JP2010011732A - エネルギを貯蔵及び供給するためのエネルギ貯蔵システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有利なエネルギ貯蔵システム及びエネルギを貯蔵及び供給するための有利な方法を提供する。
【解決手段】電解槽５と、水素ガス貯蔵部６，２０と、発電所７，３５，３２とが設けられており、電解槽５が水素ガス貯蔵部６，２０に接続されており、水素ガス貯蔵部６，２０が発電所７，２５，３２に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギを貯蔵及び供給するためのエネルギ貯蔵システム及び方法に関する。

再生可能エネルギは、ＣＯ₂の排出を減じかつその他の一次エネルギ源への依存を減じるための今日の選択である。再生可能エネルギは、既存の慣用の発電所の著しい量に置き換わることができる。このエネルギ源の欠点は、所要の電力出力が常に利用可能であるわけではなく、限定された制御性を有するということである。

再生可能エネルギの供給は、エネルギ源自体、及び送電線網の残りの能力の利用可能性にも依存する。ＣＯ₂の排出を減じ、化石燃料から独立するための社会の究極の目標に到達するために、再生可能エネルギの貢献は、最大化される必要がある。これは、変動及び確率論的エネルギ源を取り扱うことが必要であることを意味する。これを達するために、再生可能エネルギ発生の能力過剰が必要であろう。供給におけるアクセスは、適時に切断された使用されるために貯蔵される。供給が需要に適合しない場合、エネルギは、貯蔵分を放出することによって発生されることができる。

電気エネルギを貯蔵するために多くの異なる方法が存在する。電気エネルギは、例えば圧力又は位置エネルギの形式で、物理的に、バッテリに電子化学的に貯蔵されることができる。位置エネルギは、特に、揚水式貯蔵又は圧縮空気エネルギ貯蔵（ＣＡＥＳ）において貯蔵される。

揚水式貯蔵システムは、アクセスエネルギを貯蔵するために使用されることができる。電気エネルギにおけるアクセスは、水をより高い位置における貯蔵部へ揚水するために使用されることができる。水の貯蔵された位置エネルギは、後に、水車における電力発生のために使用されることができる。ＣＡＥＳは、膨張過程において、圧縮空気の圧縮エネルギを利用する。ＣＡＥＳタイプに基づき、圧縮過程における熱的損失を補償するために天然ガスが必要とされる。

水及び圧縮空気は、高い比出力密度を有していないので、このようなシステムのエネルギ容量は、極めて限定されている。

したがって、本発明の第１の目的は有利なエネルギ貯蔵システムを提供することである。本発明の第２の目的は、エネルギを貯蔵及び供給するための有利な方法を提供することである。

第１の目的は、請求項１において請求されたエネルギ貯蔵システムによって解決される。第２の目的は、請求項１２において請求されたエネルギを貯蔵及び供給する方法によって解決される。従属請求項は発明のさらなる発展を規定している。

本発明のエネルギ貯蔵システムは、電解槽、水素ガス貯蔵部、及び発電所を有している。電解槽は水素ガス貯蔵部に接続されている。水素ガス貯蔵部は発電所に接続されている。有利には、電解槽は高圧電解槽である。

本発明によるエネルギ貯蔵システムの場合、公知のエネルギ貯蔵システムの欠点が排除される。特に、低い比エネルギ密度の貯蔵媒体を使用する代わりに、高いエネルギ密度媒体、すなわち水素、及び好適には圧縮水素が使用される。これは、極めてコンパクトな高電力及び大容量貯蔵部のための設計を許容する。本発明によるエネルギ貯蔵システムは、確率論的にかつ不確定的に供給する源にもかかわらず、信頼できるエネルギ供給を提供する。

提案された貯蔵システムの極めて高いエネルギ密度により、貯蔵システムは、全負荷で多くの日数の間作動することができるが、最大需要時間の間、一日ごとのスケジュールで使用されることもできる。

これは、数時間だけ作動することができる揚水式貯蔵装置、又はやはり最大で数時間だけ作動する圧縮空気エネルギ貯蔵システム（ＣＡＥＳ）に対する重要な相違点である。

さらに、本発明は、電気エネルギのための慣用の貯蔵システムのエネルギ容量の１００倍を提供する。概して、貯蔵される必要があるエネルギは、ＧＷｈの１００ｓである。

好適には、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、電解槽及び水素ガス貯蔵部に接続された水素圧縮機を有している。例えば、水素ガス貯蔵部は、地下貯蔵部であることができる。電解槽から送られてくる水素は、水素ガス貯蔵部に貯蔵される前に水素圧縮機によって圧縮されることができる。

さらに、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、水素圧縮機及び／又は発電所及び／又は水処理プラントに接続されることができる熱回収システムを有することができる。熱回収システムは、例えば地下貯蔵部において、貯蔵のために水素をさらに圧縮するために、水素に適用された作業された圧縮の熱を回収するために使用されることができる。水素は、さらに、水素圧縮機によって圧縮されることができ、この水素圧縮機は、圧力が貯蔵の圧力に達するまで、電解槽の後に圧力をさらに上昇させる。

さらに、本発明によるエネルギ貯蔵システムは少なくとも１つの貯蔵室を有することができる。例えば、水素ガス貯蔵部及び／又は貯蔵室は、高圧水素のための地下水素貯蔵部であることができる。

本発明によるエネルギ貯蔵システムは、電解槽に接続されることができる電気エネルギ排出ユニットを含むことができる。さらに、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、発電所に接続されることができる電気エネルギ供給ユニットを含むことができる。本発明によるエネルギ貯蔵システムは、さらに、充填中に電力を取り入れ、放電中に電力を放出するための送電線網接続部を含むことができる。電気エネルギ排出ユニットは、送電線網によって電解槽に接続されることができる。発電所は、送電線網によって電気エネルギ供給ユニットに接続されることができる。

本発明によるエネルギ貯蔵システムは、さらに、電解槽に脱塩水を提供するために電解槽に接続された水処理プラントを含むことができる。さらに、エネルギ貯蔵システムは、電解槽熱回収システムを含むことができる。この電解槽熱回収システムは電解槽から熱を回収することができる。回収された熱は水処理プラント及び／又は発電所において使用されることができる。これは、電解槽熱回収システムが発電所及び／又は水処理プラントに接続されることができることを意味する。

さらに、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、少なくとも１つの付加的なガス貯蔵部を含むことができる。この付加的なガス貯蔵部は、純粋な水素を使用するよりも水素を混合することが好ましい場合に、燃焼の前に水素を混合するための酸素又は天然ガス又はその他のガスのためのガス貯蔵部であることができる。

さらに、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、燃料供給システム及び／又は水素予熱器を含むことができる。水素予熱器は特に、サイクル効率を高めるために水素を燃料供給システム圧力にまで膨張させる前に水素を予熱するために使用されることができる。さらに、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、ガス混合部、特に燃料混合部を含むことができる。ガス混合部は、発電所要求に従って燃料ガス特性を設定するために使用されることができる。本発明のエネルギ貯蔵システムは、さらに、燃料ガス予熱器を含むことができる。燃料ガス予熱器は、ガス混合部の前又は後に配置されることができる。

本発明によるエネルギ貯蔵システムは特に、水素膨張器、又は電気エネルギを生ぜしめる発電機を備えたタービンを含むことができる。膨張器（２５）又はタービンが、例えば予熱器及び／又は制御弁を介して水素ガス貯蔵部に接続されることができる。膨張器又はタービンは更に、制御弁を介してガス混合部又は燃料ガス予熱器に接続されることができる。ガス混合部は、例えば水素を混合するための酸素、天然ガス又はその他のガスのための付加的なガス貯蔵部を含む。

さらに、本発明によるエネルギ貯蔵システムはガス膨張器を含むことができる。ガス膨張器は、サイクル効率を高めるために水素に提供される圧縮エネルギを回収するために使用されることができる。

発電所は、好適にはタービンと発電機との組み合わせを含む。発電所は、特に、化学的エネルギ、例えば水素の電気的エネルギへの再変換のための慣用の発電所を含むことができる。

エネルギ貯蔵システムは、水脱塩プラントに接続された熱回収システムを含むこともできる。水脱塩プラントは好適には電解槽に接続されることができる。これはサイクル効率を高める。なぜならば、熱回収システムは、電解槽に適用された水脱塩プラントのための熱を提供することができるからである。

さらに、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、電力取入れ制御システム及び／又は電力放出制御システムを含むことができる。エネルギ貯蔵装置は、電力の放出及び取入れを制御する制御システムを含むこともできる。本発明によるエネルギ貯蔵装置は、充電及び／又は放電のための制御可能な送電線網インターフェースを含むこともできる。

さらに、エネルギ貯蔵システムは、水素ガス貯蔵部の外側の水素及び／又は酸素を放出するためのインターフェースを含むこともできる。有利には、エネルギ貯蔵システムは、化学過程プラントを含むことができる。化学過程プラントは、電解槽の酸素出口に接続されることができる酸素入口を有することができる。化学過程プラントは、バイオマスから製品まで等の化学過程のために副産物酸素を利用することができる。

概して、本発明によるエネルギ貯蔵システムは、既存の貯蔵解決手段の低いエネルギ密度及び小さな電力容量という固有の問題を解決する。再生可能エネルギに関連した最適化された構成において、エネルギ貯蔵システムは、多くの日数の間、再生可能エネルギの、低電力発電から高電力発電までを網羅するための十分な容量を提供することができる。再生可能エネルギに基づく、完全に持続可能なエネルギ供給が、本発明によるシステムによって実現されることができる。

エネルギを貯蔵及び供給するための本発明による方法は、電気エネルギを電解槽に排出するステップと、電解槽によって水を酸素と水素ガスとに分解するステップと、水素ガスを貯蔵するステップと、貯蔵された水素ガスを発電所に供給するステップと、発電所によって電気エネルギを発生するステップとを含む。

好適には、高圧電解槽が使用されることができる。有利には、脱塩水が電解槽に提供されることができる。さらに、電解槽からの熱が回収されることができる。回収された熱は水処理プラント及び／又は発電所において使用されることができる。

好適には、水素ガスは、貯蔵される前に圧縮されることができる。このことは、比エネルギ密度、ひいては貯蔵容量を増大する。圧縮作業の熱は回収されることができる。水素に提供される圧縮エネルギは特に、ガス膨張器によって回収されることができる。

水素は、発電所に供給される前に、予熱及び／又は膨張させられることができる。好適には、発電所は、タービン及び発電機を有することができる。さらに、発電所からの熱は回収されることができる。発電所からの熱は、特に、電解槽に適用されることができる水脱塩プラントに伝導されることができる。さらに、水素は天然ガス及び／又は希釈剤と混合されることができる。

さらに、電解槽からの酸素は、化学過程プラントに送られることができる。化学過程プラントは、例えば、バイオマスから製品等の化学過程のために副産物酸素を利用することができる。

概して、本発明による方法は、本発明によるエネルギ貯蔵システムが有するような利点を有する。

本発明は、極めて大きなエネルギ量を貯蔵することができる大規模エネルギ貯蔵システムを提供する。既存の貯蔵システムと比較して、量は、ファクタ１０〜１００だけ大きい。再生可能エネルギ源、例えば大型風力発電所は、十分な容量及び電力出力を提供することができ、２つのシステムは、高い利用可能性及び実行可能性を備えた慣用の発電所のように送電線網オペレータに現れるであろう。

大型エネルギ貯蔵システムは、発生管理が適用される必要がある時に発生するような低い要求の場合に再生可能エネルギ発生を拒絶又は遮断することを回避するであろう。高圧電解槽の導入は、使用しないシステムとは対照的にシステム効率及び電力密度を著しく高める。さらに、高圧水素圧縮機、高圧水素膨張器及び燃料ガス予熱における熱回収ループは、貯蔵効率を高める。

本発明の別の特徴、特性及び利点は、添付の図面に関連した実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。前記特徴は、それ自体でも、互いに組み合わせても有利である。

本発明によるエネルギ貯蔵システムを概略的に示している。 本発明によるエネルギ貯蔵システムのより詳細な実施形態を概略的に示している。

本発明の第１の実施形態がここで図１を参照に説明される。図１は、本発明によるエネルギ貯蔵システム１を概略的に示しており、このエネルギ貯蔵システムは、高圧電解槽５と、水素ガス貯蔵部６と、発電所７と、送電線網接続部４，８とを有している。電気エネルギ排出ユニット２から送られてくる電気エネルギ、例えば再生可能エネルギは、送電線網４によって高圧電解槽５に排出される。高圧電解槽５において、水素が電解質によって水から分離される。次いで、水素は水素ガス貯蔵部６に貯蔵される。必要な場合には、貯蔵された水素が発電所７に供給される。次いで、発電所７によって発生された電気エネルギが送電線網８に供給される。

ここで本発明の第２の実施形態が図２を参照して説明される。図２は、本発明による貯蔵システム１の詳細な実施形態のための例を概略的に示している。

図２は、送電線網４によって電気エネルギが排出される高圧電解槽５を示している。水脱塩プラント１５から水１３が、高圧電解槽５に案内される。高圧電解槽５において水は酸素１２と水素１４とに分解される。高圧電解槽５はさらに電解槽熱回収システム９に接続されている。電解槽熱回収システム９によって回収された熱は、例えば水処理プラント１０及び／又は発電所１１のために使用されることができる。水処理プラント１０は特に、高圧電解槽５のための水１３を脱塩する脱塩プラント１５の一部であることができる。高圧電解槽５からの分離された水素は水素圧縮機１６へ案内される。水素圧縮機１６はモータ１７によって駆動されることができる。

次いで、圧縮された水素は熱交換器１８へ案内され、この熱交換器において冷却される。圧縮及び冷却された水素は次いで水素貯蔵部２０へ案内される。熱交換器１８と水素貯蔵部２０との間には制御弁２１が配置されている。熱交換器１８からの熱は、例えば、蓄熱部に貯蔵されるか又は例えば脱塩プラント、例えば脱塩プラント１５において使用されることができる。熱交換器１８から除去される熱の流れが、矢印１９によって示されている。

水素貯蔵部２０に貯蔵された水素が必要な場合、水素は制御弁２１を介して予熱器２２へ案内されることができ、水素はこの予熱器において予熱される。予熱器２２において水素を予熱するために必要とされる熱エネルギは、蓄熱器から取り出されることができる。このことは矢印２３によって示されている。択一的に又は付加的に、所要の熱は発電所３２から排出されることができる。これは矢印３３及び２４によって示されている。

次いで、予熱された水素は水素膨張器２５へ案内され、この水素膨張器はタービンであることができる。水素膨張器２５又はタービンは発電機２６を作動させ、この発電機が電気エネルギを発生する。次いで、発電機２６によって発生された電気エネルギは送電線網２７へ供給される。

次いで、水素膨張器２５によって膨張させられた水素は、燃料ガス予熱器２８へ案内される。燃料ガス予熱器２８に到達する前に、水素は、天然ガス及び／又は希釈剤と混合されることができる。この目的のために、付加的なガス貯蔵部３０が、水素膨張器２５と燃料ガス予熱器２８との間の管に、制御弁２９を介して接続されている。付加的なガス貯蔵部３０は、純粋な水素を使用するよりも天然ガス又はその他のガスと混合することが好ましい場合、燃焼の前に水素を混合するための天然ガス又はその他のガスのためのガス貯蔵部であることができる。付加的な貯蔵部３０は外部供給源によって排出されることができる。これは矢印３１によって示されている。

燃料ガス予熱器２８によって予熱された、水素、又は天然ガス及び／又は希釈剤との水素の混合物は、次いで、発電所３２へ案内される。発電所３２において、電気エネルギが発生される。発電所は、最も高い効率のために、単純サイクル発電所（廃熱利用を備えない）又は複合サイクル発電所（トッピングサイクル、例えば蒸気サイクルにおける廃熱利用を備える）であることができる。発生された電気エネルギは送電線網８に供給される。発電所３２からの廃熱は、予熱器２２及び／又は燃料ガス予熱器２８のために使用されることができる。これは矢印３３，２４及び３４によって示されている。さらに、発電所からの熱は脱塩プラント１５において使用されることができる。これは矢印３６によって示されている。燃焼過程の間に発生された水は、排出流から抜き取られ、貯蔵システムの水の消費を低減するために脱塩プラント１５へ供給されることができる。矢印３５は、発電所３２から脱塩プラント１５への水の流れを示している。

高圧水素圧縮機１６、高圧水素膨張器２５及び燃料ガス予熱器２８における熱回収ループは、貯蔵の効率を高める。概して、上述のエネルギ貯蔵システム、及び前記エネルギ貯蔵システムによって行われることができる、エネルギを貯蔵及び供給するための本発明による方法は、極めて大きなエネルギ量を貯蔵することができる大規模エネルギ貯蔵を提供する。

１ エネルギ貯蔵システム、 ２ エネルギ排出ユニット、 ４ 送電線網、 ５ 高圧電解槽、 ６ 水素ガス貯蔵部、 ７ 発電所、 ８ 送電線網、 ９ 電解槽熱回収システム、 １０ 水処理プラント、 １１ 発電所、 １２ 酸素、 １３ 水、 １４ 水素、 １５ 脱塩プラント、 １６ 水素圧縮機、 １７ モータ、 １８ 熱交換器、 ２０ 水素貯蔵部、 ２１ 制御弁、 ２２ 予熱器、 ２５ 水素膨張器、 ２６ 発電機、 ２７ グリッド、 ２８ 燃料ガス予熱器、 ２９ 制御弁、 ３０ ガス貯蔵部、 ３２ 発電所

Claims (17)

1. エネルギ貯蔵システム（１）において、
   電解槽（５）と、水素ガス貯蔵部（６，２０）と、発電所（７，３５，３２）とが設けられており、電解槽（５）が水素ガス貯蔵部（６，２０）に接続されており、水素ガス貯蔵部（６，２０）が発電所（７，２５，３２）に接続されていることを特徴とする、エネルギ貯蔵システム。
2. 前記電解槽（５）が高圧電解槽である、請求項１記載のエネルギ貯蔵システム。
3. 前記発電所（７，２５，３２）がタービンと発電機との組合せを含む、請求項１又は２記載のエネルギ貯蔵システム。
4. 前記電解槽（５）と前記水素ガス貯蔵部（６，２０）とに接続された水素圧縮機（１６）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のエネルギ貯蔵システム。
5. 電力取入れ制御システム及び／又は電力放出制御システムが設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のエネルギ貯蔵システム。
6. ガス混合部が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載のエネルギ貯蔵システム。
7. 燃料ガス予熱器（２８）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のエネルギ貯蔵システム。
8. 水素膨張器（２５）又は電気エネルギを発生する発電機（２６）を備えたタービンが設けられており、前記膨張器（２５）又はタービンが、予熱器（２２）及び／又は制御弁（２１）を介して水素ガス貯蔵部（６，２０）に接続されている、請求項７記載のエネルギ貯蔵システム。
9. 膨張器（２５）又はタービンがさらに制御弁（２９）を介してガス混合部又は燃料ガス予熱器（２８）に接続されている、請求項８記載のエネルギ貯蔵システム。
10. ガス混合部が付加的なガス貯蔵部（３０）を含む、請求項９記載のエネルギ貯蔵システム。
11. 前記水素圧縮機（１６）及び／又は発電所（７，１１，２５，３２）及び／又は水処理プラント（１０，１５）に接続された熱回収システム（９，１８）が設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のエネルギ貯蔵システム。
12. エネルギを貯蔵及び供給する方法において、
    電気エネルギを電解槽（５）に排出するステップと、
    電解槽（５）によって水を酸素及び水素ガスに分解するステップと、
    水素ガスを貯蔵するステップと、
    貯蔵された水素ガスを発電所（７，２５，３２）に供給するステップと、
    発電所（７，２５，３２）によって電気エネルギを発生するステップとを含むことを特徴とする、エネルギを貯蔵及び供給する方法。
13. 水素ガスが貯蔵される前に該水素ガスが圧縮される、請求項１２記載の方法。
14. 発電所（７，２５，３２）からの熱が回収される、請求項１２又は１３記載の方法。
15. 水素が発電所（７，２５，３２）に供給される前に前記水素が予熱及び／又は膨張される、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 圧縮作業の熱及び／又は電解槽（５）からの熱が回収される、請求項１２から１５までのいずれか１項記載の方法。
17. 水素が天然ガス及び／又は希釈剤と混合される、請求項１２から１６までのいずれか１項記載の方法。

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