JPS63239302A - 貯蔵したエネルギ利用の発電システム，方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、特に、作動流体としてｃｏ、を使用する発電
所に関し、より具体的には、三重点にて大量のＣＯ２を
貯蔵する結果、大発電容量の得られる発電所に関する。

（ロ）従来の技術 米国および世界中の電力会社は、石炭炊き、ガスまたは
石油炊き、もしくは原子力利用であるとを問わず、ベー
ス負荷発電所をよりよく利用しようと努力している。低
需要時間に電力を貯えておき、高需要時間にこれを送電
網に戻し、よって、ベース負荷発電所の効率的な運転レ
ベルを確保しがあり、この方式に依れば、ピーク時間外
に水を高い垂直位置まで圧送しておき、この水を利用し
てピーク時間中、水力タービンを回転させて発電でが排
出時に、回収されるが、かかるシステムを利用する場合
、適正な配設位置の選択には極めて現場の状況に左右さ
れ、また、ＭＷ時当たり、大きい貯蔵容積を必要とする
極めて大型のものとなり、故に、工事期間が長期となり
、多額の投資類を必要とする。

第２のシステム例としては、圧縮空気貯蔵方式があり、
このシステムに依れば、ピーク時間外の電力を利用して
空気を圧縮し、この空気を密閉した塩空洞、または鉱床
、もしくは透水層に貯蔵しておく、ピーク時間中、この
圧帽空気を利用して、燃料（例えばガスまたは石油）を
燃料させ、次いで発電タービンを介して膨張させ、発電
を行ないこの電力を送電網に供給する。このシステムの
場合にも、貯蔵箇所でガスが完全な状態にて貯蔵される
か否か等、現場の状況に左右され、ＭＷ時当りかなり大
型の貯蔵容積を必要とし、ＭＷ容量当りの工事コストは
極めて多額となる。

電力を貯蔵する方式に代わるべき方法として、電力会社
は、より効率的な発電所の採用を検討している。より効
率的な１つの発電方法として、複合サイクルシステムの
１部にガス炊きまたは石油炊きガスタービンを使用する
システムがある。かかるシステムにおいて、高温または
トッピングサイクルによって放出された熱を利用して、
低温サイクルの駆動を行ない、追加的電力を発生させ、
何れのサイクルもそれ単独にて実現し得るよりも高効率
の運転を行なう、低温サイクルは、ボトミングサイクル
と称され、−ａにボトミングサイクルは全て、例えば、
ガスタービンの排気によって放出された熱によって作動
するランキンサイクルである。蒸気ボトミングサイクル
が最も広く採用されている。しかし、蒸気と同様の方法
にて加熱し、膨張させることのできるピリジンまたはト
ルエンのような有機作動流体を使用する小型の実証用発
電プラントがある。米国特許第３，２５７，８０６号は
、主蒸気サイクルを利用し、ブテン、ブチンおよびイソ
ブチレンのような各種の有機材料をボトミングサイクル
の作動流体として使用するかかる発電プラントの例を提
案している。

上述した各種のシステムは、特定の状況においては、一
定の利点があるが、電力業界および電力需要家は、絶え
ずより効率的なシステムを求めている。

二酸化炭素を三重点にて貯蔵し得る大型のリザーバを備
え、電力需要が最大時、大量の電力を発電でき、また、
需要以上の余分な電力を有する時間中、こうした電力を
利用してリザーバを再充填する発電システムにおいて１
作動流体として二酸化炭素を使用した場合驚異的な発電
効率の達成し得ることが分かった。要するに、このシス
テムは、放出温度を低くしたランキネサイクル型式によ
る密閉サイクル熱エンジン運転であり、熱貯蔵能力を備
え、その唯一の作動流体として二酸化炭素を利用するも
のである。各種の熱源を利用することができ、例えば、
ガスタービンの排気といった他の高レベルなサイクルか
らの比較的低レベルの熱を利用できるため、このシステ
ムは、廃熱交換器として特に有効である。しかし、流動
層燃焼装置における温度制御熱交換器といった石炭炊き
燃焼装置の熱源、および直接燃焼式ガスまたは石油から
の熱を利用することもできる。適当な冷凍源も使用する
ことができようし、この場合には、システム全体はより
効率的なものとなろう０例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ
）中には、一般に、ガスパイプライン供給システムに供
給する前に蒸発させなければならない大量の冷凍源があ
る。

発電システム全体に加えて、本発明は、また、三重点の
貯蔵筒、所から二酸化炭素を除去し、戻す方法に加えて
、特に効率的な運転方法をも提供するものである０例え
ば、直径３３ｍ　（１００フィート）といった球状の極
めて大型の貯蔵施設を対象とする場合、戻り蒸気が打勝
ねばならない圧力ヘッドを最小に止めることが重要であ
り、この望ましい結果を達成するためには、断熱した補
助タンクを使用することができる。

より具体的には、本発明は、１実施態様において、エネ
ルギを胛蔵し、次いで、かかる貯蔵エネルギに加えて熱
を利用し、発電を行うものである。

かかるシステムは、その三重点にて液体二酸化炭素を貯
蔵する断熱容器と、および相当量の固形炭酸を含む液体
二酸化炭素をその略三重点にて保持するリザーバを形成
する冷凍機構とを備えている。

上記容器から液体二酸化炭素を吸引し、この吸引した液
体の圧力を著しく高め、次いでこの高圧の二酸化炭素を
過熱するための機能が設けられている。タービンのよう
な膨張手段を介して、二酸化炭素を膨張させ、乾燥蒸気
、または、ある種の液体を取込んだ蒸気にすることによ
り、回転力が発生する。この回転力は、通常、発電手段
を駆動するのに利用するが、他の目的に利用することも
可能である。

タービンエキスパンダからの排出蒸気は、冷却され、断
熱容器内に戻され、この容器内にて、二酸化炭素蒸気は
、固形炭酸を溶解させることにより凝縮される。

さらに、別の実施態様において、本発明は、三重点にて
約４．９５ｍ（１５フィート）の深さまで二酸化炭素ス
ラッシュを入れたリザーバ領域を設定することにより、
発電を行なう段階と、加圧された二酸化炭素を加熱する
段階と、および発電に関し、有用な作用を行ない、二酸
化炭素蒸気を形成し得る方法にて加熱させた二酸化炭素
を膨張させる段階とを備える、二酸化炭素スラッシュの
利用方法を提供する。二酸化炭素スラッシュの一部を上
記リザーバ領域の主部分からその補助部分まで移すこと
により、二酸化炭素蒸気を補助リザーバ部分の下部まで
戻すことができ、ここにて、固形炭酸を溶解させること
によって凝縮させ液体にする。かかる液体二酸化炭素は
、最終的に、補助リザーバ部分から主リザーバ部分に移
される。

それぞれの形態にて電力を貯蔵するのに現在利用可能な
各種のシステムを簡単に比較した第１表から本発明の利
点を理解することができる。第１表は、二酸化炭素を三
重点にて貯蔵するリザーバを使用するシステムが多機能
であることを明らかにし、また、競合システムと比べＫ
Ｗ当りのコストが低いＣＯ，サイクルにてガスタービン
を採用することにより特別の利点が得られる。

他の貯蔵技術に優る本発明の主な利点の１つは、貯蔵量
が大幅に少なくて済み、よって、実質上、如何なる場所
にも据付けることができることである。ポンプ式水力シ
ステムの場合、１，０ＯＯＫＷ時（１メガＷ時）を貯蔵
するためには、一般に、２２０．０ＯＯｆ３の水をポン
プで押し上げ、高所のリザーバに貯蔵しなければならな
い、これは、極めて大容量であり、現場の状況によって
は採用する事が出来ず、当然、平坦な鎖、または環境上
の規則がある地域では採用不可能である。圧縮空気式貯
蔵の場合、空洞内にＩＭＷ時の圧縮空気エネルギを貯蔵
するためには、一般に、１８．０ＯＯｆ”の圧縮空気を
貯蔵しなければならない、直接燃焼式二酸化炭素貯蔵シ
ステムの場合、貯゛蔵゛容積□は、固体に変換しようと
する貯蔵タンク内の液体ｃｏ。

の割合、ｃｏ２発電システムの効率、および状態如何に
よるが、ＭＷ時当り約１．０ＯＯｆｌにで済む、ガスタ
ービンからの高温の排気を利用するならば、二酸化炭素
貯蔵システムは、ピーク電力出力の約半分がガスタービ
ン発電機から供給されるため、ピークエネルギ発生のＭ
Ｗ時当り約５０Ｏｆ’にて済む、貯蔵容量が小さく、現
在の技術により製造した圧力容器に入れて、地表近くに
位置決めすることができるため、貯蔵コストは、ポンプ
式水力システムおよび圧縮空気貯蔵方式と比べ同等、ま
たはそれ以下で済む。

本発明の別の利点は、ポンプ式水力システムまたは圧縮
空気貯蔵方式何れの場合よりも小型に構成できるため、
コスト面で有利なことである。

１０乃至２０ＭＷ程度の小寸法がコスト上有利であると
考えられる。しかし、１００ＭＷまでの大寸法であって
も、スケールメリットが得られる。

第１表に掲げた転換効率は、電気出力を電気（該当すれ
ば燃料）入力で割った比である。この効率判定法は、電
気入力を使用し、電気出力を得る貯蔵システムの場合に
有用である。しかし、貯蔵システムが電気入力および燃
料入力の双方を利用する場合には誤差を生ずることもあ
る。

第１表に掲げた別の効率判定法は、システムの充填およ
び放出時に使用する主たる燃料に基く給電効率である。

この方法は、入力および出力共、主たる燃料を考慮に入
れるため、電気入力に燃料入力をプラスして利用するシ
ステムをより良く比較することができる。

第３の効率は、貯蔵プラントが供給したエネルギをベー
ス負荷充填プラントが使用する量（ＫＷ時当り）を貯蔵
プラントがＫＷ時当り使用する全エネルギで割った、貯
蔵プラントの効率を示すものである。かかる有効効率は
、貯蔵プラントの給電効率をベース負荷充填プラントの
効率で割った値となる。

第１表は、現在利用可能な様々な電力貯蔵および発電シ
ステムを比較したものであり、比較目的上、システムの
相対寸法を明らかにし、各種システムの関係するパラメ
ータを示したものであ二酸化炭素の独特且つ有利な特徴
を利用し、また、全体的な発電サイクルにおいて、冷媒
、塩水および作動流体として二酸化炭素の熱力学的特性
を利用するシステムの例を示す、こうした構成は、全体
的な発電サイクルの効率および経済性に大きく寄与し得
ることが確認されている。１種類の作動流体、即ち、二
酸化炭素を用いてかかるサイクルを実行することにより
、２種類以上の流体を使用する場合に必要となる熱交換
器に内在するコストおよび効率上の犠牲を伴うことなく
、三重点的にてエネルギの貯蔵および取出しを行うこと
が可能となる。

貯蔵エネルギ二酸化炭素（ＳＥＣＯ）システムの利点は
、第１表に掲げた値を比較することにより明らかとなる
。主な利点は、ｃｏ、貯蔵エネルギシステムが、現場の
状態に関係なく建設可能であり、また、貯蔵しなければ
ならない作動流体の量が著しく少なくて済む点である。

後者の利点から建設期間が短くて済み、これにより、発
注者は、新しいシステムの運転を割合に早く開始し、能
力の拡張という近い将来の必要に応えることができる。

好適実施態様は、５ＥＣＯＩＩシステムと称して示した
が、図示したガスタービンに代えて直接燃焼式ガスまた
は油燃焼装置を使用する５ＥＣＯＩシステムからも本発
明の利点が得られる。三重点にてＣＯ２を冷凍貯蔵する
考えは、両システムに共通しており、システム内への冷
凍入力を断続的に行うことができる。即ち、ピーク時以
外の電力が利用可能な時間には極めて大きい供給量とし
、高ピークの電力需要時間には０とすることができる。

タービンへの燃料入力は、運転コスト上の問題であるが
、ガスタービンは、電力容量の約半分を提供し得る寸法
となるようにしてあり、ボトミングサイクルとなる量の
作動流体として、および三重点におけるエネルギ貯蔵シ
ステムの媒体としてＣＯ２を使用することにより、他の
競合システムにおける欠点を回避することができる。

二酸化炭素を固体、液体および上記の形態にて存在する
一７０°Ｆおよび７５ｐｓｉａの三重点にて貯蔵し得る
よう適切に断熱し、且つ設計した球状体１１の形態の圧
力容器を備えるシステムが図示しである。液体ＣＯ２は
、最初圧力を約８００　ｐｓｉａまで高める第１ポンプ
４７に達する管１３を介して、球状体の下部から吸引す
ることが望ましい。

上記８００ｐｓｉａの圧力時、液体ＣＯ２は、熱交換器
１７を通って流動する０次いで、ＣＯ２は、管４３を経
て、高圧ポンプ１５まで流動し、この高圧ポンプ１５が
圧力を少なくとも約１０００ｐｓｉａまで（望ましくは
少なくとも約２０００ｐｓｉａ、より望ましくは約Ａ　
ＯＯ０ｐｓｉａ以上まで）高める。

次いで、高圧のＣＯ２は、熱交換器１つを経て、流動す
る。この熱交換器にて、ＣＯ３の温度は約１００°乃至
１５０°Ｆまで高くなり、次いで主熱交換器２１を通り
、ここで、その温度は望ましくは少なくとも約１５００
°Ｆχより望ましくは少なくとも約１０００°Ｆ、およ
び最も望ましくは約１６００°Ｆ以上）まで高くする１
次いで、高温、高圧の二酸化炭素流は、複数の膨張段階
を備え得る膨張装置２３の入口に向けられる。この膨張
装置は、同様に複数の発電ユニットを備え得る発電機２
５に機械的に連結されている。別の態様として、各膨張
段階は、単一の発電機に適当に接続することもできる。

５ＥＣＯｎシステムと称する、図示した好適実スタービ
ン２７からの高温の排気ガスである。コンプレッサ３１
からの圧縮空気は液状またはガス状燃料とともに、燃焼
装置３３に供給され、ガスタービン２７を駆動する高温
高圧のガスを形成する。

膨張装置２３からのＣｏ２蒸気の排気は、熱交換器１９
に達する管３５を経て流動する。この排気は、上記熱交
換器１９を高圧の二酸化炭素と熱交換状態に流動し、そ
の熱の一部を放出し、次いで、熱交換器１７を経て一部
分二酸化炭素スラッシュで満たした補助断熱容器または
タンク３９に達する管３７内を流動する。戻り蒸気は、
タンク内に入り、タンク３９内のスラッシュの溶解する
固形ＣＯ２により凝縮される前に、その温度が熱交換器
１７内にて少なくとも約−５０″Ｆまで低下させること
が望ましい。

このシステムは、ポンプ４７および高圧ポンプ１５を駆
動するだけの相当な力さえあれば、発電モードにて運転
することができる。従って、高ピーク負荷時間中、主発
電機２９により、および膨張装置２３に接続した発電手
段２５により発電された略全ての電力をプラント内の何
れかの箇所における需要に振り向けるが、または、電力
施設の配電網に供給することができる。電力の低ピーク
需要時、ＣＯ２スラッシュの入った球状体１１は、配電
網から利用可能な比較的低廉な電力を利用して「再充填
」できる、この再充填を行うため、球状体１１と関係す
る装置について、以下、詳細に説明する。

より具体的には、主Ｃｏｔ貯蔵容器として作用する断熱
球状体１１の容量は、日または週単位にて良好に作動す
るのに必要なＣＯを量を保持し得るように設計する。こ
の量は、所期の時間内における局部的な電力施設が必要
とする高ピークの合計時間を基にして定める。かかるピ
ーク構成はオフピーク時間（これは通常、真夜中から午
前８時までの時間帯となる）中、およびオフピーク電力
が利用可能な週末に球状体の再充填を行おうとするもの
である。かかるオフピークおよび高ピーク時間中、発電
および再充填の一部、あるいはその（１００フィート）
以上の球状体を構成する。貯蔵容器は、三重点の温度に
て十分な９％ニッケル鋼またはステンレス鋼つような適
当な材料製とする。同様に、大気温度から約−７０”Ｆ
の領域内にて許容し得る熱損失と維持するのに適した断
熱状態とする０例えば、市販のポリウレタンを約１５．
２４３（６インチ）厚に施工することができる。

貯蔵容器１１は、約１００　ｐｓｉａの内圧に耐え得る
よう設計し、適当な圧力逃し弁（図示せず）を設け、そ
の設計圧力時、ｃｏ、蒸気を逃がし得るようにする。か
くて、関係する冷凍装置の欠陥（三重点以上の圧力にす
る可能性のある）が修復されるまで、貯蔵容器の白味の
温度を約−５８°Ｆに保つことができる。貯蔵容器は球
状体とすることが望ましいが、他の型式による貯蔵容器
も利用可能であり、１０００）ン以下のＣＯｔを保持す
る小容量のシステムにも利用可能であろう０例えば、小
型のシステムは、比較的大きい表面積を提供し、比較的
多量の液体窒素また液体二酸化炭素を必要とする発電プ
ラントにて一般に使用されているような、水平方向に配
向させた１または複数の円筒形容器を利用することがで
きよう、勿論、かかるタンクは一同様に内部にて三重点
の圧力および温度を維持するため、同様に断熱処理する
ことになろう。

貯蔵容器１１から流動する液体ＣＯ２は、球状体の下部
に接続することが望ましい管１３に入る。

管１３に入るには、貯蔵容器の内側に設けられ、Ｃｏ２
だけを通過させ、固形ＣＯ３が管１３に入るのを阻止す
るスクリーンまたは同等の手段４５を介することが望ま
しい、液体ＣＯ３が熱交換器１７を経て流動するとき、
液体状の形態を保つようにするため、小型の遠心ポンプ
４７等を管１３内に設け、このポンプにより、圧力を約
８００ｐｓｉａまで高くし、高圧ポンプ１５に達する管
４３に常時液体ＣＯ２が満たされているようにする。約
−７０°Ｆの低温液体ＣＯ２は、熱交換器１７を経て流
動し、以下によ・り詳細に説明するように、この熱交換
器１７内にて戻るＣＯ１蒸気流から熱を奪うようにする
ことが望ましい。

システム全体がガスタービン２７を備える場合、特に、
大気温度が最も高く、従って、電力のピーク需要が最大
となる夏季の間、タービンのコンプレッサ３１の吸い込
み空気を冷却すると有利であることが多い、この目的の
ため、所定の外気流量時、外気を約９５°Ｆから約４５
°Ｆまで冷却させるのに十分な熱交換面積を有する熱交
換器４８が設けられている。熱交換器４８は、向流状態
にて作動することが望ましく、また、管４３内の液体Ｃ
Ｏ２の温度を約５０”Ｆまで高めることができる。

外気は、電動ブロワ４９によって、熱交換器４８に供給
され、その後、コンプレッサ３１に達するダクト５１を
通って進む、このようにして吸い込み空気を冷却させる
ことによりタービン２７の電気的出力を約１６％増大さ
せることができる。勿論、例えば、簡単な燃料炊きヒー
タのような別の熱源を利用して、ＣＯ７の温度を上げる
ならば、燃料を燃焼させるために使用する空気を冷却さ
せることは望ましくない。

熱交換器４８からの僅かに加熱された液体ＣＯ２流は、
高圧ポンプ１５に導かれる。高圧ポンプ１５は、その吸
い込み口が熱交換器４８の出口に接続され゛、液体の圧
力を通常、３０００乃至５０００ｐｓｉａまで上昇させ
る。望ましくは、約４０００ｐｓｉａの圧力が達成され
るようにする。ポンプがＣＯ３の臨界圧力、即ち約１０
６６ｐｓｉａ以上の吐出し圧力を達成するならば、二酸
化炭素は最早、液体および気体の形態ではなくなり、液
相と気相が同一となるため、超臨界的な流体となる。

かかる作用を行うのに適したポンプは、ＣＯ２を注入し
、下盤層から石油を掘削し易いようにする、油田用に開
発したような多筒容積形ポンプである。

高圧ポンプ内にて液体の温度は約２０°まで高くなるた
め、液体は、約７０°Ｆの温度にてポンプここて球状体
１１に向けて戻る膨張した高温のＣＯ□蒸気と向流熱交
換状態にて流動する。この熱交換器を利用して、液流の
温度を約１５０°Ｆまで高め、以下に説明するように、
戻る。ＣＯ２蒸気を冷却するのが有利である。

次いで、この高圧の液流は、図示した実施態様において
、ガスタービン２７の排気によって加熱される主ＣＯ２
熱交換器２１に達する管５３を経て流動する。ガスター
ビンの排気は全て、９００〜１０００°Ｆの領域内の顕
然であるから、この構成は、高圧の二酸化炭素を加熱す
る最もコスト的に有利な方法であると考えられる。高圧
流が主熱交換器２１を通って逆流することによりその温
度は、タービン排気温度より約５０°Ｆ低い温度即ち、
約９４０°Ｆまで高くなることができる。

流入する高圧のＣＯ２流が胴側にあるであろうタービン
排気と熱交換状態にて流動する安定化処理したステンレ
ス鋼製フィン付き伝熱管を利用することにより、極めて
効率的な熱交換器２１を提供することができる。タービ
ン２７からの高温排気の出口温度は、熱交換器２１から
の出口において、約２５０°Ｆまで低下させることがで
き、この時点にて、この排気は、本システムに対する廃
熱となる。

主熱交換器２１から出る高温のＣＯ２ガス流は、タービ
ン−膨張装置２３に向けられる。このタービン−膨張装
置２３は、図示した実施態様において、各々、求心流タ
ービン膨張段である１連の４段から成っている。この構
成は、圧力特性が得られるように個々に設計したタービ
ン−膨張装置を経て、段階的に膨張させることにより、
かかる高圧、高温の液体流のエネルギ出力を最大にする
ことを目的とする１個々の段２３ａ、２３ｂ。

２３ｃおよび２３ｄは、別個の発電ユニットと機械的に
結合させたように図示しであるが、希望であれば、上記
段の全てを単一の発電１！２５と機械的に適当に相接続
させることもできる。別の態様として、別個の求心法膨
張装置を４つ使用することに代えて、多段式軸流膨張装
置を使用することもできる。

ＣＯ□流が複合タービン−膨張装置を出るときまでに、
ＣＯ□流は、膨張させて、乾燥蒸気としておくことが望
ましい、しかし、特定の運転条件如何により、ＣＯ２蒸
気は、少量の二酸化炭素液体を含有することがあるが、
その量は、Ｃｏ２の重量の約１０％以上となってはなら
ない、吐出ガス流の温度および圧力は、システム全体の
設計により決まる。Ｉｌ張させたＣ　Ｏを流は、圧力が
約８０ｐｓｉａ程度と低く、温度が約３００°Ｆとなる
ようにする。タービン−膨張装置２３の有効性は、吸込
み圧力と吐出圧力の比の関数であり、従って、吐出圧力
が低ければ低い程、有効性は大きくなる。

以下に説明する１実施態様において、ＣＯ２貯蔵機構は
、圧力を可能な限り低く、即ち、三重点圧力より約５ｐ
ｓｉａ高い圧力まで低下させることができる設計にしで
ある。管３５内の戻るＣＯ□流が約３００°Ｆの温度で
ある場合、その温度は、熱交換器１９内にて例えば約９
５°Ｆまで低下させることができる。

熱交換器１９からの吐出流は、管３７を経て流動するが
、以下に説明する目的のため、管３７から支管５５が分
岐している。管３７は、戻る蒸気を熱交換器１７まで運
び、この熱交換器１７は、戻るＣＯ□が貯蔵容器１１か
ら出る低温の三重点液体と熱交換状態にて通過する際、
熱交換回収装置の作用を行う、向流により戻るＣＯ２の
温度が約−５５°Ｆまで低下し、および約８Ｑｐｓｉａ
の圧力の蒸気が補助タンク３９内に泡状に流入し得るよ
うに熱交換表面積を設定することが望ましい。

この補助タンクは、タンクと交錯して伸長し、仏 タンクを上部と下部に北切る略水平のスクリーン５７の
ような手段を備えることが望ましい、このスクリーンを
設けることにより、００２スラツシユは下部に保持し、
下部にはＣＯｚ液のみが入るようにすることが可能とな
る。戻るＣ　Ｏｘ蒸気は、三重点まで冷却されて凝縮し
、ＣＯ！スラッシュの固形部分を溶解させ、かくて、補
助タンク３９内における蒸気の凝縮および固形分の溶解
を基にして追加的な液体ＣＯ２を形成する。補助タンク
内の液体水位を所望の高さに保つため、循環ポンプ５９
を設け、補助タンクの下部から液体を吸引し、且つ管６
０を経て、これを主貯蔵容器１１（望ましくはこの容器
の上部）まで圧送することが望ましい。

図示した実施態様において、補助タンク３９は、主貯蔵
容器１１の垂直下方に位置決めしであるが、この配設は
、稠密なＣＯ２スラツシユを適当な耐圧弁６１を介して
、主容器の底部から重力にて流動させ、このスラッシュ
を補助タンク３９の上部内に供給するのに都合よい、当
該技術分野にて公知の回転弁のような適当な任意の弁６
１を使用し。

比較的高圧の環境から排出させることもできる。

この配設により、三重点にてＣＯ！スラッシュを満たし
た、例えば直径３３．３ｍ（１００フィート）の大型球
状体内の下部領域に存在する、比較的高圧のヘッドから
補助タンク３９が隔離させる。この配設は、ＣＯ２スラ
ツシユの深さが約４．９５ｍ（１５フィート）以上のと
き、極めて有利であることが分かっている。この配役に
よりｃｏ、蒸気は、高圧のヘッドを上部る必要はなく、
全体的な貯蔵システムに戻ることができ、その結果、全
システムの総括効率を驚く程向上させることができる。

補助タンク３９を主貯蔵容器１１の垂直下方に位置決め
することが無理な場合には、ねじコンベヤ等のような適
当な搬送手段を使用して、貯蔵容器の下部からＣＯ，ス
ラッシュを除去し、これを補助タンクの上部に移しても
よい。

作動システム内にて三重点の液体ＣＯｘを保持する主貯
蔵容器１１は２通常、最初に液体ＣＯｚを満たすため、
この容器１１は、関係する別個の高圧液体ＣＯ７供給タ
ンク６３を備えることができる。このタンク６３は、当
該技術分野にて周知のように、液ＣＯ□を温度約０”Ｆ
、および圧力的３００　ｐｓｉａに維持し得るようにし
た従来の液体Ｃｏｔ貯蔵容器でよい、何等かの理由によ
り、−高圧ポンプ１５が主貯蔵容器から十分な液体ＣＯ
３を吸引できない場合、管６５を介して、平行な供給を
設ける。この供給路は、供給タンク６３の底部から、ス
テップアップポンプ６７、熱交換器４８を通り、高圧ポ
ンプ１５に達している。同様に、貯蔵容器１１は、管６
９を介して、補充ＣＯ：を再供給することができる。こ
の管６９は、制御弁７１と、および上流側の圧力が例え
ば８０　ｐｓｉａという所定の値以下に低下したとき閉
じる圧力調節弁７３とを備えており、主貯蔵容器１１内
の下部に達している。

一般的に、管７５を経て、貯蔵容器１１のアレツジまた
は最上部からＣＯ□蒸気を除去することにより、球状体
１１の液体の上表面にて液体ｃｏ。

が蒸発し、温度が低下する。この温度低下は、最初に容
器に満たした液体ＣＯ２が約７５ｐｓｉａおよび一７０
°Ｆの三重点に達するまで続く、この時点にて、固体Ｃ
Ｏ２の結晶が、蒸気液体境界面に形成され、徐々に寸法
が大きくなり、蒸発される液体ＣＯ１１ボンド当り、約
１．３ボンドの固形ＣＯｚが形成される。固形ＣＯ１は
、液体ＣＯ□より比重が大きいため結晶は、容器の底部
に沈澱し始め、その沈澱物は、固形ＣＯ３と液体ＣＯ２
の混合体であるＣＯ，スラッシュと称される１球状体は
、内部に入れたＣ　Ｏ２の全重量の約５５乃至７５％が
固形ＣＯ１の形態であるように維持する二５が可能と考
えられる。ｃｏ２スラッシュの曹 形態としたこの固形ＣＯ□は、弁６１を介して、貯蔵容
器１１の底部から吸引し、スクリーン５７上方のタンク
３９の上部に供給する６等圧１１７７を設け、貯蔵容器
１１のアレッジスペースと補助タンク３９のアレッジス
ペースを連結させ、両タンクの上部の蒸気圧力が略等し
くなるようにすることが望ましい。

管７５を経て除去された０　０２蒸気は、相対的に従来
通りの機械式冷凍システムによって取扱い、凝縮させて
、液体ＣＯ２とし、管６９および圧力調整弁７３を介し
て、最終的に貯蔵容器１１に戻す、より具体的ぐは、管
７５は、適当な電気モータによって駆動される、遠心コ
ンプレッサまたはねじコンプレッサ何れかのＣＯ主コン
プレッサの入口に達している。コンプレッサ７９の出口
には。

高性能の油木分離機を設け、球状体１１内に油が蓄積す
るのを防止し得るよう゛にすることが望ましい、コンプ
レッサ７９からの排気圧力は、約３００乃至３７５ｐｓ
ｉａの範囲内とする。コンプレッサ７９からの排出流は
、管８１を経て、復水器８３まで流動し、ここで凝縮さ
れて、液体ＣＯ１となり、管６９を経て、球状体に戻る
。この復水器８３は、ＣＯ２が１４側にある円筒多管式
復水器の管内を流動するアンモニア、または過フッ化炭
化水素のような適当な冷媒を蒸発させることにより冷却
させることがで登る。かかる機械式冷凍システムは、パ
ッケージとして購入することができ、通常、モータ駆動
のコンプレッサ８５を備えている。このコンプレッサ８
５は、復水器８３の蒸発冷媒を吸引し、適当にその圧力
を増大させ、高圧の冷媒を蒸発型または空冷型復水器８
７に排出する。この復水器８７は、適当な送風機を利用
する水蒸発型とすることが望ましい、凝縮された高圧の
冷媒は、膨張弁８９により膨張されて、復水器８３の蒸
発器側に達する。

復水器８３からの液体ＣＯｚは、管９０を経て流動する
。この管９０には、フロート弁制御によるサージタンク
９０ａを設けることが望ましい。

このサージタンク９０ａは、このタンク内の液体水位が
所定の水位より低くなった場合、弁７３を閉じることに
より、管９０の下流側が液体ｃｏ。

で略満たされた状態を保つようにする。

上述した支管５５を設けるか否かは随意である。

この支管５５は、ＣＯ２の圧力を約３００　ｐｓｉａ以
上まで高くし得るよう設計し適当なモータにより駆動さ
れる補助コンプレッサ９１に達している。

上記圧縮の結果、蒸気温度は、約１９０’Ｆまで高くな
る可能性がある。適当な冷却器９３を設け、合流する蒸
気が復水器８３に達する管８１内を流動する前に、蒸気
温度を約１００°Ｆまで低下させる。

上述のように、全体的システムは、高ピークの電力需要
時、コンプレッサ７９，８５および９１を運転する必要
がないように、貯蔵容器１１の寸法を設定し、極く僅か
なエネルギにてポンプ１５゜４７を運転でき、よって、
最も臨界的な発電状態である上記時間中、発電量を最大
とすることにより最も効率的な運転ができる。ピーク需
要時以外の時間に限りこれらコンプレッサを運転し、ま
た、望ましくは、電力が最も低置なときに限り運転すれ
ば・、電力設備は、従来不可能であった余剰の電力が得
られるから、最大の効率が実現できる。電力コストが高
ピーク時と低ピーク時の中間程度であるが、通常、低ピ
ーク時のコストに近い電力需要の１当な中間時間帯にお
いて、主コンプレッサ７９を停止させ、コンプレッサ８
１を利用して、戻る蒸気の略全量を復水器８３に直接移
し、コンプレッサ８５を含む冷凍システムを運転して、
戻る蒸気を凝縮させることができる。かかる運転は、ベ
ース負荷運転と称することができ、スチームボトミング
サイクルに於けるガスタービンと略同−の出力が得られ
る。電力出力は、ピーク出力運転時はど大きくはないが
、主コンプレッサ８５を全開運転している場合よりも大
きくなる。

５ＥＣＯシステムの別の利点は、発電（貯蔵エネルギの
排出）サイクルを２モード何れにても行うことができる
点である。第１モードは、発電モードであり、この閏、
貯蔵タンクに戻る蒸気は固形ＣＯ３を溶解させ、ＣＯ２
を大気中に全く失うことなく、液体ＣＯ２を形成する。

換言すれば、上述した第１モードは、ＣＯｔを大気中に
全く排出することがない密閉システムを包含する。第２
運転モードは、固形ＣＯ２が完全に溶解した後の非常状
態を包含する。この時、システムは、非常排出を行い、
密閉サイクルの設計値の１２０％の率にて発電を行う、
このようにして、４０ＭＷの発電プラントは、非常排出
下にて４８ＭＷの発電を行なうことができる。しかし、
かかる非常排出中、ＣＯ２蒸気は大気中に排気されるた
め、その後システムが通常の運転に完全に復帰する前に
、再び補充しなければならない、多くのピーク運転時、
−日当たり３乃至４回のピーク運転時間をとれば十分で
あるため、非常排出モード時、排出時間をさらに数時間
延長することにより、システムを少なくとも１部分再充
填し、翌日、通常運転が可能であるようにすることがで
きる。貯蔵エネルギの使用時間を延長し得ること（非常
排出）は、ポンプ式水力または圧縮空気を利用する他の
貯蔵技術では得ることのできない５ＥＣＯシステムの特
徴である。

上述のように、５ＥＣＯシステムの重要な利点は、特に
、圧縮空気貯蔵およびポンプ水力方式と比較した場合、
工事期間が短くて済むことである。

システムに必要な構成要素の大部分は、現在、製造され
ているものであり、貯蔵容器は、１８ケ月以内に現場に
て建設できるため、全プラントの工事期間を短縮するこ
とが可能である。これにより、発電所建設コストは最小
限で済み、これは完成迄、４乃至１０年の歳月を要する
発電所の建設工事の場合、需要なファクタである。典型
的な４０ＭＷの５Ｅｃｏ発電所は、１エーカの敷地に建
設することができ、より大型のポンプ式水力または圧縮
空気方式の技術上および環境上の問題点を解決するのに
伴う不都合がほとんどない。

図示した実施態様は、ガスタービンの高温の排気を利用
して、高圧の００２液流を蒸発させる熱を提供する好適
な態様を開示しているが、その他の加熱機構も可能であ
り、利用可能な十分な廃熱があるならば、かかる低置な
熱源の利用により優れた総括効率が得られる。一方、高
圧のｃｏ、液流に熱を供給するのに適したガスまたは油
炊きヒータを採用することもできる。第１表Ｉに５ＥＣ
ＯＩとして掲げたシステムは、複合タービン膨張装置２
３内の膨張段間にて高温のガスを循環させ、ＣＯ□を再
加熱することにより効率的なものとすることができる。

しかし、残念なことに、かかる循環再加熱の考えに基づ
くタービン−膨張機構の優れた効率は、ガスタービンの
高温の排気により運転する場合、熱力学的に不可能であ
る。別の態様として、流動床石灰熱焼装置、特に、適当
なｒ床内」熱交換器を備える型式のもの、または、木く
ずバーナでさえもし−タとして使用し、同様の効果を得
ることができる。さらに、より効率的な太陽熱ヒータを
開発中の米国の技術を利用し、太陽エネルギでさえ、高
圧のＣＯ３液流を加熱するのに用いることができる。高
ピーク需要時間は、通常、１日の内、最高温度時間を一
致するため、太陽エネルギを利用することは特に可能で
ある。他の高温熱源としては、地熱、工業的プロセスか
らの廃熱、および石油化学またはゴミ埋立て地からの発
散ガスを利用することができる。使用し得る胛の特に実
現可能なシステムは、ここに引用する米国特許第４，３
０９，１９８号および同′第４，４３１，６２２号に開
示されたような酸素供与ＣＯ２発生燃焼装置がある−０ 本発明は、その好適実施態様について説明したが、当該
技術分野の当業者は、特許請求の範囲に記載した本発明
の範囲から逸脱することなく、各種の変形例および応用
例を為し得ることを理解すべきである０例えば、可能で
あれば、冷凍食品、空調等に使用し得る熱交換器９８を
管４３内に設けることにより、低温ＣＯ２の冷凍価を利
用することができる。ＣＯ，を好適な冷凍剤として使用
する用途について説明したが、上述の方法にて貯蔵し得
る三重点のような同様の特性を有する他の冷凍剤も使用
可能であると考えられる。

本発明の特別な特徴は、特許請求の範囲に記載されてい
る。

【図面の簡単な説明】

添付図は、唯一の作動流体として二酸化炭素を使用する
、本発明の各種を包含した発電システムの線図である。 （主要符号の説明） １１・・・貯蔵容器（球状体）、　　１３・・・管、１
５・・・高圧ポンプ、　　１７・・・熱交換器、１９・
・・熱交換器、　　　２１・・・主熱交換器、２３・・
・膨張装置、　　　　２５・・・発電機、２７・・・ガ
スタービン、　２９・・・発電機、３１・・・コンプレ
ッサ、　３３・・・燃焼装置、３５・・・管、　　　　
　　　３９・・・タンク、４７・・・ポンプ。 （外４名）

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）三重点にて液体二酸化炭素を貯蔵する断熱した容
   器手段と、前記容器手段内における約三重点の二酸化炭
   素液体のリザーバであって、相当量の固体二酸化炭素を
   収容するリザーバを形成する手段と、前記容器手段から
   液体二酸化炭素を吸引し、前記吸引した液体の圧力を著
   しく高める手段と、前記高圧の二酸化炭素を加熱する手
   段と、前記加熱手段の出口に接続され、前記加熱した二
   酸化炭素を膨張させ、乾燥した蒸気、または一部取込ん
   だ液体を含有する蒸気とし、回転力を発生させる手段と
   、および前記膨張手段からの排出液流を前記容器手段に
   もどす手段とを備え、前記容器手段において、固体二酸
   化炭素を溶解させることにより二酸化炭素蒸気を凝縮さ
   せることを特徴とするエネルギを貯蔵し、その後貯蔵し
   たエネルギを利用し、加熱して発電する貯蔵したエネル
   ギ利用の発電システム。
2. （２）前記吸引手段が前記二酸化炭素の圧力を少なくと
   も約７０ｋｇ／ｃｍ＾２（１０００ｐｓｉａ）まで高め
   ることのできるポンプ手段を備えることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載した発電システム。
3. （３）前記加熱手段を大気以上の加熱源に接続し、およ
   び前記加熱手段の１部を構成し、且つ前記戻る低圧の二
   酸化炭素液流を冷却し得るように配設した第１熱交換器
   を設け、前記高圧の二酸化炭素が前記膨張手段からの前
   記排出液流と熱交換状態にて前記熱交換器を通るように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載した
   発電システム。
4. （４）前記加熱手段が回転発電手段に接続した燃料燃焼
   式のガスタービンを備え、前記回転発電手段を前記膨張
   手段に連結し、前記ガスタービンからの前記高温の排気
   ガスと前記第１熱交換器からの前記高圧の二酸化炭素間
   にて熱交換を行い得るように第２熱交換器を接続し、前
   記高圧の二酸化炭素と前記ガスタービン方向に流動する
   空気流間にて熱交換を行い得るように第３熱交換器を接
   続し、および前記戻る低圧の二酸化炭素液流からの熱が
   前記加圧手段に向けて流動する前記液流に奪われるよう
   に、第４熱交換器を前記リザーバと前記加圧手段間に接
   続することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載し
   た発電システム。
5. （５）前記容器手段が、主容器および別個の補助容器を
   備え、前記戻る二酸化炭素流を前記補助容器に戻し、液
   体炭化水素を前記補助容器から前記主容器に移すポンプ
   手段を設け、および固形炭酸を前記主容器から前記補助
   容器に移す手段を設けることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項乃至第４項の何れかの項に記載した発電システ
   ム。
6. （６）相当割合の固形炭酸を含有する二酸化炭素リザー
   バを三重点にて形成する段階と、前記リザーバから液体
   二酸化炭素流を吸引し、且つ前記吸引した液流の圧力を
   著しく高める段階と、前記高圧の二酸化炭素を加熱する
   段階と、前記加熱した二酸化炭素を膨張させ、乾燥蒸気
   または一部取り込んだ液体を含有する蒸気にし回転力を
   形成する段階と、前記回転力を利用して、発電を行う段
   階と、および低圧の液流を前記リザーバに戻す段階とを
   備え、固形炭酸を溶解させることにより二酸化炭素蒸気
   を凝縮することを特徴とする貯蔵したエネルギ利用の発
   電方法。
7. （７）前記吸引した二酸化炭素の圧力を少なくとも約７
   ０ｋｇ／ｃｍ＾２（１０００ｐｓｉａ）まで高くし、前
   記膨張段階前、前記高圧の二酸化炭素を少なくとも約２
   ６０度Ｃ（５００°Ｆ）まで加熱し、および前記膨張段
   階による前記低圧の排出流を前記リザーバに戻す前に約
   −４５度Ｃ（−５０°Ｆ）以下まで冷却することを特徴
   とする特許請求の範囲第６項に記載した発電方法。
8. （８）二酸化炭素スラッシュを少なくとも約４．９５ｍ
   （１５フィート）の深さに保持する主容器を有する容器
   手段と、前記容器手段と関係し、三重点にて二酸化炭素
   スラッシュのリザーバを形成する冷凍手段と、前記容器
   手段から液体二酸化炭素を吸引し、前記吸引した二酸化
   炭素の圧力を高くし、前記加圧した二酸化炭素を加熱し
   、および発電を効果的に行ない、二酸化炭素蒸気を形成
   し得るような方法にて前記加熱した二酸化炭素を膨張さ
   せる手段とを備え、前記容器手段が補助容器と、前記主
   容器から前記補助容器まで二酸化炭素スラッシュを移す
   手段と、前記二酸化炭素を前記補助容器に戻し、前記固
   形炭酸を溶解させることにより、凝縮させ、液体にする
   手段と、および前記補助容器から前記主容器まで液体二
   酸化炭素を移す手段とを備えることを特徴とする二酸化
   炭素スラッシュを利用し、発電を行なう貯蔵したエネル
   ギ利用の発電装置。
9. （９）前記補助容器を前記主容器より低い垂直位置に位
   置決めし、および前記スラッシュの供給を重力によって
   支援し、固形ＣＯ＿２ではなく、液体ＣＯ＿２が通過す
   る分離手段が前記補助容器を上部と、および前記主容器
   に液体ＣＯ＿２を移す下部とに分割し、前記吸引した液
   体二酸化炭素を加圧する容積形高圧ポンプ手段を設け、
   および前記加熱した二酸化炭素を膨張させる回転膨張手
   段を設け、発電を行なう燃焼装置からの排出物を利用し
   、前記加圧した二酸化炭素を加熱し、および発電手段を
   前記二酸化炭素回転膨張手段に連結し、発生された電気
   を利用し得るようにしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第８項に記載した発電装置。
10. （１０）三重点の二酸化炭素スラッシュを少なくとも４
    ．９５ｍ（１５フィート）の深さに保持するリザーバ領
    域を設定する段階と、前記リザーバ領域から液体二酸化
    炭素を吸引する段階と、前記吸引した二酸化炭素の圧力
    を高くする段階と、前記加圧した二酸化炭素を加熱し、
    且つ最終的に発電を行うのに有効な仕事を為し得るよう
    な方法にて前記加熱した二酸化炭素を膨張させて、二酸
    化炭素蒸気を形成する段階と、前記リザーバ領域の主部
    分から別個の補助部分まで前記二酸化炭素スラッシュの
    １部を移す段階と、前記固形炭酸を溶解させることによ
    り凝縮させて、液体とするような方法にて前記二酸化炭
    素蒸気をリザーバの前記補助部分に戻す段階とを備える
    ことを特徴とする二酸化炭素スラッシュを利用して、発
    電を行なう発電方法。
11. （１１）前記スラッシュの供給を重力により行ない、お
    よび前記吸引された二酸化炭素を戻りＣＯ＿２蒸気と熱
    交換させることにより加熱し、次いで少なくとも約７０
    ｋｇ／ｃｍ＾２（１０００ｐｓｉａ）まで加圧し、その
    後、少なくとも約２６０度Ｃ （５００°Ｆ）まで加熱することを特徴とする特許請求
    の範囲第１０項に記載した発電方法。