JP2023504971A - 充填床蓄熱ユニットと充填床蓄冷ユニットとを備える熱エネルギー貯蔵システム、および熱エネルギー貯蔵システムを作動させる方法 - Google Patents
充填床蓄熱ユニットと充填床蓄冷ユニットとを備える熱エネルギー貯蔵システム、および熱エネルギー貯蔵システムを作動させる方法 Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、閉鎖熱力学サイクルに基づく電気エネルギーを貯蔵するシステムおよび方法に関する。それらは、非常に効率的で、費用対効果が高く、安全な方法で電気エネルギーを貯蔵することを可能にする。環境に有害で高価な材料を必要としない。このシステムは、圧縮機、タービン、および異なる温度レベルで運転される２つの充填床貯蔵ユニットから構成される。充填床貯蔵ユニットを蓄熱するために、サイクルは反時計回りのヒートポンププロセスとして運転される。このプロセスでは、圧縮機の出口で発生した熱は、高温レベルで第１の充填床貯蔵ユニットに膨張され、その中に貯蔵される。タービン内のガス状作動媒体のその後の膨張中に生成される「冷熱」は、第２の充填床貯蔵ユニット内に貯蔵される。これには、電気機械から供給される機械的エネルギーが必要である。エネルギー蓄積システムを放電するために、サイクルは逆に（すなわち、時計回りのサイクルとして）作動される。圧縮機に入る前に、作動媒体は第２充填床貯蔵ユニットに貯蔵された冷熱で冷却され、圧縮後、高温充填床貯蔵システムからの熱を吸収する。高圧下にある作動媒体は、タービンによって膨張され、これによってエネルギーが生成される。【選択図】なし。
Description
本発明は、既知の熱力学サイクルに基づいて電気エネルギー（蓄電システム）を貯蔵する方法に関する。熱源は高温蓄熱ユニットであり、ヒートシンクは低温蓄熱ユニット（蓄冷ユニット）であり、以下、蓄冷ユニットという。さらに、サイクルは、少なくとも１つの圧縮機およびタービンを備える。圧縮機とタービンは、電気機械（モータ、発電機、またはモータジェネレータ）に接続されている。
電気エネルギーの貯蔵は、太陽および風力エネルギーを介した電気エネルギーの発生の増加に伴い、より重要になってきている。揚水発電所や蓄電池システム、（蓄電池）、化学的貯蔵システム、高温蓄熱システムなど様々なシステムが知られている。既知の記憶システムの利点と欠点に言及しなくても、信頼性が高く、安全で、利益のある記憶システムに対する需要が大きく、かつ増大していることは明らかである。
本発明は、蓄熱システムに関する。そのような蓄熱システムは、ＵＳ２０１６／０２９８４５５Ａ１、ＵＳ２０１９／０１９５６７１Ａ１、ＵＳ２０１９／０２１２０７０Ａ１、およびＵＳ２０１９／０１９５５７１Ａ１に詳細に記載されている。これらの中に記載されたサイクルは、１つの断熱圧縮および１つの断熱膨張、高温での１つの等圧熱伝達、および低温での１つの等圧熱伝達を含む。このサイクルは、ジュール・プロセスまたは「ブレイトン・サイクル」として知られている。
前記サイクルは、このような蓄熱システムに蓄熱するために、反時計回り（ヒートポンプ）サイクルとして運転される。圧縮機は電気機械で駆動される。圧縮機の初期あるいは中間段階で発生した高温の熱は、高温蓄熱システムに蓄えられる。ガス状の作動媒体は、タービン内で膨張するに従って－７０℃のような非常に低い温度を有する。この非常に冷たい作動媒体によって蓄冷ユニットの液体熱キャリアが冷却され、蓄冷ユニットが蓄冷(loaded)される。
蓄熱システムを放熱(unload)するために、システムは時計回りの熱力学的「作動」サイクルで運転される。その結果得られた仕事は、タービンによって運転される電気機械によって電気エネルギーに変換される。作動媒体が圧縮機内で断熱圧縮された後（従って、加熱された後）、作動媒体は、タービン内で排出される前に、高温蓄熱ユニットからの熱でさらに加熱される。次いで、作動媒体は、圧縮機に戻る前に、蓄冷ユニットで冷却される。詳細は、前述の公表された特許出願に記載されている。
ＵＳ２０１６／０２９８４５５Ａ１、ＵＳ２０１９／０１９５６７１Ａ１、ＵＳ２０１９／０２１２０７０Ａ１、およびＵＳ２０１９／０１９５５７１Ａ１に記載されている高温蓄熱ユニットの蓄熱媒体としては、液体塩または液体塩類混合物が使用されている。この高温蓄熱媒体の使用温度は、塩または塩類混合物の融点（２００℃～３２０℃）と分解点（５６０℃～５７０℃）によって決まる。したがって、温度間隔は、蓄熱ユニットとして塩蓄熱システムが作動する範囲、すなわち、約２３０℃～５７０℃の間にある。この温度間隔は、高温蓄熱ユニットの蓄熱容量を制限する。
従って、作動媒体の温度は、タービン入口においても規定され、したがって熱エネルギーの電気エネルギーへの変換効率は比較的低い。どちらも電流対電流効率(current-to-current efficiency)にマイナスの影響を与える。
また、蓄冷ユニットは、約－５０℃以下の低温ではヘキサンのような液体蓄冷媒体で作動する。蓄冷ユニットの運転温度の下限は、液体蓄冷媒体の凝固点／融点によって決まる。蓄熱媒体は蒸気中に蒸発してはならないので、温度にも上限がある。
これらのシステムでは、特に複数の気液熱交換器が必要となることが不利である。塩と冷却剤を熱キャリアとする熱力学サイクルプロセスが依然として有効であるためには、タービン出口と圧縮機入口の間にガス‐ガス熱交換器（レキュペレータ）を設置しなければならない。
溶融塩を使用する場合、液体塩の凝固を安全に防止するために、高温蓄熱ユニットは少なくとも３台の熱交換器を必要とする。蓄冷ユニットにはさらに気液熱交換器が必要である。夫々の熱交換器は、温度差によりプロセス全体の効率を悪化させる。
さらに、入力時および蓄熱(loading)と放熱(unloading)との切り替え時において、高温熱交換器内の全ての点において塩が決して固化することがない程度に十分に高いことが保証されなければならないから、このような完全なシステムの運転は極めて複雑である。サイクルの圧縮機側とタービン側の相互作用を正確に決定しなければならないだけでなく、同様に低温側と高温側のタンク系の液体またはポンプの質量流の間の相互作用も決定しなければならない。このように、前述の特許ファミリーにおいては、この事項に多くの関心が払われている。
塩貯蔵システムは、熱交換器とポンプを備えた２タンク系として、文献ではしばしば非常に単純化された方法でしか示されていないが、実際には、大型で断熱されたタンク、特殊な冷却されたベース、液体塩用のポンプと凝固防止装置とに対する高度な要件、および循環システムを備えた複雑なシステムである。保守・修理に要する労力も大きい。腐食はもう一つの課題である。更に、低温タンク内の塩類ポンプおよび冷却剤ポンプの電気消費も、全体的な性能または電流対電流効率において別個の消費電力として考慮しなければならない。
本発明は、上記の最先端のシステムの短所を回避する蓄熱システムを提供することを目的とする。特に、低減されたコストと材料および部品の安全性に対する低減された要求を以てかなり良好な電流対電流効率を達成することを目的とする。
サイクルにおける操作圧力が比較的低く、鉱物質蓄熱材料は毒性がなく、取り扱いが容易であるので、熱エネルギー貯蔵システムの操作は、比較的簡単で、安全で、有益である。
高温蓄熱ユニットと蓄冷ユニットのガス状熱キャリアは、蓄熱材の配置が好ましいため比較的低い流動抵抗を克服さえすればばよく、送風機のエネルギー需要は低い。フラップと管路を考慮すると、非常に大きなシステムでも１００ｍｂａｒ未満であり、詳細設計によっては一般的に５０ｍｂａｒ未満であってもよい。前記蓄熱システムは、常圧下で作動する。これは、蓄熱モジュールおよび管路の肉厚を非常に小さくできることを意味する。
この高温蓄熱ユニットを蓄冷ユニットとして使用することとの主な相違点は、０℃未満の温度では、空気中の水分が冷たい温度で冷やされ、特にフラップや送風機を凍結させ得るので、空気以外の熱輸送媒体が好ましく使用されるという事実である。これが、対応する蓄冷ユニットが、窒素Ｎ２、または二酸化炭素ＣＯ２、またはアルゴンＡｒ、若しくはヘリウムＨｅ、または必要な動作温度で凝縮または凍結しない種々のガス若しくはガス混合物を有する閉鎖系として設計されることが好ましい理由である。
充填床蓄熱システムを高温蓄熱ユニットおよび／または蓄冷ユニットとして使用すれば、塩類蓄熱システム(salt storage system)および冷却剤を使用する場合よりもかなり低い圧力でサイクルを運転することができる。
この結果、充填床蓄冷ユニットは、ヒートポンププロセスに直接一体化されることが好ましく、熱交換器の温度差が省略されるので、熱交換器を省略できるだけでなく、効率も向上する。
本発明に記載された充填床蓄熱システムでは、９００℃以上の温度広がり(temperature spreads)が実現できる（前提：高温蓄熱ユニットの８００℃での蓄熱温度、蓄冷ユニットの－１００℃での蓄冷温度）。
液体塩と蓄冷ユニットにおける液体蓄冷媒体とを有する既知のシステムでは、最大の温度広がりは約６５０℃(５７０℃－(－８０℃））である。温度広がりは、電流対電流効率に直接的な影響を及ぼす。これが、本発明によって説明される熱エネルギー貯蔵システムの電流対電流効率が、前述の既知のシステムの電流対電流効率よりも著しく高い理由の１つである。
熱力学をより詳しく見ると、塩類蓄熱システムを用いた場合において６０ｂａｒ以上（窒素Ｎ２で）、他のガス（例えばアルゴンＡｒで）で３０ｂａｒ以上となるのと比較して、提案された充填床貯蔵システムは、同一のプロセス媒体がサイクルにある場合において高温側の最大圧力が約８～１４ｂａｒ (窒素Ｎ２で）となるように、高温側と低温側の温度相互作用を最適化できることが確かめられる。これにより、材料の選択、必要な肉厚などおよび安全性に関して、かなりの簡素化がもたらされる。
前記タスクは、請求項９～１２に記載の蓄熱および放熱方法によって達成される。蓄熱および放熱はサイクルの方向だけが異なる。第１、第２熱伝達システムはそのままでよい。このことは、操作が想像できる限り単純で堅牢であることを意味する。
さらなる利点および有益な変形は、以下の図およびそれらの説明に見ることができる。
図中、同一の構成要素には同一の参照番号が用いられており、発明を理解するために必要な構成要素および部品のみが示されている。このようなシステムを作動させるために一般的に必要とされるさらなる装置は示されていない。当然のことながら安全弁も設けなければならず、低圧部は、タービンが故障した場合に蓄冷モジュール内に過剰な圧力が形成されないように、確実にロック可能でなければならず、また補償容器が必要である。また、安定動作に必要な追加の冷却器も示されていない。
図１に示す第１の例における熱エネルギー貯蔵システムは、圧縮機１０２と、電気機械１００と、タービン１０４とを備える。第１の熱交換器１１６は、圧縮機１０２の「出口」１５１とタービン１０４の「入口」１５３との間に配置される。
タービン１０４の「出口」１５５と圧縮機１０２の「入口」１５７との間には、第２の熱交換器１２６がある。「出口」および「入口」という用語には括弧が付されている。何故なら、これは反時計回りの「ヒートポンプ」サイクルに基づいているからである。ただし、システムを時計回りの「作動」サイクルとして構成することもできる。この場合、圧縮機１０２は膨張タービンとして運転され、タービン１０４は圧縮機として運転され、作業媒体の流れ方向も同様に変化する。
第１の熱交換器１１６は、第１の熱伝達システム１５９を介して充填床型高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭと接続されている。第１の熱伝達システム１５９の２つの管路１１８のみが図１において見える。
第２の熱交換器１２６は、第２の熱伝達システム１６１を介して充填床蓄冷ユニット１１２－ＫＭと接続されている。図１では、第２の熱伝達システム１６１の２つの管路１２８のみが見える。
両熱伝達システム１５９、１６１は、蓄熱時に高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭの固体蓄熱材料に熱を伝達するガス状の熱キャリアを作動させ、放熱時には、高温蓄熱材料から熱を拾い上げる。蓄冷ユニット１１２－ＫＭに蓄熱時には、熱キャリアは蓄熱材から熱を除去して冷却する。放熱時には、蓄冷ユニット１２２－ＫＭの蓄熱材に熱を放出して冷却する。
第２の熱伝達システム１６１は、例えば、アルゴン、窒素Ｎ２、ＣＯ２、および他のガスまたはガス混合物を熱キャリアとして作動させることができる。第１の熱伝達システム１５９では、空気もまた熱キャリアとして使用することもできる。
また、高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭと蓄冷ユニット１２２－ＫＭは、本質的に同様の構造を有している。構造および機能は、ＤＥ １０ ２０１０ ０５５ ９９７ Ａ１およびＷＯ２０１２／０１７０４１ Ａ１に記載されており、ここではこれを参照する。
熱エネルギー貯蔵システムは図２において蓄熱されている。３種類の気体媒体のそれぞれの流れ方向を矢印で図２に示す。蓄熱時には、電気機械１００はモータとして使用され、圧縮機１０２を駆動する。このように、反時計回りのヒートポンプサイクルが発生する。
熱い作動媒体１０８から第１の熱伝達システム１５９の同様に気体状の熱キャリアへの熱伝達は、第１の熱交換器１１６で行われる。高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭは、このように加熱された第１熱伝達システム１５９からの熱キャリアによって蓄熱される。
第２の熱交換器１２６において、タービン１０４を出る非常に冷たい（例えば、－１００℃の温度）作動媒体１０８から第２の熱伝達システム１６１のガス状熱キャリアへの熱伝達が行われる。このようにして冷却された第２の熱伝達システム１６１からの熱キャリアによって、冷蔵蓄熱ユニット１２２－ＫＭが蓄冷、すなわち冷却される。
本発明に記載の熱エネルギー貯蔵システムの放熱は、図３に示される第２の例示的な変形例によって説明される。第２の例示的な変形例では、圧縮機１０２とタービン１０４とは機械的に接続されておらず、圧縮機１０２とタービン１０４の両方は、代わりに、電気機械１００、１０１とそれぞれ接続されている。全ての例示された変形例の機能はほぼ同じであるため、蓄熱および放熱は、１つの変形例によって例示される。機能原理はすべての変形について同じであるか、少なくとも重要な共通点があるので、当業者がこれを別の変形に持ち越すことが可能である。
放熱の間、「タービン」１０４は圧縮機として働き、電気機械１０１によって駆動される。第１の熱交換器１１６では、「タービン」１０４内の圧縮によって既に加熱された作動媒体がさらに加熱される。これは、第１の熱伝達システム１５９の熱キャリアが高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭの蓄熱材を通過し、１０００℃以上まで加熱されることで達成される。この高い熱は、第１の熱交換器１１６内の作動媒体に伝達される。
その結果、第２の熱交換器１２６内の第２の熱伝達システム１６１の熱キャリアは、１５５において、圧縮機として機能するタービン１０４内に入る前に作動媒体を冷却し、それによって蓄冷ユニット１２２－ＫＭにおいて放熱する。
図４は、別の変形を概略的に示す。それは、圧縮機として作動するときにも効果的または非常に効果的に作動するように、１段または多段タービン１０４を構成することがしばしば不可能であるという事実を考慮している。このことは、１段または多段圧縮機１０２にも当てはまる。
この変形版には、２つの圧縮機１０２－Ｂ、１０４－Ｅおよびタービン１０４－Ｂおよび１０２－Ｅが含まれる。発電機モードとモータモードで作動することができる２つの電気機械１００、１０１がある。カップリング１０５は、必要なシステムコンポーネント（圧縮機およびタービン）を介して電気機械と接続することができ、非作動状態にあるものについては非結合状態とすることができる。
図４および図５に示す例示的な変形例では、第１の熱交換器１１６および第１の熱伝達システム１５９のみが存在する。前述した変形例とは異なり、サイクルの作動媒体は、蓄冷ユニット１１２－ＫＭを直接流れる。第２の熱交換器１２６および第２の熱伝達システム１６１は省略されており、サイクルの作動媒体は蓄冷ユニット１２２－ＫＭを直接流れる。
これには多くの利点がある。おそらく最も明白なのは、投資コストと必要スペースがはるかに低いということである。さらに、蓄熱材料から第２の熱伝達システム１６１の熱キャリアへ、およびこの熱キャリアから第２の熱交換器１２６のサイクルの作業媒体への移動中の温度差が無くなる(temperature differences are omitted)ので、熱エネルギー貯蔵システムの電流対電流効率が改善される。
高温側では、上述のように蓄熱および放熱は変わらずに発生する。蓄冷ユニット１２２－ＫＭにおける蓄冷および放冷(unloading)は、蓄冷ユニット１２２－ＫＭ内を作動媒体が流れる点で生じる。
熱エネルギー貯蔵システムは、図４において、アーマチュア(armatures)１０６－１～１０６－４の切替位置、ならびに熱伝達システム１５９および１６１の作動媒体および熱キャリアの流れ方向に基づいて放熱される。放熱中、圧縮機１０４－Ｅは電気機械１０１によって駆動される。カップリング１０５－４は閉じており、カップリング１０５－３は開いている。タービン１０２－Ｅは電気機械１００を駆動し、これは電路９９を介して送電網に電力を供給する。カップリング１０５－１は閉じており、カップリング１０５－２は開いている。
アーマチュア１０６－１および１０６－４は開放されている。アーマチュア１０６－２および１０６－３は閉じられているので、使用されていない圧縮機１０２－Ｂおよび使用されていないタービン１０４－Ｂはサイクルから切り離される。
熱エネルギー貯蔵システムに蓄熱するために、圧縮機１０２－Ｂは電気機械１００によって駆動される。カップリング１０５－３は閉じており、カップリング１０５－４は開いている。タービン１０４－Ｂは電気機械１０１を駆動し、この電気機械は電路９８を介して電力を送電網に供給する。カップリング１０５－２は閉じており、カップリング１０５－１は開いている。
アーマチュア１０６－２および１０６－３が開いている。アーマチュア１０６－１および１０６－４は、使用されていない圧縮機１０４－Ｅおよび使用されていないタービン１０２－Ｅがサイクルから切り離されるように閉じられている。
図５に示す変形例は、図１に示す形態の変形例であり、図４に示し、それに関連して説明したように、作動媒体は、蓄冷ユニットを通って直接流れる。第２の熱交換器１２６および第２の熱伝達システム１６１は、省略されている。
図６～図１２は、特に高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭ、蓄冷ユニット１２２－ＫＭ、第１熱伝達システム１５９、および第２熱伝達システム１６１の幾分詳細な描写である。
図６は、高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭおよび第１の熱伝達システム１５９を幾分詳細に示している。高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭは、複数の高温蓄熱モジュールＨＭ１～ＨＭ５を備え、モジュール数は自由に決定できる。本質的に、モジュールの数は所望するだけ多くすることができる。すなわち、蓄積される熱量は、モジュールの数を介して所望するだけ増加させることができる。各モジュールＨＭは、２つの管路（参照番号なし）を介して第１の熱伝達システム１５９に接続される。
図６に示す第１の熱伝達システム１５９は、開放システムであり、これは、周囲の空気を熱キャリアとして作用することを意味する。管路１６５を介して周囲の空気を吸引したり、高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭからの空気を環境に放出したりすることができる。高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭは、送風機ＨＦおよびフラップＨ１～Ｈ１１を収容している。フラップＨ２～Ｈ５では、熱キャリアの流れ方向を逆にすることができる。また、逆方向に搬送する第２の送風機（図示せず）を設置することも可能である。
高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭ内の管路は、分かりやすくするために、参照番号を持たない。第１の熱伝達システム１５９は管路１１８を介して第１の熱交換器１１６に接続されている。熱キャリアからの空気が第１の熱伝達システム１５９に通過する第１の熱交換器１１６の部分を割り当てることができると考えられる。
図６において、フラップＨ１～Ｈ１１は、蓄熱モジュールＨＭ１が蓄熱されるように配置され、ここで、周囲空気が熱キャリアとして使用される。蓄熱に必要な周囲空気は、管路１６５．１および開放フラップＨ１を介して送風機ＨＦによって吸引され、開放フラップＨ２を介して第１の熱交換器１１６に供給される。第１の熱交換器１１６では、サイクルの作動媒体１０８は、その高温の熱を周囲空気（熱キャリア）に放出する。
今や熱風が管路と開放フラップＨ６とを介してモジュールＨＭ１ に供給される。モジュールＨＭ１では、熱キャリア「空気」は、モジュールＨＭ１内の蓄熱材（例えば、砂、格子、砂利、石、セラミック造粒物、金属酸化物／ケイ酸塩造粒物など）を同時に通過し、その熱を蓄熱材に伝達する。次いで、冷却された空気は、高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭのモジュールＨＭ１を出る。モジュールＨＭ１が完全に蓄熱されると、フラップＨ６が閉じ、フラップＨ７が開いてモジュールＨＭ２が作動する。このようにして、モジュールＨＭ１～ＨＭ５は順次蓄熱され得る。
複数のモジュールＨＭを同時に並列に蓄熱することも可能である。そのためには、それぞれのフラップのみが開いている必要がある。たとえば、モジュールＨＭ３とＨＭ４を並列に蓄熱する場合は、フラップＨ８とＨ９が開いている必要がある。モジュールＨＭ１、ＨＭ２、およびＨＭ５を通過しないようにするには、フラップ Ｈ６、Ｈ７、およびＨ１０は閉じたままにしておく。
ほぼ完全に蓄熱されているモジュールの後ろに連続して蓄熱された第２のモジュールが作動する場合には、モジュールＨＭが完全に蓄熱される直前において、蓄熱されているモジュールの後ろの温度が上昇していると（これは、温度躍層(thermocline)が蓄熱材壁の出口表面に達している場合である。図１３および１４の説明を参照のこと）、有益であることが多い。これにより、熱損失を防ぐことができる。
図７は、この種の動作が可能な高温蓄熱ユニットの例示的な切替位置を示す。この場合、図６に示す変形例よりも多くのフラップが必要である。追加のフラップには、Ｈ１２、Ｈ１３、Ｈ１４、Ｈ１５、Ｈ１６、Ｈ１７、Ｈ１８、およびＨ１９とラベル付けされている。この切替変形例では、複数のモジュールを並列に蓄熱または放熱することも、また連続して動作させることもできる。
図７に、順次蓄熱されるモジュールＨＭ２およびＨＭ３の蓄熱を示す。この変形では、周囲空気は、熱キャリア媒体１１８として開放フラップＨ１を通って流れ、次いで送風機ＨＦおよびフラップＨ２を流れ、熱交換器１１６で加熱される。対応する管路とフラップＨ７を介して、熱風がモジュールＨＭ２に供給され、そこで蓄熱材を流れる。温度躍層が蓄熱システム壁から熱交換器の出口表面に到達した場合、モジュールＨＭ２がそれほど完全に蓄熱されていなかった場合よりも高い温度でモジュールＨＭ２から空気が排出される。この熱を失わないために、部分的に冷却された空気が、開放フラップＨ１２を通って、まだ完全に蓄熱されていないモジュールＨＭ３に送られる。空気がその残留熱をモジュールＨＭ３内の蓄熱材に放出した後、完全に冷却された空気は、開放フラップＨ１８、Ｈ１９、およびＨ１１を介して高温蓄熱ユニットから出る。
第１の熱伝達システム１５９が閉鎖システムとして作動される場合においても蓄熱は可能である。その場合、フラップＨ１およびＨ１１が閉じられ、フラップＨ４が開く。次いで、熱キャリアが第１の熱伝達システム１５９内を循環する。
当然のことながら、第１の熱伝達システム１５９が閉鎖システムとして作動される場合には、蓄熱も可能である。適切なガスを熱キャリア（窒素Ｎ２、アルゴンＡｒ、または二酸化炭素ＣＯ２など）として使用する場合は、システムを閉じておく必要がある。フラップＨ１、Ｈ１１はクローズドシステム運転では省略されている。
蓄冷ユニット１２２－ＫＭおよび第２の熱伝達システム１６１は、図８にある程度詳細に描かれており、蓄冷ユニット１２２－ＫＭは、複数の蓄冷モジュールＫＭ１～ＫＭ５を備えているが、モジュール数は自由に決定できる。本質的に、モジュールの数は所望するだけ多くすることができる。すなわち、蓄えられている冷気の量はモジュールの数を介して自由に決定することができる。各モジュールＫＭＩは、２本の管路（参照番号なし）を介して第２の熱伝達システム１６１に接続される。モジュールＨＭとモジュールＫＭの数は等しくする必要はない。
第２の熱伝達システム１６１は、周囲の空気を熱キャリアとして機能させることができないので、常に閉じたシステムである。蓄冷ユニット１２２－ＫＭは、フラップＫ２～Ｋ１５と共に送風機ＫＦとを含んでいる。フラップＫ２～Ｋ５によって熱キャリアの流れ方向を逆にすることができる。
蓄冷ユニット１２２－ＫＭ内の管路は、分かりやすくするために、参照番号を有しない。第２の熱伝達システム１６１は管路１２８を介して第２の熱交換器１２６に接続されている。
図８は、蓄冷ユニット１２２－ＫＭ、具体的にはモジュールＫＭ２を蓄熱したときの第２の熱伝達システム１６１を示す。熱キャリアは、第２の熱交換器１２６で冷却され、熱キャリアは、管路１２８および開放フラップＫ７のうちの１つを介してモジュールＫＭ２に供給される。モジュールＫＭ２を通過すると、熱キャリアが蓄熱材を冷却し、熱キャリアが温まる。
熱キャリアは、モジュールＫＭ２を出た後、開放フラップＫ１３を介してモジュールＫＭ３に供給される。すなわち、この例では、熱キャリアは、２つのモジュールＫＭ２およびＫＭ３を順次通過する。次いで、「加熱された」熱キャリアは、開いたフラップＫ１８、Ｋ１９、およびＫ４を介して送風機ＫＦに供給される。送風機ＫＦは、開放フラップＫ２を介して熱キャリアを搬送し、他方の管路１２８は第２の熱交換器１２６に戻る。そこで、熱キャリアは、その熱を、流れ方向に向かって流れるサイクル１０８の作動媒体上に放出し、熱キャリアは冷却し、次いで、１つまたは複数のモジュールＫＭに戻される。
図９では、高温蓄熱ユニット１１２－ＨＭのモジュールＨＭ２の放熱が閉鎖プロセスとして示されている。すなわち、フラップＨ１およびＨ１１が閉鎖されている。
放熱時は流れ方向が逆になる。これは、蓄熱プロセスから反対方向に働く第２の送風機を介して、またはフラップＨ２からＨ５を介して流れ方向が反転する同じ送風機ＨＦを介して起こり得る。すなわち、放熱時に、第１の熱交換器１１６から吸引された熱キャリア（空気、窒素、アルゴンなど）は、開放フラップＨ３を通って流れ、次いで、送風機ＨＦを通って、管路を介して、開放フラップＨ５を通ってモジュールＨＭ２に熱キャリアを搬送する。熱キャリアは、モジュールＨＭ２およびその中の蓄熱材を通過し、開放フラップＨ７を通って第１の熱交換器１１６に流れる。ここで、冷却された熱キャリアは、管路１１８およびフラップＨ３を介して送風機ＨＦに戻される。
図１０および図１１は、第２の熱交換器１２６および第２の熱伝達システム１６１を有さない（図４および図５も参照）、蓄冷ユニットユニット１１２－ＫＭの蓄冷を示す。
図１０に、モジュールＫＭ１の直接蓄冷を示す。サイクルの作動媒体は、タービンを出て非常に冷えた後、管路と開放フラップＫ６を介してモジュールＫＭ１に搬送される。モジュールＫＭ１を通過するとき、作動媒体は蓄熱材を冷却し、したがって加熱される。その後、作動媒体は圧縮機に搬送される。
図１１は、モジュールＫＭ２とＫＭ３とを直列に蓄熱した状態、すなわちフラップＫ７とＫ１３が開いており、モジュールＫＭ２とＫＭ３が作業媒体によって連続して通過している状態を示している。「加熱された」作業媒体は、開放フラップＫ１８、Ｋ１９を介して圧縮機に到達する。
図１２において、液体塩および液体冷却剤を蓄熱ユニットとして用いたＵＳ２０１９／０１９５５７１ Ａ１から公知の熱エネルギー貯蔵システムを、本発明に記載の熱エネルギー貯蔵システムと比較する。図１２は、終端温度差、圧力損失、および個別消費の選択された実用パラメータの２つのＴ－Ｓ図を示しており、両方の方法は、同じ電気出力または電力量を蓄積することを目的としている。
ライン１７１は、ＵＳ２０１９／０１９５５７１Ａ１から知られる蓄熱に使用される熱エネルギー貯蔵システムの反時計回りのヒートポンプサイクルを示す。
ライン１７３は、ＵＳ２０１９／０１９５５７１Ａ１から知られている放熱に使用される熱エネルギー貯蔵システムの時計回りのサイクルを示している。
ライン１７５は、本発明に記載の熱エネルギー貯蔵システムにおける蓄熱中の反時計回りのヒートポンプサイクルを示す。
ライン１７７は、本発明に記載の熱エネルギー貯蔵システムの放熱中の時計回りのサイクルを示す。
Ｔ－Ｓ図と、図１２に規定されている圧力範囲（ｐｍａｘ６７．４ｂａｒ対ｐｍａｘ＝８．５ｂａｒ）との比較は、本発明によって記載される熱エネルギー貯蔵システムが、システムの安全性に関して非常に有益であることを示している。６２．２％対５７．２％の電流対電流効率の比較は、明らかに、本発明によって説明される熱エネルギー貯蔵システムの利益に言及する。
図１３は、蓄熱材料からなる６つの壁１６７を有する蓄熱モジュールＨＭまたはＫＭの変形例の断面を示す。壁１６７は、熱伝達システム１５９または１６１の熱キャリア（空気、ガス）がそれらを通って流れることができるように多孔性である。好ましい鉱物蓄熱材（砂、砂利、玄武岩、セラミック造粒物、金属酸化物／ケイ酸塩造粒物など）は、８ｍｍ未満の平均直径を有し、好ましくは１～３ｍｍであり、配置されて同時に水平に通過する複数の層または壁１６７とされる。放射状且つ横方向の蓄熱層(A radial traversal of storage layers)も可能である。本出願人によるＤＥ １０２０１０ ０５５ ９９７ Ａ１およびＤＥ １０ ２０１０ ０３３ ５７１ Ａ１は、蓄熱材および流動方向の様々な配置を示し、説明する。
壁１６７の数および厚さは、貯蔵システムのそれぞれの要件（例えば、最大許容圧力損失）に依存する。厚さは０．３～２．５ｍの範囲である。
熱キャリアは、管路１７９を介して、壁１６７間の３つの中間空間に搬送される。
熱キャリアは、管路１８１を介して２つの壁１６７の間の２つの中間空間から搬送される。管路１８１は、蓄熱モジュールＨＭ、ＫＭのハウジング１８３の間の中間空間と接続されている。これにより、６つの壁１６７すべてを、熱キャリアが、同時におよびそれらの全表面にわたって通過することが可能になる。これは、圧力損失をかなり減少させ、依然として、熱キャリアから蓄熱材上へ、またその逆に、非常に良好かつ迅速な熱伝達を可能にする。
図１３は、蓄熱材の上方の流入および流出管路１７９、１８１を示すが、これらは壁間の熱キャリア（ガスまたは空気）を側面からまたは下方から挿入または排気することができる。任意の組み合わせが可能であり、例えば、蓄熱モジュールは、一方の側から蓄熱し、他方の側から放熱することができる。すでに述べたように、蓄熱材は、他の手段、例えば、半径方向に、または下から上方に通過することができる。
図１４は、蓄熱材からなる６つの壁１６７を有する、蓄熱モジュールＨＭまたは蓄冷モジュールＫＭの別の変形例を通る断面を示す。壁１６７は、熱伝達システム１５９または１６１の熱キャリア（空気、ガス）が壁を通って流れることができるように多孔性である。
蓄熱モジュールの蓄熱は、図１４の上部に示されており、熱キャリアは、管路１７９を介して、壁１６７間の３つの中間空間に搬送される。
冷却された熱キャリアは、管路１８１を介して２つの壁１６７の間の２つの中間空間から搬送される。また、管路１８１は、蓄熱モジュールＨＭ、蓄冷モジュールＫＭのハウジング間の中間空間と接続されている。これにより、６つの壁１６７すべてを、それらの全表面にわたって熱キャリアが同時に通過することが可能になる。これは、圧力損失をかなり減少させ、しかも、熱キャリアから蓄熱材へ、またその逆へ、非常に良好かつ迅速な熱伝達を可能にする。
この例の変形例では、管路１７９および１８１は、それぞれ１つのフラップが配置されたフラップボックスを介して熱伝達システム１５９または１６１と接続されている。
図１４ の上部に、蓄熱モジュールＨＭ の蓄熱を示す。図１４ の下部に、蓄熱モジュールＨＭ の放熱を示す。２つのフラップを切り替えることによって、蓄熱壁１６７を通る熱伝達システムの熱キャリアの流れ方向が逆になる。これは、蓄熱中および放熱中のエネルギー損失を再び減少させる。ガス流への蓄熱モジュールの直接統合は、ガス流が蓄熱と放熱との間で方向を変える必要なく可能である。
蓄熱モジュールＨＭ、ＫＭ の外形寸法は、輸送コンテナの寸法と一致させることが推奨される。これは、モジュールを工場で製造し、使用場所まで手頃な価格で輸送できることを意味する。あるいは、モジュールを建物現場で直接組み立てることもできる。したがって、当然のことながらかなり大きな寸法が可能である。
一般に、ハウジングおよび軸受要素は鋼製であるが、環境に対してわずかな過圧および不足圧のため、コンクリートのような他の材料を現場組立に使用することができる。蓄熱材の充填およびモジュールの閉鎖は、好ましくは、現場での組立後に行われる。
モジュール内部にガスまたは空気透過性の壁の形で蓄熱材を配置すると、大きな流入表面が生じる。これは、管路内の流速と比較して、ガス状熱キャリアの壁への流入速度を減少させる。これは、今度は蓄熱材を通過するときの圧力損失を指数関数的に減少させる結果となる。したがって、熱伝達システム１５９および１６１の送風機に対する所要エネルギーは低減される。
細粒／粒状蓄熱材の使用により、温度躍層（流れ方向の高温と低温材料の間の閾値層）は非常に狭い（約５～３５ｃｍ）。細粒蓄熱材の大きな表面は、非常に良好な熱交換と、蓄熱および放熱中の高い熱出力を容易にする。大きな表面と狭い温度躍層とは、放熱中において蓄熱材の通過中に熱キャリアの温度が非常に安定するという結果をもたらす。熱キャリアの温度は、温度躍層が出口表面に達したときになって初めてより強く減少する。
モジュール構造、モジュール内の収納材料壁の数およびサイズに関する柔軟性、モジュールを並列に蓄熱および放熱するオプションは、大量の熱を蓄えることができるだけでなく、蓄熱および放熱中に異なる熱出力を選択することも可能であることを意味する。例えば、放熱時に極めて高い熱出力を短時間で実現できる（例えば、１０個のモジュールを同時に並行して通過する場合には、２時間で１００ＭＷ）。放熱時には、その後、低出力を長期にわたって実現できる（例えば、２つのモジュールが同時に並列に放熱され、次の２つのモジュールが蓄熱される場合には、１０時間で２０ＭＷ）。
熱を使用可能なほど高いレベルに長期間保持するために、モジュールおよび管路は、対応する熱に対して十分に断熱されなければならず、自然対流を通じたアイドルモードでのモジュールの通過は、フラップの閉鎖を介して防止しなければならない。
蓄熱材を通る流れの方向が、蓄熱と放熱との間で逆になることは有益であることが証明されている。
蓄熱モジュールが、蓄熱および放熱にかかわらず同じ流れ方向を含むシステム内に設置される場合、蓄熱モジュールの前後に２つの適切な切替フラップ(switchover flap)が、ストレージ材料を通る流れを逆転させることができる。モジュール内の切替フラップのこのような配置は、図１４に様々な切替位置で示されており、蓄熱モジュールは、図１４ａの上部において蓄熱され、高温ガスが流入し、次いで、流入管を通って上方から、蓄熱材壁の間に導かれる。貫流に続いて、ガスは、モジュール壁と外部蓄熱材壁との間で蓄熱材壁を通って、かつ、流出管に至るまで流れ、モジュールを冷却状態に放出することによって、モジュールを離脱する。図１４の下部では、両方のフラップが切り替わり、モジュールを通る流れの方向が逆になる。
２つのフラップのうち１つだけを切り替えると、バイパスが作成され、ガスがそれぞれの切替管路を通って流れるようになる。このように切り換えられたフラップを有するこのようなモジュールは、流入するガスの温度がかなり変動する状態で、連続的に安定したガス温度または狭い温度範囲がモジュールの背後に存在する場合（例えば、化学プロセスを維持するために）、関心の対象となり得る。
ＵＳ２０１６／０２９８４５５Ａ１、ＵＳ２０１９／０１９５６７１Ａ１、ＵＳ２０１９／０２１２０７０Ａ１、およびＵＳ２０１９／０１９５５７１Ａ１に記載されている高温蓄熱ユニットの蓄熱媒体としては、液体塩または液体塩類混合物が使用されている。この高温蓄熱媒体の使用温度は、塩または塩類混合物の融点（２００℃～３２０℃）と分解点（５６０℃～５７０℃）によって決まる。したがって、温度間隔は、蓄熱ユニットとして塩蓄熱システムが作動する範囲、すなわち、約２３０℃～５７０℃の間にある。この温度間隔は、高温蓄熱ユニットの蓄熱容量を制限する。
ＵＳ２０１８／０１８７５９７Ａ１、ＥＰ２ ３９０ ４７３ Ａ１、およびＥＰ２ ４００ １２０ Ａ１は、高温側および低温側に夫々液体蓄熱媒体のためのタンクを２個備える熱エネルギー蓄積システムを記載している。
ＵＳ２０１８／０１８７５９７Ａ１、ＥＰ２ ３９０ ４７３ Ａ１、およびＥＰ２ ４００ １２０ Ａ１は、高温側および低温側に夫々液体蓄熱媒体のためのタンクを２個備える熱エネルギー蓄積システムを記載している。
Claims (15)
- 高温蓄熱ユニットと、蓄冷ユニットと、少なくとも１つの圧縮機（１０２）と、少なくとも１つのタービン（１０４）とを備え、
前記高温蓄熱ユニット、前記蓄冷ユニットの前記少なくとも１つのタービン（１０４）、および前記少なくとも１つの圧縮機（１０２）は、管路内を循環するガス状の作動媒体が、反時計回りのヒートポンプサイクルまたは時計回りの作動サイクルのいずれかを通ることができるように、管路を介して互いに接続されており、
前記圧縮機（１０２）の出口（１５１）は、前記タービン（１０４）の入口（１５３）と接続され、前記タービン（１０４）の出口（１５５）は、前記圧縮機（１０２）の入り口（１５７）に接続され、
前記圧縮機（１０２）の前記出口（１５１）と前記タービン（１０４）の前記入口（１５３）との間には第１の熱交換器（１１６）があり、前記タービン（１０４）の前記出口（１５５）と前記圧縮機（１０２）の前記入口（１５７）との間には第２の熱交換器（１２６）があり、前記第１の熱交換器（１１６）と前記第２の熱交換器（１２６）との夫々の一方の側を作動媒体が通過する熱エネルギー貯蔵システムであって、
高温蓄熱ユニット（１１２－ＨＭ）および蓄冷ユニット（１１２－ＫＭ）は充填床蓄熱ユニットであり、
前記第１の熱交換器（１１６）と前記高温蓄熱ユニット（１１２－ＨＭ）との間には第１の熱伝達システム（１５９）があり、
前記第２の熱交換器（１１６）と前記蓄冷ユニット（１２２－ＫＭ）との間には第２の熱伝達システム（１６１）があり、
且つ、前記熱伝達システム（１５９、１６１）は、気体状の伝熱媒体（）によって作動することを特徴とする
熱エネルギー貯蔵システム。 - 高温蓄熱ユニットと、蓄冷ユニットと、少なくとも１つの圧縮機（１０２）と、少なくとも１つのタービン（１０４）とを備え、
前記高温蓄熱ユニットと前記少なくとも１つのタービン（１０４）と前記蓄冷ユニットと前記少なくとも１つの圧縮機（１０２）とは、管路内を流れるガス状の作動媒体が、反時計回りのヒートポンプサイクルまたは時計回りの作動サイクルのいずれかを通ることができるように、管路を介して互いに接続され、
前記圧縮機（１０２）の出口（１５１）は、前記タービン（１０４）の入口（１５３）と接続され、前記タービン（１０４）の出口（１５５）は、前記圧縮機（１０２）の入り口（１５７）と接続され、
前記圧縮機（１０２）の出口（１５１）と前記タービン（１０４）の入口（１５３）との間には、第１の熱交換器（１１６）があり、前記第１の熱交換器（１１６）の一方の側には作動媒体が流通する熱エネルギー貯蔵システムであって、
高温蓄熱ユニット（１１２－ＨＭ）および蓄冷ユニット（１２２－ＫＭ）は、充填床蓄熱ユニットとして設計され、
前記第１の熱交換器（１１６）と前記高温蓄熱ユニット（１１２－ＨＭ）との間には第１熱伝達システム（１５９）があり、
第１熱伝達システム（１５９）は気体状の伝熱媒体によって作動し、
前記蓄冷ユニット（１２２－ＫＭ）は、前記タービン（１０４）の出口（１５５）と圧縮機（１０２）の入口（１５７）との間のサイクルで一体化され、これによって作動媒体が前記蓄冷ユニット（１２２－ＫＭ）を通過することを特徴とする
熱エネルギー貯蔵システム。 - 前記高温蓄熱ユニット（１１２－ＨＭ）および／または前記蓄冷ユニット（１２２－ＫＭ）は、微粒／粒状状の蓄熱材、好ましくは鉱物が存在する１つ以上の蓄熱モジュール（ＨＭ、ＫＭ）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
- 前記蓄熱モジュール（ＨＭ、ＫＭ）内の蓄熱材は、空気またはガス透過性の壁（１６７）の形態で配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
- 前記第１の熱伝達システムおよび前記第２の熱伝達システム（１５９、１６１）は、少なくとも１つの送風機（ＨＦ、ＫＦ）、管路、およびフラップ（Ｈｉ、Ｋｊ）を備え、フラップの作動を介して１つ以上の蓄熱モジュール（ＨＭ、ＫＭ）を蓄熱または放熱するように構成されていることを特徴とする請求項１、または請求項３および１、または請求項４および３および１に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
- 反時計回りのヒートポンプサイクルとして運転する第１の圧縮機（１０４Ｅ）と、時計回りの作動サイクルとして運転する第２の圧縮機（１０２Ｂ）とを備えていることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
- 反時計回りのヒートポンプサイクルとして運転する第１のタービン（１０２Ｅ）と、時計回りの作動サイクルとして運転する第２のタービン（１０４Ｂ）とを備えることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
- 少なくとも１つの電気機械（１００，１０１）を備え、かつ、少なくとも１つの電気機械（１００，１０１）が圧縮機（１０２）および／またはタービン（１０４）と接続されていることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の熱エネルギー貯蔵システム。
- 少なくとも１つの圧縮機および少なくとも１つのタービンを反時計回りサイクルとして運転するステップと、
熱キャリアが蓄熱モジュール（ＨＭ１～ＨＭｎ）を順次または同時に通過するように第１の熱伝達システム（１５９）を運転するステップを含む、請求項２～８のいずれか１項に記載の熱エネルギー貯蔵システムに蓄熱する方法。 - 少なくとも１つの圧縮機および１つのタービンを反時計回りサイクルとして運転するステップと、
熱キャリアが前記蓄熱モジュール（ＨＭ１～ＨＭｎ）を順次または同時に通過するように第１の熱伝達システム（１５９）を運転するステップと、
熱キャリアが前記蓄冷モジュール（ＫＭ１～ＫＭｎ）を順次または同時に通過するように第２の熱伝達システム（１６１）を運転するステップと、
を含む、請求項１および３～９のうちの１つに記載の熱エネルギー貯蔵システムに蓄熱する方法。 - 少なくとも１つの圧縮機および１つのタービンを時計回りの作動サイクルとして運転するステップと、
前記蓄熱モジュール（ＨＭ１～ＨＭｎ）が熱キャリアによって順次または同時に通過するように前記第１の熱伝達システム（１５９）を運転するステップと、
を含む、請求項２～９のうちの一項に記載の熱エネルギー貯蔵システムから放熱する方法。 - 少なくとも１つの圧縮機および１つのタービンを時計回りサイクルとして運転するステップと、
熱キャリアが前記蓄熱モジュール（ＨＭ１～ＨＭｎ）を順次または同時に通過するように第１の熱伝達システム（１５９）を運転するステップと、
熱キャリアが前記蓄冷モジュール（ＫＭ１～ＫＭｎ）を順次または同時に通過するように第２の熱伝達システム（１６１）を運転するステップと、
を含む、請求項１および３乃至９のうちの１つに記載の熱エネルギー貯蔵システムに蓄熱する方法。 - 動作モード「蓄熱」と「放熱」とが交互になると、第１の熱伝達システム（１５９）および／または第２の熱伝達システム（１６１）における熱キャリアの流れ方向が反転することを特徴とする請求項９～１２のいずれか１項に記載の方法。
- 前記蓄熱モジュール（ＨＭ、ＫＭ）は、個別に蓄熱および／または放熱されることを特徴とする請求項９～１３の何れか１項に記載の方法。
- 蓄熱および／または放熱中に、複数の蓄熱モジュール（ＨＭ、ＫＭ）が直列または並列に切り替えられることを特徴とする請求項９～１３の何れか一項に記載の方法。
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