JP2022520218A - エネルギー貯蔵プラント及びプロセス - Google Patents
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Abstract
Description
熱力学サイクル(CT):点Xから点Yへの熱力学的変換であり、XはYに一致し、CTは、以下のTTC(熱力学サイクル変換)とは異なり、サイクル内に質量蓄積(エネルギー目的で重要)は存在しないのに対して、TTCは典型的に、作業流体の2つの貯蔵部間で作用し、2つの貯蔵部のうちの一方は初期貯蔵部であり、他方は最終貯蔵部である。
熱力学サイクル変換(TTC):点Xから点Yへ、また点Yから点Xへの熱力学的変換であり、必ずしも同じ中間点を通過するとは限らない。
密閉CT及び/又はTTC:雰囲気との質量交換(エネルギー目的で重要)なし。
開放CT及び/又はTTC:雰囲気との質量交換(エネルギー目的で重要)あり。
異なる地形学的状況で行うことが可能であり、特定の地理的又は地域的条件を実現することを必要とせず、また最終的に特定のサイズで海洋/地上の応用例で使用することができ、
高RTE、並びにいずれにせよ70%より高く、最大75%及びさらには最大80%及びそれ以上を得ることが可能であり、
後述する様々なシステムによって、調整可能な貯蔵タンク圧力で機能することが可能であり、
簡単且つ経済的であり、好ましくは構築コストを100USD/kWh未満にすることを標的とし、特に圧力下及び高エネルギー密度(m3 storage/kWhstored)での貯蔵を可能にし、
周囲温度の変動を使用することによって、そのRTEを増大させることが可能であり、
安全で環境に優しく、例えば特に有害な流体を使用せず、
モジュール式であり、
小型であり、
30年の有用寿命まで存続し、又は30年という長い有用寿命を有し、
可撓性を有し、迅速に動作状態に入ることが可能であり、
容易且つ経済的に維持可能であり、
耐腐食性を有し(特に、海洋の応用例の場合)、
低い振動及びノイズレベルを有する。
雰囲気と圧力の平衡状態にある大気以外の気相の作業流体の貯蔵のための筐体と、
臨界温度に近い温度(例えば、ケルビンで臨界温度の1.2倍未満、0.5~1.2倍)を有する液相又は超臨界相にある前記作業流体の貯蔵のためのタンクとを備えることが好ましく、前記臨界温度は0℃~200℃、より好ましくは0℃~100℃であり、好ましくは周囲温度に近く、
プラントは、前記筐体と前記タンクとの間で、密閉サイクル熱力学的変換(TTC)をまず一方向に実施して充電形態/相になり、次いで逆方向に実施して放電形態/相になるように構成され、システムは、充電形態で熱及び圧力を蓄積し、放電形態でエネルギーを生成する。
互いに機械的に接続された圧縮器及びモータと、
互いに機械的に接続されたタービン及びジェネレータ(発電機)であって、
前記筐体が、雰囲気に外部で接触しており、雰囲気圧又は実質上雰囲気圧で作業流体を収容するように構成された容積部の範囲を内側で定めており、前記容積部が、圧縮器の入口又はタービンの出口と選択的に連通している、タービン及びジェネレータと、
圧縮器の出口又はタービンの入口と選択的に流体連通している一次熱交換器(又はさらには、二次側で異なる流体とともに動作することもできる複数の一次熱交換器)であって、
前記タンクが、作業流体を蓄積するために一次熱交換器と流体連通している、一次熱交換器と、
一次熱交換器とタンクとの間又はタンク内で動作上活動状態にある二次熱交換器とを備えることが好ましい。
雰囲気に外部で接触しており、雰囲気圧又は実質上雰囲気圧で前記作業流体を収容してエネルギーを吸収するように構成された容積部の範囲を内側で定める前記筐体からくる作業流体を圧縮するステップと、
作業流体の温度をその独自の臨界温度に近づけるように直列に配置された一次熱交換器(又はさらには、二次側で異なる流体とともに最終的に動作する複数の一次熱交換器)及び二次熱交換器によって圧縮された作業流体を注入するステップであって、一次熱交換器が、圧縮された作業流体から熱を除去して圧縮された作業流体を冷却し、熱エネルギーを貯蔵するためのクーラとして機能し、二次熱交換器が、圧縮された作業流体からさらなる熱を除去してさらなる熱エネルギーを貯蔵するためのクーラとして機能する、注入するステップと、
冷却された作業流体を前記タンク内に蓄積するステップとを含み、二次熱交換器及び一次熱交換器は、作業流体の超臨界変換を行い、したがって前記作業流体は、超臨界相でタンク内に蓄積され、又は二次熱交換器及び一次熱交換器は、作業流体の未臨界変換を行い、したがって前記作業流体は、液相でタンク内に蓄積される(好ましくは、圧力を比較的最小の/低い値に調節することも目的とする)。
タンクからくる作業流体を二次熱交換器及び一次熱交換器に通すステップであって、二次熱交換器が、タンクからくる作業流体へ熱を伝達するためのヒータとして機能し(好ましくは、圧力を比較的高い/最大の値に調節することも目的とする)、一次熱交換器が、作業流体へ追加の熱を解放して作業流体を加熱するためのヒータとして機能する、通すステップと、
加熱された作業流体をタービンに通すステップであって、タービンが、加熱された作業流体によって回転させられて、ジェネレータを駆動してエネルギーを生成し、作業流体がタービン内で膨張して冷却される、通すステップと、
タービンからの作業流体を筐体内へ雰囲気圧又は実質上雰囲気圧で再注入するステップとを含む。
2 タービン
2a タービン入口
2b タービン出口
3 圧縮器
3a 圧縮器入口
3b 圧縮器出口
4 モータジェネレータ
5 筐体
6 第1のパイプライン
7 一次熱交換器
8 第2のパイプライン
9 タンク
10 二次熱交換器
11 二次熱交換器の熱交換部分
12 第3のパイプライン
13 追加の熱交換器
13a クーラ
14 熱質量
15 一次回路
16 一次回路の熱交換部分
17 一次高温貯蔵チャンバ
18 一次低温貯蔵チャンバ
19 固定層蓄熱器
20 二次回路
21 二次高温貯蔵チャンバ
22 二次低温貯蔵チャンバ
23 ラジエータ
24 ファン
25 さらなる熱交換部分
26 二次タンク
27 補助冷却器
28a、28b、28c 水容器チャンバ
29 パネル
30 中間二次貯蔵チャンバ
31 分離膜
32 第1の可変容積部チャンバ
33 第2の可変容積部チャンバ
34 補償回路
35 補助タンク
36 補助タービン
37 補助ジェネレータ
38 ポンプ
39 補助モータ
200 二次貯蔵チャンバ
210 追加の熱交換器回路
220 追加の熱交換器
230 追加の熱源
240 補助熱貯蔵部
Claims (15)
- 雰囲気と圧力の平衡状態にある大気以外の気相の作業流体の貯蔵のための筐体(5)と、
臨界温度に近い温度を有する液相又は超臨界相にある前記作業流体の貯蔵のためのタンク(9)と
を備えるエネルギー貯蔵プラントであって、
前記臨界温度が周囲温度に近く、好ましくは0℃~100℃であり、
前記エネルギー貯蔵プラントは、前記筐体(5)と前記タンク(9)との間で、密閉サイクル熱力学的変換(TTC)をまず一方向に充電形態で実行し、次いで逆方向に放電形態で実行するように構成され、前記エネルギー貯蔵プラントは、前記充電形態で熱及び圧力を貯蔵し、前記放電形態でエネルギーを生成する、エネルギー貯蔵プラント。 - 前記作業流体は、0℃~200℃の臨界温度、25℃で0.5kg/m3~10kg/m3の密度という化学物理特性を有し、及び/又は好ましくはCO2、SF6、N2Oを含む群から選択される、請求項1に記載のエネルギー貯蔵プラント。
- 互いに機械的に接続された圧縮器(3)及びモータと、
互いに機械的に接続されたタービン(2)及びジェネレータであって、前記筐体(5)が、雰囲気に外部で接触しており、雰囲気圧又は実質上雰囲気圧で前記作業流体を収容するように構成された容積部の範囲を内側で定めており、前記容積部が、前記圧縮器(3)の入口(3a)又は前記タービン(2)の出口(2b)と選択的に流体連通しており、任意選択で前記筐体(5)が圧力バルーンである、タービン(2)及びジェネレータと、
前記圧縮器(3)の出口(3b)又は前記タービン(2)の入口(2a)と選択的に流体連通している一次熱交換器(7)であって、前記タンク(9)が、前記作業流体を蓄積するために前記一次熱交換器(7)と流体連通している、一次熱交換器(7)と、
前記一次熱交換器(7)と前記タンク(9)との間又は前記タンク(9)内で動作上活動状態にある二次熱交換器(10)と
を備え、
前記エネルギー貯蔵プラントは、前記充電形態又は前記放電形態で動作するように構成され、
前記充電形態で、前記筐体(5)は、前記圧縮器(3)の前記入口(3a)と流体連通し、前記一次熱交換器(7)は、前記圧縮器(3)の前記出口(3b)と流体連通しており、前記タービン(2)は静止状態にあり、前記モータは動作しており、前記筐体(5)からくる前記作業流体を圧縮するように前記圧縮器(3)を駆動し、前記一次熱交換器(7)は、前記圧縮された作業流体から熱を除去して前記作業流体を冷却し、熱エネルギーを貯蔵するためのクーラとして機能し、前記二次熱交換器(10)は、前記圧縮された作業流体から追加の熱を除去して追加の熱エネルギーを貯蔵するためのクーラとして機能し、前記タンク(9)は、前記圧縮及び冷却された作業流体を受け取って貯蔵し、前記タンク(9)内に貯蔵されている前記作業流体は、その独自の臨界温度に近い温度を有し、
前記放電形態で、前記筐体(5)は、前記タービン(2)の前記出口(2b)と流体連通し、前記一次熱交換器(7)は、前記タービン(2)の前記入口(2a)と流体連通しており、前記圧縮器(3)は静止状態にあり、前記二次熱交換器(10)は、前記タンク(9)からくる前記作業流体へ熱を解放するためのヒータとして機能し、前記一次熱交換器(7)は、前記作業流体へさらなる熱を解放して前記作業流体を加熱するためのヒータとして機能し、前記タービン(2)は、前記加熱された作業流体によって回転させられて、前記ジェネレータを駆動してエネルギーを生成し、前記作業流体は、前記筐体(5)内で雰囲気圧又は実質上雰囲気圧に戻る、
請求項1又は2に記載のエネルギー貯蔵プラント。 - 前記充電形態では前記圧縮器(3)内で前記作業流体を圧縮前に予熱し、又は前記放電形態では前記タービン(2)からの前記作業流体を冷却するように、前記筐体(5)と前記圧縮器(3)との間及び前記筐体(5)と前記タービン(2)との間に動作可能に配置された追加の熱交換器(13)を備える、請求項3に記載のエネルギー貯蔵プラント。
- 前記モータ及び前記ジェネレータが別個の要素であり、又は前記モータ及び前記ジェネレータは、単一のモータジェネレータ(4)によって画定され、前記エネルギー貯蔵プラントは、前記モータジェネレータ(4)を前記圧縮器(3)又は前記タービン(2)に機械的に交互に接続するように、前記モータジェネレータ(4)と前記圧縮器(3)及び前記タービン(2)との間に接続デバイスを備える、請求項3又は4に記載のエネルギー貯蔵プラント。
- 前記二次熱交換器(10)及び前記一次熱交換器(7)は、前記作業流体の超臨界変換を行うように構成され、したがって前記作業流体は、超臨界相で前記タンク(9)内に蓄積され、任意選択で、前記二次熱交換器(10)は、前記一次熱交換器(7)と前記タンク(9)との間に配置される、請求項3~5のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵プラント。
- 前記タンク(9)は、超臨界相の前記作業流体のための可変容積部(32)を有する第1のチャンバと、非圧縮性の流体、任意選択で水を収容する補償回路(34)と流体連通している可変容積部(33)を有する第2のチャンバとに、前記タンク(9)を内部で分離するように構成された分離膜(31)を備える、請求項6に記載のエネルギー貯蔵プラント。
- 前記二次熱交換器(10)及び前記一次熱交換器(7)は、前記作業流体の未臨界変換を行うように構成され、したがって前記作業流体は、液相で前記タンク(9)内に蓄積され、任意選択で、前記二次熱交換器(10)は、前記タンク(9)内に一体化される、請求項3~5のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵プラント。
- 前記一次熱交換器(7)は、固定若しくは移動層蓄熱器であり、又は少なくとも1つの一次貯蔵チャンバ(17、18)を有する水、油、若しくは塩の一次回路(15)を備える、請求項3~8のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵プラント。
- 前記二次熱交換器(10)は、少なくとも1つの二次貯蔵チャンバ(21、22)を有する二次空気又は水回路(20)を備え、100℃を下回る温度、任意選択で0℃~50℃の温度で、任意選択で周囲温度に近い温度で、前記充電形態では前記作業流体から熱を除去するように、又は前記放電形態では前記作業流体へ熱を伝達するように構成される、請求項3~9のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵プラント。
- 任意選択で請求項1~10のいずれか一項に記載のエネルギー貯蔵プラントによって実施されるエネルギー貯蔵プロセスであって、
雰囲気と圧力平衡状態にある大気とは異なる気相の作業流体の貯蔵のための筐体(5)と、臨界温度に近い温度を有する液相又は超臨界相にある前記作業流体の貯蔵のためのタンク(9)との間で、密閉熱力学サイクル変換(TTC)をまず一方向に充電形態/充電相で実施し、次いで逆方向に放電形態/放電相で実施することを含み、前記臨界温度が、周囲温度に近く、好ましくは0℃~100℃であり、前記プロセスは、前記充電相で熱及び圧力を蓄積し、前記放電相でエネルギーを生成する、エネルギー貯蔵プロセス。 - 前記充電相は、
雰囲気に外部で接触しており、雰囲気圧又は実質上雰囲気圧で前記作業流体を収容してエネルギーを吸収するように構成された容積部の範囲を内側で定める前記筐体(5)からくる前記作業流体を圧縮することと、
前記作業流体の温度をその独自の臨界温度に近づけるように直列に配置された一次熱交換器(7)及び二次熱交換器(10)を介して前記圧縮された作業流体を注入することであって、前記一次熱交換器(7)が、前記圧縮された作業流体から熱を除去して前記作業流体を冷却し、熱エネルギーを貯蔵するためのクーラとして機能し、前記二次熱交換器(10)が、前記圧縮された作業流体からさらなる熱を除去してさらなる熱エネルギーを貯蔵するためのクーラとして機能する、注入することと、
前記冷却された作業流体を前記タンク(9)内に蓄積することと
を含み、
前記二次熱交換器(10)及び前記一次熱交換器(7)は、前記作業流体の超臨界変換を実施し、したがって前記作業流体は、超臨界相で前記タンク(9)内に蓄積され、又は前記二次熱交換器(10)及び前記一次熱交換器(7)は、前記作業流体の未臨界変換を実施し、したがって前記作業流体は、液相で前記タンク(9)内に蓄積され、任意選択で、前記タンク(9)内に蓄積されている前記作業流体の温度は0℃~100℃であり、前記タンク(9)内に蓄積されている前記作業流体の圧力は10バール~150バールである、請求項11に記載のエネルギー貯蔵プロセス。 - 前記作業流体は、0℃~200℃の臨界温度、25℃で0.5kg/m3~10kg/m3の密度という物理化学特性を有し、及び/又は好ましくは、CO2、SF6、N2Oを含む群から選択される、請求項11又は12に記載のエネルギー貯蔵プロセス。
- エネルギーの前記放電相及び生成は、
前記タンク(9)からの前記作業流体を前記二次熱交換器(10)及び前記一次熱交換器(7)に通すことであって、前記二次熱交換器(10)が、前記タンク(9)からくる前記作業流体へ熱を伝達するためのヒータとして機能し、前記一次熱交換器(7)が、前記作業流体へさらなる熱を伝達して前記作業流体を加熱するためのヒータとして機能する、通すことと、
前記加熱された作業流体をタービン(2)に通すことであって、前記タービン(2)が、前記加熱された作業流体によって回転させられて、前記ジェネレータを駆動してエネルギーを生成し、前記作業流体が前記タービン(2)内で膨張して冷却される、通すことと、
前記タービン(2)からくる前記作業流体を前記筐体(5)内へ雰囲気圧又は実質上雰囲気圧で再注入することと
を含む、請求項12又は13に記載のエネルギー貯蔵プロセス。 - 前記放電相及びエネルギー生成で、前記一次熱交換器(7)と前記タービン(2)との間において、追加の熱源(230)を介して前記作業流体をさらに加熱することが提供され、前記追加の熱源(230)は、任意選択で太陽光源、産業廃熱回収、ガスタービンの排熱から選択される、請求項14に記載のエネルギー貯蔵プロセス。
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