolare i gas (fumi) di combustione prodotti nel bruciatore 34 ai comparti catodici 26, i quali sono quindi alimentati, oltre che con gas catodico proveniente dalle celle 11 della prima unità 10, anche con gas prodotti nel bruciatore 34. Anche qui, il calore generato nel bruciatore 34 è vantaggiosamente impiegato per sostenere le reazioni di riforma nei reformer 33.
Il funzionamento dell’apparato 1 in attuazione del metodo dell’invenzione è il seguente.
Le celle 11 della prima unità 10, operanti principalmente come generatori di energia, sono alimentati con gas combustibile e con gas ossidante: in particolare il gas combustibile è soggetto a reazione di riforma nei reformer 31 e quindi alimenta i comparti anodici 13; il gas ossidante alimenta i comparti catodici 16.
Il gas catodico uscente dai comparti catodici 16 delle celle 11 è inviato, tramite la linea catodica 38, ad alimentare i comparti catodici 26 delle celle 21 della seconda unità 20; una parte del gas catodico è spillata e impiegata nei bruciatori 32 e quindi ricircolata ai comparti catodici 16.
In sostanza, il gas catodico (contenente CO2) delle celle 11 della prima unità 10, anziché essere scaricato in atmosfera, è convogliato all’ingresso dei comparti catodici 26 delle celle 21 della seconda unità 20, in sostituzione dell’aria. Ciò consente una concentrazione della CO2 nei gas anodici uscenti dalle celle 21 della seconda unità 20, che poi possono essere agevolmente trattati per la cattura finale.
I comparti catodici 26 delle celle 21 della seconda unità 20 sono alimentati essenzialmente con gas catodico delle celle 11; preferibilmente, ma non necessariamente, i comparti catodici 26 sono alimentati solamente con gas catodico dalle celle 11 e opzionalmente con fumi di ricircolo provenienti dal bruciatore 34. Opzionalmente sono comunque possibili anche aggiunte d’aria nell’alimentazione dei comparti catodici 26.
Secondo una variante non illustrata, la seconda unità 20, anziché essere provvista di un bruciatore 34 dedicato, è invece collegata ad almeno un bruciatore 32 della prima unità 10. Il dispositivo 35 di separazione di CO2 della seconda unità 20 ha in questo caso un’uscita collegata all’ingresso di uno o più bruciatori 32 della prima unità 10.
È chiaro che l’apparato 1 sopra descritto può includere tanto celle MCFC operanti a pressione atmosferica, quanto celle MCFC pressurizzate. Nel caso di celle tutte in pressione, vantaggiosamente tutte le celle sono racchiuse in un unico involucro, in modo tale da costituire un’unica “macchina” compatta che persegua al proprio interno la generazione di energia e la concentrazione di CO2.
Resta comunque inteso che l’apparato 1 può comprendere anche celle e/o batterie di celle in pressione combinate con celle e/o batterie di celle operanti a pressione atmosferica.
Resta infine inteso che all’apparato e al metodo qui descritti ed illustrati possono essere apportate ulteriori modifiche e varianti che non escono dall’ambito delle annesse rivendicazioni.

Claims (20)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato (1) per produrre energia elettrica tramite sistemi MCFC, comprendente una prima unità (10) MCFC formata da prime celle (11) MCFC, aventi rispettivi comparti anodici (13) e comparti catodici (16); una seconda unità (20) MCFC formata da seconde celle (21) MCFC, aventi rispettivi comparti anodici (23) e comparti catodici (26); e un sistema di collegamento (30) che collega le celle (11, 21); l’apparato essendo caratterizzato dal fatto che il sistema di collegamento (30) collega i comparti catodici (16) delle prime celle (11) in parallelo tra loro, e in serie rispetto ai comparti catodici (26) delle seconde celle (21), in modo tale che il gas catodico uscente dalle prime celle (11) vada ad alimentare i comparti catodici (26) delle seconde celle (21).
  2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, in cui la prima unità (10) comprende una pluralità di blocchi (12) di prime celle (11), ciascuno dei quali comprende almeno una prima cella (11) MCFC o una batteria di prime celle (11) MCFC; i comparti catodici (16) delle prime celle (11) avendo uscite catodiche (18) collegate in parallelo da una linea catodica (38) ramificata.
  3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 2, in cui la prima unità (10) contiene prime celle (11) provviste di reformer (31).
  4. 4. Apparato secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui, per ciascun blocco (12) di prime celle (11), un reformer (31) comune per tutto il blocco (12) concorre all’alimentazione dei comparti anodici (13) delle prime celle (11) del blocco (12).
  5. 5. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui in ogni blocco (12) della prima unità (10) ogni cella (11) è collegata ad un bruciatore (32) catalitico alimentato con gas anodici uscenti dai comparti anodici (13) delle prime celle (11).
  6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 5, in cui le prime celle (11) hanno uscite catodiche (18) collegate, tramite linee ausiliarie (41), a un bruciatore (32) catalitico, il quale è alimentato, oltre che con gas anodici uscenti dai comparti anodici (13) delle prime celle (11), con porzioni di gas catodici provenienti dai comparti catodici (16) delle prime celle (11).
  7. 7. Apparato secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui i bruciatori (32) hanno uscite collegate, tramite linee di ricircolo (42), agli ingressi catodici (17) delle prime celle (11).
  8. 8. Apparato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la seconda unità (20) comprende almeno un dispositivo (35) di separazione di CO2.
  9. 9. Apparato secondo la rivendicazione 8, in cui le seconde celle (21) hanno comparti anodici (23) associati ad un secondo reformer (33) comune o a rispettivi secondi reformer (33).
  10. 10. Apparato secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui la seconda unità (20) comprende almeno un secondo bruciatore (34) catalitico, o è collegata ad almeno un primo bruciatore (32) catalitico della prima unità (10).
  11. 11. Apparato secondo la rivendicazione 10, in cui nella seconda unità (20) le seconde celle (21) hanno uscite anodiche (25) collegate al dispositivo (35) di separazione di CO2, che separa un flusso di CO2 dai gas anodici.
  12. 12. Apparato secondo la rivendicazione 10 o 11, in cui la seconda unità (20) ha almeno un secondo bruciatore (34) il quale è alimentato con gas catodico uscente dai comparti catodici (26) delle seconde celle (21) e con gas anodico proveniente dai comparti anodici (23) delle seconde celle (21) e che è transitato nel dispositivo (35) di separazione di CO2; e il secondo bruciatore (34) ha una uscita collegata, tramite una linea di ricircolo (42), con gli ingressi catodici (27) delle seconde celle (21), in modo da ricircolare i gas prodotti nel secondo bruciatore (34) ai comparti catodici (26) della seconda unità (20).
  13. 13. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 8 a 12, in cui il dispositivo (35) di separazione di CO2 della seconda unità (20) ha un’uscita collegata all’ingresso di uno o più bruciatori (32) catalitici della prima unità (10).
  14. 14. Apparato secondo una delle rivendicazioni da 8 a 13, in cui anche gli ingressi anodici (24) dei comparti anodici (23) delle celle (21) della seconda unità (20) sono collegati all’uscita di un reformer (31) che alimenta i comparti anodici (13) delle celle (11) della prima unità (10).
  15. 15. Metodo per produrre energia elettrica tramite pile MCFC, comprendente le fasi di: - predisporre una prima unità (10) MCFC formata da prime celle (11) MCFC, aventi rispettivi comparti anodici (13) e comparti catodici (16), e una seconda unità (20) MCFC formata da seconde celle (21) MCFC, aventi rispettivi comparti anodici (23) e comparti catodici (26); - alimentare i comparti anodici (13) delle prime celle (11) con gas combustibile e i comparti catodici (16) delle prime celle (11) con gas ossidante; - alimentare i comparti anodici (23) delle seconde celle (21) con gas combustibile e usare il gas catodico uscente dai comparti catodici (16) delle prime celle (10) della prima unità (10) per alimentare i comparti catodici (26) delle seconde celle (21) della seconda unità (20).
  16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 15, comprendente una fase di riforma del gas combustibile alimentato ai comparti anodici (13) della prima unità (10) e/o ai comparti anodici (23) della seconda unità (20).
  17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 15 o 16, comprendente una fase di alimentare almeno un bruciatore (32) catalitico con gas anodici uscenti dai comparti anodici (13) delle prime celle (11) e con porzioni di gas catodici provenienti dai comparti catodici (16) delle prime celle (11).
  18. 18. Metodo secondo la rivendicazione 17, comprendente una fase di ricircolare agli ingressi catodici (17) delle prime celle (11) gas prodotti nel bruciatore (32).
  19. 19. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 15 a 18, comprendente una fase di separare CO2 da gas anodici uscenti dalle seconde celle (21).
  20. 20. Metodo secondo la rivendicazione 19, comprendente una fase di alimentare a un secondo bruciatore (34) catalitico gas catodico uscente dai comparti catodici (26) delle seconde celle (21) della seconda unità (20) e gas anodico proveniente dai comparti anodici (23) delle seconde celle (21), che è transitato in un dispositivo (35) di separazione di CO2 per separarne CO2; e ricircolare agli ingressi catodici (27) delle seconde celle (21) i gas prodotti nel secondo bruciatore (34).
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