JP2023530825A - エネルギー管理のためのプラントおよびプロセス - Google Patents

Abstract

エネルギー管理のためのプロセスは、気相で、かつ大気との圧力平衡にある、大気以外の、例えば二酸化炭素ＣＯ２からなる、または二酸化炭素を含む作動流体を貯留するためのケーシング５と、作動流体自体の臨界温度に近い温度により、液相または超臨界相で作動流体を貯留するためのタンク６との間で、最初に充填構成／段階で一方向に、次いで放出構成／段階で反対方向に、閉サイクリック熱力学的変換ＣＴＴを作動させるステップであって、前記充填段階において、前記プロセスは熱および圧力を蓄積し、前記放出段階において、前記プロセスはエネルギーを生成する、ステップと、前記作動流体の少なくとも一部を用いて、少なくとも１つの閉熱力学的サイクルＴＣを、さらには充填段階または放出段階と同時に作動させるステップとを含む。本プロセスは、閉熱力学的サイクル内で少なくとも１つの酸素燃焼によって作動流体を加熱するステップを含む。【選択図】 図１

Description

本発明の目的は、エネルギー管理のためのプラントおよびプロセスであり、管理によるエネルギーの生成、変換、吸収および貯留が意図される。

より正確には、本発明の目的は、エネルギーを生成し、エネルギーを吸収／使用し、経時的に貯留されたエネルギーを維持することができ、かつ、例えば熱的、機械的および／または電気的にエネルギーに再変換することができるシステムである。

より詳細には、本発明は、酸素燃焼によって、可能なさらなる供給源からエネルギーを生成するための、かつ熱力学的サイクルおよび／またはサイクリック熱力学的変換の作動によって、位置エネルギー（圧力）および熱／熱力学的エネルギーの形態でエネルギーを貯留するためのシステムに関する。

本発明はまた、酸素燃焼または他の供給源からの二酸化炭素（ＣＯ_２）の回収および隔離（ＣＣＳ）のためのシステムの分野にも位置付けられる。

本発明は、陸上および海上の両方の用途のための、典型的には数百ｋＷ～数十ＭＷ（例えば２０～２５ＭＷ）の範囲の出力を有するが、数百ＭＷの出力も有し、数百ｋＷｈ～数百ＭＷｈ、さらには数ＧＷｈまでの貯留容量を有する、例えば、様々な供給源からの発電、および中大規模のエネルギーの貯留システムの分野に位置付けられる。

本発明はまた、陸上および海上の両方の、典型的には数ｋＷ～数百ｋＷの範囲の出力を有し、数ｋＷｈ～数百ｋＷｈの貯留容量を有する、様々な供給源からの発電、ならびに家庭用および商用のエネルギーの貯留システムの分野に位置付けることができる。

定義
本明細書および添付の特許請求の範囲において、以下の定義を参照する。
熱力学的サイクル（ＴＣ）：点Ｘから点Ｙへの熱力学的変換、ここで、ＸはＹと一致する；以下に述べるＣＴＴ（サイクリック熱力学的変換）とは異なり、ＴＣではサイクル内で質量蓄積（エネルギー目的で重要）が生じないが、ＣＴＴは典型的には、２つの作動流体貯留部（一方が初期作動流体貯留部で、他方が最終作動流体貯留部）の間で仕事をする；
サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）：点Ｘから点Ｙへ、そして点Ｙから点Ｘへの熱力学的変換であって、必ずしも同じ中間点を通過しない熱力学的変換；
閉ＴＣおよび／またはＣＴＴ：大気との質量交換（ｍａｓｓ ｅｘｃｈａｎｇｅ）（エネルギー目的で重要）がない；
開ＴＣおよび／またはＣＴＴ：大気との質量交換（エネルギー目的で重要）がある。

同出願人名義の公開文献である国際公開第２０２０／０３９４１６号は、エネルギー貯留プラントおよびプロセスを示す。プラントは、気相で、大気との圧力平衡状態にある、大気以外の作動流体を貯留するためのケーシングと、そのような作動流体を、臨界温度に近い温度により液相または超臨界相で貯留するためのタンクであって、臨界温度が周囲温度に近い、タンクとを備える。プラントは、ケーシングとタンクとの間で、最初に充填構成で一方向に、次に放出構成で反対方向に、閉サイクリック熱力学的変換を実行するように構成される。充填構成では、プラントは熱および圧力を貯留し、放出構成では、プラントはエネルギーを生成する。

公開文献である米国特許第８，５９６，０７５号明細書（Ｒｏｄｎｅｙ Ｊｏｈｎ Ａｌｌａｍ）は、燃料の燃焼に由来する二酸化炭素が回収される、二酸化炭素の再循環と組み合わせて高効率燃焼器を使用してエネルギーを生成するためのシステムを示している。

出願人は、上述の国際公開第２０２０／０３９４１６号および米国特許第８，５９６，０７５号明細書に記載されているプロセスおよびプラントが、特にその柔軟性に関して、さらに改善され得ることを観察した。

本出願人は、特に、様々な供給源（再生不可能な供給源および燃料、例えば化石燃料、ならびに再生可能な、さらには合成の供給源および燃料）からのエネルギーを、柔軟で効率的かつ効果的な方法で管理（生成、蓄積、吸収、変換、切り替え）することを可能にするような、エネルギーの生成、吸収、変換および貯留（エネルギー貯留）のためのシステム（プラントおよびプロセス）を作成する必要性を感じている。

そのような状況において、本出願人はまた、二酸化炭素ＣＯ_２を大気中に導入することのない、またはさらには二酸化炭素ＣＯ_２の削減に寄与する、すなわち他の産業プロセスによって生成されたＣＯ_２を吸収する、エネルギーを生成および変換することを可能にするシステムを考え、作製することを目的としている。

本出願人は、上記の目的およびさらに他の目的が、国際公開第２０２０／０３９４１６号に示されているような作動流体のサイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）によって動作するシステムによって達成することができ、このシステムでは、同じ作動流体の少なくとも一部で達成される閉熱力学的サイクル（ＴＣ）が統合され、作動流体の加熱は、主にサイクル内の酸素燃焼によって得られることを見出した。

本明細書および添付の特許請求の範囲では、サイクル内での酸素燃焼によって、燃料および酸素および酸素燃焼の生成物が作動流体と直接接触し、前記燃焼生成物が少なくとも部分的に作動流体の一部となることが意図される。

特に、上記の目的およびさらに他の目的は、添付の特許請求の範囲に記載され、かつ／または以下の態様に記載されるタイプの、エネルギーを管理（生成、吸収、蓄積、変換）するためのプラントおよびプロセスによって実質的に達成される。

独立した態様では、本発明は、エネルギー管理のためのプラントであって、
大気以外の作動流体と、
作動流体を気相で、かつ大気と圧力平衡状態で貯留するように構成された少なくとも１つのケーシングと、
作動流体自体の臨界温度に近い温度により、液相または超臨界相で前記作動流体を貯留するように構成された少なくとも１つのタンクと、
ケーシングとタンクとの間に動作可能に介在し、ケーシングをタンクに直接的および／または間接的に接続するダクトであって、
ケーシングからタンクに延びる少なくとも１つの充填経路、
タンクからケーシングに延びる少なくとも１つの放出経路、ならびに
放出経路および充填経路と流体連通する少なくとも１つの閉回路
を区画するダクトと、
作動流体を膨張させるように構成され、ダクトに沿って配置された少なくとも１つの膨張機と、
作動流体を圧縮するように構成され、ダクトに沿って配置された少なくとも１つの圧縮機と、
作動流体に熱を伝達するように、または作動流体から熱を吸収するように構成され、ダクトに沿って配置された熱交換器と、
酸素燃焼を作動させることで作動流体を加熱するように構成され、ダクトに沿って配置された少なくとも１つの燃焼室と
を備え、
プラントは、前記ケーシングと前記タンクとの間で、最初に充填構成で一方向に、次に放出構成で反対方向に、作動流体を用いて少なくとも１つの閉サイクリック熱力学的変換を作動させるように構成され、
プラントはまた、任意選択的に前記プラントが充填構成または放出構成にある間に、前記作動流体を用いて前記閉回路内の少なくとも１つの閉熱力学的サイクルを作動させるように構成され、
燃焼室は、充填／蓄積中に閉熱力学的サイクルおよび閉サイクリック熱力学的変換内の酸素燃焼によって作動流体を加熱するために、少なくとも閉回路において動作可能である
エネルギー管理のためのプラントに関する。

独立した態様では、本発明は、エネルギー管理のためのプロセスであって、
気相で、かつ大気との圧力平衡状態にある、大気以外の作動流体を貯留するためのケーシングと、作動流体自体の臨界温度に近い温度により、液相または超臨界相で前記作動流体を貯留するためのタンクとの間で、最初に充填構成／段階で一方向に、次いで放出構成／段階で反対方向に、閉サイクリック熱力学的変換を作動させるステップであって、充填段階においてプロセスは熱および位置エネルギーを圧力の形態で蓄積し、放出段階においてプロセスはエネルギーを生成する、ステップと、
前記作動流体の少なくとも一部を用いて、少なくとも１つの閉熱力学的サイクルを、任意選択的に充填段階または放出段階と同時に作動させるステップと
を含み、プロセスは、閉熱力学的サイクル内の少なくとも１つの酸素燃焼によって作動流体を加熱するステップを含む、エネルギー管理のためのプロセスに関する。

任意選択的に、プロセスは、前述の態様に従って、かつ／または以下の態様のうちの１つもしくは複数に従ってプラントによって作動される。

任意選択的に、作動流体は、以下の化学的－物理的特性を有する：０℃～２００℃に含まれる臨界温度、０．５ｋｇ／ｍ^３～１０ｋｇ／ｍ^３に含まれる２５℃での密度。

任意選択的に、作動流体は、ＣＯ_２および／もしくはＮ_２Ｏを含むか、またはＣＯ_２および／もしくはＮ_２Ｏからなる。

任意選択的に、作動流体は、ＣＯ_２および／またはＮ_２Ｏを含むガスの混合物である。

任意選択的に、酸素燃焼によって生成された生成物は、ＣＯ_２および／またはＮ_２Ｏを含む。

本出願人は、本発明によるプラントおよびプロセスが、事前に確立された目的を得ることを可能にすることを確認した。

特に、本出願人は、本発明が、吸収され、貯留され、戻され、生成されたエネルギーを柔軟かつ効果的な方法で管理することを可能にすることを確認した。

本出願人は、本発明が、他のプロセスに由来する二酸化炭素ＣＯ_２または窒素酸化物Ｎ_２Ｏなどの生成物の使用および／または貯留を可能にすることを確認した。

本出願人は、本発明が既存のプロセスからＣＯ_２を自動的に回収することを可能にし、ＣＯ_２を貯留または他の目的のために利用可能にし、ＣＯ_２を貯留する可能性を有するエネルギーを同時に生成することを特に確認した。本発明によるプラントおよびプロセスは、既存のプラント／産業プロセスと統合することができ、ＣＯ_２の回収を本質的に備える。

本出願人は、本発明が、二酸化炭素を大気中に導入することのない、またはさらには二酸化炭素の削減に寄与する、エネルギーの生成および変換を可能にすることを確認した。

本出願人は、特に、本発明によるプラントおよび／またはプロセスが、ガスを生成し、そのようなガス生成物を使用および／または回収することができるプラント／産業プロセスと統合することができることを確認した。

本発明の態様を以下に列挙する。

一態様では、膨張機は、少なくとも１つの膨張タービンを備える。

一態様では、圧縮機は、少なくとも１つのターボチャージャを備える。

一態様では、前記少なくとも１つの膨張機は、直列に配置された複数の膨張機を備える。

一態様では、前記少なくとも１つの圧縮機は、中間冷却を伴うタイプ、または伴わないタイプのものである。

一態様では、前記少なくとも１つの圧縮機は、直列に配置された複数の圧縮機を備え、前記圧縮機間の中間冷却を伴う、または伴わない。

一態様では、前記少なくとも１つの燃焼室は、膨張機の上流かつ／または膨張機間に設置される。

一態様では、前記少なくとも１つの燃焼室は、前記タービンと前記ターボチャージャとを備えるターボ機械の一部である。

一態様では、燃焼室は、直接的または間接的に燃料および酸素を受け取るように構成される。

一態様では、作動流体が流れる燃焼室に、直接的または間接的に燃料および酸素を導入することが提供される。

一態様では、燃焼室は、燃料および／または酸素のための入口を有する。

一態様では、燃料は、前記少なくとも１つの圧縮機またはそのような目的専用の補助圧縮機の吸入口に、任意選択的に大気圧で導入される。

一態様では、酸素は、導入される前に、任意選択的に専用の圧縮機によって圧縮される。

一態様では、燃料は、炭素を含有する生成物を含む。

一態様では、燃料は、窒素を含有する生成物を含む。

一態様では、燃料は、メタンおよび他の化石燃料、ＬＮＧ、合成燃料、例えばＳＮＧ（合成天然ガス）、ＬＳＦ、アンモニアＮＨ_３、ヒドラジン、尿素を含む群から選択される。

一態様では、燃料は、産業プロセス、例えば製鋼プロセスから生じるガス、例えばＢＦＧ（高炉ガス（Ｂｌａｓｔ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｇａｓ））、ＬＤＧ（転炉ガス（Ｌｉｎｚ－Ｄｏｎａｗｉｔｚ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｇａｓ））のようなコンバータガス、または直接還元製鉄（Ｄｉｒｅｃｔ Ｒｅｄｕｃｅ Ｉｒｏｎ）からのプロセスガスを含む。

一態様において、本発明の別の目的は、本発明によるエネルギー管理のためのプラントを備えるか、もしくはそれと動作可能に関連付けられた鋼プラント、および／または本発明によるエネルギー管理のためのプロセスを含むか、もしくはそれと動作可能に関連付けられた製鋼プロセスであり、前記鋼プラントによって生成される、および／または前記製鋼プロセスから生じるガスは、少なくとも部分的に、本発明によるエネルギー管理のためのプラントおよび／またはプロセスの燃料として使用される。

一態様では、燃焼室は、二酸化炭素または窒素酸化物のような、酸素燃焼によって生成された生成物をダクトに導入するように構成される。

一態様では、酸素燃焼によって生成された二酸化炭素または酸素燃焼によって生成された窒素酸化物のような、酸素燃焼によって生成された生成物は、作動流体の一部となり、閉サイクリック熱力学的変換および／または閉熱力学的サイクルの一部となる。

一態様では、酸素燃焼が過剰な燃料または酸素で発生し、その結果、燃料または酸素の一部が作動流体の一部になり、ダクト内を循環することが提供される。

一態様では、ダクト上に、任意選択的に燃焼室の上流に配置された混合器が提供される。

一態様では、混合器は、酸素および／または燃料のための入口を有する。

一態様では、作動流体は混合器を通過する。

一態様では、前記混合器は、酸素および／または燃料と作動流体とを、燃焼室に入る前に混合するように構成される。

一態様では、酸素燃焼によって生成された生成物の少なくとも１種、例えば二酸化炭素または窒素酸化物を、酸素燃焼の他の生成物から分離し、前記他の生成物をプロセスから抽出することが提供される。

一態様では、酸素燃焼によって生成された生成物の少なくとも１種、例えば二酸化炭素または窒素酸化物のセパレータが、膨張機の出口の下流に配置され、酸素燃焼によって生成された生成物の前記少なくとも１種を、例えば水などの酸素燃焼の他の生成物から分離するように構成される。

一態様では、セパレータは、ダクトから前記他の生成物（例えば水など）を抽出するように構成される。

一態様では、制御された方法でプラントから作動流体を抽出することを可能にするために、ダクトおよび／またはタンクおよび／またはケーシングと流体連通する少なくとも１つの抽出ダクトが設けられる。

一態様では、閉サイクリック熱力学的変換および／または閉熱力学的サイクルから、酸素燃焼によって生成された生成物の前記少なくとも１種、例えば二酸化炭素を制御された方法で抽出して、貯留するおよび／またはユーザに送ることが提供される。

一態様では、前記抽出ダクトは、二酸化炭素の回収および隔離のシステムに接続される。

一態様では、制御された方法でプラントに作動流体を導入することを可能にするために、ダクトおよび／またはタンクおよび／またはケーシングと流体連通する少なくとも１つの入口ダクトが設けられる。

一態様では、外部から、かつ制御された方法で、他の産業プロセスからの生成物、例えば二酸化炭素を、閉サイクリック熱力学的変換および／または閉熱力学的サイクルに導入することが提供される。

一態様では、前記導入される二酸化炭素は、産業プロセスまたはバイオマスのガス化に由来する。

一態様では、前記導入される二酸化炭素は、鉱物の非鉄および／またはより貴重な材料への変換の産業プロセスに由来する。

一態様では、前記入口ダクトは、二酸化炭素の回収および隔離のシステムに接続される。

一態様では、隔離された二酸化炭素は、例えば再注入井戸を介して、タンクまたは地下に貯留される。

一態様では、復熱器が、膨張機から出る作動流体から熱を取り戻し、熱を燃焼室に入る作動流体に伝達するように、閉回路上で動作可能である。

一態様では、前記熱交換器は、充填経路上で膨張機の出口とタンクとの間に設置され、かつ／または放出経路上でタンクと燃焼室との間に設置された第１の熱交換器を備える。

一態様では、第１の熱交換器は、タンクの近くに設置される。

一態様では、前記第１の熱交換器は、充填構成で作動流体から熱を吸収し、かつ／または放出構成で作動流体に熱を伝達するように構成される。

一態様では、前記熱交換器は、放出経路上で膨張機の出口とケーシングとの間に設置され、かつ／または閉回路内で膨張機の出口と圧縮機の入口との間に設置された第２の熱交換器を備える。

一態様では、前記第２の熱交換器は、放出構成で作動流体から熱を吸収し、および／または閉熱力学的サイクルにおいて作動流体から熱を吸収するように構成される。

一態様では、第２の熱交換器は、放出経路上かつ閉回路内で、復熱器とセパレータとの間に設置される。

一態様では、第２の熱交換器は、放出経路上でセパレータとケーシングとの間に、かつ閉回路内でセパレータと圧縮機との間に設置される。

一態様では、前記熱交換器は、充填経路上で圧縮機の出口とタンクとの間に設置され、かつ／または放出経路上でタンクと燃焼室との間に設置され、かつ／または閉回路内に設置された蓄熱器を備える。

一態様では、前記蓄熱器は、作動流体から熱を吸収し、充填構成で熱エネルギーを貯留し、かつ／または放出構成で作動流体に熱を伝達するように構成される。

一態様では、第１の熱交換器は、タンクと蓄熱器との間に設置される。

一態様では、追加の外部熱源から熱を受け取るために前記追加の外部熱源に動作可能に関連付けられ、放出経路上、閉回路内かつ燃焼室の上流に動作可能に設置されたさらなる熱交換器が提供される。

一態様では、追加の外部熱源は、発熱反応Ｈ＋ＣＯ_２＝ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＋熱による合成天然ガスへの水素の変換に専用のメタン化プラントである。

一態様では、少なくとも１つのポンプが、膨張機内の入口圧力を増加させるように構成される。

一態様では、作動流体から非凝縮性ガスを抽出することが提供される。

一態様では、任意選択的に連続動作式またはバッチ動作式の、非凝縮性ガスを抽出するための装置が提供される。

一態様では、非凝縮性ガスを抽出するための装置は、タンクに接続される。

一態様では、非凝縮性ガスを抽出するための装置は、（凝縮効率を高めるために）膨張機および／またはヒータおよび／または冷却器を備える。

一態様では、非凝縮性ガスは膨張前に加熱される。

一態様では、閉熱力学的サイクルは回復性（recuperative）である。

一態様では、閉熱力学的サイクルは、最大圧力と最小圧力との間で仕事をする。

一態様では、閉熱力学的サイクルの最大圧力は、プロセスの最大圧力、すなわち貯留圧力以下である。

一態様では、閉熱力学的サイクルの最大圧力は、プロセスの最大圧力、すなわち貯留圧力よりも大きい。

一態様では、閉熱力学的サイクルの最大圧力は、任意選択的に１５ｂａｒ～４５ｂａｒに含まれる作動流体の凝縮圧力よりも低い。

一態様では、閉熱力学的サイクルの最小圧力は、１ｂａｒ～５ｂａｒに含まれる。

一態様では、閉熱力学的サイクルの最小圧力は、プロセスの最小圧力以上である。

一態様では、ダクトは、ケーシングを圧縮機の入口と接続する。

一態様では、ダクトは、圧縮機の出口をタンクおよび／または燃焼室の入口に接続する。

一態様では、ダクトは、燃焼室の出口を膨張機の入口と接続する。

一態様では、ダクトは、膨張機の出口を圧縮機の入口および／またはケーシングと接続する。

一態様では、ダクトは、圧縮機からの作動流体をタンクに向かって、かつ／または燃焼室に向かって導くように構成された、タンクからの作動流体を燃焼室に向かって導くための第１のコネクタおよび／またはバイパスダクトを備える。

一態様では、第１の熱交換器および可能な蓄熱器は、第１のコネクタおよび／またはバイパスダクトとタンクとの間に延びるダクトの１つのセクションに設置される。

一態様では、第１の熱交換器は、圧縮機の出口と第１のコネクタおよび／またはバイパスダクトとの間に設置され、蓄熱器は、第１のコネクタおよび／またはバイパスダクトと燃焼室の入口との間に設置される。

一態様では、復熱器は、圧縮機の出口と第１のコネクタおよび／またはバイパスダクトとの間に介在し、膨張機の出口と第２の熱交換器との間に介在する。

一態様では、復熱器は、第１のコネクタおよび／またはバイパスダクトと燃焼室の入口との間に介在し、膨張機の出口と第２の熱交換器との間に介在する。

一態様では、プロセスの最大圧力よりも低い、すなわち貯留圧力よりも低い閉熱力学的サイクルの最大圧力を得るために、閉回路ではなく充填経路で動作する少なくとも１つの補助圧縮機が提供される。

一態様では、ダクトは、膨張機からの作動流体をケーシングに向かって、かつ／または圧縮機に向かって導き、ケーシングからの作動流体を圧縮機に向かって導くように構成された第２のコネクタおよび／またはバイパスダクトを備える。

一態様では、圧縮機、第１の熱交換器および／または蓄熱器は、充填経路において動作可能である。

一態様では、第１の熱交換器および／または蓄熱器、燃焼室、膨張機、任意選択的に復熱器、任意選択的にセパレータ、任意選択的にポンプ、第２の熱交換器は、放出経路において動作可能である。

一態様では、膨張機、任意選択的に復熱器、任意選択的にセパレータ、任意選択的にポンプ、第２の熱交換器、圧縮機、および燃焼室は、閉回路において動作可能である。

一態様では、前記少なくとも１つの膨張機は、直列に接続された高圧の膨張機および低圧の膨張機と、高圧の膨張機と低圧の膨張機との間に介在する任意選択の中圧の膨張機とを備える。

一態様では、可能な混合器を備えた前記少なくとも１つの燃焼室は、高圧の膨張機と低圧の膨張機との間、かつ／または高圧の膨張機と中圧の膨張機との間、かつ／または中圧の膨張機と低圧の膨張機との間、かつ／または低圧の膨張機の上流に動作可能に介在する。

一態様では、第１の熱交換器、第２の熱交換器、任意選択的に中間冷却部の熱交換器は、任意選択的に大気圧で流体、任意選択的に水の回路に接続される。

一態様では、第１の熱交換器、第２の熱交換器、任意選択的に中間冷却部の熱交換器は、同じ流体回路に接続される。

一態様では、流体回路は、任意選択的に大気圧と平衡状態にある槽を備える。

一態様では、圧縮機は、モータ、任意選択的に電気モータ、またはモータジェネレータに機械的に接続される。

一態様では、膨張機は、動作機械、発電機、またはモータジェネレータに接続される。

一態様では、膨張機および圧縮機は、同じモータジェネレータに機械的に接続される。

一態様では、例えば摩擦型の接続／切断装置が、圧縮機とモータもしくはモータジェネレータとの間、および／または膨張機と動作機械、発電機もしくはモータジェネレータとの間に動作可能に介在する。

一態様では、動作機械は、空気分割／分離ユニットである。

一態様では、ケーシングは、好ましくは圧力バルーンまたはガスメータによって画定される可変容積を有する。

さらなる特徴および利点は、本発明によるプラントおよびプロセスの好ましいが排他的ではない実施形態の詳細な説明からより明らかになるであろう。

そのような説明は、非限定的な例としてのみ提供される添付の図面を参照して以下に記載される。

本発明によるエネルギー管理のためのプラントの一実施形態を概略的に示す図である。 図１のプラントの変形例の図である。 図１のプラントのさらなる変形例の図である。 図１、図２および図２Ａのプラントに対するＴ－Ｓ図である。 図１、図２および図２Ａのプラントに対するＴ－Ｓ図である。 図１のプラントのさらなる変形例の図である。 図４のプラントに対するＴ－Ｓ図である。 図１のプラントのさらなる変形例の図である。 図６のプラントに対するＴ－Ｓ図である。 図１のプラントのさらなる変形例の図である。 図８のプラントに対するＴ－Ｓ図である。 図１のプラントのさらなる変形例の図である。 図１０のプラントに対するＴ－Ｓ図である。 図１のプラントのさらなる変形例の図である。 図１１のプラントに対するＴ－Ｓ図である。 図１のプラントのさらなる変形例の図である。 図１４のプラントに対するＴ－Ｓ図である。

添付の図面を参照すると、参照番号１は、全体として、本発明によるエネルギー管理のためのプラントを示す。

プラント１は、大気以外の、０℃～２００℃に含まれる臨界温度、０．５ｋｇ／ｍ^３～１０ｋｇ／ｍ^３に含まれる２５℃での密度の化学的－物理的特性を有する作動流体を用いて動作する。本明細書に示される好ましいが排他的ではない実施形態では、そのような作動流体は二酸化炭素ＣＯ_２を含む。実施形態の変形例では、作動流体は、例えば、窒素酸化物Ｎ_２Ｏ、またはＣＯ_２とＮ_２Ｏとの混合物を含む。

プラント１は、最初に充填構成／段階で一方向に、次に放出構成／段階で反対方向に、閉サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）を作動させるように構成され、充填構成では、プラント１は熱および圧力を蓄積し、放出構成では、プラント１は電気的および／または機械的エネルギーを生成する。

プラント１はまた、前記プラント１が充填構成または放出構成にある間も、閉回路を画定／区画し、同じ作動流体の少なくとも一部で前記閉回路内の閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を作動させるように構成される。

図１を参照すると、プラント１は、作動流体を膨張させるように構成されたタービン２によって画定された膨張機と、作動流体を圧縮するように構成された回転式の圧縮機３（ターボチャージャ）とを備える。圧縮機３は、３つの段を備えるものとして概略的に示されている。

圧縮機３およびタービン２は、それぞれの変速機によって、例えば、指令時にタービン２および／または圧縮機３をモータジェネレータ４に接続／モータジェネレータ４から切断することを可能にする、例えば摩擦型の接続装置４Ａ、４Ｂによって、同じモータジェネレータ４に接続される。

プラント１は、可撓性材料で作製された、例えばＰＶＣコーティングされたポリエステル布地で作製された圧力バルーンによって好ましくは画定されたケーシング５を備える。圧力バルーンは、地下空洞ではなく表面に配置されることが好ましく、大気と外部で接触する。圧力バルーンは、その内部で、大気圧または略大気圧で、すなわち大気と圧力の平衡状態で作動流体を収容するように構成された容積を区画する。ケーシング５はまた、低いまたはゼロの過圧のガスのためのガスメータまたは任意の他の貯留システムとして作製することができる。

プラント１は、作動流体自体の臨界温度に近い温度により、液相または超臨界相で作動流体を貯留するように構成されたタンク６を備える。タンク６は、好ましくは金属製であり、図示のように円筒形、または球形の外壁を有する。

プラント１は、酸素燃焼を作動させることで作動流体を加熱するように構成された燃焼室７と、作動流体に熱を伝達するか、または作動流体から熱を吸収するように構成された熱交換器８、９、１０、１１とを備える。

例えば複数の管によって画定されるダクトは、ケーシング５とタンク６との間に動作可能に介在し、ケーシング５、タンク６、圧縮機３、タービン２、燃焼室７、および熱交換器８、９、１０、１１を直接的および／または間接的に互いに接続する。

上述のダクトは、ケーシング５からタンク６に延び、それに沿って圧縮機３および第１の熱交換器８が連続して配置される充填経路を区画する。

上述のダクトは、タンク６からケーシング５に延び、それに沿って第１の熱交換器８、燃焼室７、タービン２、および第２の熱交換器９が連続して配置される放出経路を区画する。

上述のダクトはまた、放出経路および充填経路と流体連通し、上述の燃焼室７、上述のタービン２、上述の第２の熱交換器９、上述の圧縮機３からなる閉回路を区画する。

燃焼室７は、充填中に、閉熱力学的サイクルおよび閉サイクリック熱力学的変換内の酸素燃焼によって作動流体を加熱するために、閉回路内で、かつ放出経路に沿って動作可能である。

詳細には図示されていない実施形態の変形例では、燃焼室７は、上述のタービン２およびターボチャージャ３を備えるターボ機械の一部である。例えば、燃焼室７は環状であり、タービン２を圧縮機３に接続するシャフトの周りに位置する。この場合も、圧縮機３、タービン２、および燃焼室７を互いに接続する通路および／またはダクトが存在する。

第３の熱交換器１０および第４の熱交換器１１が、圧縮機３の段の間に介在して、中間冷却圧縮を作動させる。

図１に示すものによれば、ダクトの第１のセクションが、ケーシング５と圧縮機３の入口３ａとの間に延びる。第２のセクションが、圧縮機３の出口３ｂと燃焼室７の入口７ａとの間に延びる。第２のセクションには、第１のコネクタ１２が配置され、第１のコネクタ１２から、タンク６に接続されるダクトの第３のセクションが出発する。第４のセクションが、燃焼室７の出口７ｂとタービン２の入口２ａとの間に延びる。第５のセクションが、タービン２の出口２ｂと、圧縮機３の入口３ａの第１のセクションに配置された第２のコネクタ１３との間に延びる。

第１のコネクタ１２と燃焼室７の入口７ａとの間には、酸素燃焼に必要な酸素Ｏ_２のための入口を有する混合器１４が位置する。ダクト内を移動する作動流体は、混合器１４を通過し、ここでは燃焼室７に入る前に酸素Ｏ_２と混合される。図示されていない実施形態の変形例では、燃料Ｆは酸素Ｏ_２と一緒に混合器に導入されるか、または燃料Ｆおよび酸素Ｏ_２は、例えばそれぞれの混合器によって、閉回路の１つまたは複数の点で一緒にまたは別々に導入される。

図４において、燃焼室は、例えばメタンまたは炭素を含有する他の生成物などの燃料Ｆのための入口を有する。実施形態の変形例では、燃料は、アンモニアＮＨ_３および／またはヒドラジンおよび／または尿素などの窒素を含有する生成物を含む。燃焼室７において、燃料Ｆおよび酸素Ｏ_２は、熱、二酸化炭素および他の生成物を生成する発熱反応を引き起こす。例えば、ＣＨ_４＋２Ｏ_２＝ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋熱。熱は、作動流体および二酸化炭素を加熱し、燃焼の結果としてさらなる物質が、燃焼室７内を移動する作動流体（二酸化炭素を含むかまたは二酸化炭素によって構成される）と混合される。

再生可能エネルギーを使用するプロセスにも由来する窒素合成生成物または水素系生成物（炭素を含まない）、例えばＮＨ_３および／またはヒドラジンおよび／または尿素の酸素燃焼の場合、反応は以下の通りである：
２ＮＨ_３＋２Ｏ_２→３Ｈ_２Ｏ＋Ｎ_２Ｏ
４ＮＨ_３＋３Ｏ_２→６Ｈ_２Ｏ＋２Ｎ_２
４ＮＨ_３＋５Ｏ_２→６Ｈ_２Ｏ＋４ＮＯ
４ＮＨ３＋７Ｏ_２→６Ｈ_２Ｏ＋４ＮＯ_２
より一般的には、
ｘＮＨ_３＋ｙＮ_２Ｈ_４＋ｋＣＨ_４Ｎ_２Ｏ＋ｚＯ_２→ａＨ_２Ｏ＋ｂＮ_２＋ｃＮｎＯｍ＋ｄＣｉＯｊ

好ましくは、酸素燃焼が過剰な燃料または酸素で発生し、その結果、燃料または酸素の一部が作動流体の一部になり、ダクト内を循環することが提供される。ＣＨ_４を有する燃料Ｆを使用し、ＣＯ_２を生成する場合、過剰の酸素を有することが好ましい。

復熱器１５は、閉回路上で動作可能であり、タービン２から出る作動流体から熱を取り戻し、熱を燃焼室７に入る作動流体に伝達する。図１では、復熱器１５は、第２のセクションにおいて、圧縮機３の出口３ｂと第１のコネクタ１２との間に位置する。復熱器１５はまた、第５のセクションにおいて、タービン２の出口２ｂと前記第５のセクションに設置された第２の熱交換器９との間にも位置する。

さらに、第５のセクションにおいて、二酸化炭素のセパレータ１６が、復熱器１５と第２の熱交換器９との間に位置決めされ、二酸化炭素を酸素燃焼の他の生成物、例えば水から分離し、後者をダクトから、すなわちプロセスから抽出するように構成される。

第３のセクションには、第１の熱交換器８および蓄熱器１７（熱エネルギー貯留器（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ）、ＴＥＳ）も配置される。蓄熱器１７は、第１の熱交換器８と第１のコネクタ１２との間に位置決めされる。

（燃料として使用されるものに応じて）連続動作式またはバッチ動作式の、非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を抽出するための装置１８もタンク６に接続される。

プラント１はまた、大気圧と平衡状態にある槽１９と、槽１９を第１、第２、第３および第４の熱交換器８、９、１０、１１に接続するダクトとを備える水回路を備える。上述の槽１９はまた、例えば、夜間に水を冷却し、日中に水を加熱する、再循環ダクト上に設置された１つまたは複数のサッカー２１が設けられたラジエータ２０に結合される。

制御された方法でプラント１内に作動流体を導入することを可能にするために、ダクトおよび／またはタンク６および／またはケーシング５と流体連通する導入／抽出ダクト２２（図１に概略的に示す）が設けられる。同じダクト２２を使用して、制御された方法でプラントから作動流体を抽出することもできる。前記ダクト２２は、例えば、二酸化炭素の回収および隔離のシステムに接続される。

プラント１はまた、ダクト上に動作可能に位置する複数の弁と、プラント１自体の異なる要素に動作可能に接続され、その動作を管理するように構成／プログラムされた制御ユニット（図示せず）とを備える。

復熱器１５が、第２のセクションにおいて、圧縮機３の出口３ｂと第１のコネクタ１２との間ではなく、第１のコネクタ１２と混合器１４との間に位置するため、図２の変形例は図１とは異なる。加えて、二酸化炭素セパレータ１６は、第５のセクションにおいて、復熱器１５と第２の熱交換器９との間ではなく、第２の熱交換器９と第２のコネクタ１３との間に設置される。最後に、非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を抽出するための装置１８には、それぞれの発電機に接続された非凝縮性ガスの膨張機２３が設けられている。非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を抽出するための装置１８には、（凝縮効率を高めるために）ヒータおよび／または冷却器を設けることができる。非凝縮性ガスＮＣＧは、環境に有害ではないならば、大気中に直接または膨張機（独立した発電機を有するか、またはシステム内に既に存在する回転機械に接続されているか、またはシステムに有用であるかもしくは有用でない動作機械を駆動する）を介して排出することができる。このような非凝縮性ガスＮＣＧはまた、極低温に達するのを防止するために、膨張ステップの前に予熱することもできる。代替的に、非凝縮性ガスＮＣＧは、処理／貯留のために外部システムに送達することができる。非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を抽出するための装置１８は、非凝縮性ガスシステムから抽出可能な、作動流体よりも低い分子量を有する成分（例えば、Ｎ_２、ＮＯ、ＮＯ_２）を抽出することを可能にする。

図２と同様に、復熱器１５が、第２のセクションにおいて、圧縮機３の出口３ｂと第１のコネクタ１２との間ではなく、第１のコネクタ１２と混合器１４との間に位置するため、図２Ａの変形例は図１とは異なる。さらに、圧縮機３は電気モータ２４に接続され、タービン２は、摩擦要素４Ｂを介在してモータジェネレータ４に、および被駆動／動作機械２５、例えば空気分割用の機械列に機械的に接続される。

復熱器１５が、第２のセクションにおいて、圧縮機３の出口３ｂと第１のコネクタ１２との間ではなく、第１のコネクタ１２と混合器１４との間に位置するためにのみ、さらなる変形例（図示せず）は図１とは異なる。

プラント１は、充填構成または放出構成で動作するように、すなわち、エネルギー充填段階と、エネルギー生成および放出段階とを含むプロセス（サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ））を実行するように構成される。

プラント１はまた、閉回路において閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を作動させるように構成される。

充填および放出構成では、放出中に作動流体に伝達される熱もまた、主に燃焼室７で発生する酸素燃焼によって提供されるという事実を除いて、プラントの動作は、実質的に、同出願人の代理として国際公開第２０２０／０３９４１６号に記載されているものである。

図２の実施形態および図３Ａの図を参照してより詳細には、気体形態の作動流体（ＣＯ_２）は、大気圧または略大気圧、かつ周囲温度に実質的に等しい温度（図３ＡのＴ－Ｓ図の点Ａ）でケーシング５内に収容される。ケーシング５は、弁によって、圧縮機３の入口３ａと連通して設置される。加えて、弁によって、蓄熱器１７は、圧縮機３の出口３ｂと流体連通して設置される。モータジェネレータ４は、ケーシング５からの作動流体を圧縮するように圧縮機３を作動させる。作動流体は、中間冷却圧縮によって圧縮機３内で圧縮され、加熱される（図３ＡのＴ－Ｓ図のＡからＢへ）。

弁の制御により、作動流体の一部（例えば、７０％）が、蓄熱器１７および第１の熱交換器８に向けられ、別の部分（例えば、３０％）は、混合器１４および燃焼室７に向かって流れる。

蓄熱器１７は、圧縮された作動流体から熱を除去し、作動流体を冷却し（図３ＡのＴ－Ｓ図の点Ｃ）、前記作動流体から除去された熱エネルギーを蓄積する。点Ｃでは、作動流体は、前記流体の臨界温度よりも低い温度にあり、わずかな過熱条件ではＡｎｄｒｅｗｓ曲線の右部分または曲線のわずかに外側の点にある。上記の圧縮は、断熱、中間冷却または等温であり得る。

作動流体は、第１の熱交換器８を通過し、第１の熱交換器８は、作動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蓄積し、作動流体はタンク６に蓄積される。作動流体は、液相（図３ＡのＴ－Ｓ図の点Ｄ）に達するまで飽和蒸気ゾーンを横切る。したがって、タンク６は、作動流体自体の臨界温度Ｔｃよりも低い温度で液相の作動流体を蓄積する。この第２の状態では、例えば２０℃の液状の作動流体（ＣＯ_２、Ｔｃ＝３１℃）がタンク６内に収容される。したがって、蓄熱器１７および第１の熱交換器８は、作動流体が液相でタンク６に蓄積されるように、作動流体の亜臨界変換を動作させるように構成される。非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を抽出するための装置１８は、タンク６からのＮＣＧの除去を提供する。

例えば、タンク６に蓄積される作動流体（ＣＯ_２）の温度は２４℃であり、タンク６に蓄積される作動流体の圧力は６５ｂａｒである。２５℃および大気圧におけるＣＯ_２の密度は、約１．８ｋｇ／ｍ^３である。タンク６内のＣＯ_２の密度は、約７３０ｋｇ／ｍ^３である。したがって、上述の条件でタンク６内に収容されたときの作動流体の密度と、大気条件でケーシング５内に収容されたときの同じ作動流体の密度との比は、約４００である。このようなことに関して、ＣＯ_２の代わりに大気が使用されて、６５ｂａｒかつ２４℃でタンク６内に貯留される場合、その密度はわずか７８ｋｇ／ｍ^３であり、理論的に必要なタンク６の容積が約１０倍となることが観察される。

詳細には図示されていない実施形態の変形例では、作動流体から熱を除去して、作動流体を超臨界相にし、Ａｎｄｒｅｗｓ曲線の右部分に追従させることが実現される。

閉熱力学的サイクル（ＴＣ）に従って動作する作動流体（３０％）の一部は、復熱器１５で予熱され（図３ＡのＴ－Ｓ図の点Ｅ）、次いで燃焼室７での酸素燃焼によって加熱され（図３ＡのＴ－Ｓ図の点Ｆ）、次いでタービン２に入り、そこで膨張されて冷却される（図３ＡのＴ－Ｓ図の点Ｇまで）。タービン２は、作動流体のエネルギーを電気エネルギー／出力Ｐｗ（図１および図２）および／または機械的エネルギー／出力（図２Ａ）に変換する。

次に、作動流体の一部は、最初に復熱器１５で冷却され（図３ＡのＴ－Ｓ図の点Ｈまで）、次に第２の熱交換器９で冷却される（図３ＡのＴ－Ｓ図の点Ａで報告される）。

セパレータ１６において、水のような酸素燃焼の生成物は、二酸化炭素から分離され、ダクトに沿った適切な位置でプラントから、および／または高圧でタンクから抽出される。作動流体は、閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を再開するために圧縮機３に再導入される。

図３Ｂの図は、閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を同時に有する放出構成／段階を示す。

プラント１は、第２の状態（図３ＢのＴ－Ｓ図の点Ｉ）から出発する。ケーシング５は、弁によって、タービン２の出口２ｂと連通して設置される。加えて、弁によって、蓄熱器１７および第１の熱交換器８は、タービン２の入口２ａと流体連通して設置される。

第１の熱交換器８は、充填構成で事前に蓄積された熱の一部を、タンク６から出る作動流体に伝達する。交換器８は、昼夜の間の「温度スイング」の効果を利用して、水の槽１９を介して環境からの熱を伝達することができる。このようにして、凝縮圧力よりも高い蒸発圧力が得られ、したがって、ＲＴＥ効率が向上する。

作動流体は、飽和蒸気ゾーンを横切って蒸気相（図３ＢのＴ－Ｓ図の点Ｌ）に達する。作動流体は、蓄熱器１７を横切り、蓄熱器１７は充填構成で事前に蓄積されたさらなる熱を作動流体に伝達し、作動流体を加熱する（図３ＢのＴ－Ｓ図の点Ｍ）。

次に、作動流体は、復熱器１５を横切り（図３ＢのＴ－Ｓ図の点Ｎ）、次いで、燃焼室７内で加熱される（図３ＢのＴ－Ｓ図の点Ｏまで）。

加熱された作動流体は、タービン２に入り、膨張されて冷却され（図３ＢのＴ－Ｓ図の点Ｐ）、電気的および／または機械的エネルギー／出力Ｐｗを生成するタービン２の回転を決定する。タービン２内の作動流体の膨張は、断熱、相互加熱または等温であり得る。

タービン２から出る作動流体は、復熱器１５で冷却され（図３ＢのＴ－Ｓ図の点Ｑ）、次いで第２の熱交換器９で冷却される（図３ＢのＴ－Ｓ図の点Ｒ）。

この時点で、弁の制御により、作動流体の一部（例えば７０％）がケーシング５に向けられ、大気圧または略大気圧でケーシング５内に戻る。上記の閉熱力学的サイクル（図３Ｂの点Ｒ－Ｍ－Ｎ－Ｏ－Ｐ－Ｑ－Ｒまたは図３Ａの点Ａ－Ｂ－Ｅ－Ｆ－Ｇ－Ｈ－Ａ）を実行するために、別の部分（例えば３０％）が圧縮機２に送られる。

燃焼室７内での酸素燃焼によって生成された追加の二酸化炭素ＣＯ_２は、閉サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）および／または閉熱力学的サイクル（ＴＣ）の一部となる。過剰な二酸化炭素ＣＯ_２の全部または一部は、導入／抽出ダクト２２を介してプラントから制御された方法で抽出することができる。過剰なＣＯ_２はまた、プラントが利用可能であるように蓄積されるため、別々の時点でプラントから出ることができる。水は、セパレータ１６を介して分離されて抽出される。非凝縮性ガスＮＣＧは、非凝縮性ガスを抽出するための装置１８を介して抽出される。

プラント１は、ＣＯ_２を大気中に導入することのない、むしろ、例えばタンクまたは地下に、例えば再注入井戸を介してＣＯ_２を貯留し、かつ／またはＣＯ_２を他の用途に利用可能にする、燃料を「燃焼」させるシステムで電気エネルギーを生成することを可能にする。

プラント１はまた、前記導入／抽出ダクト２２を介して、他の供給源からの二酸化炭素を導入し、二酸化炭素を作動流体として使用することを可能にする。例えば、導入される二酸化炭素は、バイオマスのガス化または産業プロセスに由来する。

例えば、本発明によるプラント／プロセスは、還元／酸化還元によって鉱物をより貴重な非鉄材料（例えば、アルミニウムまたはニッケル合金）に変換するプラント／プロセスと結合／統合することができる。そのようなプロセスは、最終結果として、本発明の目的であるプラント／プロセスで燃料として使用することができるガス混合物を与える。

一例として、ＢＦＧ（高炉ガス）と呼ばれる高炉出口ガス（例えば、鉱物から出発する鋳鉄の製造用）の、燃料としての使用が可能である。このようなガスは、５％のＨ_２、２０％のＣＯ、２５％のＣＯ_２および５０％のＮ_２で主に構成される。別の例によれば、６０％のＣＯ、１０～１５％のＮ_２、および残りのＣＯ_２で主に構成される、鋳造鉄－鋼変換器から出るガスであるガスＬＤＧを、燃料として使用することが可能である。

図４の変形例は、膨張機が直列に接続された高圧のタービン２６および低圧のタービン２７を備えるため、図１とは異なる。混合器１４を有する燃焼室７は、高圧のタービン２６の出口２６ｂと低圧のタービン２７の入口２７ａとの間に動作可能に介在する。復熱器１５は、第２のセクションにおいて、第１のコネクタ１２と高圧のタービン２６の入口２６ａとの間に位置している。低圧のタービン２７の出口２７ｂは、第２のコネクタ１３に接続されている。タービンは、同じまたは異なる技術のもの（軸方向、半径方向など）であり得る。

図５の図は、閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を同時に有する放出構成／段階を示しており、高圧のタービン２６に膨張Ｎ－Ｎ’が存在するために図３Ｂの図とは異なる。

図６の変形例は、相対混合器１４ａを有する第２の燃焼室７ａ（再加熱）が高圧の復熱器１５とタービン２６の入口２６ａとの間に介在して存在するため、図４とは異なる。

図７の図は、閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を同時に有する放出構成／段階を示しており、高圧および低圧のタービン２６、２７内の二重酸素燃焼Ｎ－Ｏ’およびＰ’－Ｏならびに二重膨張Ｏ’－Ｐ’およびＯ－Ｐが存在するため、図３Ｂの図とは異なる。

図８の変形例は、高圧のタービン２６、中圧のタービン２８、および低圧のタービン２７を有する図４および図６の変形例の組み合わせであり、相対混合器１４、１４ａを有する燃焼室７、７ａは、高圧のタービン２６と中圧のタービン２８との間、および中圧のタービン２８と低圧のタービン２７との間に設置される。

図９の図は、閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を同時に有する放出構成／段階を示し、高圧のタービン２６の膨張Ｎ－Ｎ’、中圧および低圧のタービン２８、２７の二重酸素燃焼Ｎ’－Ｏ’およびＰ’－Ｏならびに二重膨張Ｏ’－Ｐ’およびＯ－Ｐを有する。

図２と同様に、復熱器１５が、第２のセクションにおいて、圧縮機３の出口３ｂと第１のコネクタ１２との間ではなく、第１のコネクタ１２と混合器１４との間に位置するため、図１０の変形例は図１とは異なる。加えて、タービン２内の入口圧力を増加させるために、混合器１４および燃焼室７の上流にポンプ２９が設置される。特に、第１のコネクタ１２、第１の熱交換器８、および蓄熱器１７は、図１のものとは異なる配置を有する。第１の熱交換器８は、圧縮機３の出口３ｂと第１のコネクタ１２との間に設置され、蓄熱器１７は、第１のコネクタ１２と混合器１４との間に設置され、ポンプ２９は、第１のコネクタ１２と蓄熱器１７との間に設置される。したがって、第１の熱交換器８は、蓄積中および閉サイクル中に仕事をするが放出せず、その一方で、蓄熱器１７およびポンプ２９は放出中および閉サイクル中に仕事をするが、蓄積しない。

図１１の図は、閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を同時に有する放出構成／段階を示しており、ポンプ２９が蓄熱器１７に入る（Ｌ’－Ｍ）前に圧力を増加させる（Ｉ－Ｌ’）という事実のために図３Ｂの図とは異なる。放出段階では、作動流体はポンプによって超臨界状態になるため、作動流体は再び蒸発しない。圧縮中間冷却部から抽出された熱を使用して、蓄熱器に蓄積された熱で作動流体を予熱することも可能である。

図２と同様に、復熱器１５が、第２のセクションにおいて、圧縮機３の出口３ｂと第１のコネクタ１２との間ではなく、第１のコネクタ１２と混合器１４との間に位置するため、図１２の変形例は図１とは異なる。加えて、酸素Ｏ_２は専用の圧縮機３０を介して燃焼室７に直接導入され（混合器は存在しない）、燃料は補助圧縮機３１を介して燃焼室７に導入される。

図１２の変形例はまた、摩擦型の接続装置３４Ａ、３４Ｂによって補助モータジェネレータ３２に機械的に接続された補助圧縮機３１および補助タービン３３を備える追加の機械も備える。このような追加の機械は、第１のコネクタ１２とタンク６との間でダクトに接続され、凝縮圧力よりも低い最大圧力と、最小圧力との間で閉熱力学的サイクルに仕事をさせる機能を有する。凝縮圧力は、補助圧縮機３１に起因して、タンク６内に蓄積される作動流体の一部によって達成され、その一方で、閉回路内を循環する部分は、より低い最大圧力に到達する。例えば、閉熱力学的サイクルは、プロセスの最大圧力、すなわち貯留圧力よりも低い最大圧力（例えば、５ｂａｒ～４５ｂａｒ）と、プロセスの最小圧力よりも高い最小圧力（例えば、１ｂａｒ～５ｂａｒ）との間で仕事をすることができる。したがって、プロセスは、第２の変換とは独立して仕事をすることができ、タンク６内の作動流体の液相での貯留を可能にする条件に達するまで圧力を増加させる、中低温での回復（recuperative）サイクルを含む。

補助圧縮機３１は、第１のコネクタ１２と蓄熱器１７との間の充填経路に沿って配置される。第１のコネクタ１２からの作動流体は、補助圧縮機３１に入り、圧縮されて蓄熱器１７に向けられ、次いで第１の熱交換器８を通る。

補助タービン３３は、蓄熱器１７と第１のコネクタ１２との間の放出経路に沿って配置される。タンク６から来て、第１の熱交換器８で蒸発し、蓄熱器１７で加熱される作動流体は、補助タービン３３に入り、消費されて補助タービン３３を回転させ、復熱器１５に向けられる。

図１３の図は、閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を同時に有する充填段階および放出段階を示す。充填段階の間、圧縮機３の出口では、プロセスは点Ｂに位置する。次いで、システムは点Ｃ’に移動し、作動流体は補助圧縮機３１で圧縮される（Ｔ－Ｓ図のＣ’からＢ’）。作動流体は、蓄熱器１７を横切り（Ｂ’からＣ）、第１の熱交換器８を横切る（ＣからＤ）。放出段階は、図では部分的な破線で表されている。タンク６から出た作動流体は、第１の熱交換器８に入り（Ｉ－Ｌ）、蓄熱器１７に入り（Ｌ－Ｍ’）、補助タービン３３で膨張し（Ｍ’－Ｍ）、次いで復熱器で膨張する（Ｍ－Ｎ）。補助タービン３３内の作動流体の膨張は、第１の熱交換器８内で蒸発して蓄熱器１７内で予熱された後の、エネルギーの戻りを提供する。

蓄積された作動流体の膨張中、補助タービン３３の温度が圧縮機３の送達温度よりも低い場合、補助圧縮機３１は動作せず、復熱器１５は多くの熱を交換する可能性がある。

図２と同様に、復熱器１５が、第２のセクションにおいて、圧縮機３の出口３ｂと第１のコネクタ１２との間ではなく、第１のコネクタ１２と混合器１４との間に位置するため、図１４の変形例は図１とは異なる。加えて、酸素Ｏ_２は、燃料として燃焼室７（混合器は存在しない）に直接導入される。図示されていない変形例では、燃料が燃焼室の上流で混合されている間に、酸素が燃焼室７に導入される。

図１４の変形例はまた、追加の外部熱源３５から熱を受け取るために、追加の外部熱源３５と動作可能に関連付けられたさらなる熱交換器３４を備える。さらなる熱交換器３４は、放出経路上で、復熱器１５と燃焼室７との間に動作可能に設置される。外部からの熱は、燃焼室７に入る作動流体の温度を上昇させて効率を高めるために利用される。例えば、追加の外部熱源３５は、発熱反応Ｈ＋ＣＯ_２→ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ＋熱による合成天然ガスへの水素の変換に専用のメタン化プラントである。

図１５の図は、閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を同時に有する放出構成／段階を示しており、復熱器１５での加熱（Ｍ－Ｎ）後、酸素燃焼（Ｎ’－Ｏ）の前に、さらなる熱交換器３４での加熱（Ｎ’－Ｎ）が存在するという事実のために、図３Ｂの図とは異なる。

本発明によるプラント／プロセスの収率は、蓄積時に貯留されたエネルギー（ＴＥＳを用いた熱の形態および圧力タンク内の位置エネルギーの形態）の使用に起因して変化し得る。

実際、本システムは、以下によって特徴付けられる：
公称収率：サイクルのみが動作する、
充填のためのシステムも動作する、より低い収率（エネルギーが吸収される場合は負でもある）、
サイクルが動作してエネルギー貯留を放出する、より高い収率。

プラント／プロセスはまた、圧縮機の中間冷却器の、またはタービンのポストクーラ、すなわち第２の熱交換器９の外部ユーザまたは冷却回路に供給するために、典型的には１００℃未満の低温で熱を抽出することを可能にする。

Claims (30)

1. エネルギー管理のためのプラントであって、
   大気以外の作動流体と、
   前記作動流体を気相で、かつ前記大気と圧力平衡状態で貯留するように構成された少なくとも１つのケーシング（５）と、
   前記作動流体自体の臨界温度に近い温度により、液相または超臨界相で前記作動流体を貯留するように構成された少なくとも１つのタンク（６）と、
   前記ケーシング（５）と前記タンク（６）との間に動作可能に介在し、前記ケーシング（５）を前記タンク（６）に直接的および／または間接的に接続するダクトであって、
   前記ケーシング（５）から前記タンク（６）に延びる少なくとも１つの充填経路、
   前記タンク（６）から前記ケーシング（５）に延びる少なくとも１つの放出経路、ならびに
   前記放出経路および前記充填経路と流体連通する少なくとも１つの閉回路
   を区画するダクトと、
   前記作動流体を膨張させるように構成され、前記ダクトに沿って配置された少なくとも１つの膨張機（２）、任意選択的に膨張タービンと、
   前記作動流体を圧縮するように構成され、前記ダクトに沿って配置された少なくとも１つの圧縮機（３）、任意選択的にターボチャージャと、
   前記作動流体に熱を伝達するように、または前記作動流体から熱を吸収するように構成され、前記ダクトに沿って配置された熱交換器（８、９、１０、１１）と、
   酸素燃焼を作動させることで前記作動流体を加熱するように構成され、前記ダクトに沿って配置された少なくとも１つの燃焼室（７）と
   を備え、
   前記プラント（１）が、前記ケーシング（５）と前記タンク（６）との間で、最初に充填構成で一方向に、次に放出構成で反対方向に、前記作動流体を用いて閉サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）を作動させるように構成され、
   前記プラント（１）がまた、任意選択的に前記プラント（１）が前記充填または放出構成にある間に、前記作動流体を用いて前記閉回路内の少なくとも１つの閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を作動させるように構成され、
   前記燃焼室（７）が、充填中に、前記閉熱力学的サイクル（ＴＣ）および／または前記閉サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）内の酸素燃焼によって前記作動流体を加熱するように、少なくとも前記閉回路において動作可能である、
   エネルギー管理のためのプラント。
2. 前記燃焼室（７）が、直接的または間接的に燃料（Ｆ）および酸素（Ｏ_２）を受け取り、酸素燃焼によって生成された生成物を前記ダクトに導入するように構成される、請求項１に記載のエネルギー管理のためのプラント。
3. 前記ダクト上で前記燃焼室（７）の上流に設置された混合器（１４）を備え、前記混合器（１４）が酸素（Ｏ_２）および／または燃料（Ｆ）のための入口を有し、前記作動流体が前記混合器（１４）を通過し、前記混合器（１４）が、酸素（Ｏ_２）および／または燃料（Ｆ）と前記作動流体とを、前記燃焼室（７）に入る前に混合するように構成される、請求項１または２に記載のエネルギー管理のためのプラント。
4. 酸素燃焼によって生成された生成物のうちの少なくとも１種のセパレータ（１６）を備え、前記セパレータ（１６）が、前記膨張機（２）の出口の下流に設置され、前記酸素燃焼によって生成された前記生成物のうちの少なくとも１種を前記酸素燃焼の他の生成物から分離し、前記他の生成物を前記ダクトから抽出するように構成される、請求項１～３のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
5. 前記作動流体が制御された方法で前記プラント（１）から抽出されることを可能にするために、前記ダクトおよび／または前記タンク（６）および／または前記ケーシング（５）と流体連通する少なくとも１つの抽出ダクト（２２）を備え、任意選択的に、前記抽出ダクト（２２）が、前記酸素燃焼によって生成された生成物のうちの少なくとも１種の回収および隔離のためのシステムに接続される、請求項１～４のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
6. 前記作動流体が制御された方法で前記プラント（１）に導入されることを可能にするために、前記ダクトおよび／または前記タンク（６）および／または前記ケーシング（５）と流体連通する少なくとも１つの入口ダクト（２２）を備える、請求項１～５のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
7. 前記膨張機（２）から出てくる前記作動流体から熱を取り戻し、前記熱を前記燃焼室（７）に入る前記作動流体に伝達するように、前記閉回路において動作可能な復熱器（１５）を備える、請求項１～６のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
8. 前記熱交換器（８、９、１０、１１、１７）が、
   前記充填経路上で、前記膨張機（２）の出口と前記タンク（６）との間に設置され、かつ／または前記放出経路上で、前記タンク（６）と前記燃焼室（７）との間に、任意選択的に前記タンク（６）の近くに設置された第１の熱交換器（８）であって、前記充填構成で前記作動流体から熱を吸収するように、かつ／または前記放出構成で前記作動流体に熱を伝達するように構成される第１の熱交換器（８）と、
   前記放出経路上で、前記膨張機（２）の出口（２ｂ）と前記ケーシング（５）との間に設置され、かつ／または前記閉回路内で、前記膨張機（２）の前記出口（２ｂ）と前記圧縮機（３）の入口（３ａ）との間に配置された第２の熱交換器（９）であって、前記放出構成で前記作動流体から熱を吸収するように、かつ／または前記閉熱力学的サイクル（ＴＣ）において前記作動流体から熱を吸収するように構成される第２の熱交換器（９）と
   を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
9. 前記第２の熱交換器（９）が、前記放出経路上かつ前記閉回路内で、前記復熱器（１５）と前記セパレータ（１６）との間に設置されるか、または、前記第２の熱交換器（９）が、前記放出経路上で前記セパレータ（１６）と前記ケーシング（５）との間に、かつ前記閉回路内で前記セパレータ（１６）と前記圧縮機（３）との間に設置される、請求項７および４に従属する場合の請求項８に記載のエネルギー管理のためのプラント。
10. 前記熱交換器（８、９、１０、１１、１７）が、前記充填経路上で、前記膨張機（２）の出口（２ｂ）と前記タンク（６）との間に設置され、かつ／または前記放出経路上で、前記タンク（９）と前記燃焼室（７）との間に設置され、かつ／または前記閉回路内に設置された蓄熱器（１７）を備え、前記蓄熱器（１７）が、前記作動流体から熱を吸収し、前記充填構成で熱エネルギーを貯留し、かつ／または前記放出構成で前記作動流体に熱を伝達するように構成される、請求項１～９のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
11. 前記第１の熱交換器（８）が、前記タンク（６）と前記蓄熱器（１７）との間に設置される、請求項８または９に従属する場合の請求項１０に記載のエネルギー管理のためのプラント。
12. 追加の熱源（３５）から熱を受け取るために、前記追加の熱源（３５）と動作可能に組み合わされ、前記放出経路上かつ前記閉回路内かつ前記燃焼室（７）の上流に動作可能に設置されたさらなる熱交換器（３４）を備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
13. 前記膨張機（２）への入口圧力を増加させるように構成された少なくとも１つのポンプ（２９）を備える、請求項１～１１のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
14. 前記少なくとも１つの膨張機（２）が、直列に配置された複数の膨張機（２６、２７、２８）を備え、前記少なくとも１つの燃焼室（７、７ａ）が、前記膨張機（２６、２７、２８）の上流かつ／または前記膨張機（２６、２７、２８）の間に設置される、請求項１～１２のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
15. 前記少なくとも１つの圧縮機（３）が、中間冷却を伴う、または伴わないタイプのものであり、任意選択的に、前記少なくとも１つの圧縮機（３）が、直列に配置された複数の圧縮機を備え、前記圧縮機間の中間冷却を伴う、または伴わない、請求項１～１３のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
16. 任意選択的に前記タンク（６）に接続された、非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を抽出するための抽出装置（１８）を備える、請求項１～１４のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
17. 前記作動流体が、０℃～２００℃に含まれる臨界温度、０．５ｋｇ／ｍ^３～１０ｋｇ／ｍ^３に含まれる２５℃での密度の化学的－物理的特性を有する、請求項１～１６のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
18. 前記作動流体が、ＣＯ_２および／もしくはＮ_２Ｏを含むか、またはＣＯ_２および／もしくはＮ_２Ｏからなる、請求項１～１７のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
19. 前記酸素燃焼によって生成された生成物が、ＣＯ_２および／またはＮ_２Ｏを含む、請求項１～１８のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラント。
20. 請求項１～１９の少なくともいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプラントによって任意選択的に作動される、エネルギー管理のためのプロセスであって、
    気相で、かつ大気との圧力平衡状態にある、前記大気以外の作動流体を貯留するためのケーシング（５）と、前記作動流体自体の臨界温度に近い温度により、液相または超臨界相で前記作動流体を貯留するためのタンク（６）との間で、最初に充填構成／段階で一方向に、次いで放出構成／段階で反対方向に、閉サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）を作動させるステップであって、前記充填段階において、前記プロセスは、熱および位置エネルギーを圧力の形態で蓄積し、前記放出段階において、前記プロセスは、エネルギーを生成する、ステップと、
    前記作動流体の少なくとも一部を用いて、少なくとも１つの閉熱力学的サイクル（ＴＣ）を、任意選択的に前記充填段階または放出段階と同時に作動させるステップと
    を含み、前記プロセスは、前記閉熱力学的サイクル（ＴＣ）内の少なくとも１つの酸素燃焼によって前記作動流体を加熱するステップを含む、エネルギー管理のためのプロセス。
21. 前記作動流体が流れる燃焼室（７）に直接的または間接的に燃料（Ｆ）および酸素（Ｏ_２）を導入するステップを含み、前記酸素燃焼によって生成された生成物の少なくとも１種が、前記サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）および／または前記閉熱力学的サイクル（ＴＣ）の一部となる、請求項２０に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
22. 前記閉サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）および／または前記閉熱力学的サイクル（ＴＣ）から前記酸素燃焼によって生成された生成物の前記少なくとも１種を制御された方法で抽出して、貯留するおよび／またはユーザに送るステップを含む、請求項２０または２１に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
23. 外部から、かつ制御された方法で、他の産業プロセスからの生成物を前記閉サイクリック熱力学的変換（ＣＴＴ）および／または前記閉熱力学的サイクル（ＴＣ）に導入するステップであって、前記生成物が前記作動流体の一部となる、ステップを含む、請求項２０～２２のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
24. 前記酸素燃焼によって生成された生成物の少なくとも１種を前記酸素燃焼の他の生成物から分離し、前記他の生成物を前記プロセスから抽出するステップを含む、請求項２０～２３のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
25. 前記閉熱力学的サイクル（ＴＣ）が回復性である、請求項２０～２４のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
26. 前記作動流体から非凝縮性ガス（ＮＣＧ）を抽出するステップを含む、請求項２０～２５のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
27. 前記作動流体が、０℃～２００℃に含まれる臨界温度、０．５ｋｇ／ｍ^３～１０ｋｇ／ｍ^３に含まれる２５℃での密度の化学的－物理的特性を有する、請求項２０～２６のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
28. 前記作動流体が、ＣＯ_２および／もしくはＮ_２Ｏを含むか、またはＣＯ_２および／もしくはＮ_２Ｏからなる、請求項２０～２７のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
29. 前記酸素燃焼によって生成された生成物が、ＣＯ_２および／またはＮ_２Ｏを含む、請求項２０～２８のいずれか一項に記載のエネルギー管理のためのプロセス。
30. 請求項１～１９の少なくとも一項に記載のエネルギー管理のためのプラントを備える鋼プラントおよび／または請求項２０～２９の少なくとも一項に記載のエネルギー管理のためのプロセスを含む製鋼プロセスであって、前記鋼プラントによって生成される、および／または前記製鋼プロセスから生じるガスが、請求項１～１９の少なくとも一項に記載のプラントおよび／または請求項２０～２９の少なくとも一項に記載のプロセスにおいて燃料として少なくとも部分的に使用される、請求項１～１９の少なくとも一項に記載のエネルギー管理のためのプラントを備える鋼プラントおよび／または請求項２０～２９の少なくとも一項に記載のエネルギー管理のためのプロセスを含む製鋼プロセス。
    

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