JP2022042010A - 統合電力生産および貯蔵システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素及び酸素の生産並びに使用及び貯蔵における製造設備又は生産設備に統合される複合サイクル発電プラントを提供する。【解決手段】発電プラントは、送電網電力システムに電力を出力し、水素を生産する水素生成システム１０６と、生産された水素を燃焼させてタービン軸を回転させるために使用されるガス流を生成するガスタービンエンジン１１４及びガスタービンエンジンのガス流で蒸気を生成させて蒸気タービン１１８を回転させる熱回収蒸気生成器１１６を含むガスタービン複合サイクル発電プラント１０４と、生産された水素を貯蔵する貯蔵システム１１０と、送電網電力システムが余剰エネルギーを有するときに水素生成システムを運転すること並びに水素生成システム及びガスタービン複合サイクル発電プラントのうちの少なくとも１つを使用して送電網電力システム上の能動負荷及び無効負荷をバランスさせることを行うコントローラとを含む。【選択図】図１Ｂ

Description

本明細書は、一般に、しかし非限定的に、電力を生成するために使用される複合サイクル発電プラントに関する。より詳細には、しかし非限定的に、本出願は、製造設備または生産設備に統合され得る複合サイクル発電プラントにおける水素および酸素の生産、使用および貯蔵に関する。

送電網は、再生可能エネルギー源と、化石燃料を燃焼させる発電プラントなどの伝統的な発電プラントとを含む電力生産機の総計のエネルギー供給を用いて消費者の総計のエネルギー需要をバランスさせるための機構である。

再生可能エネルギー源は、燃焼またはＣＯ２の放出を含まないエネルギーの資源を含むことができる。典型的な再生可能エネルギー源は、水力発電、太陽光および風力を含む。太陽光および風力は、特に、間欠的で予測不可能である。

発電プラントは、化石燃料または様々な資源から導出される水素などの燃料を使用して需要に対応して発電するための手段を含むことができる。化石燃料は、石炭、天然ガス、または燃料油を含むことができる。典型的な発電プラントは、ガスタービンおよび発電機を含み、しばしば、複合サイクル構成の蒸気タービンを含む。ガスタービンおよび蒸気タービンは、燃料の燃焼および関連する蒸気生成プロセスから変換された力学的エネルギーから電力を生成することができる。

電気の消費者は、任意の電力のユーザを含む。消費者は、家庭の消費者、商業の消費者、または産業の消費者であり得る。消費者は、種々の方法でエネルギーを使用することができ、それにより、送電網上に多様な要求を出す。

皮相電力、実電力および無効電力

電気回路は、種々のタイプの電力生産機または「発電機」および電力消費者または「負荷」から成る。発電機は、負荷に流れる電力を生産し、その後、発電機に戻って回路を完成する。能動負荷は、磁場を生成せずに電力を完全に他の形態のエネルギーに変換する純抵抗負荷であり、例としてヒータおよび白熱電球がある。無効負荷は、電力を、誘導モータにおけるような回転機械力またはスピーカーにおけるような音など、他の形態のエネルギーに変換するために磁場を生成する負荷である。無効負荷が電気回路の中に存在するとき、負荷によって消費される電力（「実電力」）より多くの電力が発電機によって負荷に供給されるように見え（「皮相電力」）、磁場を生成する必要性に起因して、位相整列として知られる電圧と電流との間の整列における差が存在する。ＡＣ回路において、皮相電力（Ｓ）は、電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）との積であり、式（Ｓ＝ＶＩ）で与えられる。電圧と電流との間の位相整列の量は角度（Φ）で表され、マイナス（－）９０度～プラス（＋）９０度の範囲を有する。位相角Φ＝ゼロは、電圧および電流が完全位相整列にあることを表し、Ｓ＝ＶＩは、皮相電力ばかりでなく実電力（Ｐ）も表し、Ｓ＝Ｐ＝ＶＩである。これは、完全な能動負荷を含みかつ無効負荷を含まない回路に対応する。無効負荷が存在する回路では、電圧および電流は、磁場を生成する必要性に起因して位相がずれており、負荷によって消費されるより多くの電力が発電機によって供給されるように見え、Φは電圧と電流との間の整列の量または位相角を表し、実電力は式Ｐ＝ＶＩｃｏｓ（Φ）で与えられる。皮相電力と実電力との間の差は関係式Ｓ＝（Ｐ^２＋Ｑ^２）^１／２で与えられ、Ｑは「無効電力」として定義される。その結果、無効電力は、回路内で生じた皮相電力と実電力との間の差であり、無効電力は関係式Ｑ＝ＶＩｓｉｎ（Φ）で与えられ、Ｖｏｌｔ－Ａｍｐ－ＲｅａｃｔｉｖｅまたはＶＡＲとして知られる単位で測定される。無効電力は、磁場を生成する電圧（「励起電圧」）を上げるかまたは下げることによって、またはシステム全体のＶＡＲフローを管理するために無効負荷をオンもしくはオフにするなど、回路内の無効負荷の量を管理することによって、発電機内に生成され得る。有効電力と無効電力の両方のフローのバランスの管理に失敗することは、電力システム内に電圧と周波数の両方における変動をもたらして、電気機器を損傷することにつながる可能性がある。

インバータは、直流の電力を交流の電力に変換する電気デバイスである。

整流器は、交流の電力を直流の電力に変換する電気デバイスである。

上述のように、様々な要因が、送電網の安定性に多大の影響を及ぼす可能性がある。具体的には、（１）大規模な産業の消費者が大量の電力の使用を開始（または、停止）するとき、または（２） ａ）朝および夕方などのピーク期間に対する夜間および真昼などのオフピーク期間、ｂ）夏の冷却負荷、冬の加熱負荷および春および秋に対する比較的低い需要などの需要における季節的変動の間に、家庭の消費者および／または商業の消費者による電力需要に大きな変動があるとき、または（３）昼光の昇り降りに伴う照明、および冬季の間の温度変化につれて生じる、開始もしくは停止される電気ヒータのように、大量の能動負荷が開始もしくは停止されるなど、負荷のタイプが一システム上で変化するとき、または（４） ａ）気象系が変化する場合の短期間において、もしくはｂ）春夏秋冬の遷移につれて生じる季節ベースにおいて、ローカルな規模と地域および全国の規模の両方における気象パターンの変化に伴う風力、太陽光、核燃料もしくは化石の燃料など、利用可能な発電のタイプが変化するとき、または５）消費者が電力を使用するやり方が、システムの電圧および周波数に加えて有効電力および無効電力の利用可能性に影響を及ぼす可能性がある。たとえば、一消費者が複数の大きい誘導モータを使用することは、大量の無効電力を必要とすることをもたらし、それが、事実上、他の消費者によって使用されるべき実電力の利用可能性を低減させるか、または電気部品およびデバイスへの損傷を回避するために調整を必要とする送電網の電圧および周波数に影響を及ぼす可能性がある。そのような需要は、皮相電力、実電力および無効電力（以後、送電網内の他のそのような同様の変化とともに、「有効および無効電力変化」と総称される）に対する前述の変化のすべてに対してバランスされる必要がある。

前述の有効および無効電力変化に従って、送電網は、有効電力、無効電力、システム電圧および周波数の供給と需要との間のバランスを維持するように反応しなければならない。送電網が現在反応する方法は、発電プラントと再生可能源の両方からの電力の少なくともいくらかの供給者に、供給されるワットの量に関する実電力のそれらの出力を増加もしくは低減させてバランスを維持すること、およびそれらの動作の性質を変更して消費もしくは供給されるＶＡＲに関して無効電力を供給もしくは消費することによって無効電力をバランスさせることを行わせることである。有効電力、無効電力、システム電圧および周波数に対するこれらの様々な供給および需要は、一般的に、互いに分離して動作しており、送電網管理者だけが有効および無効電力変化を管理する。そのような外部管理は複雑であり、起動し、停止し、出力レベルを変更する電力生産機の多くの事例を必要とする場合があり、それは、システム全体に非効率性をもたらす。

米国特許第５，２６６，０２４号

本発明者らは、とりわけ、発電プラントにおいて解決されるべき問題には、特に消費者が電力需要を変化させ、電力生産機が需要の変化に反応しようとするときの、非効率的な電力の生産、使用および貯蔵が含まれ得ることを認識した。

本発明者らは、理想的には、送電網はできるだけ多くの再生可能エネルギーを消費することが望ましいことを認識した。なぜならば、そのようなエネルギーは、化石燃料を利用する伝統的な発電プラントに対して、低減された環境影響とともにより低いコストで供給されると認識されるからである。しかしながら、そのような再生可能エネルギーの利用可能性は断続的で予測不可能である。太陽は日中の一部の間のみ利用可能であり、風は予測不可能であり、両形態のエネルギーの利用可能性は季節とともに変化する。それゆえ、再生可能エネルギーの供給または需要が変動するにつれて、発電プラントの出力および無効電力バランスは、変動することを要求される。加えて、需要および無効電力バランスが変動するにつれて、いくつかの事例では、風力タービンのブレードピッチを低減することなど、再生可能資源からの供給を低減するための手段を取ることができる。しかしながら、これは準最適である。なぜならば、それは、より低いコストおよび低減された環境影響で電力を利用する機会の喪失を表すからである。太陽エネルギーの供給が豊富ないくつかのエリアでは、発電プラントは日中は「オフ」であり（電力を生成しない）、夜間は「オン」であることを要求され得る。

しかしながら、発電プラントは、多大の物理的および熱的質量を有する複雑なシステムを代表する。これらのシステムは、しばしば、電力出力における急速な遷移に関連する厳しい温度勾配に起因する可能性がある損傷を回避するために、起動または停止するためにかなりの時間期間を必要とする。さらに、複雑なシステムは、一般的に、特定の設計点において最適性能をもたらすように設計され、他の点における動作は、しばしば、準最適である。たとえば、ガスタービンは、しばしば、特定の基本電力出力において最適な効率および排出物の出力をもたらすように設計され、他の電力出力における動作は、あまり効率的でなくかつ／または不都合な排出物の増加をもたらす。それゆえ、ガスタービン発電プラントは、（１）それらの基本出力設計点の近くで動作すること、および（２）急速な出力遷移に関連する厳しい温度勾配を回避することが望ましい。

システムの有効および無効電力変化および再生可能エネルギーの最大消費を取得することの要求に応答して、通常、送電網は、発電プラントにその電力出力を増加または低減するように命令して、しばしば、発電プラントに対して有害な変化率において低減された需要に対応することができる。

本主題は、様々な機器の新規の熱的および電気的統合、短期および長期の貯蔵のシステムおよび戦略、ならびに新規の運用概念および制御を使用することなどによって、これらの問題および他の問題に対する解決策の提供を助けることができる。本開示の様々なシステムは、１）ガスタービンの動作プロフィールを安定させること、２）電力システムの送電網内でシナリオの範囲にわたって一貫性のある有効電力および無効電力を提供すること、３）有効電力および無効電力に対する需要の変化に迅速な応答を提供すること、４）送電網に対する電圧および周波数サポートを提供すること、５）利用可能な再生可能エネルギーの利用を最大化すること、および６）再生可能エネルギー供給および消費者需要における変動の間に単純サイクル構成または複合サイクル構成のいずれかにおいてガスタービン発電プラントの二酸化炭素排出を低減することができる。

たとえば、通常の状態のもとで、電解槽は、装置内の水を加熱する必要から、大量の電力を消費しながら動作を開始するために時間を取る。しかしながら、燃焼タービン発電プラントと電解槽との新規な統合を介して、大規模な産業の消費者が電力に対するその需要を停止することに応答して、送電網が直ちに、水を水素ガスと酸素ガスとに変換するために電力を消費し始めるように電解槽に命令することができるように、水を動作温度に維持することができる。たとえば、電解槽への給水は、最初に、ガスタービンから熱エネルギーを捕捉して蒸気タービンを駆動するための蒸気を生成する熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）を通過するかまたは流出することによって調整され得る。電解槽の能力が、消費者が使用していた電力量以上であるならば、水の変換の開始は、ガスタービンの動作プロフィールを変更する必要なしに送電網バランスを維持することができる。

電解槽が水（Ｈ_２Ｏ）をＨ２（Ｈ_２）とＯ２（Ｏ_２）に変換し始めると同時に、ガスタービンは、Ｈ２を消費し、同じくその化石燃料（すなわち、天然ガスまたは燃料油）の消費を減少させ始めるように、その動作を変更することができる。このようにして、送電網は、その再生可能エネルギーの使用を最大化し、ガスタービンの装荷における厳しい遷移を回避し、かつ化石燃料の燃焼に関連する消費と対応する購買コストおよび環境コストを低減しながらバランスを維持することができる。Ｈ２は、他の燃料と混合されてもよく、またはガスタービンによって消費される唯一の燃料であってもよい。いずれにしても、Ｈ２の唯一の燃焼生成物は水蒸気であるので、Ｈ２の消費はガスタービン排出物の改善を表す。

さらに、制御システムは、ガスタービンの動作を変更するために知性を利用することができる。たとえば、制御システムが、消費者需要がしばらくの間増加しないことを予期するための根拠を有する場合、制御システムは、温度勾配の損傷の進展を回避する遷移速度において、および最も効率的で環境排出物を低減する方式でガスタービンを停止することを選択することができる。ガスタービンの出力が遷移するにつれて、電解槽の消費も遷移することができ、それにより、本質的にバランスの取れた遷移がもたらされる。

加えて、インバータおよび整流器の使用を通して、電解槽は、送電網上の無効電力をバランスするために使用され得る。

さらに、電解槽は、Ｈ２貯蔵と結合され得、それは、システムによって提供される柔軟性をよりいっそう高めることができる。十分なＨ２貯蔵を用いて、供給のピークの期間中（供給が需要を劇的に上回り、送電網が、場合によってはガスタービンの停止を要求するかまたは再生可能資源の生産を削減するときなど）、システムは、ガスタービンがその最適設計点において動作し、そのような削減を回避することを可能にすることができる。そのような状況において、余剰電力（すなわち、供給と需要との間の差）は、電解槽に給電してＨ２ガスを生成して貯蔵するために使用され得る。

理想的には、そのような期間の間、電解槽のＨ２出力の発電能力はガスタービンの発電を上回り、それにより、ガスタービンは、その１００％Ｈ２ガスに対する設計点において動作され、水素は将来の使用のために貯蔵され得る。そのようなシナリオでは、ガスタービンは、水蒸気だけを排出しながらその最も効率的な点において動作していることになる。

システムは、必要に応じて異なる量のＨ２貯蔵を利用することができる。上記で説明したように、送電網が厳しい温度勾配を回避しながら利益と排出物低減とをバランスさせることは、最小貯蔵によって達成され得る。しかしながら、貯蔵の追加によって、これらの利益は、その最適設計点においてガスタービンの動作を継続しながら（または、温度勾配の損傷を最小化するために十分に長い遷移点を伴って）、再生可能エネルギーの最大使用を可能にすることによって高められ得る。

貯蔵を最適化することが望ましいそれらの事例に対して、輸送パイプラインが、かなりの貯蔵を提案することができる。たとえば、５００メガワットの電力出力で動作しているガスタービンは、１００％のＨ２含有量で動作するとき、運転１時間当たり約２７トンのＨ２を消費することが知られている。ガスタービン動作に対する典型的な燃料圧力は、およそ、１平方インチ当たり（ｐｓｉ）８００ポンド未満である。０．８３４インチの最小壁厚さを有する直径２４インチのパイプは、３０００ｐｓｉｇのＨ２ガスに耐えるのに十分な強度を有する。各（１）マイルの長さのそのようなパイプは、３０００ｐｓｉｇと８００ｐｓｉｇとの間で循環するとき、４．６トンのＨ２ガスを含有することができる。すなわち、各６マイルのパイプは２７．６トンのＨ２を貯蔵することができ、それは、およそ、５００ＭＷにおけるガスタービンの１時間の運転を提供することができる。

ガスタービンがＨ２源から十分な距離に位置する場合、輸送パイプラインは、それ自体で十分な貯蔵を提供することができる。加えて、ガスタービンおよびＨ２源が一緒に設置される場合、各々が一端に蓋をかぶせられるかまたは一緒に接続されて閉鎖系を形成する１つまたは複数のパイプラインは、用地からいくらか離れた所まで用地から伸びて、人工の地下貯蔵容器を形成することができる。しかしながら、追加の現地貯蔵が必要であるかまたは望ましい場合、本明細書に示すパイプ配置が、改善された貯蔵配置を提供することができる。本明細書で説明するパイプ配置は、地下に配置され、それらのパイプの間に建設フィルを有する、逆ピラミッド型に交互配列されたパイプを含むことができる。実際には、建設フィルは、逆ピラミッド形状をもたらすように配置され、パイプは交互に重ねられる。フープの強度と逆ピラミッド形状とによって、内部の枠組みまたは構造は不要である。

一例では、発電プラントは、送電網電力システムに電力を出力するように構成され得、水素を生産するように構成された水素生成システムと、水素生成システムからの水素を燃焼させてタービン軸を回転させるために使用され得るガス流を生成するように構成されたガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンのガス流で蒸気を生成させて蒸気タービンを回転させるように構成された熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）を含むガスタービン複合サイクル発電プラントと、水素生成システムによって生産された水素を貯蔵するように構成された貯蔵システムと、送電網電力システムが余剰エネルギーを有するときに送電網電力システムからの電力で水素生成システムを動作させることならびに水素生成システムおよびガスタービン複合サイクル発電プラントのうちの少なくとも１つを使用して送電網電力システム上の能動負荷および無効負荷をバランスさせることを行うように構成されたコントローラとを含むことができる。

別の例では、発電プラントは、送電網電力システムに電力を出力するように構成され得、水素および酸素を生産するように構成された電解槽と、水素生成システムからの水素を燃焼させてタービン軸を回転させるために使用され得るガス流を生成するように構成されたガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンのガス流で蒸気を生成させて蒸気タービンを回転させるように構成された熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）を含むガスタービン複合サイクル発電プラントと、水素生成システムによって生産された水素を貯蔵するように構成された貯蔵システムと、電解槽からの酸素をガスタービン複合サイクル発電プラントのＨＲＳＧ内に導くように構成されたノズルとを含むことができる。

追加の例では、熱ノズルを使用して燃料を燃焼させる方法は、（Ａ）燃焼ゾーンと連通する酸化剤供給ダクト内に３００ｆｐｓ未満の初速において少なくとも３０体積百分率の酸素濃度を有する酸化剤を供給するステップと、（Ｂ）酸化剤とは別に燃料を酸化剤供給ダクト内に毎秒２００フィート以上でかつ前記酸化剤の初期速度以上の高速で供給して酸化剤を高速の燃料内に混入させるステップであって、酸化剤供給ダクト内に供給された酸化剤のうちの酸素の約２０％までを燃料とともに燃焼させて熱と燃焼反応における燃焼反応生成物とを生産し、燃焼反応生成物と酸化剤とを燃焼反応の中にさらに混入させる、ステップと、（Ｃ）燃焼反応生成物を酸化剤供給ダクト内の酸化剤のうちの残りの酸素と混合して酸化剤供給ダクト内の残りの酸化剤の温度を上げるステップと、（Ｄ）加熱された酸化剤を酸化剤供給ダクトから燃焼ゾーン内に、初速を少なくとも毎秒３００フィートだけ超える出口速度で送出するステップとを含むことができ、加熱された酸化剤は、異なる方向に向けて配置された複数のオリフィスから酸化剤供給ダクトの外に送られる。

一例では、電力を送電網電力システムに出力するように構成された発電プラントは、水素および酸素を生産するように構成された電解槽と、電解槽を送電網電力システムに電気的に接続する電力コンバータと、水素生成システムからの水素を燃焼させてタービン軸を回転させるために使用され得るガス流を生成するように構成されたガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンのガス流で蒸気を生成させて蒸気タービンを回転させるように構成された熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）を含むガスタービン複合サイクル発電プラントと、水素生成システムによって生産された水素を貯蔵するように構成された貯蔵システムと、電力コンバータ、水素生成システムおよびガスタービン複合サイクル発電プラントのうちの少なくとも１つを使用して送電網電力システム上の能動負荷と無効負荷とをバランスさせるように構成されたコントローラとを含むことができる。

一例では、送電網電力システムに接続された統合発電プラントを動作させる方法は、第１の発電機を駆動して送電網電力システムに電力を供給するためにガスタービンエンジンを動作させるステップであって、ガスタービンエンジンは水素および天然ガスのうちの少なくとも１つで動作可能である、ステップと、送電網電力システムからの電力で水素および酸素を生成させるために電解槽を動作させるステップと、電解槽によって生産された水素を貯蔵システム内に貯蔵するステップと、送電網電力システムの需要に給電するためにガスタービンエンジンと電解槽との動作を連係させるステップとを含むことができる。

この要約は、本特許出願の主題の要約を提供することが意図されている。本発明の排他的または包括的説明を提供することは意図されていない。発明を実施するための形態が、本特許出願についてのさらなる情報を提供するために含まれる。

複合サイクルガスタービン発電プラント（ＧＴＣＣ）、水素生産システム、水素貯蔵システム、およびコントローラを含む統合電力生産システムを示す概略図である。 複合サイクルガスタービン発電プラント（ＧＴＣＣ）、水素生産システム、水素貯蔵システム、およびコントローラを含む統合電力生産システムを示す概略図である。 図１Ａおよび図１Ｂの統合電力生産システム内での使用に好適な図３～図１０のサブシステムに対する例示的な主制御システムを示す概略図である。 水素受入タンクおよび電力変換機器に接続された電解槽を有する例示的な複合サイクル発電プラントを示す概略図である。 電解槽に接続され、バッテリおよび再生可能エネルギー源にも接続された熱回収蒸気生成器を示す概略図である。 電解槽バンクのための冷却ループを示す概略図である。 電解槽および水素サージシステムに接続された熱回収蒸気生成器を示す概略図である。 水素貯蔵システムを示す概略図である。 産業の電力消費者またはプラントに接続された複合サイクル発電プラント、再生可能エネルギー生産機、水素および酸素貯蔵システム、および電解槽を含むポリジェネレーション施設を示す概略図である。 熱回収蒸気生成器に注入するために高温酸素を生成させるためのノズルを示す概略図である。 送電網を電解槽バンク、バッテリバンクおよび再生可能エネルギー源に接続するハイブリッド電力コンバータを示す概略図である。 水素貯蔵システムとして使用するのに好適な垂直に配置されたパイピングシステムを示す概略図である。 複数の垂直に配置されたパイピングシステムを示す概略図である。 方向変化を伴うパイプを含む複数の垂直に配置されたパイピングシステムの斜視図を示す概略図である。 方向変化を伴うパイプを含む複数の垂直に配置されたパイピングシステムの端面図を示す概略図である。 放射状配列に配置されたパイプを含む複数の垂直に配置されたパイピングシステムの側面図を示す概略図である。 放射状配列に配置されたパイプを含む複数の垂直に配置されたパイピングシステムの上面図を示す概略図である。 複数のレベルにおいて配列された複数の水平に配置されたパイピングシステムの側面図を示す概略図である。 本開示のパイピングシステムの層化の様々な配列を示す概略図である。 本開示のパイピングシステムの層化の様々な配列を示す概略図である。 本開示のパイピングシステムの層化の様々な配列を示す概略図である。 本開示のパイピングシステムの層化の様々な配列を示す概略図である。 本開示のパイピングシステムの層化の様々な配列を示す概略図である。 本開示のパイピングシステムの層化の様々な配列を示す概略図である。 パイピングシステムを製作して組み込むためのオーバーヘッド支持構造の上面図を示す概略図である。 パイピングシステムを製作して組み込むためのオーバーヘッド支持構造の側面図を示す概略図である。 パイピングシステムを製作して組み込むためのオーバーヘッド支持構造の側面図を示す概略図である。 パイピングシステムを製作して組み込むためのオーバーヘッド溶接ガントリーシステムの上面図を示す概略図である。 パイピングシステムを製作して組み込むためのオーバーヘッド溶接ガントリーシステムの側面図を示す概略図である。 パイピングシステムを製作して組み込むためのオーバーヘッド溶接ガントリーシステムの側面図を示す概略図である。 組み立てられたパイプのさらなるセクションを有する図１８～図１８Ｂのオーバーヘッド溶接ガントリーシステムの上面図を示す概略図である。 組み立てられたパイプのさらなるセクションを有する図１８～図１８Ｂのオーバーヘッド溶接ガントリーシステムの側面図を示す概略図である。 組み立てられたパイプのさらなるセクションを有する図１８～図１８Ｂのオーバーヘッド溶接ガントリーシステムの側面図を示す概略図である。 組み立てられたパイプ容器が溝の中に下されることを示す概略図である。 組み立てられたパイプ容器が溝の中に下されることを示す概略図である。 組み立てられたパイプ容器が溝の中に下されることを示す概略図である。 第２のパイプ容器が組み立てられることを示す概略図である。 第２のパイプ容器が組み立てられることを示す概略図である。 第２のパイプ容器が組み立てられることを示す概略図である。 第２のパイプ容器が溝の中に下されて第３のパイプ容器が組み立てられることを示す概略図である。 第２のパイプ容器が溝の中に下されて第３のパイプ容器が組み立てられることを示す概略図である。 第２のパイプ容器が溝の中に下されて第３のパイプ容器が組み立てられることを示す概略図である。 アクセス通路を有しない複数の層の中に組み込まれる複数の細長い水平パイピングシステムを示す概略図である。 複数の層の中に組み込まれる複数の細長い水平パイピングシステムを示す概略図である。 アクセス通路を有する複数の層の中に組み込まれる複数の細長い水平パイピングシステムを示す概略図である。 消費者を含む送電網に接続された複数の垂直に配置されたパイピングシステムを示す概略図である。 消費者を含む送電網に接続された複数の垂直に配置されたパイピングシステムと地下貯蔵空洞とを示す概略図である。 消費者を含む送電網に接続された複数の垂直に配置されたパイピングシステムバンクと地下貯蔵空洞とを示す概略図である。 互いに接続された複数の垂直に配置されたパイピングシステムバンクおよび地下貯蔵空洞と消費者を含む送電網とを示す概略図である。 パイピングシステムを有しない送電網に接続された地下貯蔵空洞を示す概略図である。 図１Ａおよび図１Ｂの統合電力生産システムを動作させるためのコントローラの構成要素を示す概略図である。

必ずしも縮尺通りに描かれているとは限らない図面において、同様の数字は、異なる図面において同様の構成要素を記述し得る。異なる文字の添え字を有する同様の数字は、同様の構成要素の異なる事例を表し得る。図面は、一般に、限定としてではなく例として、本明細書で説明する様々な実施形態を示す。

図１Ａおよび図１Ｂは、基準システムおよび従来技術システムを上回る多くの利点を提供する統合電力生産システム１００を示す概略図である。システム１００は、複合サイクルガスタービン発電プラント（ＧＴＣＣ）１０４、水素生産システム１０６およびコントローラ１０８を含むことができる。

様々な構成要素とシステムとの間の制御信号は破線／点線で指定され、電気が流れることができる電気接続は破線で指定され、ガスまたは流体が流れることができるプロセス線は実線で指定される。

例では、水素生産システム１０６は、同じく酸素を生産する電解槽を含むことができる。電力生産システム１００は、同じく、水素貯蔵システム１１０および酸素貯蔵システム１１２の一方または両方を含むことができる。

ＧＴＣＣ１０４は、ガスタービン１１４、熱回収蒸気生成器１１６および蒸気タービン１１８を含むことができる。

コントローラ１０８は、コントローラ１２０および１２２を介して水素生産システム１０６に接続され得る。コントローラ１０８は、コントローラ１２４および１２６を介してＧＴＣＣ１０４に接続され得る。

送電網１２８は、再生可能風力電力源１３０、再生可能光起電太陽光電力源１３２または複合サイクルガスタービン発電プラント１０４、および電力の消費者１５２など、様々な電力の供給の間の電気接続を提供する。例示的な消費者１５２には、住居、商用ビルおよび産業施設が含まれる。種々の消費者１５２は、様々なレベルの有効電力および無効電力を利用することができる。

１つの消費者１５２、１つの再生可能風力電力源１３０、１つの再生可能光起電太陽光電力源１３２、１つのＧＴＣＣ１０４、１つの水素生産システム１０６、１つの水素貯蔵システム１１０および１つの酸素貯蔵システム１１２だけが図１Ａおよび図１Ｂに示されているが、電力生産システム１００は、同じ地理的場所においてまたは広い地理的領域に分散して、各々の複数の事例を含むことができる。

主コントローラ１０８は、とりわけ、電力に対する総計の供給および需要がバランスされたままであることを確保するために、風力電力源１３０、太陽光電力源１３２およびガスタービン１１４を含む様々な電力の供給にコマンド信号を提供する。主コントローラ１０８は、電解槽生産設定点コントローラ１２２と電解槽ＶＡＲ設定点コントローラ１２０のそれぞれ、およびＧＴＣＣ出力設定点コントローラ１２４とＧＴＣＣＶＡＲ設定点コントローラ１２６のそれぞれと連携して、有効電力、無効電力、システム電圧および周波数の供給と需要との間のバランスを確保することができる。主コントローラ１０８は、同じく、水素が生産または消費されるとき、および貯蔵された水素を使用することまたは貯蔵のためのＨ２を生産することによって電力が送られるときを調節することができる。図４および図１０を参照しながら説明するように、たとえば、電力生産システム１００は、本明細書で説明するように、電力の短期貯蔵および無効負荷調製のために様々なバッテリ貯蔵システムを付加的に含むことができる。図８を参照しながら説明するように、たとえば、統合電力生産システム１００は、付加的に、送電網１２８から電力を消費しかつシステム１００から様々な入力を受信することができる産業プラントと統合され得る。

主コントローラ１０８の決定は、市場の状態、再生可能電力の利用可能性、送電網電気コスト、および他の要因に基づいて行われ得る。このようにして、主コントローラ１０８は、送電網１２８上の需要、気象条件および他の要因に基づいて再生可能風力電力源１３０、再生可能光起電太陽光電力源１３２および複合サイクルガスタービン発電プラント１０４からの電力生産を管理しながら、同じく、たとえば、ＧＴＣＣ１０４および産業施設３５０（図８）における水素および酸素の消費を使用して水素生産システム１０６の水素生産を管理し、かつ水素貯蔵システム１１０および酸素貯蔵システム１１２それぞれにおける水素および酸素の貯蔵と様々なバッテリ内の電力との形態でエネルギーの長期および短期の貯蔵を管理することができる。

送電網１２８からの電力は、最初に、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換するための電力コンバータ１３４の動作に対して最適化される選択された電圧に、送電網１２８の電圧を変換するために変圧器１３３に供給され得る。例では、コンバータ１３４は整流器であり得、送電網１２８から交流電流（ＡＣ）を受けて、水素生産システム１０６の電解槽の動作に最適であり得る直流電流（ＤＣ）を生み出すことができる。加えて、コンバータ１３４は、本明細書で説明するハイブリッドコンバータであり得る。ＧＴＣＣ１０４、蒸気タービン１１８、風力電力源１３０および太陽光電力源１３２は、生成された電力の電圧を送電網１２８に適合する電圧に変換するために変圧器１３５Ａ～１３５Ｄをそれぞれ設けられ得る。

水素生産システム１０６は、水素を水素貯蔵システム１１０に供給するために水素圧縮器１３８を使用することができる水素浄化システム１３６と、酸素を酸素貯蔵システム１１２に供給することができる酸素浄化システム１４０とに接続され得る。水素浄化システム１３６は、パラジウム膜水素浄化器、高密度薄板金属膜浄化器、圧力スイング吸着浄化器、触媒再結合もしくは脱酸素浄化器、または電気化学的浄化器、ならびにその他を含むことができる。酸素浄化システム１４０は、低温蒸留プロセスまたは真空スイング吸着プロセスを利用することができる。弁１４２は、貯蔵された水素のガスタービン１１４への流れを制御するために使用され得る。弁１４３は、貯蔵された酸素のＨＲＳＧ１１６への流れを制御するために使用され得る。弁１４４は、天然ガスのガスタービン１１４への流れを制御するために使用され得る。天然ガスは、天然ガス源１４６を介して供給され得る。コントローラ１０８は、システム１００の総出力（たとえば、電力および水素）を最適化するために本明細書で説明する要因（たとえば、再生可能エネルギーの利用可能性）に基づいて水素、酸素および天然ガスのＧＴＣＣ１０４への流れを制御することができる。

複合サイクルガスタービン発電プラント１０４は、ガスタービン１１４、熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）１１６および蒸気タービン１１８を含む。複合サイクルガスタービン発電プラント１０４の機能および動作は、当業者には諒解されるので、それらの詳細の多くは、簡潔にするために本明細書で説明されない。ガスタービン１１４は、圧縮器１４８、燃焼器１５０およびタービン１５２を含む。圧縮器１４８、タービン１５２および発電機１５４は、１つまたは複数の軸を介して物理的に接続されて、一緒に回転することができる。空気が圧縮器１４８に導入され、圧縮器１４８は空気を圧縮し、燃料が燃焼器１５０内の圧縮空気に導入される。燃料が点火され、燃焼生成物は、圧縮空気に対して非常に増加した温度および圧力（およびエネルギー）を有する。高エネルギーの燃焼生成物は、圧縮器１４８および発電機１５４を駆動するタービン１５２内で膨張する。

高エネルギーの燃焼生成物がガスタービン１１４を出た後、それらは排出ガスと呼ばれ、ＨＲＳＧ１１６を通って導かれる。ＨＲＳＧ１１６は、排出ガスから水に熱を伝達する１つまたは複数の熱交換アセンブリを含むことができる。水は、液体の水または蒸気の形態であり得る。ＨＲＳＧ１１６は、温度および圧力の特定の特性における蒸気を生み出すために様々な段階を有することができる。さらに、図３を参照しながら説明するように、蒸気からの熱は、たとえば、熱交換器１５８または熱交換器１６２を使用して水素生産システム１０６の電解槽を加温するために使用され得る。次いで、蒸気は、クラッチ１６０を介して発電機１５６に物理的に接続され得る蒸気タービン１１８に導かれる。例では、クラッチ１６０は省略され得る。蒸気タービン１１８から、蒸気は、蒸気が冷却され得る凝縮器などの熱交換器１６２に流入することができる。蒸気からの熱およびＨＲＳＧ１１６からの水は、付加的に、たとえば図８に示す別のシステムに投入され得る。いくつかの例では、発電機１５６は、ガスタービン１１４に接続される同じ発電機であり得るか、または別の例では、（図１Ａおよび図１Ｂに示すような）別個の発電機であり得る。蒸気は、蒸気タービン１１８内で膨張し、トルクを発電機１５６に伝達して電力を生成することができる。その後、蒸気は、凝縮されて液体の水になり、ＨＲＳＧ１１６に戻って再加熱されて、特定の特性になることができる。常として、水は、ループ内でＨＲＳＧ１１６と蒸気タービン１１８との間を循環することができることが諒解されよう。

例では、コントローラ１０８は、電解槽ＶＡＲ（ボルトアンペア無効電力）設定点コントローラ１２０、電解槽生産設定点コントローラ１２２、ＧＴＣＣプラント出力コントローラ１２４、ＧＴＣＣプラントＶＡＲ設定点コントローラ１２６のうちの少なくとも１つと信号通信している主コントローラであり、それらの各々は、以下でさらに詳細に説明するように、主コントローラ１０８によって与えられるコマンド信号に応答することができる。

水素生産システム１０６は、多くの異なるプロセスを使用して水素を生産することができる。熱化学プロセスは、熱と化学反応とを使用して、化石燃料およびバイオマスなどの有機材料から、または水などの材料から水素を放出する。水（Ｈ２Ｏ）も、電気分解または太陽エネルギーを使用して水素（Ｈ２）および酸素（Ｏ２）に分離され得る。細菌および藻などの微生物は、生物学的プロセスを介して水素を生み出すことができる。

例では、水素生産システム１０６は電解槽を含む。電解槽は、電力を消費して水をその構成要素である水素と酸素とに変換するように動作することができる電気デバイスであり得る。一般に、電解槽は、直流の電力を消費し、交流電流を直流電流に変換するためにコンバータ１３４を利用する。水素は、水素貯蔵システム１１０内に貯蔵することができ、そのシステムは、図１１～図１６Ｆを参照しながら説明するような、タンク、パイプライン、岩塩空洞、または他の地層処分場を含むことができる。当業者によって諒解されるように、水素生産システム１０６の電解槽は、一般に、水および電気の入力を受けて水素ガスおよび酸素ガスを生産する。

電力は、送配電網１２８を介して供給され得る。送電網１２８は、再生可能風力電力源１３０および再生可能光起電太陽光電力源１３２など、様々な電力源のうちの１つまたは複数から電力を取得することができる。送電網１２８は、同じく、水力発電源、原子力源、複合サイクルガスタービンプラント１０４のそれぞれガスタービン１１４の発電機１５４および蒸気タービン１１８の発電機１５６のうちの一方または両方、あるいは送電網１２８に接続される他のガスタービン発電機からなど、他の源から電力を取得することができる。

水素生産システム１０６の電解槽の動作は、生産設定点コントローラ１２２に応答することができる。生産設定点コントローラ１２２は、電解槽に供給するための直流電流の量を制御することができる。直流電流および水の電解槽への供給は、水素ガスおよび酸素ガスの生産に直接関連する。

水素生産システム１０６の電解槽の動作は、同じく、電解槽ＶＡＲ設定点コントローラ１２０に応答することができる。ＶＡＲ設定点コントローラ１２０は、電解槽に供給されるように直流電流に変換される交流電流の量を制御することができる。

電力インバータは、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。電力インバータは、電力を送電網１２８に投入することを可能にする送電網接続デバイスである。電力インバータの典型的な使用は単向性であり、たとえば、光起電太陽光電力源１３２または燃料電池におけるものであり得る。

例では、コンバータ１３４は、単相、二相または三相のＡＣ電力をＤＣ電力に変換することができる、トランジスタの電子機器を用いるサイリスタ整流器技術を含むことができる。そのようなＤＣ電力出力は、一般的に単向性で滑らかでなく、通常、電気メッキ、ＤＣプロセスおよび電解槽スタックのために使用される。

例では、コンバータ１３４は、単相、二相または三相のＡＣ電力をＤＣ電力に変換する、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）と絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）との組合せを用いるチョッパ整流器技術を含むことができる。そのようなＤＣ電力出力は、一般的に単向性で滑らかでなく、通常、電気メッキ、ＤＣプロセスおよび電解槽スタックのために使用される。

例では、コンバータ１３４は、ＩＧＢＴおよびＰＷＭ（パルス波変調）を使用して単相、二相および三相のＡＣ電力をＤＣに変換するとともに、電気化学バッテリ、風力発電機、または太陽光発電機などの源からＤＣ電力を取得してＤＣ電力をＡＣ電力に変換する、電力変換システム（ＰＣＳ）であり得る。そのようなＰＣＳは双方向性であり、ＡＣとＤＣの両方は「クリーン」で、高調波または「リップル」のない純粋な波形に近く、有効および無効電力サービスを送電網１２８に供給するために使用される典型的な技術である。

例では、コンバータ１３４は、「ハイブリッド電力変換」システムであり得る。ハイブリッド電力変換システムは、ＡＣ（送電網１２８）に接続された側でＰＣＳトポロジーを使用し、水素生産システム１０６の電解槽に接続されたＤＣ側でチョッパ／サイリスタトポロジーを使用することができる。これは、電気分解を低コストで実行するために電解槽によって使用するのに好適な「クリーンでない」ＤＣを生産しながら、位相角を調整して無効電力サービスを送電網１２８に供給することができる「クリーンな」ＡＣ電力を供給する。このハイブリッド電力変換は、一般的に、より低い総コストでフルＰＣＳトポロジーによって提供される無効電力サービスなど、有益な送電網サービスを提供することができることが諒解されよう。「ハイブリッド電力変換」システムは送電網１２８に接続されて無効サービスを提供することができるので、ＵＬ規格ＵＬ１７４１または等価物に認証されることが望ましい。コンバータ１３４に対するハイブリッド電力変換システムの例について、図１０を参照しながらさらに説明する。

水素生産システム１０６の電解槽は、水素ガスおよび酸素ガスを生産するために水およびＤＣの電力をコンバータ１３４から受けることができることが諒解されよう。電解槽のいくつかの例は、同じく、水酸化カリウムなどの電解質の入力を必要とすることがある。水素ガスは、水素浄化システム１３６、水素圧縮器１３８に進んで水素貯蔵システム１１０に入ることができる。同様に、酸素ガスは、酸素浄化システム１４０に進んで酸素貯蔵システム１１２に入ることができる。同様の酸素圧縮器（たとえば、図８の圧縮器３５６）が随意に使用され得る。本明細書で水酸化物電気分解電解槽としての例が説明されたが、本開示の範囲はそのように限定されず、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）電気分解ユニットなど、他の電解槽配置を含むことを企図されることが諒解されよう。

水素貯蔵システム１１０は、水素ガスを貯蔵するための岩塩空洞を含むことができる。いくつかの例では、水素貯蔵システム１１０は、水素を貯蔵するために高度に圧縮される「弾丸」形状または球形など、１つまたは複数の長さのパイプまたは圧力容器を含むことができる。水素貯蔵システム１１０の例について、図１１～図１６Ｆを参照しながらより詳細に説明する。

水素貯蔵システム１１０内の水素ガスは、燃料として使用され、ガスタービン１１４の燃焼器１５０に供給され得る。流量弁１４２および１４４は、水素および天然ガスの燃料のガスタービン１１４への流れを供給するためにＧＴＣＣプラント出力コントローラ１２４に応答することができる。いくつかの条件のもとで、コントローラ１２４は、たとえば１つだけの燃料（天然ガスまたは水素のいずれか）をガスタービン１１４に供給するように弁１４２および１４４に命令することができる。他の条件のもとで、コントローラ１２４は、たとえば天然ガスと水素の両方の混合をガスタービン１１４に供給するように弁１４２および１４４に命令することができる。

天然ガスに対して、水素の燃焼はより高温で発生する。より高温の燃焼は、増加した窒素酸化物（ＮＯｘ）の産出をもたらすことが予期され得る。例では、酸素貯蔵システム１１２からの酸素は、たとえば図９のノズル３００を使用することによってＮＯｘの産出を低減するために、ＨＲＳＧ１１６の入口ダクト１６４に「高温酸素」として供給され得る。

本開示の例は水素をエネルギー貯蔵媒体として使用することに関して説明されたが、本開示の範囲はそのように限定されず、他のエネルギー貯蔵媒体が、たとえばアンモニアなどの燃料（または、分解すると、たとえば水素を含む燃料を得ることができるエネルギーのキャリヤ）として後で使用するために、余剰の再生可能エネルギーを用いて生成され得ることが諒解されよう。

表１を参照しながら以下で説明するように、統合電力生産システム１００は、利用可能な源を利用して、貯蔵され得る水素または貯蔵され得る電力の生産を介して、直接消費するため、または貯蔵するために、エネルギーを生産するように動作され得る。加えて、たとえば、再生可能エネルギーおよび水素燃料の使用は、利用可能なときに再生可能エネルギー源を使用すること、またはＧＴＣＣ１０４の排出物を低減するために低需要の期間中に生産された貯蔵された水素を使用することのいずれかによって増加され得る。したがって、たとえば、ＧＴＣＣ１０４の全体的動作は、非効率的で機械の必要性の高い動作の定率上昇（ｒａｍｐ ｕｐ）および定率下降（ｒａｍｐ ｄｏｗｎ）の期間を排除または低減するように、滑らかにされ得る。

図２は、図１Ａおよび図１Ｂに示すシステム１００の制御手法の別の図を表す。主コントローラ１０８は、システム１００内の水素生産システム１０６のＧＴＣＣ１０４および電解槽の１つまたは複数の事例に対して、様々なプラントコントローラ１５４を介して、より特定の設定点コントローラ１２０～１２６（図１Ａおよび図１Ｂ）と通信状態にあり得る。図２は、ＧＴＣＣ１０４および再生可能風力電力源１３０など、電力生産機の異なる事例を示し、水素生産システム１０６は、統合電力生産システム１００を設けるために組み合わされ得る。

図３を参照しながら説明するように、ＧＴＣＣ１０４は、ＨＲＳＧ１１６が電解槽２０１を加熱し、電解槽２０１が水素をガスタービン１１４に供給することを可能にするために水素生産システム１０６と組み合わされ得る。

図４を参照しながら説明するように、ＧＴＣＣ１０４は、再生可能風力電力源１３０の断続的ダウンタイムの間に使用するためならびに周波数サポートのために電力をバッテリ２２２に供給するために、水素生産システム１０６および再生可能風力電力源１３０と組み合わされ得、酸素は電解槽２０１の冷却を可能にするために膨張され得る。例では、バッテリ２２２は、別の電解槽２０１と交換され得る。

図５を参照しながら説明するように、複数の電解槽２０１が複数のコンバータ１３４に接続されて、電解槽２０１およびコンバータ１３４のうちの１つまたは複数を選択的に加熱または冷却するために、ループ２３０を加熱または冷却することができる。

図６を参照しながら説明するように、ＨＲＳＧ１１６は、加熱をもたらすための電解槽２０１と、同期凝縮をもたらすための蒸気タービン１１８と、ガスタービン１１４内の水素および天然ガスの燃焼を連係させるために水素貯蔵およびサージ能力を提供するための水素圧縮器１３８および２５４とに組み合わされ得る。

図７を参照しながら説明するように、図１～図６の水素生産システム１０６のいずれかまたはすべては、水素貯蔵システム１１０に接続されてよく、水素貯蔵システム１１０は、図１１～図１６Ｆを参照しながら説明する様々な地下貯蔵設備の形態をとることができる。

図３～図７を参照しながら説明する様々なサブシステムは、後で高送電網需要の期間中に使用するために低送電網需要の期間中に、バッテリ内の短期貯蔵のための電力および貯蔵容器内の長期貯蔵のための水素を生産しながら、利用可能な再生可能エネルギー源の効率的使用およびガスタービンエンジン内で燃焼させるための水素の生産を介して排出物を同時に減じることによって、送電網１２８上の高需要および低需要の期間を滑らかにするために主コントローラ１０８によって連帯して動作される統合電力生産システム１００の構成の中に組み合わされ得る。

図３は、ガスタービン１１４（図１Ｂ）、ＨＲＳＧ１１６および水素生産システム１０６を有する複合サイクル発電プラント１０４（図１Ｂ）を含むシステム２００を示す概略図である。水素生産システム１０６は、電解槽２０１を含むことができる。水素生産システム１０６は、水素受入タンク１１０およびコンバータ１３４を含む電力変換機器に接続され得る。図３は、図１Ａおよび図１Ｂの統合電力生産システム１００内で使用するのに好適ないくつかの構成要素の別の図を表す。図３は、統合電力生産システム１００を用いて、タービン１１４の排出ガスからの熱をＨＲＳＧ１１６によって捕捉されるように利用するためのシステムを示す。システム２００は、主コントローラ１０８（図１）に接続され得る。

電力線２０３は、たとえば、システム１００の他のパラメータに基づいて電解槽２０１を用いる水素の生成を制御するために、送電網１２８（図１Ａおよび図１Ｂ）から水素生産システム１０６に電力を送達するために使用され得る。水素生産システム１０６によって生成された水素は、水素線２０４を介して水素受入タンク１１０に供給され得る。水素圧縮器１３８は、水素の圧力を高めて水素を別のロケーションに移動させるために使用され得る。水素圧縮器１３８は、線２０６Ａを介してガスタービン１１４に、および線２０６Ｂを介して産業用途または燃料用途などの別のプロセスに供給することができる。加えて、圧縮水素は、線２０８および弁２１０を介して水素受入タンク１１０に送り戻され得る。さらに、水素は、たとえば、補助燃焼機能などを提供するために、線２１２を介してＨＲＳＧ１１６に供給され得る。

ガスタービン１１４は、図１Ａおよび図１Ｂを参照しながら説明するように、排出ガスをＨＲＳＧ１１６に供給するように構成され得る。しかしながら、水素生産システム１０６から水素を受けるように構成されたガスタービンは、水素生産システム１０６から離れて送電網１２８上の任意の場所に設置され得る。ガスタービン１１４は、複数軸のガスタービンエンジンを含むことができ、発電機１５４が同期凝縮器として動作するように構成され得るように、クラッチ２１４を介して発電機１５４に接続され得る。たとえば、クラッチ２１４は、ガスタービン１１４から発電機１５４を切り離すためにコントローラ１０８によって動作されてよく、発電機１５４は、送電網１２８の位相角（Φ）を変更または調整するために、送電網１２８からＡＣ電力を供給され得る。ガスタービン１１４は、単純サイクル電力生産機として、または複合サイクル設備と連携して動作するように構成され得る。ガスタービン１１４は、電解槽２０１から離れて設置され得る。ガスタービン１１４は、図１Ｂ、図３および図７の水素生産システム１０６、水素貯蔵１１０からの、ならびに図１１～図１６Ｆに示すような他の水素源または貯蔵システムからの水素を使用するように構成され得る。

有利には、ＨＲＳＧ１１６からの熱は、図８に示すように、化学製品生産のためまたは設備環境温度制御のためなど、システム１００とともにまたはその近くに設置される他の産業プロセスによって使用され得る。

図示の例では、水素生産システム１０６の電解槽２０１は、流体線２０２を使用してＨＲＳＧ１１６から蒸気または水によって加熱され得る。そのため、電解槽２０１は、温められた状態または待機モードに維持され、それにより、電解槽２０１は、大気温度からの起動と比較して迅速に動作機能に至ることができ、それにより、迅速に反応する水素の生産を提供することができる。流体は、要望通りに加熱または冷却を提供するために、流体線２０２を使用してＨＲＳＧ１１６と水素生産システム１０６との間で循環することができる。例では、熱が、産業プロセスまたは他の熱源から水素生産システム１０６に供給され得る。追加の例では、冷却が、膨張した酸素など、ＨＲＳＧ１１６以外からの冷却流体の源によって水素生産システム１０６に供給され得る。

図４は、水素生産システム１０６に接続された熱回収蒸気生成器１１６を含み、水素生産システム１０６は、同じくバッテリ２２２および風力電力源１３０に接続される、システム２００を示す概略図である。水素生産システム１０６は、膨張タービン２２６、発電機２２８および熱交換器２２９を含むことができる冷却システム２２４に接続され得る。水素生産システム１０６は、水素受入タンク１１０と、変圧器１３３およびコンバータ１３４を含む電力変換機器とに接続され得る。バッテリ２２２は、変圧器１３３および変圧器１３４を含む電力変換機器を介して風力電力源１３０に接続され得る。図４は、図１Ａおよび図１Ｂの統合電力生産システム１００内で使用するのに好適ないくつかの構成要素の別の図を表す。図４は、たとえば電力負荷および周波数サポート機能を提供するためにバッテリ２２２に電力を貯蔵するため、および電力を生成してコンバータ１３４および電解槽２０１の一方または両方を冷却するために電解槽２０１から圧縮されたＯ２（またはＨ２）を使用するためのシステムを示す。システム２２０は、たとえば、システム１００の他のパラメータに基づいて電解槽２０１への流体の流れとバッテリ２２２の動作とを制御するために、主コントローラ１０８（図１）に接続され得る。電力線２０３は、送電網１２８（図１Ａおよび図１Ｂ）から水素生産システム１０６およびバッテリ２２２に電力を送達するために使用され得る。

水素生産システム１０６からの酸素が、統合電力生産システム１００内の他の構成要素と有利に統合され得る様々な方式が存在する。たとえば、酸素貯蔵システム１１２（図１Ａおよび図１Ｂ）からのまたは直接水素生産システム１０６からの酸素は、たとえばオリフィス、膨張弁、または膨張タービン２２６を介して膨張され得る。圧縮酸素の膨張が温度の低下をもたらすことは諒解されよう。この低下した温度の酸素は、熱交換器２２９を介して水素生産システム１０６に接続されたコンバータ１３４を冷却するための流体として使用され得る。同様に、低下した温度の酸素は、電解槽２０１を冷却するために使用されてよく、電解槽２０１は、維持管理および他の手順が実行され得るようにクールダウンを促進するのに有益であり得る。熱交換器２２９に対する流体線は、送電網の状態に基づいて低下した温度の酸素の流れを制御するために、コントローラ１０８によって動作可能な様々な弁を含むことができる。例では、膨張タービン２２６は、送電網１２８に追加の電力を供給するために発電機２２８に接続され得る。例では、膨張タービン２２６は、水素圧縮器１３８（図３）に回転電力を供給するために水素圧縮器１３８に接続されてよく、それによって同じく、電解槽２０１の冷却においてシステム２２０によって膨張されたエネルギーを回収する。そのような構成では、膨張タービン２２６は、システム効率を向上させるために、総出力を増加させること、または補助的負荷を減少させることができる。

本明細書で説明するように、電解槽２０１は、ＨＲＳＧ１１６、産業プロセスの熱、地域の加熱源、商用ビルの熱などからの熱を使用して加熱され得る。

バッテリ２２２は、風力電力源１３０によって生成された電力を貯蔵するために使用され得る。バッテリ２２２は、付加的に、たとえば風力電力源１３０からの電力が低下する可能性があるとき、電力負荷と周波数サポート機能の両方の機能を支援することができる。コントローラ１０８は、調整のアップダウン、周波数のアップダウン、または無効電力の管理を提供することができる。上記で説明した酸素の冷却は、バッテリ２２２の温度管理のためにも使用され得る。例では、バッテリ２２２は、水素生産システム１０６のロケーションにおいて含まれ得る。

図５は、整流器バンク２３４に接続され得る電解槽バンク２３２に対する流体ループ２３０を示す概略図である。流体ループ２３０は、熱交換器２２９、流体線２３６および電解槽線２３８を含むことができる。電解槽２０１は、電力線２４０を介して電力コンバータ１３４に接続され得る。流体ループ２３０は、温度入力（たとえば、熱）または冷却を電解槽２０１に供給することができ、電力コンバータ１３４は、電解槽２０１が水素および酸素の出力（図５に示さず）を生産することができるように、電気入力を電解槽２０１に供給することができる。図５は、図１Ａおよび図１Ｂの統合電力生産システム１００とともに使用するのに好適な構成要素の別の図を表す。図５は、いかにして電解槽２０１がループ２３０からの熱を使用してレディ状態に維持され得るか、またはループ２３０を使用した後に迅速にクールダウンされ得るかを示す。ループ２３０は、たとえば、システム１００の他のパラメータに基づいてループ２３０を通る流体の流れを制御するために、主コントローラ１０８（図１）に接続され得る。電力線２０３は、送電網１２８（図１Ａおよび図１Ｂ）から個別にコンバータ１３４を介して電解槽２０１に電力を送達するために使用され得る。

電解槽２０１のうちの１つまたは複数が水素および酸素を生産するために動作していない時間の間、水素の生産を迅速かつ効率的に開始するためにそのような電解槽をレディ状態に維持するために、電解槽２０１のうちの少なくとも１つに熱を供給することが望ましい。電解槽２０１の温度管理が、統合システム１００内の他の構成要素と有利に統合され得る様々な方式が存在する。例では、熱は、ＨＲＳＧ１１６（図３参照）を介して供給され、ＨＲＳＧ１１６は、電解槽２０１が待機モードであることを維持するのに十分な温度においてループ２３０に蒸気または水を供給することができる。例では、熱は、現在動作していない電解槽をレディ状態に保つように動作する電解槽２０１のコンバータ１３４によって供給されてよく、それにより、動作している電解槽２０１に関連するコンバータ１３４を付加的に冷却する。追加の例では、熱は、専用の加熱デバイス２４２を介して供給され得る。例では、加熱デバイス２４２は、抵抗加熱器を含むことができ、抵抗加熱器は、送電網１２８（図１Ａおよび図１Ｂ）または別の源から電力を供給され得る。例では、加熱デバイス２４２は、燃焼のために電解槽２０１を介して水素燃料を供給され得るバーナーを含むことができる。

熱交換器２２９または別の熱交換器は、付加的に、図４のタービン２２６からの膨張した酸素などの冷却流体のループに接続され得る。膨張した酸素は、たとえば、停止した後速やかに電解槽２０１の維持管理を可能にするために、電解槽２０１が停止した後などに電解槽２０１を冷却するために使用され得る。追加の例では、コンバータ１３４は、図４の熱交換器２２９を介して冷却をもたらされ得る。

図５に示されないが、ループ２３０は、たとえばコンバータ１３４が効率的な温度で動作することを可能にするために、コンバータ１３４の冷却をもたらすための付加的な流体線を介してコンバータ１３４に接続され得る。

図５を参照しながら説明するこれらの例の各々は、待機モードにあるコンバータ１３４の冷却および電解槽２０１の加熱のうちの１つまたは複数を促進するための熱交換の相乗的使用を表す。

図６は、電解槽２０１および水素サージシステム２５０に接続された熱回収蒸気生成器１１６を示す概略図である。水素サージシステム２５０は、水素貯蔵システム１１０、水素圧縮器１３８、水素サージタンク２５２、水素サージ圧縮器２５４、水素浄化器１３６、および混合タンク２５８を含むことができる。図６は、図１Ａおよび図１Ｂの統合電力生産システム１００とともに使用するのに好適な構成要素の別の図を表す。図６は、いかにして電解槽２０１を用いて生成された水素が、統合電力生産システム１００の発電に組み込まれ得るかを示す。システム２５０は、たとえば、ガスタービン１１４への水素および天然ガスの流れを制御するために、主コントローラ１０８（図１）に接続され得る。電力線２０３は、送電網１２８（図１Ａおよび図１Ｂ）から電解槽２０１に電力を送達するために使用され得る。

ＨＲＳＧ１１６は、水を加熱して蒸気タービン１１８に蒸気を供給するように構成された蒸気回路２６０内に低温、中温および高温の蒸気回路を含むことができる。電解槽２０１は、水素を浄化器１３６に供給するために線２６２において水素を出力することができる。浄化器１３６からの水素は、線２６４を介して水素貯蔵システム１１０に供給され得る。水素貯蔵システム１１０は、図７および図１１～図１６Ｆを参照しながら説明するように、タンクなどを含むことができる。水素圧縮器１３８は、圧縮水素を、線２６６Ａおよび２６６Ｂを介してサージタンク２５２に供給することができる。サージタンク２５２内の水素は、線２６８を介してサージ圧縮器２５４に、および線２７０を介して混合タンク２５８に接続され得る。混合タンク２５８は、線２７２を介して天然ガスの源に、および線２７４を介してガスタービン１１４の燃焼器に接続され得る。水素サージシステム２５０は、付加的に、システム２５０を介して燃料の流れを制御するためにコントローラ１０８によって動作され得る弁２７６Ａ、２７６Ｂおよび２７６Ｃを含むことができる。

構成要素の温度管理が統合システム１００内の他の構成要素と有利に統合され得る、様々な方式が存在する。たとえば、回路２６０内のＨＲＳＧ１１６内の給水が、電解槽２０１を加熱するために使用され得る。加えて、電解槽２０１の電解質は、ＨＲＳＧ１１６内のエコノマイザーコイルを介してガスタービン１１４の排気によって加熱され得る。代替的に、電解槽２０１は、給水がＨＲＳＧ１１６から取り出される場所に応じて、ＨＲＳＧ１１６の給水を介して冷却され得る。追加の例では、ガスタービン１１４に対する冷却回路が、電解槽２０１を加熱するために使用され得る。

蒸気タービン１１８は、クラッチ１６０を介して発電機１５６に接続されてよく、発電機１５６が蒸気タービン１１８から自由に回転して、無効電力および／または電圧サポートに対する同期凝縮器として機能することを可能にする。たとえば、クラッチ１６０は、発電機１５６を蒸気タービン１１８から切り離すためにコントローラ１０８によって動作されてよく、送電網１２８の位相角（Φ）を変更または調整するために、送電網１２８からＡＣ電力を供給され得る。

水素圧縮器１３８は、様々な原動力源または原動力源の組合せによって駆動され得る。たとえば、水素圧縮器１３８は、電気モータによって駆動され得る。他の例では、水素圧縮器１３８は、ＨＲＳＧ１１６またはコンバータ１３４などの他の熱源によって供給される蒸気によって駆動され得る。他の例は、ガスタービン１１４または蒸気タービン１１８から水素圧縮器１３８までの機械的駆動を含むことができる。

図７は、水素貯蔵システム１１０を示す概略図である。水素貯蔵システム１１０は、貯蔵タンク２８０とパイプライン２８２とを含むことができる。図７は、図１Ａおよび図１Ｂの統合電力生産システム１００とともに使用するのに好適な構成要素の別の図を表す。図７は、水素が、パイプライン２８２を介して水素生産システム１０６から遠く離れて設置されたタンク２８０を含む様々な容器内に貯蔵され得ることを示す。図１１～図１６Ｆに示す方式など、水素貯蔵１１０を設けるための様々な方式が存在する。図７の例では、水素貯蔵１１０は、様々な長さのパイプラインを含むことができ、パイプラインは、水素の貯蔵に対応するために典型的な動作圧力を超えて圧縮される。システム１１０は、たとえば、タンク２８０へのおよびからの水素の流れを制御するために、主コントローラ１０８（図１）に接続され得る。

図８は、産業施設３５０と連携して動作可能な、図１Ａおよび図１Ｂの統合電力生産システム１００を示す概略図である。産業施設３５０は、出力生成物３７６として様々な燃料、化学物質、または材料（鋼、アルミニウムなど）の生成物のうちの１つまたは複数を生産することができることが諒解されよう。産業施設３５０は、コントローラ３５２と変圧器３５４とを含むことができる。図１Ａおよび図１Ｂに示すように、統合電力生産システム１００は、酸素貯蔵システム１１２と酸素浄化システム１４０とを含むことができる。酸素浄化システム１４０は、圧縮器３５６を介して酸素貯蔵システム１１２に浄化された酸素を供給するように構成され得る。産業施設３５０は、酸素入力線３６０または３６２、水素入力線３６６、飽和蒸気線３６８、および圧縮蒸気線３７０を含む複数の入力を有することができる。

酸素入力線３６０は、電解槽２０１の出力においてシステム１００につながることができる。圧縮器３５６によって圧縮された酸素は、浄化器１４０によって浄化された後、酸素貯蔵システム１１２に流入することができる。酸素貯蔵システム１１２からの酸素は、線３６２において産業施設３５０に進むことができる。酸素は、さらに、線３６４の延長を介してＨＲＳＧ１１６において酸素貯蔵システム１１２からシステム１００に戻ることができる。水素入力線３６６は、水素浄化システム１３６の出力においてシステム１００につながることができる。飽和蒸気線３６８は、ＨＲＳＧ１１６と熱交換器１５８との間でシステム１００につながることができる。圧縮蒸気線３７０は、当業者によって諒解されるように、蒸気タービン１１８の入口またはＨＲＳＧ１１６の任意のドラムにおいてシステム１００につながることができる。

産業施設３５０は、その電圧が変圧器３５４によって変更され得る電力線３７２を介して送電網１２８（図１Ａおよび図１Ｂ）から電力を受けることができる。コントローラ３５２は、制御線３７４を介して主コントローラ１０８（図１Ａおよび図１Ｂ）と通信することができる。産業施設３５０は、生成物３７６を出力するために入力３６０～３６６および他の入力を使用して動作され得る。コントローラ３５２は、送電網１２８の状態に起因する水素、酸素および蒸気の利用可能性に基づいて、統合電力生産システム１００からの源を使用して出力生成物３７６を生産するために、コントローラ１０８と連携して働くことができる。そのため、線３６０～３７０は、コントローラ１０８およびコントローラ３５２によって動作され得る弁を含むことができる。

図９は、高温酸素を生産するために使用され得る熱ノズル３００の概略図である。熱ノズル３００は、筐体３０２、注入器３０４、入口ポート３０６および出口オリフィス３０８を含むことができる。筐体３０２はチャンバ３１０を含むことができ、チャンバ３１０に開口３１２がつながることができ、開口３１２の中に注入器３０４がポート３１４を通して挿入され得る。ポート３１４は、注入器３０４を出口オリフィス３０８と軸方向に整列させるように構成され得る。注入器３０４は、管腔３１６および排出オリフィス３１８を有するチューブを含むことができる。熱ノズル３００は、酸素および燃料を受けることができる。例では、熱ノズル３００は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ａｎｄｅｒｓｏｎの特許文献１に記述される熱ノズルと同様に構成され得る。しかしながら、熱ノズル３００は、付加的に開口３１２を含む。特許文献１に記述されるように、酸素が豊富な環境内の燃料の組合せは、軸方向に混合３２２を生み出す高温酸素の酸素ジェット３２０を生み出すことができる。開口３１２を追加することで、半径方向に混合３２６を生み出す高温酸素の酸素ジェット３２４がさらに提供され得る。

酸素ジェット３２０および３２４は、以下の特性、すなわち、再循環および混合３２２および３２６を生成するための一般的に７５０ｍ／ｓを超える高速と反応速度論をサポートする高いラジカル濃度とを有して熱ノズル３００から吐出され得る。これは、より高温の「燃焼」反応に対して、より低温の「酸化」反応を推進する。示される反応性および動力学は、高度な反応性ガスの注入に起因する。例では、予備加熱された酸素は、ＮＯｘをわずかにしか、またはまったく生成しないでＣＯおよびＮＯｘ前駆体（ＮＨ３およびＨＣＮ）を破壊する。

図１Ａおよび図１Ｂに戻って参照すると、熱ノズル３００は、ＨＲＳＧ１１６の入口ダクト１６４内に直接配置され得る。例では、熱ノズル３００に供給された酸素は、酸素貯蔵システム１１２から直接供給され得る。例では、酸素貯蔵システム１１２によって供給された酸素は、（ｉ）ＨＲＳＧ１１６の加熱水、（ｉｉ）ＨＲＳＧ１１６の加熱蒸気、（ｉｉｉ）ＨＲＳＧ１１６を通って流れる排出ガスのうちの１つまたは複数と熱的に連通することができる。任意の好適な熱交換器は、酸素と前述の流れとの間で熱を伝達するために使用され得る。

特許文献１の例示的なノズルは、層流の流れの中で高温酸素の急速混合をもたらすことを意図された、パイプの中など、おおむね層流の流れの中に注入するのに十分に適切であり得る高速出力を提供することができる。開口３１２は、ノズル３００の筐体３０２の周りの複数のロケーションに配置される出力オリフィスとして機能することができる。開口３１２は、ＨＲＳＧ１１６の入口ダクト１６４内など、大きい乱流域内で高温酸素の強化された混合をもたらすことが企図されている。

図１Ｂに示すように、例では、酸素貯蔵システム１１２によって供給される酸素は、ガスタービン１１４の入口に直接供給され得る。ガスタービン１１４の入口に酸素を直接導入することで、ガスタービンの質量流内の窒素の百分率組成が低減され、それによって、ＮＯｘの生成および排出が低減され得る。酸素貯蔵システム１１２からの酸素は、上記で説明した熱ノズル３００によって生み出された高温酸素の形態でガスタービン１１４の入口に直接供給され得る。例では、酸素貯蔵システム１１２からの酸素は、酸素貯蔵システム１１２の状態で（すなわち、熱ノズル３００を使用しないで）入口ダクト１６４に直接供給され得る。他の例は、入口ダクト１６４に導入される前に、酸素の状態を変えるために他の機器を含むことができる。そのような機器の例には、酸素貯蔵システム１１２からの酸素の圧力（および／または温度）を上げるためのポンプと、酸素貯蔵システム１１２からの酸素の圧力（および／または温度）を下げるための膨張ノズルまたは弁と、酸素貯蔵システム１１２から供給された酸素を加熱または冷却するために熱回収蒸気生成器１１６の様々な段階に設置され得る熱交換器とが含まれ得る。他の例は、貯蔵システム１１２からの酸素と、コントローラ１０８、１２０～１２６、電力変換機器１３３、１３４、水素生産システム１０６、またはガスタービン１１４など、熱の交換から利益を得ることができる他の電子もしくはプロセス構成要素との間の熱的連通を含むことができる。

表１に要約されるように、主コントローラ１０８と、他のコントローラ１２０、１２２、１２４、１２６ならびに図３～図７および図１０に関して示す様々なサブシステムの様々な他のコントローラとの間の協調を介して提供され得る様々な潜在的な動作状態がある。そのようなコントローラの例について、図２９を参照しながら説明する。

ケース１：週末の間など、消費者１５２による電力需要が比較的低いときにＧＴＣＣプラント１０４が停止される。再生可能電力源１３０、１３２によって（消費者１５２によって要求される量を超えて）供給される余剰電力は、水素貯蔵システム１１０内に貯蔵される水素を生産するために、送電網１２８を介して水素生産システム１０６の変圧器１３３、コンバータ１３４および電解槽に供給される。ＧＴＣＣプラント１０４は停止されているので、それは、比較的「冷たい」熱状態にある。そのような「冷たい」熱状態において、温度勾配および熱応力を最小化するために、ＧＴＣＣプラント１０４の電力出力を徐々に定率上昇させることが望ましい。しかしながら、時々起こり得るように、送電網１２８は、おそらく大きい産業の消費者がその工場を起動することからの大きい電力の需要に備えるように要求される（ｃａｌｌｅｄ ｕｐｏｎ）ことがある。通常、ＧＴＣＣプラント１０４は、ガスタービン１１４内に高い温度勾配および熱応力を課すことがある「急速起動」を要求されることがある。システム１００の構成要素の統合は、ガスタービン１１４が望ましいゆっくりした起動を行いながら、大きい需要の電力を直ちに供給することを可能にする代替解決策を提供する。この場合、水素生産システム１０６の電解槽は直ちにまたはできるだけ速やかに停止され、以前は電解槽によって消費されていたエネルギーは次に、直ちにまたはできるだけ速やかに送電網１２８に対して利用可能になり、再生可能源１３０、１３２から消費者１５２に分配することができる。同時に、以前は電解槽によって消費されていた電力を、消費者１５２に対して利用可能にしている間に、ＧＴＣＣプラント１０４は、望ましい定率上昇速度でプロセスの暖機運転を開始することができる。すなわち、電解槽のほぼ即座の停止は、ＧＴＣＣ１０４のガスタービン１１４に高い温度勾配および熱応力を課することなく、ＧＴＣＣ１０４による「急速起動」をシミュレートする。

ケース２： ＧＴＣＣ１０４は、最小の（約３０％の）負荷で運転し、天然ガスで運転して「待機」している（ｐａｒｋｅｄ）。送電網１２８上の電力に対する需要は低いので、電力は安価であり、水素生産システム１０６の電解槽は全負荷で運転することができ、送電網１２８および／またはＧＴＣＣ１０４からの電力は水素貯蔵システム１１０内に貯蔵される水素ガスを生産するために消費される。ケース１と同様に、消費者１５２から電力の緊急の増加を要望されることがある。再び、電解槽は速やかに停止して、見かけ上ほぼ即座の電力の供給を送電網１２８に提供することができる。ＧＴＣＣ１０４は最小負荷で運転しているので、電力を生産するその能力は、ケース１より速く定率上昇され得る。再び、急速な電力に対する需要は、ＧＴＣＣ１０４の急速な定率上昇ではなく、電解槽の消費を削減することによって実現され得る。天然ガスで運転する代わりに、ＧＴＣＣ１０４が待機して（ｐａｒｋｅｄ）水素で運転している場合、排出物は、二酸化炭素のない単なる水蒸気であり得ることが諒解されよう。

ケース３：電力に対する需要は高いが、急速に低下する。大口の産業の消費者１５２が突然なくなって（ｔｒｉｐ ｏｆｆ）、送電網１２８からの電力の需要が突然低下することを考察する。需要は高いので、ＧＴＣＣ１０４はベース（全）負荷で動作しており、水素生産システム１０６の電解槽は、多量の水素を生産すること（多量のエネルギーを送電網１２８から消費すること）はできない。電解槽が（たとえば、図３～図６を参照しながら本明細書で説明したようにＨＲＳＧ１１６からの熱を介して）暖かい状態に保たれている場合、電解槽は直ちに水素の生産を１００％まで増加させて、以前は大口の産業の消費者１５２によって消費されていた電力を直ちに消費し始めることができる。すなわち、電解槽を急速に起動することで、産業の消費者１５２からの需要の低下を迅速に置き換えることができる。そのため、ＧＴＣＣ１０４は、ＧＴＣＣ１０４の温度勾配を低減するために（水素生産システム１０６の電解槽とバランスを取りながら）ゆっくりした定率下降を開始することができる。電解槽によって消費される余剰電力は、ＧＴＣＣ１０４によって後で電力に変換するために、水素貯蔵システム１１０内に水素の形態で貯蔵され得る。

ケース４： ＧＴＣＣ１０４はオフであり、水素生産システム１０６の電解槽は部分負荷で運転している。源１３０、１３２からの再生可能電力の利用可能性が低下するにつれて、電解槽は、水素生産を低減して送電網１２８のバランスを維持することができる。

ケース５： ＧＴＣＣ１０４は無負荷で最高速度で（温度および速度次第で、しかし電力の生産をせずに）動作しており、水素貯蔵システム１１０からの水素で運転している。送電網１２８は電力需要の増加を認識してそれに応答し、ＧＴＣＣ１０４は負荷に対して定率上昇を開始しながら、水素生産システム１０６の電解槽による水素の生産は減少させることができる。ガスタービン１１４に給電するのに利用可能な水素が不足する場合、ＧＴＣＣ１０４は、弁１４４を介して天然ガスの流れを開き始めることができる。

ケース６：ガスタービン１１４の発電機１５４は、同期凝縮器として運転しており、水素生産システム１０６の電解槽は、送電網１２８から電力を消費しながら、送電網１２８のバランスを維持して水素ガスを生産する。送電網１２８が電力に対して増加する需要を感知し始めると、主コントローラ１０８は、他のコントローラ１２０～１２６ならびに図３～図７および図１０のサブシステムの他のコントローラに指示して電解槽を定率下降させ、ＧＴＣＣ１０４を、最初に弁１４４を介して天然ガス燃料で、続いて貯蔵システム１１０および弁１４２を介して水素ガスと置き換えて定率上昇させることができる。

６つの個別のケースを上記で説明したが、本開示の範囲がそのように限定されることはなく、説明したそれらの特定の状態の間の任意の中間の動作状態など、およびすべて天然ガスで、すべて水素で、または天然ガスと水素との任意の組合せで運転することなど、上記のケースの各々またはすべての様々な組合せを含むことが諒解されよう。

図１０は、双方向インバータ４０６およびＤＣ－ＤＣインバータ４０８Ａおよび４０８Ｂを介して送電網１２８に接続される電気分解パック４０２、バッテリパック４０４および再生可能エネルギー生産機４０５を含む水素生成システム４００の概略図である。システム４００は、第１の遮断器４１０Ａ、第２の遮断器４１０Ｂ、第３の遮断器４１０Ｃ、第４の遮断器４１０Ｄ、第５の遮断器４１０Ｅおよび第６の遮断器４１０Ｆをさらに含むことができる。送電網１２８からの電力は、変圧器４１２Ａおよび４１２Ｂを通ってシステム４００に伝達され得る。双方向インバータ４０６は、ＡＣコンバータ４１４およびＤＣコンバータ４１６を含むことができる。ＤＣ－ＤＣインバータ４０８Ａは、第１のコンバータ４１８Ａおよび第２のコンバータ４２０Ａを含むことができる。ＤＣ－ＤＣインバータ４０８Ｂは、第１のコンバータ４１８Ｂおよび第２のコンバータ４２０Ｂを含むことができる。電気分解ユニット４２８は（それらの水素の出力を介して）ＧＴＣＣ４２２に接続され、ＧＴＣＣ４２２は発電機４２４に接続され得る。電気分解ユニット４２８は、酸素消費者４２６にも接続され得る。

変圧器４１２Ａは、送電網１２８から水素生成システム４００に電力を伝達することができる。同様に、変圧器４１２Ｂは、変圧器４１２Ａからコンバータ４０６に電力を伝達することができる。双方向インバータ４０６は、ＡＣコンバータ４１４を介して変圧器４１２Ａからの交流電流を直流電流に変換することができる。電気分解パック４０２は、インバータ４０６からの電流を受けるために、直列または並列などで一緒に電気接続され得る複数の電気分解ユニット４２８を含むことができる。各電気分解ユニット４２８は、ＤＣを介するなど、電気を使用して水（Ｈ２Ｏ）の入力を水素（Ｈ２）ガスおよび酸素（Ｏ２）ガスに変換するように構成され得る。

インバータ４０８Ａは、インバータ４０６からのＤＣを１つの電圧から、バッテリパック４０４を用いて使用するのに好適な別の電圧に変換することができる。バッテリパック４０４は、インバータ４０８Ａから電流を受けるためまたはそれに電流を供給するために、直列または並列などで一緒に電気接続され得る複数のバッテリユニット４３０を含むことができる。

再生可能エネルギー生産機４０５は、インバータ４０８Ｂに電気入力を供給するために直列または並列で一緒に接続され得る、太陽電池パネルおよび風力タービンの一方または両方の複数の事例４３２を含むことができる。インバータ４０８Ｂは、再生可能エネルギー生産機４０５からのＤＣをインバータ４０６を用いて使用するのに好適な電圧に変換するなど、ＤＣを１つの電圧から別の電圧に変換することができる。

第１の状態では、遮断器４１０Ａ～４１０Ｄは閉止であり得る。そのような状態では、電気分解ユニット４２８は、電気および水を水素および酸素に能動的に変換することができ、バッテリユニット４３０が同時に充電され得る。第１の状態は、長期貯蔵のために水素貯蔵システム１１０および酸素貯蔵システム１１２（図１）などにおいて水素および酸素の生産物が貯蔵されているとき、および短期貯蔵のためにエネルギーがバッテリユニット４３０に貯蔵されているときに使用され得る。第１の状態は、再生可能エネルギー源、たとえば風力電力源１３０および太陽光電力源１３２（図１）が高容量で動作しているときなど、送電網１２８に利用可能な余剰のエネルギーがあるときに発生することができる。

第１の状態では、遮断器４１０Ｅおよび４１０Ｆは、開放または閉止であり得る。遮断器４１０Ｅの開放によって、再生可能エネルギー源４０５は非生産状態にあり得る。遮断器４１０Ｅの閉止によって、再生可能エネルギー源４０５は、たとえば、電気分解ユニット４２８を用いて水素を生産してバッテリユニット４３０内に電力を貯蔵するために、電力を生産して供給することができる。遮断器４１０Ｆの開放によって、ＧＴＣＣ４２２は停止され得る。遮断器４１０Ｆの閉止によって、ＧＴＣＣ４２２は、最小負荷などにおいて、待機サービスのために動作することができる。

第２の状態では、遮断器４１０Ａ、４１０Ｂおよび４１０Ｄは閉止であり、遮断器４１０Ｃは開放であり得る。そのような状態では、送電網１２８からの余剰電力は、バッテリユニット４３０に貯蔵され得る。したがって、電気分解パック４０２を運転させないことが望まれる期間中の送電網１２８からの余剰電力は、後で電気分解パック４０２で使用するために貯蔵され得る。

第２の状態では、遮断器４１０Ｅおよび４１０Ｆは、開放または閉止であり得る。遮断器４１０Ｅの開放によって、再生可能エネルギー源４０５は非生産状態にあり得る。遮断器４１０Ｅの閉止によって、再生可能エネルギー源４０５は、たとえば、バッテリユニット４３０内に電力を貯蔵するために生産中であり得る。遮断器４１０Ｆの開放によって、ＧＴＣＣ４２２は停止され得る。遮断器４１０Ｆの閉止によって、ＧＴＣＣ４２２は、最小負荷などにおいて待機サービスのために動作中であり得る。

第３の状態では、遮断器４１０Ａ、４１０Ｂおよび４１０Ｄは閉止であり、遮断器４１０Ｃは開放であり得る。そのような状態では、バッテリユニット４３０は送電網１２８に排出中であり得るか、または待機モードにおいて送電網１２８に接続され得る。したがって、バッテリユニット４３０はエネルギー貯蔵サービスのために使用され得る。第３の状態における動作の利益には、伝統的なバッテリエネルギー貯蔵システム（ＢＥＳＳ）サービスを含む、ピーク電力（たとえば、バッテリユニット４３０から送電網１２８に追加の電力を供給する）、周波数調節（たとえば、送電網１２８の周波数を調整するためにバッテリユニット４３０を使用する）、電圧、無効電力が含まれる。

第３の状態では、遮断器４１０Ｅは、再生可能エネルギー源４０５が電力を供給しない開放であり得る。遮断器４１０Ｆの開放によって、ＧＴＣＣ４２２は停止されてよく、バッテリユニット４３０は伝統的なサービスを提供するかまたは瞬動予備力（ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｒｅｓｅｒｖｅ）として働くことができる。遮断器４１０Ｆの閉止によって、ＧＴＣＣ４２２およびバッテリユニット４３０は送電網１２８に電力を追加中であり得る。

第４の状態では、遮断器４１０Ａは閉止であり、遮断器４１０Ｂ、４１０Ｃおよび４１０Ｄは開放であり得る。そのような状態では、双方向インバータ４０６は、電力変換システムサービスを提供しかつ無効電力サービスを提供するために送電網１２８に接続され得る。

第４の状態では、遮断器４１０Ｅは、再生可能エネルギー源４０５が電力を供給しない開放であり得る。遮断器４１０Ｆの開放によって、ＧＴＣＣ４２２は停止され得る。遮断器４１０Ｆの閉止によって、ＧＴＣＣ４２２は、電力、無効サービスおよび慣性を提供中であり得る。

第５の状態では、遮断器４１０Ａおよび４１０Ｄは閉止であり、遮断器４１０Ｂおよび４１０Ｃは開放であり得る。第５の状態は、電力変換システムサービスを送電網１２８に提供するため、無効電力サービスを提供するため、および再生可能エネルギー源４０５をバッテリユニット４３０に接続するために有用であり得る。

第５の状態では、遮断器４１０Ｅは閉止であり、それにより、再生可能エネルギー源４０５はバッテリユニット４３０を充電することができる。遮断器４１０Ｆの開放によって、ＧＴＣＣ４２２は停止され得る。遮断器４１０Ｆの閉止によって、ＧＴＣＣ４２２は、電力、無効サービスおよび慣性を提供中であり得る。

第６の状態では、遮断器４１０Ａ、４１０Ｂおよび４１０Ｃは閉止であり、遮断器４１０Ｄは開放であり得る。そのような状態では、システム４００は電気分解送電網接続であり得る。第６の状態は、（たとえば、システム１１０への水素およびシステム１１２への酸素の貯蔵を介する）長期貯蔵のための水素および酸素の生産のために有用であり得る。

第６の状態では、遮断器４１０Ｅおよび４１０Ｆは、開放または閉止であり得る。遮断器４１０Ｅの開放によって、再生可能エネルギー源４０５は非生産中であり得る。遮断器４１０Ｅの閉止によって、再生可能エネルギー源４０５は、たとえば、水素を生産するために電力を電気分解ユニット４２８に供給するために生産中であり得る。遮断器４１０Ｆの開放によって、ＧＴＣＣ４２２は停止され得る。遮断器４１０Ｆの閉止によって、ＧＴＣＣ４２２は、最小負荷などにおいて待機サービスのために動作中であり得る。

第７の状態では、遮断器４１０Ｃおよび４１０Ｄは閉止であり、遮断器４１０Ａおよび４１０Ｂは開放であり得る。そのような状態では、電気分解パック４０２はバッテリパック４０４に接続され得る。第７の状態は、水素および酸素を生産するために電気分解ユニット４２８を用いて使用するためにバッテリユニット４３０内に貯蔵された余剰電力を回収し、それによって短期貯蔵を長期貯蔵に（たとえば、システム１１０への水素およびシステム１１２への酸素の貯蔵を介して）シフトするのに有用であり得る。

第７の状態では、遮断器４１０Ｅおよび４１０Ｆは、開放または閉止であり得る。遮断器４１０Ｅの開放によって、再生可能エネルギー源４０５は非生産状態にあり得る。遮断器４１０Ｅの閉止によって、再生可能エネルギー源４０５は、たとえば、水素を生産するために電力を電気分解ユニット４２８に供給するために生産中であり得る。遮断器４１０Ｆの開放によって、ＧＴＣＣ４２２は停止され得る。遮断器４１０Ｆの閉止によって、ＧＴＣＣ４２２は、最小負荷などにおいて待機サービスのために動作中であり得る。

図１０は、電気分解ユニット４２８がシステム１００に統合され得るシステムを示す。システム４００は送電網１２８と無関係に動作することができるように、システム４００は、送電網１２８に接続されない遮断器４１０Ａ内にＤＣサブシステムを設けることができる。したがって、再生可能エネルギー生産機４０５からのエネルギーは、バッテリ内に貯蔵され得るか、または電気分解ユニット４２８によって直接使用され得る。バッテリユニット４３０の包含は、付加的に、電気分解ユニット４２８の数、または電気分解ユニット４２８の損傷を低減するために使用され得る。たとえば、バッテリユニット４３０は、再生可能エネルギー生産機４０５または送電網１２８からの電力が利用可能出ないときに電気分解ユニット４２８を動作状態にまたは暖機された状態に維持するために使用され得、それによって電気分解ユニット４２８の循環が低減され得る。例では、システム４００の構成要素は、異なる参照番号と同様の名前を有する、図１Ａ～図９の構成要素を含むことができる。たとえば、電気分解ユニット４２８は電解槽２０１を含むことができ、バッテリユニット４３０はバッテリ２２２を含むことができる。

貯蔵システム

本出願は、付加的に、水素貯蔵に使用され得る複数の貯蔵システム、貯蔵システムを組み込むための手段および方法、およびそのような貯蔵システムを統合電力生産施設に接続する方法を開示する。

水素ならびに他のガスを様々な貯蔵容器内に貯蔵することが知られている。一般的な貯蔵容器配置は、特に運搬可能であり得る容器に対する運搬安全要件を組み込むＡＳＭＥおよび／またはＤＯＴ規格に認定され得る鍛造チューブを含む。これらの貯蔵容器は、そのような規格を満たすためにフランジおよび／または半球の端部など、特定の設計形体を組み込むことができる。そのような安全および認定のマージンを有する容器は、生産するには高価である。

本開示は、安全で、組み込みが容易で安価であり得る定置型パイプラインのために複数の構成を提供する。定置型パイプラインは、標準圧力を超える加圧状態を経て、水素のための貯蔵容器として使用され得る。加えて、パイプラインが容易に利用可能にまたは使用状態にならない場合、標準パイプが、地上および／または地下の両方に貯蔵容器として配置され得る。

図１１は、たとえば、水素を貯蔵するためなど、ガス貯蔵システムとして利用され得る、垂直に配置されたパイピングシステム５００を示す。パイピングシステム５００は、圧縮器５０５、１つまたは複数の通気サブシステム５１０、通気孔５１２、弁５１４Ａ～５１４Ｇ、圧力トランスデューサなどの適切なセンサ５１５、貯蔵パイプ５２０、および接続線５２２Ａ～５２２Ｆを含む、水素の容認可能な量および圧力を提供して維持するための様々なサブシステムを含むことができる。例では、貯蔵パイプ５２０は地面５２５の下に埋設され得る。例では、システム５００は、システム５００の貯蔵容量を増加させるために、システム５００または本明細書で説明する他のシステムと同様であり得る隣接する貯蔵システム５３０に接続され得る。

図１２は、クラスタ５５４に相互接続された複数の貯蔵パイプ５２０を含む貯蔵システム５５０を示す。システム５５０は、電気分解ユニットなど、水素を生成または生産する１つまたは複数の生産機５５２に接続され得る。クラスタ５５４は、線５２２Ａなど、システム５５０の地上部に接続する共通ヘッダパイプ５５６に接続されたパイプ５２０のパックを含むことができる。図示の例では、クラスタ５５４の各々は６本のパイプ５２０を含む。現在の掘削技術を用いて、地面５２５レベルの地下２マイルまで埋設され得るパイプ５２０を含むことができるシステム５５０が企図されることが諒解されよう。比較のために、パイプ５２０は、比較可能な参考として９つのエンパイアステートビルに相当する端から端までの長さに積み重ねられ得る。図１１のシステム５００または図１２のシステム５５０の例では、利用される深さは、貯蔵される必要のある水素の量に直接関連することが予期される。すなわち、より長いパイプは、より多い量（たとえば、体積）の水素を貯蔵するために、より深い地下に延ばされ得る。

例では、パイプ５２０は、裸孔内に挿入されている鋼管であり得る。例では、パイプ５２０は、繊維強化複合材料ならびに他の金属および合金などの他の材料で作られ得る。例では、パイプ５２０は、標準の井戸ケーシング、または水素を含有するのに十分なように接合された複数の井戸ケーシングを含むことができる。例では、井戸を水素の含有に好適にするように取り扱うため、井戸を取り巻く地質を水素不透性にするためなど、他の貯蔵配置が使用され得る。

パイプ５２０の垂直円筒タンクまたは容器は、高圧Ｐ_ｈｉｇｈでガスを貯蔵し、必要なときにより低い圧力Ｐ_ｌｏｗに下げた水素の体積を供給することができる。そのため、任意のそのようなパイプ内の水素の貯蔵容量は、Ｐ_ｈｉｇｈにおいてパイプ５２０の体積内に貯蔵され得る水素の量から、Ｐ_ｌｏｗにおいてパイプ５２０の体積内に貯蔵され得る水素の量を引いた量であり得る。パイプ５２０を地面５２５の下に設置するための組み込み技法には、開鑿または掘削が含まれ得る。加えて、パイプ５２０は、既存の（廃棄されたものなどの）油および／またはガスの生産井の中に組み込まれ得る。弁、変換器、ヘッダ、および／またはマニホルドなど、様々な支援サブシステムが、地面５２５のグレード（ｇｒａｄｅ）の上または下のいずれかに組み込まれ得る。

圧縮器５０５は、水素をＰ_ｈｉｇｈなど、必要な貯蔵圧力まで圧縮するためにエネルギーを消費することが諒解されよう。再生可能電力の生産のピークおよび利用可能性のピークの時間が一致し得る、水素（および／または電力）に対する需要が低い時間の間、圧縮器５０５は、水素を必要な貯蔵圧力まで圧縮するために動作され得ることが予期される。同様に、水素（および／または電力）に対する需要が高い期間中、圧縮器５０５は電力を節約するためにオフにされてよく、水素は、熱的燃焼および／または１つまたは複数の燃料電池を介して電力などのエネルギーを供給するためにパイプ５２０から引き出され得る。

パイプ５２０内の水素の圧力はＰ_ｌｏｗに接近する（またはＰ_ｌｏｗより下がる）ことができるので、圧縮器５０５は、パイプ５２０から水素を引き出して、パイプ５２０内の圧力より大きくあり得る任意の特定の所望の圧力において水素を供給するために使用され得る。

図１３Ａは貯蔵システム５６０を示す。貯蔵システム５６０は貯蔵システム５００（図１）と同様であり得る。しかしながら、貯蔵システム５６０は、方向変化を含む容器５６２（パイプなど）を含むことができる。容器５６２は、垂直部分５６４および水平部分５６６を含むことができる。他の産業（石油、ガスおよび／または水の探査）において利用される傾斜掘削技法は、必要とされる深さまで掘る必要なしに、またはそうでなければ必要とされる深さまで掘ることを障害物が妨げるかまたは遮るとき、システム５００の貯蔵容量を増加させるために利用され得ることが企図される。上記で説明したように、複数のシステム５６０が、増加された貯蔵容量を提供するために、一緒に流体連通してクラスタ５６８内に配置され得る。図１３Ｂに示すように、各クラスタ５６８は、システム５６０のうちの１つから６つの容器５６２のマトリクスを含むことができる。クラスタ５６８は垂直に積み重ねられ得る。

図１４Ａおよび図１４Ｂは、クラスタ配置５７０の上面図および側面図を示す。クラスタ配置５７０は、関連するサブシステムのすべてが多くの貯蔵容器に対する共通接続点の近くに位置することができるように、地上の空間の効率的使用を可能にし得る放射形状を含む。クラスタ配置５７０は、容器の端部が共に接近している中心部５７４の近くに容器５７２の第１の端部が設置される場所に配置された容器５７２を含むことができ、容器５７２は、中心部５７４から離れて半径方向に、容器５７２の端部が遠く離れる外側部分５７６まで延びることができる。容器５７２は、本明細書で説明するパイプを含むことができ、直線構成に、または曲線のもしくは角度付きの方向変化を有する構成に配置され得る。

図１５は貯蔵システム５８０の概略図である。システム５８０は、容器５８８の３つの層５８２、５８４、５８６を有する配置を示す。層５８２～５８６は、様々な方式で線５２２Ａにつながることができる。各層５８２、５８４、５８６の中の容器５８８は、ヘッダパイプ５９２において層１の層５８２で示すように、線５９０を使用してグレードの上で個別に配管され得る。個別の容器５８８は、層２の層５８４の配列で示すように、グレードの上で配管する前に線５９４を介して共通ヘッダ５９２に接続され得る。個別の層は、層１で示すように独立しているか、または層２の層５８４と層３の層５８６との間を線５９６を使用して接続される状態を示すように、上または下の層と流体連通することができる。

図１６Ａ～図１６Ｃは、層５８２～５８６の様々な断面図を示す。図１６Ａは、対称的に配置された層５８２～５８６を示す。図１６Ｂおよび図１６Ｃは、非対称に配置された層５８２～５８６を示す。層５８２～５８６は、個別の容器５８８の間の機械的支持のコストを最小化すること、ならびに必要な総空間を低減することを目的として配置され得る。例では、容器５８８は、土によってまたは人工的支持物によって適所に固定され得る。

図１６Ｄおよび図１６Ｅは、容器５８８が溝５９０内に配置される代替層配置を示す。

任意の構成における容器５８８は、完全に地表面下に組み込まれてよく、または図１６Ｆに示すように維持管理および検査のために端部において、もしくは様々なサブシステムのロケーションにおいて、アクセス通路５９６を有して組み込まれてもよい。このようにして、容器５８８の端部に接続された弁はアクセス可能であり得る。

図１７、図１７Ａおよび図１７Ｂは、ガントリーシステム６００の図を示す。ガントリーシステム６００は、本明細書で説明する様々な容器の製作および架設のために使用され得る。

図１７は、垂直部分６０４および水平部分６０６を有する支持構造６０２を含むガントリーシステム６００の上面図を示す。図１７Ａは、離隔された垂直部分６０４を示すガントリーシステム６００の側面図である。図１７Ｂは、水平部分６０６で接続された垂直部分６０４を示すガントリーシステム６００の側面図である。

ガントリーシステム６００は溝６０８の上に組み込まれ得る。垂直部分６０４は、溝６０８の両側に沿ってグレード５２５の上で地中に組み込まれ得る。水平部分６０６は、溝６０８の両側で垂直部分６０４を接続することができる。垂直部分６０４および水平部分６０６は、一時的支持構造を形成することができる。

図１８は、ガントリーシステム６００の支持構造６０２に対する溶接ガントリー６２０の上面図を示す。図１８Ａは、分かりやすくするためにガントリーシステム６００を省略して容器６２２および溶接ユニット６２１を示す、溶接ガントリー６２０の側面図である。図１８Ｂは、支持構造６０２内で車輪６２４上に配置された溶接ガントリー６２０を示すガントリーシステム６００の側面図である。

溶接ガントリー６２０は、車輪６２４がそこに搭載され得る下部フレーム６２６を含むことができる。下部フレーム６２６は、支持体６３０を介して上部フレーム６２８に接続され得る。容器６２２は、ケーブル６３２およびホイスト６３４を使用して上部フレーム６２８から吊るされ得る。溶接ガントリー６２０は、個別のセクション６３６単独の長さより長い容器６２２を形成するために、個別のセクション６３６を一緒に溶接することができる溶接ユニット６２１を含むことができる。溶接ユニット６２１は、溶接前後の熱処理、Ｘ線写真、環境制御などを管理するために完全に囲まれ得る。例では、溶接ユニット６２１は、同じく、要件があまり厳しくない可能性があるアプリケーションに対して、より低コストの代替物を提供するために、大気に開放され得るかまたは部分的に保護され得る。溶接ガントリー６２０は、ガントリーシステム６００に沿って移動すること、および溶接ユニット６２１を用いて溶接動作を実行することをロボットで制御され得る。

例では、第１のステップは、容器６２２のための溝６０８に対するロケーションを設けるために、グレード５２５における土を掘って除くことであり得る。用地の掘削に続いて、一時的支持構造６０２が組み込まれ得る。一時的支持構造６０２は、垂直部分６０４および水平部分６０６を含むことができる。支持構造６０２を組み込んだ後、溶接ユニット６２１を有する溶接ガントリー６２０が組み込まれ、パイプの様々なセクション６３６が所望の容器長さを取得するために接合され得る。溶接ガントリー６２０は、パイプセクション６３６を作業台上の適所に移動させるためのトロリーを有するホイスト６３４を含むことができる。ガントリー６２０は、一時的支持構造６０２の両側にホイスト６３４を含むことができ、それにより、パイプのセクション６３６は、溶接処理などの構築の効率を最適化するために、構造の両側に設けられ得る。

図１９は、溝６０８に対する溶接ガントリー６２０のロケーションを示すガントリーシステム６００の上面図を示す。図１９Ａは、容器６２２を形成する組み立てパイプのセクション６３６を支持する一時的支持構造６０２と、パイプの別のセクション６３６を支持する溶接ガントリー６２０とを示すガントリーシステム６００の側面図である。図１９Ｂは、一時的支持構造６０２と、同じ水平レベルにおいてパイプのセクション６３６を保持する溶接ガントリー６２０とを示すガントリーシステム６００の側面図である。

図２０～図２０Ｂは、システム６００の使用に対するさらなる構成の詳細と組み込みステップとを示す。一時的支持構造６０２は、容器６２２を溝６０８の中に均等に下げるために同期ホイスト６３８に接続されたワイヤロープ６４０を含むことができる。溶接ガントリー６２０は、パイプのセクション６３６の真下で構造６０２によって支持されてよく、所望の長さの容器６２２を形成するために、セクションの端部を一緒に溶接するためにセクションからセクションに移動することができる。

図２１～図２２Ｂは、システム６００を使用するさらなる組み込みステップを示す。各容器６２２が一緒に溶接されて所望の長さになると、各容器６２２は、ホイスト６３８を介して溝６０８の中に下され、望みどおりに配置され得る。容器６２２の１つの層が完了すると、容器６２２の次の層を支持するために、土６４２が溝６０８の中の容器６２２の第１の層の上に埋め戻され得る。通路アクセスが採用される（図１６Ｆ参照）場合、土６４２は、通路に対する端部をカバーしない。図２３Ａ～図２３Ｃに示すように、これは、容器６２２の層の完全な配置が設けられて土で埋め戻されるまで、または他の支持構造が適切となるまで継続する。図２３Ａは、容器６２２が完全に埋められ、ヘッダパイプ６４４だけが土６４２のグレード５２５の上に延びることを示す。

一時的支持構造６０２および溶接ガントリー６２０を含むガントリーシステム６００は、長い長さに組み立てられるパイプを現場で組み立てて、組み立てられたパイプを製作された場所に下すことを可能にし得る。ホイスト６３８は、溝６０８のすべてへのアクセスを提供するために、支持構造６０２に沿って左右に長手方向に移動することができる。ワイヤロープ６４０は、パイプのセクションを溝６０８に対して垂直に移動させることができる。そのため、パイプのセクションは、溝６０８内で様々な３次元位置に移動され得る。溶接ガントリー６２０は、溝６０８の上の支持構造６０２の中を長手方向に移動することができる。ホイスト６３４は、溝６０８のすべてへのアクセスを提供するために、ガントリー６２０上を左右に移動することができる。ケーブル６３２は、パイプのセクションを溝６０８に対して垂直に移動させることができる。そのため、パイプのセクションは、溝６０８内で様々な３次元位置に移動され得る。このようにして、溶接ガントリー６２０は、パイプのセクションを支持構造６０２内に積み込んで、支持構造６０２によって支持されるパイプのセクションの上に追加のパイプのセクションを組み立てるために使用され得る。溶接ガントリー６２０は、組み立てられた長さのパイプセクションを溝６０８内に移動させるために、支持構造６０２の邪魔にならないように移動すること、または支持構造６０２とともに働くことができる。

図２４～図２７は、水素貯蔵容量を増加させる必要性に対応することができるように、パイプ貯蔵システム７０２、７０４、７０６および７０８が逐次追加されるステップのシーケンスにわたって貯蔵システム７００を示す。貯蔵システム７００は、送電網１２８（図１Ａおよび図１Ｂ）と通信するための主コントローラ１０８と通信するための貯蔵コントローラ７１０を含むことができる。

図２４は、水素生産ユニット７１２と水素を消費する消費者７１４とを含む第１のシステム７０２を示す。水素生産ユニット７１２および消費者７１４は、パイピング７１６によって接続され得る。加えて、システム７０２は、適切なセンサ７１８およびアクチュエータを含みかつ貯蔵コントローラ７１０と信号および制御を通信することができ、貯蔵コントローラ７１０は、送電網コントローラ１０８によって規定または指示され得るように、適切な状態に応答して水素を貯蔵および供給するために、システム７００および（本明細書の他の図、特に図１１～図２３Ｃを参照しながら上記で説明した）関連するサブシステムを動作させることができる。圧縮器７２２は、システム７０２を通して水素を圧縮して移動させるためにパイピング７１６内に設けられ得る。例では、第１のシステム７０２は、図１２のシステム５５０と同様に構成され得る。

図２５は、上記で説明した容器ではなく、岩塩空洞７３０を貯蔵システムとして有する第２の貯蔵システム７０４の追加を示す。システム７０４は、水素生産ユニット７３２および消費者７３４を有することができる。加えて、システム７０４は、適切なセンサ７３６およびアクチュエータを含みかつ貯蔵コントローラ７１０と信号および制御を通信することができ、貯蔵コントローラ７１０は、送電網コントローラ１０８によって規定または指示され得るように、適切な状態に応答して水素を貯蔵および供給するために、システム７０４および（本明細書の他の図、特に図１１～図２３Ｃを参照しながら上記で説明した）関連するサブシステムを動作させることができる。圧縮器７３８は、システム７０４を通して水素を圧縮して移動させるためにパイピング７４０内に設けられ得る。図２５に示すように、システム７０２および７０４は、それぞれ、コントローラ７１０と信号および制御を通信することができるが、水素を分配するための各々の能力に関して分離されている。すなわち、システム７０２の貯蔵は、システム７０４の生産機７３２から水素を受けることはできず、システム７０４の消費者７３４に水素を供給することができない。同様に、システム７０４内に貯蔵された水素は、システム７０２の生産機７１２または消費者７１４と交換され得ない。

図２６は、第３の貯蔵システム７０６の追加を示す。諒解されるように、貯蔵システム７０６は、図２４を参照しながら説明したシステム７０２と同じ構成要素を含み、分かりやすくするためにここでは説明されない。図２６に示すように、システム７０２、７０４および７０６のすべては、それぞれ、貯蔵コントローラ７１０と信号および制御を通信することができる。システム７０２および７０６は、水素を分配するためのそれらの能力に関して接続される。すなわち、システム７００の貯蔵は、システム７０６の生産機７１２から水素を受けることができ、システム７０６の消費者７１４に水素を供給することができる。同様に、システム７０６内に貯蔵された水素は、システム７００の生産機７１２または消費者７１４と交換され得る。しかしながら、図２６に示すように、システム７００および７０６は、水素をシステム７０４に分配するための各々の能力に関してシステム７０４から分離される。

図２７は、第４の貯蔵システム７０８の追加を示す。諒解されるように、貯蔵システム７０８は、図２４を参照しながら説明したシステム７０２と同じ構成要素を含み、分かりやすくするためにここではラベルづけせずまたは説明されない。図２７に示すように、システム７０２、７０４、７０６および７０８は、それぞれ、貯蔵コントローラ７１０と信号および制御を通信することができる。図２７は、システム７０８の導入が、システム７０２および７０６とシステム７０４とを「一緒に橋渡しする」ことを示す。それによって、システム７０２、７０４、７０６および７０８は、水素を互いの間で分配するための各々の能力に関してすべて接続される。すなわち、システム７０２、７０４、７０６および７０８の各々の貯蔵は、他のシステム７０２、７０４、７０６および７０８のうちのいずれかの生産機７１２および生産機７３２から水素を受けることができ、他のシステム７０２、７０４、７０６および７０８のうちのいずれかの消費者７１４および消費者７３４に水素を供給することができる。そのような状況では、岩塩空洞７０４に関連する大貯蔵量の水素が、他のシステムによって利用され得る。加えて、システム７０２、７０４、７０６または７０８のいずれかからの任意の水素生産機が動作不能になるか、または維持管理もしくは修理に起因して利用不能になる場合、他のシステムのうちのいずれかによって生産または貯蔵された水素が、場合によっては利用不能になるシステムに関連する消費者による使用が利用可能になり得る。

貯蔵システム７００は、図１Ａおよび図１Ｂの水素貯蔵システム１１０の一例を含むことができる。追加の例では、図１Ａおよび図１Ｂの水素貯蔵システム１１０は、システム７０２、７０４、７０６および７０８のうちの１つを含むことができる。

図２９は、統合電力生産システム１００を動作させるためのコントローラ１０８と、水素生産システム１０６およびＧＴＣＣ１０４を動作させるためのコントローラ１２０～１２６との構成要素を示す概略図である。コントローラ１０８は、回路８０、電源８２、メモリ８４、プロセッサ８６、入力デバイス８８、出力デバイス９０および通信インターフェース９２を含むことができる。コントローラ１０８は送電網１２８と通信することができ、送電網１２８は電力をエンドユーザまたは消費者１５２に供給することができる。コントローラ１０８は、同じく、水素生産システム１０６に対するコントローラ１２０および１２２ならびにＧＴＣＣ１０４に対するコントローラ１２４および１２６と通信することができ、コントローラは、貯蔵コントローラ２４Ａおよびバッテリおよび発電機コントローラ２４Ｂなど、１つまたは複数のサブシステムコントローラと通信することができる。コントローラ２４Ａは、水素貯蔵システム１１０および酸素貯蔵システム１１２のみならず、それらの様々な構成要素、たとえば弁１４２～１４４、圧縮器１３８、タービン２２６および圧縮器２５４、ならびに浄化ユニット１３６および１４０と通信することができる。コントローラ２４Ｂは、バッテリ２２２および４３０のみならず、様々な他の構成要素、たとえば遮断器４１０Ａ～４１０Ｆおよびクラッチ１６０および２１４と通信することができる。

コントローラ１２０～１２６およびコントローラ２４Ａおよび２４Ｂは、同じく、電子命令を受信して発信すること、命令、データおよび情報を記憶すること、他のデバイス、たとえばディスプレイデバイス、入力デバイス、出力デバイスなどと通信することを容易にする様々なコンピュータシステム構成要素を含むことができる。たとえば、電力コントローラ１２０～１２６は、それぞれ、電源５０、メモリ５２、プロセッサ５４、制御回路５６などを含むことができる。

回路８０は、メモリ８４、プロセッサ８６、入力デバイス８８、出力デバイス９０および通信インターフェース９２が一緒に動作することを可能にするマイクロプロセッサ、チップなど、任意の好適なコンピュータアーキテクチャを含むことができる。電源８２および電源５０は、ＡＣまたはＤＣ電源など、コントローラ１０８およびコントローラ１２０～１２６それぞれに電力を供給するための任意の好適な方法を含むことができる。メモリ８４およびメモリ５２は、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリ、フラッシュメモリ、磁気メモリおよび光学メモリなど、任意の好適なメモリデバイスを含むことができる。入力デバイス８８は、ユーザ入力または他の入力を回路８０またはメモリ８４に供給するためのキーボード、マウス、ポインター、タッチスクリーンおよび他の好適なデバイスを含むことができる。出力デバイス９０は、ディスプレイモニタ、ビューイングスクリーン、タッチスクリーン、プリンタ、プロジェクタ、オーディオスピーカーなどを含むことができる。通信インターフェース９２は、回路８０およびコントローラ１０８が、モデム、ルータ、Ｉ／Ｏインターフェース、バス、ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、インターネットなどの他のコンピューティングデバイスから情報を受信しかつそれらに情報を送信することを可能にするためのデバイスを含むことができる。

コントローラ１０８は送電網１２８を動作させるように構成されてよく、そのため、システム１００に対する「ホームオフィス」と呼ばれることがある。送電網１２８は、水素生産システム１０６、ＧＴＣＣ１０４、再生可能エネルギー源１３０および１３２、離れた源から需要センタまで電力を搬送する高圧送電線、および消費者１５２に接続する配電線を含むことができる。送電網１２８は、電力の統合を容易にするために、異種の源から送電網に入力されるすべての電力が、同じ周波数において入力される、制御周波数において動作するように構成され得る。一例では、送電網１２８は、６０ヘルツ（Ｈｚ）の制御周波数において動作することができる。

コントローラ１０８は、たとえば消費者１５２の消費をモニタすることによって、送電網１２８におかれている需要を決定することができる。コントローラ１０８は、ＧＴＣＣ１０４および再生可能エネルギー源１３０および１３２からの電力の生成を連係させることができる。コントローラ１０８は、どれだけの量の電力出力をＧＴＣＣ１０４が送電網１２８に寄与すべきであるかをＧＴＣＣ１０４に割り当てるかまたは指示することができ、そのような割り当ては、ＧＴＣＣ１０４および再生可能エネルギー源１３０および１３２のうちのいずれかの能力および利用可能性に基づいて動的に対応することができる。コントローラ１０８は、ＧＴＣＣ１０４および再生可能エネルギー源１３０および１３２によって生成される総電力が、消費者１５２の電力需要を満たすことを確実にすることができる。消費者１５２の電力需要が、ＧＴＣＣ１０４および再生可能エネルギー源１３０および１３２によって供給される電力を超えるかまたはそれより低い場合、コントローラ１０８は、ＧＴＣＣ１０４に対する応答戦略を指示することができる。このようにして、コントローラ１０８は、ＧＴＣＣ１０４に対するコントローラ１２４および１２６と相互作用することができる。

回路８０は、メモリ８４などのメモリデバイスと通信する、すなわち、メモリデバイスから読み出しかつそこに書き込むことができる。メモリ８４は、送電網１２８の動作を実施するために様々なコンピュータ可読命令を含むことができる。このようにして、メモリ８４は、送電網１２８上の需要および送電網１２８に供給されている電力をモニタするための命令を含むことができる。回路８０は、そのような機能を実行するために様々なセンサに接続され得る。メモリ８４は、コントローラ１０８がコントローラ１２０～１２６に命令を与えることを支援することができる情報も含むこともできる。たとえば、メモリ８４は、タイプ、サイズ（容量）、年齢、維持管理履歴、ロケーション、送電網１２８によってカバーされる地域（ｇｅｏｇｒａｐｈｙ）内のロケーション、およびＧＴＣＣ１０４の各々の消費者１５２への近接性を含むことができる。メモリ８４は、ＧＴＣＣ１０４ならびに他の発電プラントの割合、総電力供給に対する貢献度を決定するための命令も含むことができる。

コントローラ１２０～１２６は、ＧＴＣＣ１０４および水素生産システム１０６を動作させるように構成され得る。メモリ５２は、ＧＴＣＣ１０４および水素生産システム１０６の動作を実施するために様々なコンピュータ可読命令を含むことができる。このようにして、メモリ５２は、コントローラ１０８からの電力生成割り当てをモニタするための命令、各発電機１５６および１５４に対する発電に対する命令などを含むことができる。メモリ５２は、電解槽２０１および電気分解ユニット４２８を動作させるための命令を付加的に含むことができる。

加えて、メモリ５２は、ガスタービン１１４を含む発電機ユニット１５６および１５４の各々に対する生産効率および経済効率の情報などの運営効率情報を含むことができる。たとえば、メモリ５２は、タービン１１４の各々の発電効率を含むことができる。メモリ５２は、ガスタービン１１４に対する維持管理および経済的履歴、ならびに最後のサービス、修理、オーバーホール、改修状況など以来の時間などの経済的情報を含むことができる。メモリ５２は、様々な発電プラントのオペレータとガスタービン１１４の製造者およびガスタービン１１４に対するサービスプロバイダとに対する様々な契約上の義務など、ガスタービン１１４の各々の財政効率を含む、ＧＴＣＣ１０４の運営効率に関する情報も含むことができる。

コントローラ１２０～１２６は、圧縮器１３８、タービン２２６、圧縮器２５４、弁１４２～１４４、浄化ユニット１３６および１４０、遮断器４１０Ａ～４１０Ｆ、およびクラッチ１６０および２１４、ならびにシステム１００の他の構成要素を動作させるために、コントローラ２４Ａおよび２４Ｂを動作させるかまたはそれらと通信することができる。

コントローラ１０８は、たとえば送電網１２８上の状態が許容するときに水素を生産するように水素生産システム１０６の動作を制御することによって、システム１００を最大化するかまたは最も効率よく動作させるようにコントローラ２４Ａおよび２４Ｂを動作させるために、コントローラ１２０～１２６と連携して働くことができる。このようにして、メモリ５２およびメモリ８４は、表１およびケース１～６を参照しながら説明したものならびに図１０を参照しながら説明した７つの動作状態など、本明細書で説明した方法のうちのいずれかを動作させるかまたは実行するための命令を含むことができる。

様々な覚書および例
統合発電システム

例１は、送電網電力システムに電力を出力するように構成された発電プラントであり、発電プラントは、水素を生産するように構成された水素生成システムと、水素生成システムからの水素を燃焼させてタービン軸を回転させるために使用され得るガス流を生成するように構成されたガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンのガス流で蒸気を生成させて蒸気タービンを回転させるように構成された熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）を含むガスタービン複合サイクル発電プラントと、水素生成システムによって生産された水素を貯蔵するように構成された貯蔵システムと、送電網電力システムが余剰エネルギーを有するときに送電網電力システムからの電力で水素生成システムを動作させることならびに水素生成システムおよびガスタービン複合サイクル発電プラントのうちの少なくとも１つを使用して送電網電力システム上の能動負荷および無効負荷をバランスさせることを行うように構成されたコントローラとを含む。

例２では、例１の主題は、水素生成システムを送電網電力システムに接続する電力変換デバイスを随意に含み、電力変換デバイスは、水素生成システムからのＤＣ電力を送電網電力システムに対するクリーンなＡＣ電力に変換するためのＤＣコンバータと、送電網電力システムからのＡＣ電力を水素生成システムに対するＤＣ電力に変換するためのＡＣコンバータとを含む。

例３では、例１～２のうちの任意の１つまたは複数の主題は、ＤＣコンバータがチョッパコンバータまたはサイリスタコンバータを含むことと、ＡＣコンバータが電力変換システムを含むこととを随意に含む。

例４では、例１～３のうちの任意の１つまたは複数の主題は、ガスタービンエンジンが第１のクラッチを介してガスタービン発電機に接続されることと、コントローラが第１のクラッチを選択的に作動させ、ガスタービン発電機が自由に回転して無効負荷を吸収することを可能にするように構成されることとを随意に含む。

例５では、例１～４のうちの任意の１つまたは複数の主題は、蒸気タービンが第２のクラッチを介して蒸気タービン発電機に接続されることと、コントローラが第２のクラッチを選択的に作動させ、蒸気タービン発電機が自由に回転して無効負荷を吸収することを可能にするように構成されることとを随意に含む。

例６では、例１～５のうちの任意の１つまたは複数の主題は、負荷および周波数サポートを提供するために送電網電力システムに接続されたバッテリを随意に含む。

例７では、例６の主題は、送電網システムに接続された再生可能エネルギー生産機を随意に含み、バッテリは送電網電力システムなしに再生可能エネルギー生産機から充電され得る。

例８では、例１～７のうちの任意の１つまたは複数の主題は、水素生産システムを加熱するために水素生産システムからの水素を燃焼させるように構成された補助バーナーを随意に含む。

例９では、例１～８のうちの任意の１つまたは複数の主題は、水素生産システムが電解槽を含むことを随意に含む。

例１０では、例９の主題は、電解槽を加熱するための加熱源を随意に含み、加熱源は抵抗加熱器または電力変換デバイスを含む。

例１１では、例９～１０のうちの任意の１つまたは複数の主題は、電解槽を冷却または加熱するために電解槽に接続された熱交換回路を随意に含む。

例１２では、例１１の主題は、熱交換回路がガスタービン複合サイクル発電プラントに接続されて蒸気を供給されることを随意に含む。

例１３では、例１１～１２のうちの任意の１つまたは複数の主題は、電解槽が酸素を生産するようにさらに構成され、発電プラントが酸素貯蔵システムをさらに含むことを随意に含む。

例１４では、例１３の主題は、熱交換回路が電解槽から冷却された酸素を供給されることを随意に含む。

例１５では、例１３～１４のうちの任意の１つまたは複数の主題は、電解槽からの酸素によって駆動される酸素タービンと、酸素タービンによって駆動される発電機とを随意に含む。

例１６では、例９～１５のうちの任意の１つまたは複数の主題は、電解槽の酸素出力をガスタービン複合サイクル発電プラントのＨＲＳＧに接続する導管を随意に含む。

例１７では、例１６の主題は、酸素を電解槽から７５０ｍ／ｓ以上の速度で注入するためにＨＲＳＧの入口に接続されたノズルを随意に含む。

例１８では、例１～１７のうちの任意の１つまたは複数の主題は、補助燃焼バーナーを使用してＨＲＳＧ内の水素を燃焼させることを随意に含む。

例１９では、例１～１８のうちの任意の１つまたは複数の主題は、ガスタービンエンジンに接続された天然ガス源を随意に含み、ガスタービンエンジンは天然ガス、水素およびそれらの組合せを燃焼させるように構成される。

例２０では、例１～１９のうちの任意の１つまたは複数の主題は、水素貯蔵システムが地下貯蔵システムを含むことを随意に含む。

例２１では、例２０の主題は、水素貯蔵システムが岩塩空洞を含むことを随意に含む。

例２２では、例２０～２１のうちの任意の１つまたは複数の主題は、水素貯蔵システムが複数のパイプを含むことを随意に含む。

例２３では、例２２の主題は、溝の中にパイプを設置するように構成されたホイストを含む一時的支持構造と、パイプのセクションを組み立てるために一時的支持構造を用いて動作可能な溶接ガントリーとを随意に含む。

注入器

例１は、送電網電力システムに電力を出力するように構成された発電プラントであり、発電プラントは、水素および酸素を生産するように構成された電解槽と、水素生成システムからの水素を燃焼させてタービン軸を回転させるために使用され得るガス流を生成するように構成されたガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンのガス流で蒸気を生成させて蒸気タービンを回転させるように構成された熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）を含むガスタービン複合サイクル発電プラントと、水素生成システムによって生産された水素を貯蔵するように構成された貯蔵システムと、電解槽からの酸素をガスタービン複合サイクル発電プラントのＨＲＳＧ内に導くように構成されたノズルとを含む。

例２では、例１の主題は、ノズルが、燃料を受けるように構成された注入器と、その中に注入器が延びてその中に酸素が入る筐体とを含むことと、筐体が、ノズルの外で混合される燃料および酸素を可能にするために半径方向に配置された注入器の複数の混合ポートを含むこととを随意に含む。

例３では、例２の主題は、複数の半径方向の混合ポートが、混合渦を生成してガス流内のＮＯＸの生成を低減するように構成されることを随意に含む。

例４は、熱ノズルを使用して燃料を燃焼させる方法であり、方法は、（Ａ）燃焼ゾーンと連通する酸化剤供給ダクト内に３００ｆｐｓ未満の初速において少なくとも３０体積百分率の酸素濃度を有する酸化剤を供給するステップと、（Ｂ）酸化剤とは別に燃料を酸化剤供給ダクト内に毎秒２００フィート以上でかつ前記酸化剤の初期速度以上の高速で供給して酸化剤を高速の燃料内に混入させるステップであって、酸化剤供給ダクト内に供給された酸化剤のうちの酸素の約２０％までを燃料とともに燃焼させて熱と燃焼反応における燃焼反応生成物とを生産し、燃焼反応生成物と酸化剤とを燃焼反応の中にさらに混入させる、ステップと、（Ｃ）燃焼反応生成物を酸化剤供給ダクト内の酸化剤の残りの酸素と混合して酸化剤供給ダクト内の残りの酸化剤の温度を上げるステップと、（Ｄ）加熱された酸化剤を酸化剤供給ダクトから燃焼ゾーン内に、初速を少なくとも毎秒３００フィートだけ超える出口速度で送出するステップとを含み、加熱された酸化剤は、異なる方向に向けて配置された複数のオリフィスから酸化剤供給ダクトの外に送られる。

ハイブリッド電力コンバータ

例１では、確定されない例の主題は、電力コンバータが、送電網電力システムからのＡＣ電力を電解槽に対するＤＣ電力に、および電解槽からのＤＣ電力を送電網電力システムに対するＡＣ電力に変換するように構成されることを随意に含む。

例２では、確定されない例の主題は、電力コンバータが、チョッパコンバータまたはサイリスタコンバータを含むＤＣコンバータと、電力変換システムを含むＡＣコンバータとを含むことを随意に含む。

例３では、確定されない例の主題は、送電網電力システム上の能動負荷および無効負荷を吸収するように構成されたバッテリをさらに含むステップを随意に含む。

例４では、例３の主題は、送電網電力システムなしにバッテリに電力を供給するように構成された再生可能エネルギー生産機を随意に含む。

動作状態方法

例１は、送電網電力システムに接続された統合発電プラントを動作させる方法であり、方法は、第１の発電機を駆動して送電網電力システムに電力を供給するためにガスタービンエンジンを動作させるステップであって、ガスタービンエンジンは水素および天然ガスのうちの少なくとも１つで動作可能である、ステップと、送電網電力システムからの電力で水素および酸素を生成させるために電解槽を動作させるステップと、電解槽によって生産された水素を貯蔵システム内に貯蔵するステップと、送電網電力システムの需要に給電するためにガスタービンエンジンと電解槽との動作を連係させるステップとを含む。

例２では、例１の主題は、送電網電力システムの電力需要に対してガスタービンエンジンおよび電解槽の動作を連係させるステップが、停止から最大出力で動作するまでガスタービンエンジンを起動するステップと、電解槽の動作を停止するステップとを含むことと、送電網電力システムの需要は最大電力に対する要求であることとを随意に含む。

例３では、例２の主題は、ガスタービンエンジンが０％負荷から起動していることと、電解槽が１００％負荷から起動して送電網電力システムに接続された再生可能エネルギーから動作していることとを随意に含む。

例４では、例１～３のうちの任意の１つまたは複数の主題は、送電網電力システムの電力需要に対してガスタービンエンジンおよび電解槽の動作を連係させるステップが、部分負荷からのガスタービンエンジンの動作を最大傾斜率（ｒａｍｐ ｒａｔｅ）で定率上昇させるステップと、電解槽の動作を停止させるステップとを含むことと、送電網電力システムの需要が最大電力に対する要求であることとを随意に含む。

例５では、例４の主題は、ガスタービンエンジンが３０％負荷から起動して天然ガスで動作していることと、電解槽が１００％負荷から起動していることとを、随意に含む。

例６では、例１～５のうちの任意の１つまたは複数の主題は、送電網電力システムの電力需要に対してガスタービンエンジンおよび電解槽の動作を連係させるステップが、最大負荷状態からのガスタービンエンジンの動作を定率下降させるステップと、電解槽の動作を起動させるステップとを含むことと、送電網電力システムの需要が最大電力需要から低減された電力需要に変更することとを随意に含む。

例７では、例６の主題は、ガスタービンエンジンが１００％負荷から起動して天然ガスおよび電解槽からの水素で動作していることと、電解槽が０％負荷から起動していることとを随意に含む。

例８では、例１～７のうちの任意の１つまたは複数の主題は、送電網電力システムの電力需要に対してガスタービンエンジンおよび電解槽の動作を連係させるステップが、ガスタービンエンジンを待機モードで動作さるステップと、電解槽の動作を停止させるステップとを含むことと、送電網電力システムの需要が一定であることとを随意に含む。

例９では、例８の主題は、ガスタービンエンジンが停止から起動していることと、電解槽が複数の電解槽のうちの１つであり、複数の電解槽のうちの５０％が０％負荷から起動しかつ電解槽の５０％が１００％負荷から起動していることと、電力が再生可能エネルギー出力低下によって送電網電力システムに供給されることとを随意に含む。

例１０では、例１～９のうちの任意の１つまたは複数の主題は、送電網電力システムの電力需要に対してガスタービンエンジンおよび電解槽の動作を連係させるステップが、ガスタービンエンジンの動作を最高速度まで定率上昇さるステップと、電解槽の出力を低減させるステップとを含むことと、送電網電力システムの需要が増加されることとを随意に含む。

例１１では、例１０の主題は、ガスタービンエンジンが無負荷の速度まで上げられて天然ガスおよび電解槽からの水素で動作していることと、電解槽が１００％負荷から起動して送電網電力システムに接続された再生可能エネルギーから動作していることとを随意に含む。

例１２では、例１～１１のうちの任意の１つまたは複数の主題は、送電網電力システムの電力需要に対してガスタービンエンジンおよび電解槽の動作を連係させるステップが、ガスタービンエンジンの動作を非動作状態から定率上昇させるステップと、電解槽の動作を停止させるステップとを含むことと、送電網電力システムの需要が増加していることとを随意に含む。

例１３では、例１２の主題は、ガスタービンエンジンが送電網凝縮動作を実行することから起動して最初に天然ガス、次いで水素による動作を開始することと、電解槽が１００％負荷から起動していることとを随意に含む。

例１４では、例１～１３のうちの任意の１つまたは複数の主題は、蒸気タービンを回転させて第２の発電機を駆動するためにガスタービンエンジンの排出ガスを用いて熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）を動作させるステップを随意に含む。

例１５では、例１～１４のうちの任意の１つまたは複数の主題は、ＨＲＳＧからの蒸気で電解槽を加熱するステップを随意に含む。

上記の発明を実施するための形態は、発明を実施するための形態の一部を形成する添付の図の参照を含む。例として、図は、本発明が実行され得る特定の実施形態を示す。これらの実施形態はまた、本明細書で「例」と呼ばれる。そのような例は、図示または説明された要素に追加される要素を含むことができる。しかしながら、本発明者は、図示または説明された要素だけが提供される例も企図する。その上、本発明者は、特定の例（またはそれらの１つまたは複数の態様）に関して、または本明細書で図示もしくは説明した他の例（またはそれらの１つまたは複数の態様）に関して、図示もしくは説明したそれらの要素（またはそれらの１つまたは複数の態様）の任意の組合せもしくは並べ替えを使用する例も企図する。

本明細書と参照により組み込まれる任意の文書との間で矛盾する使用法がある場合、本明細書における使用法が支配する。

本明細書では、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」という用語は、特許文書において一般的であるように、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」の任意の他の事例もしくは使用法とは無関係に、１つもしくは２つ以上を含むように使用される。本明細書では、「または」という用語は、非排他的に参照するように、あるいは別段の指示がない限り、「ＡまたはＢ」は、「ＡであるがＢでない」、「ＢであるがＡでない」および「ＡおよびＢである」を含むように使用される。本明細書では、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」というそれぞれの用語の分かりやすい英語の同義語として使用される。同じく、以下の特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は上限がなく、すなわち、特許請求の範囲内のそのような用語の後に列挙される要素に加えて要素を含むシステム、デバイス、項目、構成、語句、またはプロセスは、依然として、その特許請求の範囲に入るものと見なされる。その上、以下の特許請求の範囲において、「第１の」、「第２の」および「第３の」などの用語は、単にラベルとして使用され、それらの対象物に対して数値要件を課すことは意図されていない。

上記の説明は、限定ではなく、例であることが意図されている。たとえば、上記で説明した例（またはそれらの１つまたは複数の態様）は、互いの組合せにおいて使用され得る。他の実施形態は、たとえば当業者が上記の説明を再考察することによって使用され得る。要約は、読者が技術的開示の性質を速やかに確認することを可能にするために、米国特許法施行規則第１．７２条（ｂ）項に適合するように提供される。要約は、特許請求の範囲の範囲または意味を説明または限定するために使用されないとの理解とともに提出される。同じく、上記の発明を実施するための形態では、様々な特徴が、本開示を簡素化するために一緒にグループ化され得る。これは、請求されない開示された特徴が任意の特許請求の範囲に必須であることを意図するものと解釈されるべきではない。むしろ、発明的主題は、特定の開示された実施形態のすべての特徴より少なく存在してもよい。したがって、以下の特許請求の範囲は、本明細書によって、例または実施形態として発明を実施するための形態の中に組み込まれ、各特許請求の範囲は個別の実施形態としてそれ自体に基づき、そのような実施形態は様々な組合せまたは並べ替えにおいて互いに組み合わされ得ることが企図される。本発明の範囲は、そのような特許請求の範囲が権利を有する等価物の全範囲とともに、添付の特許請求の範囲に準拠して決定されるべきである。

１００ 統合電力生産システム
１０４ 複合サイクルガスタービン発電プラント（ＧＴＣＣ）
１０６ 水素生産システム
１０８ コントローラ
１１０ 水素貯蔵システム、水素受入タンク
１１２ 酸素貯蔵システム
１１４ ガスタービン
１１６ 熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）
１１８ 蒸気タービン
１２０ 電解槽ＶＡＲ設定点コントローラ
１２２ 電解槽生産設定点コントローラ
１２４ ＧＴＣＣプラント出力設定点コントローラ
１２６ ＧＴＣＣプラントＶＡＲ設定点コントローラ
１２８ 送電網
１３０ 再生可能風力電力源
１３２ 再生可能光起電太陽光電力源
１３４ コンバータ
１３５Ａ～Ｄ 変圧器
１３６ 水素浄化システム
１３８ 水素圧縮器
１４０ 酸素浄化システム
１４２，１４３，１４４ 弁
１４６ 天然ガス源
１４８ 圧縮器
１５０ 燃焼器
１５２ タービン
１５４，１５６ 発電機
１５８ 熱交換器
１６０ クラッチ
１６２ 熱交換器
１６４ 入口ダクト
２００ システム
２０１ 電解槽
２１４ クラッチ
２２０ システム
２２２ バッテリ
２２４ 冷却システム
２２６ 膨張タービン
２２８ 発電機
２２９ 熱交換器
２３０ 流体ループ
２３２ 電解槽バンク
２３４ 整流器バンク
２３６ 流体線
２３８ 電解槽線
２４０ 電力線
２４２ 加熱デバイス
２５０ 水素サージシステム
２５２ 水素サージタンク
２５４ 水素サージ圧縮器
２５８ 混合タンク
２６０ 蒸気回路
２７６Ａ～Ｃ 弁
２８０ 貯蔵タンク
２８２ パイプライン

Claims (23)

1. 送電網電力システムに電力を出力するように構成された発電プラントであって、
   水素を生産するように構成された水素生成システムと、
   前記水素生成システムからの水素を燃焼させてタービン軸を回転させるために使用され得るガス流を生成するように構成されたガスタービンエンジン、および
   前記ガスタービンエンジンの前記ガス流で蒸気を生成して蒸気タービンを回転させるように構成された熱回収蒸気生成器（ＨＲＳＧ）
   を含むガスタービン複合サイクル発電プラントと、
   前記水素生成システムによって生産された水素を貯蔵するように構成された貯蔵システムと、
   前記送電網電力システムが余剰エネルギーを有するときに前記送電網電力システムからの電力で前記水素生成システムを動作させること、ならびに
   前記水素生成システムおよび前記ガスタービン複合サイクル発電プラントのうちの少なくとも１つを使用して前記送電網電力システム上の能動負荷および無効負荷をバランスさせること
   を行うように構成されたコントローラとを含む、発電プラント。
2. 前記水素生成システムを前記送電網電力システムに接続する電力変換デバイスをさらに含み、前記電力変換デバイスが、
   前記水素生成システムからのＤＣ電力を前記送電網電力システムに対するクリーンなＡＣ電力に変換するためのＤＣコンバータと、
   前記送電網電力システムからのＡＣ電力を前記水素生成システムに対するＤＣ電力に変換するためのＡＣコンバータとを含む、請求項１に記載の発電プラント。
3. 前記ＤＣコンバータが、チョッパコンバータまたはサイリスタコンバータを含み、
   前記ＡＣコンバータが、電力変換システムを含む、請求項１に記載の発電プラント。
4. 前記ガスタービンエンジンが、第１のクラッチを介してガスタービン発電機に接続され、
   前記コントローラが、前記第１のクラッチを選択的に作動させて前記ガスタービン発電機が自由に回転して無効負荷を吸収することを可能にするように構成される、請求項１に記載の発電プラント。
5. 前記蒸気タービンが、第２のクラッチを介して蒸気タービン発電機に接続され、
   前記コントローラが、前記第２のクラッチを選択的に作動させて前記蒸気タービン発電機が自由に回転して無効負荷を吸収することを可能にするように構成される、請求項１に記載の発電プラント。
6. 負荷および周波数サポートを提供するために前記送電網電力システムに接続されたバッテリをさらに含む、請求項１に記載の発電プラント。
7. 前記送電網システムに接続された再生可能エネルギー生産機をさらに含み、前記バッテリが前記送電網電力システムなしに前記再生可能エネルギー生産機から充電され得る、請求項６に記載の発電プラント。
8. 前記水素生産システムを加熱するために前記水素生産システムからの水素を燃焼させるように構成された補助バーナーをさらに含む、請求項１に記載の発電プラント。
9. 前記水素生産システムが電解槽を含む、請求項１に記載の発電プラント。
10. 前記電解槽を加熱するための加熱源をさらに含み、前記加熱源が抵抗加熱器または電力変換デバイスを含む、請求項９に記載の発電プラント。
11. 前記電解槽を冷却または加熱するために前記電解槽に接続された熱交換回路をさらに含む、請求項９に記載の発電プラント。
12. 前記熱交換回路が前記ガスタービン複合サイクル発電プラントに接続されて蒸気を供給される、請求項１１に記載の発電プラント。
13. 前記電解槽が酸素を生産ようにさらに構成され、
    前記発電プラントが酸素貯蔵システムをさらに含む、請求項１１に記載の発電プラント。
14. 前記熱交換回路が前記電解槽から冷却された酸素を供給される、請求項１３に記載の発電プラント。
15. 前記電解槽からの酸素によって駆動される酸素タービンと、
    前記酸素タービンによって駆動される発電機とをさらに含む、請求項１３に記載の発電プラント。
16. 前記電解槽の酸素出力を前記ガスタービン複合サイクル発電プラントのＨＲＳＧに接続する導管をさらに含む、請求項９に記載の発電プラント。
17. 前記ＨＲＳＧの入口に接続されて前記電解槽からの前記酸素を７５０ｍ／ｓ以上の高速で注入するノズルをさらに含む、請求項１６に記載の発電プラント。
18. 補助燃焼バーナーを使用して前記ＨＲＳＧ内の前記水素を燃焼させることをさらに含む、請求項１に記載の発電プラント。
19. 前記ガスタービンエンジンに接続された天然ガス源をさらに含み、前記ガスタービンエンジンが天然ガス、水素およびそれらの組合せを燃焼させるように構成される、請求項１に記載の発電プラント。
20. 前記水素貯蔵システムが地下貯蔵システムを含む、請求項１に記載の発電プラント。
21. 前記水素貯蔵システムが岩塩空洞を含む、請求項２０に記載の発電プラント。
22. 前記水素貯蔵システムが複数のパイプを含む、請求項２０に記載の発電プラント。
23. 溝の中にパイプを設置するように構成されたホイストを含む一時的支持構造と、
    パイプのセクションを組み立てるために前記一時的支持構造を用いて動作可能な溶接ガントリーとをさらに含む、請求項２２に記載の発電プラント。

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