JP3245643U - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

熱交換システムである。この熱交換システムは、－少なくとも第１の熱必要要素（２２ａ）を含むバイオガス生産設備（２０）と、－少なくとも第１の冷却必要要素（２６ａ）を含むパワーツーガスプラント（３０）と、－熱（５０）を蓄えるバッファタンク（４１）を含む蓄熱システム（４０）とを備え、蓄えられた熱（５０）が、パワーツーガスプラント（３０）内から循環される高温ストリームの少なくとも第１の部分（５２）、および／またはバイオガス生産設備（２０）から循環される高温ストリームの少なくとも第２の部分（５４）を含み、熱交換システムが、バイオガス生産設備（２０）から蓄熱システム（４０）に循環する第１の戻り低温ストリーム（５６）と、蓄熱システム（３０）から第１の冷却必要要素（２６ａ）に循環する第２の戻り低温ストリーム（５８）とをさらに含み、蓄熱システム（４０）が、熱管理システム（４２）をさらに備え、熱管理システム（４２）が、蓄えられた熱（５０）の高温ストリームの第３の部分（５０ａ）を第１の熱必要要素（２２ａ）に選択的に供給するように構成されていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本考案は、熱交換システムに関し、特に、バイオガス生産設備とパワーツーガスプラントとの間で熱交換するための熱交換システムに関する。

このプロジェクトは、エネルギー技術開発実証プログラム（ＥＵＤＰ）第６４０１８－００６４号の支援を受けている。

バイオガス生産設備は、酸素がない状態で有機物を分解することによりバイオガスを生成する。バイオガスは、主にメタンと二酸化炭素からなり、農業廃棄物、肥料、都市廃棄物、植物材料、下水、生ごみ、食品廃棄物などの原料から生産される。バイオガス生産設備で生産されたバイオガスは、電気と熱の生成に使用することができる。生産されたバイオガスは、精製されてガスグリッドに供給され、消費地に輸送され得る。

パワーツーガス（Ｐ２Ｇ）プラントは、電力を使用して気体燃料を生成する。気体燃料は通常、電気分解によって生成される水素である。生成された水素は、その後メタンに変換されるか、他の用途に直接使用され得る。水素からメタンへの変換プロセスの１つのタイプは、通常、パワーツーガスプラントで行われ、生物学的メタン化プロセスと呼ばれる。これは、通常６０～６５℃の範囲の穏やかな温度で作動する発熱プロセスであり、供給ガスとして水素（Ｈ_２）を使用する。

運転中、バイオガスプラントは、待機加熱設備（ガスボイラなど）によって賄われる加熱需要を有する。対称的に、パワーツーガスプラントは、待機冷却設備（エアフィンクーラなど）によって賄われる冷却需要を有する。それら待機加熱または冷却設備の運転には、システム全体に追加運転コストがかかる。

さらに、パワーツーガスプラントは、始動前に加熱する必要があり、それは、プラントの運転全体に対して短期間だけの追加のヒータの使用を伴う。これは追加の寄生エネルギー消費となり、始動プロセスを遅らせる。

さらに、パワーツーガスプラントまたはバイオガスプラントの一部のユーティリティによって発生する余剰熱は、第三者に移すことができる。しかしながら、これは更なる問題を引き起こす。第三者への熱の移動は、初期温度が低く、移動中に温度が失われるため、困難な場合がある。第三者による熱の利用は、供給の継続性に対する何らかの保証を意味する可能性があるが、これは、パワーツーガスプラントおよびシステムの運転の通常の断続的な性質に矛盾する。

したがって、本考案の目的は、熱交換システム、特に、パワーツーガスプラントとバイオガス生産設備との間の熱交換システムであって、バイオガス生産設備の連続使用を可能にし、熱損失が少なく、より優れた熱利用を可能にする熱交換システムを提供することにある。

本考案は、本願の請求項１におけるように規定され、更なる実施形態は従属請求項に規定されている。

本考案に係る熱交換システムは、少なくとも第１の熱必要要素（熱を必要とする要素）を含むバイオガス生産設備と、少なくとも第１の冷却必要要素（冷却を必要とする要素）を含むパワーツーガスプラントと、蓄熱システムとを備える。

蓄熱システムは、熱を蓄えるバッファタンクを備え、蓄えられた熱は、パワーツーガスプラント内から循環される高温ストリームの少なくとも第１の部分、および／またはバイオガス生産設備から循環される高温ストリームの少なくとも第２の部分を含む。

熱交換システムは、バイオガス生産設備から蓄熱システムに循環する第１の戻り低温ストリームと、蓄熱システムから第１の冷却必要要素に循環する第２の戻り低温ストリームとをさらに備える。

蓄熱システムは、熱管理システムをさらに備え、本考案は、熱管理システムが、蓄えられた熱の高温ストリームの第３の部分を第１の冷却必要要素に選択的に供給するように構成されていることを特徴とする。

以下において、「バイオガス生産設備」という用語は、バイオガスの生産に一緒に寄与するデバイスの集積として解釈される必要がある。それらデバイスは、特に、バイオガス生産プロセスの前、最中、後など、任意の段階において関連し得る。

特に、本考案のバイオガス生産設備は、第１の熱必要要素を備える。「熱必要（熱を必要とする）」という用語は、「長い期間作動するために、あるいは少なくともその機能を適切に果たすために、一定量の熱を必要とする」と理解する必要がある。同様に、パワーツーガスプラントは、反対に、第１の冷却必要要素を備える。ここで、「冷却必要（冷却を必要とする）」とは、「長い期間作動するために、あるいは少なくともその機能を適切に果たすために、一定量の冷却を必要とする」ことを意味する。

蓄熱システムは、熱を蓄えるバッファタンクをさらに備える。熱の貯蔵および循環（例えば、高温ストリームの形態）は、流体を介して行われ、この流体は、蓄熱システム内に収容され、かつ／または畜熱システムの内外を循環する。流体は、例えば、水、または熱容量の大きい流体である。

「熱」はエネルギーであるため、例えば本考案において「蓄えられた熱はバイオガス生産設備で発生する熱（の一部）を含む」と記載されている場合、熱を蓄える流体が、バイオガス生産設備で発生する加熱された流体を含むことを意味する。

特に、蓄熱システムのバッファタンクに蓄えられる熱は、パワーツーガスプラントで発生する熱および／またはバイオガス生産設備で発生する熱を含むことができる。

バッファタンクは、外部熱源が必要となる前に、バイオガス生産設備、特に熱必要要素に、例えば１２時間の熱供給を提供するようなサイズに設定することができる。他の熱需要がない場合、余剰熱を排出するために、例えばエアフィンクーラによる能動的冷却が必要となる場合がある。バッファタンクは、例えば５～７時間蓄積することができるサイズに設定することができる。特に、供給能力と蓄積能力の差異は、本考案のバイオガスプラントおよびパワーツーガスプラントの各設計に特有のものである。供給能力の設計は、特に、パワーツーガスプラントの予想されるデューティサイクルと、特に、休止期間とそれに伴う熱源不足が続く長さとに基づくものとなる。蓄積能力の結果は、パワーツーガスプラントの設計ポイントに依存する。

これは、パワーツーガスプラントおよびバイオガス生産設備の両方が蓄熱システムおよびバッファタンクに接続されていることを意味する。さらに、蓄熱システムに蓄えられる加熱された流体が、バイオガス生産設備および／またはパワーツーガスプラントから循環する加熱された流体を含むことを意味する。

実際上、蓄熱システムおよびバッファタンクは、バイオガス生産設備およびパワーツーガスプラントの両方の近くに配置されると有利である。蓄熱システムおよびバッファタンクが２つの要素のいずれかから離れるほど、加熱された流体を循環させる際に生じる熱損失が大きくなる。

したがって、蓄熱システムは、バイオガス生産設備内、パワーツーガスプラント内、または両者の中間および近い場所に物理的に配置することができる。

バッファタンクに蓄えられる熱は、パワーツーガスプラント内で循環される高温ストリームの少なくとも第１の部分、またはバイオガス生産設備から循環される高温ストリームの少なくとも第２の部分、またはその両方を含む。バッファタンクに蓄えられる熱は、他の熱発生要素および／または植物に由来する熱も含むことができる。

したがって、バッファタンクに蓄えられる熱の温度は、高温ストリームの第１の部分の熱と、蓄えられた熱の第２の部分の熱とにより実質的に構成される。

高温ストリームの循環は、蓄熱システム、特にバッファタンクを、バイオガス生産設備およびパワーツーガスプラントの両方の要素と接続する導管を通じて実現される。

バッファタンク内の熱を調整し、パワーツーガスプラントの冷却必要要素に低温ストリームを供給するために、熱交換システムは、バイオガス生産設備から蓄熱システムに循環する第１の戻り低温ストリームと、蓄熱システムからパワーツーガスプラントの冷却必要要素に循環する第２の戻り低温ストリームとをさらに備える。特に、バッファタンクの上部と下部で高温水が層をなしているため、低温ストリームは、バッファタンクの下部に流入することができ、またはバイオガスプラントおよびパワーツーガスプラントの両方が相乗的に動作する場合、熱管理システムに直接流入することができる。

低温ストリームの温度は、４０℃～６０℃の範囲、特に４５℃～５５℃の範囲とすることができる。

冷却の循環（例えば、低温ストリームの形態）は、流体を介して行うことができ、その流体は、例えば、水、または高い熱容量／冷却容量を有する流体とすることができる。特に低温ストリームは、高温ストリームと同じ流体を含むことができる。

蓄熱システムに含まれる熱管理システムは、蓄熱システムに流入または流出する高温および低温ストリームの両方、あるいはバイオガス生産設備および／またはパワーツーガスプラント内を循環する高温および低温ストリームの両方を作動、停止または調整することができる、バルブおよび測定システムの配列を主に含む。

特に、本考案は、熱管理システムが、蓄えられた熱の高温ストリームの第３の部分を第１の熱必要要素に選択的に供給するように構成されていることを特徴とする。これは、バッファタンク内に蓄えられた熱を、必要なときに必要なだけ、第１の熱必要要素に供給できることを意味する。

これは、いくつかの理由から特に有利である。パワーツーガスプラントは、通常、稼働しない休止期間があり、その期間中は、バイオガス生産設備、特にバイオガス生産設備の熱必要要素に直接供給することができる熱が発生しない。従来の設備では、この問題は、パワーツーガスプラントの休止期間中にバイオガス設備の熱必要要素を加熱する外部電源（「寄生エネルギー」）によって解決されていたが、本考案では、バッファタンクに熱を蓄え、必要な熱を熱必要要素に選択的に供給することによって解決される。

このようにして、更なるエネルギー消費が不要になるためコストが節約され、同時に、バイオガス生産設備および／またはパワーツーガスプラントで既に生成された熱の循環と「リサイクル」によって環境上の利点が得られる。

最後に重要なことであるが、熱管理システムはさらに、様々な高温および低温ストリームを選択的に調整し、よって様々な熱必要要素または冷却必要要素内の温度を調整するのに寄与する。

本考案の更なる実施形態によれば、熱管理システムはさらに、バッファタンクに高温ストリームの第１の部分および／または高温ストリームの第２の部分を供給するように構成されている。

このようにして、熱管理システムは、バイオガス設備および／またはパワーツーガスプラントからの高温ストリームの部分の流入も制御および調節し、それによりバッファタンクに流入する熱供給の制御および調節を可能にし、よってバッファタンク内の温度を調節することができる。

熱管理システムによるバッファタンクへの熱供給の管理により、どの高温ストリームをバッファタンクに供給すべきかを選択的に決定することが可能になる。

バイオガス生産設備およびパワーツーガスプラントの標準的な使用時には、バッファタンク内の熱が、実質的にパワーツーガスプラントで発生した熱のみから構成される。

原則として、バイオガス生産設備は、バイオガスを生成するタンクまたは容器を加熱するための高温ストリームの能動的な受け手としてのみ機能し、待機中の加熱ユーティリティは非アクティブとなる。そのため、パワーツーガスプラント以外の設備／コンポーネントから必要な熱の供給を受ける必要がある場合、化石燃料の消費または生成されたバイオガスの一部の消費により、寄生エネルギー損失が発生する。

パワーツーガスプラントが休止状態の場合、熱は発生しないため、パワーツーガスプラントだけに頼っていたのでは、バイオガス生産設備は稼働を続けることができない。熱管理システムを使用し、バイオガス生産設備自体によって生成された熱をバッファタンクに選択的に供給することにより、バイオガス生産設備による実質的に停止しない生産を実現することができる。

特に、本考案の更なる実施形態によれば、高温ストリームの第３の部分、よってバッファタンクを出て熱必要要素に供給される高温ストリームの部分は、第１の熱必要要素によって必要とされる熱量に実質的に相当する。「実質的に」という用語は、ここでは、熱必要要素に供給する間の熱の損失、特に導管を介した高温ストリームの移送中の損失による熱の損失を考慮に入れている。そこで、この損失に対処するために、熱必要要素によって必要とされる熱よりも僅かに多い熱が、熱管理システムを介してバッファタンクから出力される。

この場合も、次のような複数の利点がある。熱必要要素に過剰な熱が供給されないため、エネルギーとコストが節約される。より多くの熱を節約することで、加熱グリッドおよび外部エンティティへの潜在的な熱出力が高くなる。さらに、熱を節約することで、環境への影響も改善される。換言すれば、化石燃料に依存する他の熱生成デバイス／機器によって生成された熱を使用する代わりに、パワーツーガスプラントから回収されて使用される廃熱は、環境への不要な燃焼ガスの排出を回避することにより、カーボンフットプリントの改善につながる。

更なる実施形態によれば、熱管理システムは、バイオガス生産設備の熱必要要素によって必要とされる実際の熱量を求めるようにも構成されている。

これは、上述した利点を維持しながら、プラントにおいて必要とされるデバイスを最小化することができるため、特に有利である。

バイオガス生産設備の第１の熱必要要素は、本考案の一実施形態によれば、消化装置である。消化装置は、嫌気性消化プロセス、特にメタン化プロセスが行われるバイオガスプラントのユニットである。

消化装置は、適切に作動するために、通常３５～５５℃の温度に維持される必要がある。このため、本考案の更なる実施形態によれば、（第１の熱必要要素である）消化装置に供給される第１の熱量は、消化装置が３５℃～５５℃の範囲、特に４０℃～５０℃の範囲の温度に維持されるように決定および／または選択される。

本考案の実施形態により、熱必要要素、特に消化装置は、その機能が強化される一定の温度範囲に維持されることが明らかになる。この一定温度は、パワーツーガスプラントが休止状態にあるときでさえも維持可能である。

本考案の更なる実施形態によれば、バイオガス生産設備は、ガスボイラまたは熱電併給（ＣＨＰ）プラントなどのバイオガス生産設備で発生する任意の待機熱源、および／またはバイオガス改質システムなどのバイオガス生産設備で発生する任意の廃熱源をさらに含み、各々が蓄熱システムに結合されている。

さらに、高温ストリームの第２の部分は、待機熱源のいずれかによって、かつ／または廃熱源のいずれかによって、単独で、または組み合わせて生成された熱、特に、ガスボイラによって、かつ／または太陽熱や地熱などの再生可能熱源によって、かつ／またはバイオガス改質システムによって、かつ／または熱電併給（ＣＨＰ）プラントによって生成された熱を含む。

上記実施形態によれば、バイオガス生産設備で発生する熱源は、待機熱および／または廃熱からのもの、および／または再生可能な熱源からのもの、特に、熱電併給プラント、ガスボイラおよびバイオガス改質システムのようなユニットからのものとすることができ、それらはすべて動作中に熱を発生し、バイオガス生産設備の主要な要素としても一般的な要素である。それら熱源で発生した熱は、特にパワーツーガスプラントが休止モードの時に、バッファタンクに選択的に供給される第２の高温ストリームの一部となる。

その結果、特に有利には、バイオガス生産設備で必要とされるすべての主要ユニットが、バッファタンクに接続され、特にパワーツーガスプラントが休止状態のときに、バッファタンクに一定量の高温ストリームを供給することができる。このようにして、通常の熱源は無駄にされることなく、第１の熱必要要素の適切な動作のために再利用される。

しかしながら、熱発生源のリストはこれらに限定されるものではなく、本考案によれば、熱を発生する、バイオガス生産設備に通常存在する他のいくつかの要素を、蓄熱システムに接続し、高温ストリームの第２の部分の循環に寄与させることができる。

その結果、太陽熱源や地熱源も使用することができる。再生可能な熱源は寄生的とは見なされないため、外部の「寄生的」熱源の必要性をさらに限定することができるという利点がある。したがって、バッファタンクは、再生可能熱のバッファとしても機能することができ、それにより、さらに好ましい環境効果が得られ、パワーツーガスプラントおよびバイオガス生産設備に必要な寄生エネルギーを最小限に抑えることができる。

同様に、本考案の更なる実施形態によれば、パワーツーガスプラントは、任意の待機冷却源を備え、この待機冷却源は、パワーツーガスプラントおよび／またはバイオガス生産設備内の過剰な熱を放散するために、要求に応じて作動するように構成されている。

このため、パワーツーガスプラントの冷却必要要素に少なくとも循環する低温ストリームには、複数の目的がある。冷却必要要素を適切に動作させるために冷却することが重要であることは明らかである。それはさらに、あらゆる要素の過熱を防止するために、バイオガス生産設備および／またはパワーツーガスプラントの関連部分に循環させることができる安全機構と見なすことができる。

特に、いくつかの更なる実施形態では、パワーツーガスプラントが、蓄熱システムにそれぞれ結合された電解槽およびバイオメタン化反応器を備え、高温ストリームの第１の部分が、電解槽および／またはバイオメタン化反応器によって生成された熱を含む。

しかしながら、熱源のリストはこれに限定されるものではなく、熱を発生する、パワーツーガスプラントに通常存在する他のいくつかの要素を、蓄熱システムに接続して、高温ストリームの第１の部分の加熱および循環に寄与させることができる。

これは、具体的には、本考案のいくつかの実施形態において、パワーツーガスプラントで発生する熱の主要部分、およびバッファタンクに循環する高温ストリームの主要成分が、電解槽および／またはバイオメタン化反応器で発生する熱によって構成されることを意味する。

前述したように、また後で詳しく説明するように、蓄熱システムに供給されて、第１の熱必要要素に必要な熱を供給するのは、殆どが高温ストリームの第１の部分であり、よってパワーツーガスプラントで発生する部分である。

パワーツーガスプラントが休止している場合または稼働することができない場合、バッファタンクに蓄えられた熱と、バイオガス生産設備で生成された高温ストリームの部分の両方が、パワーツーガスプラントで生成される熱の代わりとなり、熱必要要素に供給される第３の高温ストリームの少なくとも一部を構成する。

本考案の更なる実施形態によれば、バイオガス生産設備が、更なる熱必要要素を備え、パワーツーガスプラントが、更なる冷却必要要素を備える。そして、熱管理システムは、蓄えられた熱の更なるストリームを更なる熱必要要素に選択的にそれぞれ循環させるように、かつ／または、低温戻りストリームの更なる部分を更なる冷却必要要素に循環させるように構成されている。

当然のことながら、本考案はこの構成に限定されるものではない。実際に、バイオガス生産設備が更なる冷却必要要素を含み、パワーツーガスプラントが更なる熱必要要素を含む構成も想定される。最後に重要なことであるが、バイオガス生産設備およびパワーツーガスプラントの両方が、熱必要要素と冷却必要要素の両方を含む「混合構成」も想定される。

バイオガス生産設備における更なる熱必要要素の例としては、液体原料容器と後消化装置がある。パワーツーガスプラントの冷却必要要素の例としては、バイオメタン化反応器、電解槽、コンプレッサ排出ガス冷却器などが挙げられる。

更なる実施形態によれば、熱管理システムは、高温ストリームの第４の部分を外部エンティティに循環させるように構成されている。これは、加熱システム全体が熱管理システムを介して集中的に調整され、更なるデバイスが不要であるため、特に有利である。

本考案の熱交換システムは、様々な高温ストリームと組み合わせて配置された更なる調整システムも備えることができ、この調整システムが、各熱必要要素に送られる高温ストリームの数を選択的に調整する。調整システムを使用して、例えば、高温ストリームの第３の部分をサブ部分に分割することができ、各々が、それぞれの熱必要要素に循環され、かつ各々が、熱必要要素内の温度が所定の範囲に維持されるように選択される。同様に、更なる調整システムを使用して、熱発生要素によって生成された選択的な量の高温ストリームを、蓄熱システム内に循環する高温ストリームのそれぞれの部分（例えば、第１の部分または第２の部分）に合流させることができる。

本考案は、単一のバイオガス生産設備および／または単一のパワーツーガスプラントに限定されるものではなく、本考案におけるような熱交換システムは、それら状況のすべてにおいて実施することができる。特に、複数の蓄熱システムを含むシステムも想定される。

本考案によれば、バイオガス生産設備とパワーツーガスプラントとの間で熱を交換するための方法が記載され、バイオガス生産設備が、少なくとも第１の熱必要要素を含み、パワーツーガスプラントが、少なくとも第１の冷却必要要素を含む。

この方法は、
ａ．パワーツーガスプラントにおいて熱を発生させるステップ、
ｂ．パワーツーガスプラントで発生した熱の高温ストリームの少なくとも第１の部分を蓄熱システムに蓄えるステップ、
および／または
ｃ．バイオガス生産設備で熱を発生させるステップ、
ｄ．バイオガス生産設備で発生した熱の高温ストリームの少なくとも第２の部分を蓄熱システムに蓄えるステップ、
および
ｅ．バイオガス生産設備で発生した低温戻りストリームの一部分を蓄熱システムに循環させるステップを含む。

さらに、蓄熱システムは熱管理システムを含み、上記方法はさらに、
ｆ．蓄熱システムから熱管理システムを介して第１の熱必要要素に高温ストリームの第３の部分を循環させるステップ、および
ｇ．蓄熱システムから熱管理システムを介して第１の冷却必要要素に第２の戻り低温ストリームを循環させるステップを含む。

本考案によれば、この方法は、熱源、特に蓄熱システムの内外を循環する高温ストリームが、バイオガス生産設備またはパワーツーガスプラントの一方または両方によって如何に生成されるのかを述べている。

特に、この方法のいくつかの実施形態によれば、熱管理システムは、高温ストリームの第１の部分が蓄えられなかった場合または蓄えることができない場合に、高温ストリームの少なくとも第２の部分を生成して蓄えるステップを実行する。これは特に、パワーツーガスプラントが休止状態にある場合に該当する。

どの高温ストリーム部分が実際に必要な熱を熱必要要素に供給するかに関係なく、高温ストリームの第３の部分は、第１の熱必要要素によって必要とされる第１の熱量に対応することができ、熱管理システムは、第１の熱必要要素によって必要とされる熱量を求め、それに応じて、高温ストリームの第３の部分を蓄熱システムから第１の熱必要要素に循環させるステップを実行する。

熱交換システムに関して既に述べたように、熱管理システムが、熱必要要素によって必要とされる高温ストリームの第３の部分の正確な温度と量を求める場合、非常に有利である。これにより、コストが最小限に抑えられ、外部エンティティに対する出力が増加し、より良いエコロジカルフットプリントがもたらされる。

本方法の更なる実施形態によれば、第１の熱必要要素（１２２ａ）は消化装置であり、蓄熱システムから第１の熱必要要素に高温ストリームの第３の部分を循環させるステップは、消化装置が３５℃～５５℃の範囲、特に４０℃～５０℃の範囲の温度に維持されるように、高温ストリームの第３の部分を消化装置に循環させるステップを含む。

消化装置はそのような温度で最もよく機能することが証明されている。したがって、本システムの目的は、パワーツーガスプラントが休止または停止している状況でも、消化装置をこの範囲で連続的に維持できるようにすることである。

特に、本方法の更なる実施形態によれば、高温ストリームの少なくとも第２の部分は、ガスボイラおよび／または熱電併給（ＣＨＰ）プラントなどのバイオガス生産設備の待機熱源および／またはバイオガス改質システム（１２５）などのバイオガス生産設備で発生する廃熱源によって生成される。

熱源のリストはこれに限定されるものではなく、熱を発生する、バイオガス生産設備に通常存在する他のいくつかの要素を、蓄熱システムに接続して、高温ストリームの第２の部分の循環に寄与させることができる。

本方法の更なる実施形態では、パワーツーガスプラントで発生する高温ストリームの少なくとも第１の部分が、少なくとも電解槽および／またはバイオメタン化反応器によって生成される。

熱源のリストはこれに限定されるものではなく、熱を発生する、パワーツーガス設備に通常存在する他のいくつかの要素を、蓄熱システムに接続して、高温ストリームの第１の部分の循環に寄与させることができる。

本方法は、蓄熱システム（１４０）に蓄えられた更なる高温ストリームを、液体原料容器や後消化装置のような更なる熱必要要素に供給するステップ、および／または更なる低温戻りストリームを、更なる冷却必要要素に供給するステップを包含することもできる。

さらに、本方法は、蓄熱システムに蓄えられた高温ストリームの更なる部分を、プライベート加熱ネットワークのような外部エンティティに選択的に供給する更なるステップを含むことができる。

本考案の更なる特徴は、図面および請求の範囲と併せて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１は、本考案の概略的な第１の実施形態を示している。 図２は、図１に係る本考案の実施形態の更なる発展例を示している。 図３は、図２に係る本考案の実施形態の更なる発展例を示している。 図４ａおよび図４ｂは、図３に係る本考案の実施形態の更なる２つの発展例を示している。 図５は、バイオガス生産設備およびパワーツーガスプラントのいくつかの要素の例示的な温度カスケード図を示している。

図１は、本考案の熱交換システムの第１の例示的な実施形態を示しており、このシステムは、バイオガス生産設備２０とパワーツーガスプラント３０とを備え、両者が図中、破線で区切られている。バイオガス生産設備は、この実施形態では、例えばバイオガス生産設備の消化装置であり得る単一の熱必要要素２２ａを備える。代わりに、パワーツーガスプラントは、例えばバイオメタン化反応器であり得る第１の冷却必要要素２６ａを備える。

蓄熱システム４０は、バイオガス生産設備２０とパワーツーガスプラント３０との間に位置するものとして示されている。実際、前述したように、蓄熱システムはどこにでも設置することができるが、バイオガス生産設備およびパワーツーガスプラントに近い位置に設置すると、高温ストリームの循環中の熱損失が減少することに留意されたい。

蓄熱システム４０は、バッファタンク４１と、熱管理システム４２とを備え、熱管理システムは、高温ストリームの少なくとも第１の部分および／または第２の部分を介した熱の取り込み、例えば高温ストリームの第３の部分を介した熱の出力、低温ストリームの取り込みおよび／または低温ストリームの出力を調整および制御する。

高温ストリームの第１の部分５２は、パワーツーガスプラント３０から蓄熱システム４０、特にバッファタンク４１に循環され、そこで熱５０が蓄えられる。

第１の戻り低温ストリーム５６は、バイオガス生産設備から蓄熱システム４０内に循環する。特に、低温ストリーム５６は、バッファタンク４１の上部が高温水で層状になっているため、バッファタンクの底部に流入するか、またはバイオガスプラントとパワーツーガスプラントの両方が相乗的に動作する場合、蓄熱システムに直接流入することができる。

高温ストリームの第２の部分５４は、バイオガス生産設備２０からバッファタンク４１内に循環することができる。通常、高温ストリームの第２の部分は、例えばパワーツーガスプラントが休止状態にあるため、高温ストリームの第１の部分が循環できない場合にのみ生成される。

しかしながら、本考案は、このような配置に限定されるものではなく、実際に、蓄熱システム４０に蓄えられた熱５０が、高温ストリームの第１の部分５２と高温ストリームの第２の部分５４の少なくとも両方によって構成される熱交換システムも包含している。

熱管理システム４２は、熱必要要素２２ａの温度範囲を一定に維持するために、熱必要要素２２ａに高温ストリームの第３の部分５０ａを選択的に供給するように構成されている。本考案のこの例示的な実施形態では、熱必要要素２２ａが消化装置２２ａであり、温度範囲が３５℃～５５℃の間、特に４０℃～５０℃の間である。

第２の戻り低温ストリーム５８は、パワーツーガスプラント３０内の冷却必要要素２６ａを選択的に冷却するために、蓄熱システム４０から当該要素に循環する。

さらに、第１および第２の戻り低温ストリーム５６、５８が１つである場合、低温ストリームがバイオガス生産設備２０から直接、パワーツーガスプラント３０、特にパワーツーガスプラント３０の冷却必要要素２６ａに循環するものであってもよい。この図面および後の図面において、低温ストリームの循環が点線または矢印で表され、高温ストリームの循環が実線または矢印で表される。

図２は、図１に係る実施形態の更なる発展例を示している。この例では、高温ストリームの第２の部分５４が、ガスボイラ２３、熱電併給プラント２４およびバイオガス改質システム２５でそれぞれ発生する高温ストリームの３つの部分５４ａ、５４ｂ、５４ｃによって構成されている。それら熱発生要素はすべて、バイオガス生産設備２０の一部である。

図２では、それら３つの高温ストリーム５４ａ、５４ｂ、５４ｃが、バッファタンク４１に循環する高温ストリームの第２の部分５４に一緒に運ばれるものとして示されている。様々な熱源から高温ストリームの形態で到着する熱量を調節するために、それらの高温ストリームの送達点に第１の調節システム５５を配置することができる。

それぞれの高温ストリームは、バッファタンク４１に単独で流入することもできる。その場合、それらの総和が高温ストリームの第２の部分５４として規定される。

図３は、図１および図２の実施形態の更なる発展例を示している。

この実施形態では、パワーツーガスプラントで発生する高温ストリームの第１の部分５２がさらに示されている。この実施形態に係るパワーツーガスプラント３０は、２つの熱発生要素、電解槽３２およびバイオメタン化反応器３４を備える。それら２つの要素は、それぞれの運転中に熱を発生し、その熱が、２つの高温ストリーム５２ａ、５２ｂの形態で、蓄熱システム４０に循環する高温ストリームの第１の部分５２に伝達される。

バイオガス生産設備で発生する高温ストリームと同様に、電解槽３２およびバイオメタン化反応器３４で生成されるそれぞれの高温ストリームは、第２の調節システム５１を介して単一のストリーム５２に合流することができる。本考案は、これに限定されるものではなく、それぞれの高温ストリーム５２ａ、５２ｂが蓄熱システム内に単独で循環することも可能である。その場合、それらの総和が高温ストリームの第１の部分５２として規定される。

この例示的な実施形態では、破線の矢印で示される高温ストリームの更なる第３の部分５９が蓄熱システム４０から出ている。この高温ストリーム５９は、バッファタンク４１に蓄えられてプライベート熱グリッドシステムのような外部のエンティティに供給される熱を構成している。

冷却必要要素２６ａは、パワーツーガスプラント３０の熱発生要素３２および／または３４のいずれかであってもよく、戻り低温ストリームは、パワーツーガスプラント３０の熱発生要素を冷却するために提供される。

図４Ａは、更なる熱必要要素２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが示されている先の実施形態の発展例をさらに示している。

図面から分かるように、蓄熱システムからバイオガス生産設備に循環するストリームの更なる部分は、熱必要要素に熱を供給するために使用することができる。

この例では、バイオガス生産設備が、消化装置２２ａ、液体原料２２ｂおよび後消化装置２２ｃを備え、それらがすべて、適切に動作するために、蓄熱システム４０から循環する高温ストリーム５０ａ、５０ｂ、５０ｃの形態の一定量の熱を必要とする。

また、更なる熱必要要素２２ｄも、バイオガス生産設備２０内に含まれ、蓄熱システム４０から循環する高温ストリーム５０ｄを有することができる。

図４ｂは、図４ａの実施形態と実質的に同一である本考案の例示的な一実施形態を示しているが、高温ストリームの単一の第３の部分５０が、蓄熱システム４０から更なる調整システム５７に循環され、この調整システムが、高温ストリームの第３の部分を、それぞれの熱必要要素に循環する４つのサブセットに分割する点が異なっている。

調整システム５７は、主熱管理システム４２と通信して、熱必要要素２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄによって必要とされる総熱量を示すように構成することができる。その後、調整システム５７は、高温ストリームの第３の部分５０を、高温ストリーム５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄのそれぞれの部分に選択的に分割することができる。

図５は、冷却必要要素（上向きの矢印）と熱必要要素（下向きの矢印）との間の温度カスケードを示している。例えば、電解槽の値は、蓄熱システムに循環する高温ストリームの一部となる発生する熱量と、それが必要とするそれぞれの冷却を示している。各熱交換に示されている加熱または冷却電力は設計値であり、平均的な運転を反映したものではない。

グラフから分かるように、温度差は実質的に一致しているため、通常は、冷却装置または電気ヒータなどの外部熱源による追加加熱や追加冷却は必要ない。

２０ バイオガス生産設備
２２ａ 熱必要要素／消化装置
２２ｂ 熱必要要素／液体原料
２２ｃ 熱必要要素／後消化装置
２２ｄ 熱必要要素
２３ ガスボイラ
２４ 熱電併給（ＣＨＰ）プラント
２５ バイオガス改質システム
２６ａ 冷却必要要素
３２ 電解槽
３４ バイオメタン化反応器
４０ 蓄熱システム
４１ バッファタンク
４２ 熱管理システム
５０ 高温ストリームの第３の部分
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ 高温ストリームの第３の部分の一部
５１ 調整システム
５２ 高温ストリームの第１の部分
５２ａ、５２ｂ 高温ストリームの第１の部分の一部
５５ 調整システム
５４ 高温ストリームの第２の部分
５４ａ、５４ｂ、５４ｃ 高温ストリームの第２の部分の一部
５６ 低温ストリームの第１の部分
５７ 調整システム
５８ 低温ストリームの第２の部分
５９ 外部エンティティへの高温ストリーム

Claims (12)

1. 熱交換システムであって、
   －少なくとも第１の熱必要要素（２２ａ）を含むバイオガス生産設備（２０）と、
   －少なくとも第１の冷却必要要素（２６ａ）を含むパワーツーガスプラント（３０）と、
   －熱（５０）を蓄えるバッファタンク（４１）を含む蓄熱システム（４０）であって、蓄えられた熱（５０）が、前記パワーツーガスプラント（３０）内から循環される高温ストリームの少なくとも第１の部分（５２）、および／または前記バイオガス生産設備（２０）から循環される高温ストリームの少なくとも第２の部分（５４）を含む、蓄熱システムとを備え、
   当該熱交換システムが、前記バイオガス生産設備（２０）から前記蓄熱システム（４０）に循環する第１の戻り低温ストリーム（５６）と、前記蓄熱システム（３０）から前記第１の冷却必要要素（２６ａ）に循環する第２の戻り低温ストリーム（５８）とをさらに含み、
   前記蓄熱システム（４０）が、熱管理システム（４２）をさらに備え、
   前記熱管理システム（４２）が、蓄えられた熱（５０）の高温ストリームの第３の部分（５０ａ）を前記第１の熱必要要素（２２ａ）に選択的に供給するように構成されていることを特徴とする熱交換システム。
2. 請求項１に記載の熱交換システムにおいて、
   前記熱管理システムが、前記バッファタンク（４１）に前記高温ストリームの第１の部分（５２）および／または前記高温ストリームの第２の部分（５４）を供給するようにさらに構成されていることを特徴とする熱交換システム。
3. 請求項１または２に記載の熱交換システムにおいて、
   前記高温ストリームの第３の部分（５０ａ）が、前記第１の熱必要要素（２２ａ）によって必要とされる熱量（６２）に実質的に相当することを特徴とする熱交換システム。
4. 請求項３に記載の熱交換システムにおいて、
   前記熱管理システム（４２）が、前記第１の熱量（６２）を決定するように構成されていることを特徴とする熱交換システム。
5. 請求項１～４の何れか一項に記載の熱交換システムにおいて、
   前記第１の熱必要要素（２２ａ）が、消化装置（２２ａ）であることを特徴とする熱交換システム。
6. 請求項３または４に従属する場合の請求項５に記載の熱交換システムにおいて、
   前記消化装置が３５℃～５５℃の範囲の温度、特に４０℃～５０℃の範囲の温度に維持されるように、前記第１の熱量（６２）が選択されることを特徴とする熱交換システム。
7. 請求項１～６の何れか一項に記載の熱交換システムにおいて、
   前記バイオガス生産設備（２０）が、
   －ガスボイラ（２３）または熱電併給（ＣＨＰ）プラント（２４）などのバイオガス生産設備（２０）で発生する待機熱源、および／またはバイオガス改質システム（２５）などのバイオガス生産設備（２０）で発生する廃熱源をさらに備え、各々が前記蓄熱システム（４０）に結合され、
   －前記高温ストリームの第２の部分（５４）が、前記待機熱源のいずれかによって、かつ／または前記廃熱源のいずれかによって、単独で、または組み合わせて生成された熱、特に、前記ガスボイラ（２３）によって、かつ／または前記バイオガス改質システム（２５）によって、かつ／または前記熱電併給（ＣＨＰ）プラント（２４）によって生成された熱を含むことを特徴とする熱交換システム。
8. 請求項１～７の何れか一項に記載の熱交換システムにおいて、
   前記パワーツーガスプラントが、待機冷却源を備え、この待機冷却源が、前記パワーツーガスプラントおよび／または前記バイオガス生産設備内の余剰な熱を放散するために、要求に応じて作動されるように構成されていることを特徴とする熱交換システム。
9. 請求項１～８の何れか一項に記載の熱交換システムにおいて、
   前記パワーツーガスプラント（３０）が、前記蓄熱システム（４０）にそれぞれ接続された、電解槽（３２）およびバイオメタン化反応器（３４）を備え、
   前記高温ストリームの第１の部分（５２）が、前記電解槽（３２）および／または前記バイオメタン化反応器（３４）によって生成された熱を含むことを特徴とする熱交換システム。
10. 請求項１～９の何れか一項に記載の熱交換システムにおいて、
    前記バイオガス生産設備（２０）が、更なる熱必要要素（２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を含み、前記パワーツーガスプラント（３０）が、更なる冷却必要要素（２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ）を含み、
    前記熱管理システム（４２）が、蓄えられた熱の更なるストリーム（５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ）を前記更なる熱必要要素（２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）にそれぞれ選択的に循環させるように、かつ／または、低温戻りストリームの更なる部分（５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ）を前記更なる冷却必要要素（２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ）に循環させるように構成されていることを特徴とする熱交換システム。
11. 請求項１０に記載の熱交換システムにおいて、
    前記更なる熱必要要素（２２ｂ、２２ｃ）が、液体原料容器および後消化装置を含むことを特徴とする熱交換システム。
12. 請求項１～１１の何れか一項に記載の熱交換システムにおいて、
    前記熱管理システム（４２）が、高温ストリームの第４の部分を外部エンティティに循環させるように構成されていることを特徴とする熱交換システム。
    

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