KR20230142839A - 연료 가스를 이용하는 에너지 저장 시스템 - Google Patents
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Abstract
에너지 저장 시스템이 제공되고, 이러한 에너지 저장 시스템은, 수직 변위를 정의하는 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 갖는 제1 중력 기반 에너지 저장 서브-시스템과, 그리고 가압된 연료 가스의 저장을 위한 용기를 포함하는 제2 에너지 저장 서브-시스템을 가지며, 그리고 외부 파워 시스템과의 전기적 입력/출력 연결부를 가지며, 그리고 외부 연료 가스 공급원 또는 네트워크로부터 에너지 저장 시스템으로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 입구, 및 에너지 저장 시스템으로부터 외부 연료 가스 사용자 또는 네트워크로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 출구 중 적어도 하나를 가지며, 그리고/또는 제1 에너지 저장 서브-시스템에 저장을 위해 또는 전기적 출력 연결부를 통해 외부 파워 시스템으로 내보내기 위해 연료 가스로부터 전기적 에너지로 에너지를 변환하기 위한 가스 대 파워 변환 장치, 및 제2 에너지 저장 서브-시스템에 저장을 위해 또는 연료 가스 출구를 통해 외부 연료 가스 사용자 또는 네트워크로 내보내기 위해 전기적 에너지를 연료 가스로 변환하기 위한 파워 대 가스 변환 장치 중 적어도 하나를 가지며, 여기서 제어 시스템이, 외부 파워 시스템 및/또는 외부 연료 가스 네트워크 또는 사용자의 요구 사항에 따라 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템들의 협업적 또는 상보적 동작을 제어하도록 구성된다. 정의되는 바와 같은 시스템은, 전기 그리드와 같은 외부 파워 시스템에 연결된 시스템의 에너지 저장(충전) 및 방전이 중력-기반 저장 장치를 사용하여 에너지를 저장하는 것을 가능하게 하여 빠른 응답 시간 및 빠른 충전/방전 속도를 이용함과 동시에 증진된 용량의 에너지 저장을 제공한다.
Description
본 발명은 일반적으로 에너지 저장 분야에 관한 것이고, 특히, 예컨대, 전기적 파워 시스템(electrical power system) 또는 가스 네트워크(gas network)로부터 에너지를 저장하고 전기(electricity) 또는 연료 가스(fuel gas)를 공급하는 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다.
저탄소 및 제로-탄소 에너지 시스템으로의 전환과 재생가능 에너지에 대한 의존도의 증가로 인해, 기존의 화석-연료 기반 시스템들에 비해, 이용가능한 에너지 공급 시기와 수요 시기 사이의 변동성이 더 커졌다. 그 결과, 에너지, 특히 재생가능 자원에서 도출되는 에너지의 저장이 점점 더 중요한 역할을 할 가능성이 있다.
저탄소 및 제로 탄소 시스템으로의 전환에는 현재까지 상당한 진전이 있었던 저탄소 전기로의 전환뿐만 아니라, 지속적인 도전과제를 나타내는 공간 가열 및 운송에 대한 전환도 포함된다.
공간 가열의 저탄소 해법으로의 전환은, 전기적으로-촉진되는 가열(공기 소스(air source) 및 토지 소스(ground source) 열 펌프들), 잠재적인 미래 그린 가스(potential future green gas)(예컨대, 바이오가스 또는 그린 수소), 및 (저탄소 소스들로부터의) 지역 가열 방식을 통해 추구되고 있다.
육상-기반 운송이 저탄소 시스템으로 전환되고 있는데, 여기에는 예를 들어, (전기 설비가 없는 노선 상의) 수소를 동력으로 하는 열차뿐만 아니라 전기 차량 및 수소 전기 차량이 포함된다.
중력-기반 에너지 저장 시스템(gravity-based energy storage system)이, 신뢰할 수 있고 효율적인 그리드 밸런스(grid balancing) 및 에너지 저장의 하나의 방법으로서 점점 더 인식되고 있다. 대규모 양수(pumped-hydro)가 잘 알려져 있는데, 하지만 최근에는 (토지 내의 샤프트(shaft) 또는 홀(hole) 내에 포함되는) 중량체(weight)를 상승시키고 하강시킴에 있어 최근의 혁신들, 그리고 특히 중량체 및 케이블 시스템(weight and cable system)은, 지역 및 국가 그리드 요구 사항 및 향상된 응답 시간들을 만족시키기 위한 에너지 용량에서의 이점뿐만 아니라 에너지 저장에서의 효율성을 제공하고 있다.
예를 들어, UK 특허 번호 제2509437호는, 토지 내의 샤프트 안으로의 중량체의 하강 동안 전기적 에너지를 발생시키기 위해, 그리고 샤프트를 통한 중량체의 상승 동안 전기적 에너지를 저장을 위해 소비하기 위해, 샤프트 내에서 케이블에 매달린 중량체를 갖는 에너지 저장 시스템을 설명한다.
경제적으로 유리하도록 그리고 외부 파워 시스템으로부터의 파워 수신 또는 외부 파워 시스템으로의 파워 공급을 높은 품질로 제공하기 위해, 에너지 저장 시스템은, 빠른 응답(즉, 짧은 응답 시간, 그리고 수요를 만족시키기 위해 출력을 조절하기 위한 능력), 커다란 에너지 용량, 및 그 전체 용량에 걸친 지속적인 입력/출력을 유리하게 제공하고 있다.
본 발명의 발명자들은 이러한 시스템의 단점을 해결하고, 기존 기술을 개선시키는 에너지 저장 시스템의 개선점을 확인했다.
케이블 및 중량체 중력-기반 시스템을 통해 더 큰 용량 및 더 높은 품질의 에너지 저장을 제공하기 위해 에너지 저장 시스템의 개선이 필요하다. 또한, 동력, 가열 및 운송을 위한 에너지 저장 문제도 해결해야 한다.
본 발명의 목적은, 중력-기반 에너지 저장 시스템을 사용하여 에너지 저장 용량을 증진시킬 수 있음과 동시에 지속시간이 연장된 에너지 저장 또는 공급을 제공하는 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 다수의 목적을 위해, 예컨대, 전기적 공급을 위한, 그리고 가열을 위한, 그리고 운송을 위한 파워의 공급을 위해, 에너지 저장 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 실시형태에 따르면, 에너지 저장 시스템이 제공되고, 여기서 에너지 저장 시스템은,
제1 에너지 저장 서브-시스템(energy storage sub-system)과, 여기서 제1 에너지 저장 서브-시스템은 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함하고, 제1 상부 및 제2 하부 위치들은 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위(vertical displacement)를 정의하며;
가압된 연료 가스(pressurized fuel gas)의 저장을 위한 용기(vessel)를 포함하는 제2 에너지 저장 서브-시스템과; 그리고
외부 파워 시스템(external power system)과의 전기적 입력 연결부(electrical input connection) 및 전기적 출력 연결부(electrical output connection)를 포함하고,
에너지 저장 시스템은 또한,
외부 연료 가스 공급원 또는 네트워크(external fuel gas supply or network)로부터 에너지 저장 시스템으로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 입구(fuel gas inlet), 및
에너지 저장 시스템으로부터 외부 연료 가스 사용자 또는 네트워크(external fuel gas user or network)로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 출구(fuel gas outlet)
중 적어도 하나를 포함하고; 그리고/또는
제1 에너지 저장 서브-시스템에 저장을 위해 또는 전기적 출력 연결부를 통해 외부 파워 시스템으로 내보내기 위해 연료 가스로부터 전기적 에너지로 에너지를 변환하기 위한 가스 대 파워 변환 장치(gas to power conversion arrangement), 및
제2 에너지 저장 서브-시스템에 저장을 위해 또는 연료 가스 출구를 통해 외부 연료 가스 사용자 또는 네트워크로 내보내기 위해 전기적 에너지를 연료 가스로 변환하기 위한 파워 대 가스 변환 장치(power to gas conversion arrangement)
중 적어도 하나를 포함하고,
여기서 에너지 저장 시스템은 또한, 외부 파워 시스템 및/또는 외부 연료 가스 네트워크 또는 사용자의 요구 사항(requirement)에 따라 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템의 협업적(cooperative) 또는 상보적(complimentary) 동작을 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함한다.
본 발명의 제2 실시형태에서, 에너지 저장 시스템이 제공되고, 여기서 에너지 저장 시스템은,
제1 에너지 저장 서브-시스템과, 여기서 제1 에너지 저장 서브-시스템은 (예컨대, 토지 내에 형성된 샤프트에 의해 정의되는 바와 같은) 용적(volume)을 통해 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함하고, 제1 상부 및 제2 하부 위치는 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위를 정의하며; 그리고
가압된 연료 가스 저장 용기를 포함하는 제2 에너지 저장 서브-시스템을 포함하고, 용기는 제1 에너지 저장 서브-시스템에 의해 정의되는 용적을 포함하는 연료-가스 저장 용적을 정의한다.
본 발명의 제3 실시형태에서, 에너지 저장 시스템이 제공되고, 여기서 에너지 저장 시스템은,
제1 에너지 저장 서브-시스템과, 여기서 제1 에너지 저장 서브-시스템은 토지 내에 형성된 샤프트(또는 다른 수직 통로)를 통해 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함하고, 제1 상부 및 제2 하부 위치는 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위를 정의하며; 그리고
제1 에너지 저장 서브-시스템의 샤프트 둘레에 또는 내에 배치되어 샤프트의 둘레로부터 또는 샤프트 내로부터 열 에너지를 포획(capture)하는 열 포획 요소(heat capture element)들을 포함하는 열 에너지 포획 및/또는 저장 서브-시스템(thermal energy capture and/or storage sub-system)을 포함한다.
본 발명의 제4 실시형태에서, 외부 에너지 시스템들로의 그리고 외부 에너지 시스템들로부터의 에너지의 저장 및 공급을 위한 방법이 제공되고, 이러한 방법은, 앞에서 정의되는 바와 같은 에너지 저장 시스템을 제공하는 것과; 외부 파워 소스 또는 네트워크(external power source or network)로부터의 전기적 에너지를, 제1 저장 서브-시스템에서 중량체들을 상승시킴으로써 잠재적 에너지(potential energy)로서 저장하거나 또는 파워 대 가스 변환 장치에 의해 전기적 에너지를 연료 가스로 변환함으로써 화학적 에너지(chemical energy)로서 저장하는 것을 제어하도록 제어 시스템을 동작시키는 것과; 그리고 결과적인 연료 가스를 제2 에너지 저장 서브-시스템에 저장하여 외부 연료 가스 공급자 또는 네트워크로부터의 연료 가스로부터의 에너지를, 연료 가스를 제2 에너지 저장 장치에 공급함으로써 압축 연료 가스로서 저장하는 것을 제어하거나, 또는 공급된 연료 가스를, 가스 대 파워 변환 장치를 사용해 연료 가스를 전기적 에너지로 변환하고 그 에너지를 제1 저장 서브-시스템에서 중량체들을 상승시킴으로써 잠재적 에너지로서 저장함으로써, 잠재적 에너지로서 저장하는 것을 포함하고, 이러한 방법은, 외부 가스 및 파워 네트워크들 또는 공급자들의 에너지 저장 요구 사항에 따라, 그리고 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템들의 연료 가스 및 전기적 에너지 저장 용량, 및 미리-정의된 또는 예측된 연료 가스 및 전기적 에너지 출력 요구 사항에 종속되어, 수행된다.
본 발명의 에너지 저장 시스템 및 방법은, 전기 그리드(electricity grid)와 같은 외부 파워 시스템에 연결된 에너지 저장(충전) 및 방전이 중력-기반 저장 장치를 사용하여 에너지를 저장하는 것을 가능하게 하여 빠른 응답 시간 및 빠른 충전/방전 속도를 이용함과 동시에 증진된 용량의 에너지 저장을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 저장 시스템의 서브-시스템들 간의 상호-관계 및 프로세스 흐름을 예시하고;
도 2는 본 발명의 또 하나의 다른 실시예의 에너지 저장 시스템의 단면도에서의 도식적 표현이고; 그리고
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예의 에너지 저장 시스템의 단면도에서의 도식적 표현이다.
도 2는 본 발명의 또 하나의 다른 실시예의 에너지 저장 시스템의 단면도에서의 도식적 표현이고; 그리고
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예의 에너지 저장 시스템의 단면도에서의 도식적 표현이다.
제1 실시형태에 따른 발명은 에너지 저장 시스템이다. 이것은 제1 에너지 저장 서브-시스템 및 제2 에너지 저장 서브-시스템, 그리고 선택에 따라서는, 열 에너지 저장 서브-시스템 및 추가 에너지 저장 서브-시스템을 포함한다.
제1 에너지 저장 서브-시스템은 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함하고, 제1 상부 및 제2 하부 위치는 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위를 정의한다.
제2 에너지 저장 서브-시스템은 가압된 연료 가스의 저장을 위한 용기를 포함한다.
시스템에는, 외부 파워 시스템과의 전기적 입력 연결부 및 전기적 출력 연결부가 제공되고, 그리고 외부 연료 가스 공급원 또는 네트워크로부터 에너지 저장 시스템으로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 입구, 및 에너지 저장 시스템으로부터 외부 연료 가스 사용자 또는 네트워크로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 출구 중 적어도 하나가 제공되고, 그리고/또는 제1 에너지 저장 서브-시스템에 저장을 위해 또는 전기적 출력 연결부를 통해 외부 파워 시스템으로 내보내기 위해 연료 가스로부터 전기적 에너지로 에너지를 변환하기 위한 가스 대 파워 변환 장치, 및 제2 에너지 저장 서브-시스템에 저장을 위해 또는 연료 가스 출구를 통해 외부 연료 가스 사용자 또는 네트워크로 내보내기 위해 전기적 에너지를 연료 가스로 변환하기 위한 파워 대 가스 변환 장치 중 적어도 하나가 제공된다.
에너지 저장 시스템은 또한, 외부 파워 시스템 및/또는 외부 연료 가스 네트워크 또는 사용자의 요구 사항에 따라 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템의 협업적 또는 상보적 동작을 제어하기 위한 제어 시스템을 포함한다.
제1 에너지 저장 서브-시스템은 바람직하게는 통로 또는 샤프트를 포함하고, 바람직하게는 수직 통로 또는 샤프트를 포함하며, 이것을 통해 적어도 하나의 중량체는 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능하다. 제2 에너지 저장 서브-시스템의 용기는 바람직하게는 제1 에너지 저장 서브-시스템의 통로 또는 샤프트를 포함한다. 통로 또는 샤프트는 바람직하게는 토지 내에 형성되고, 그리고 예를 들어, 개조된 기존의 광산 샤프트 또는 새롭게 함몰된 맞춤형 샤프트일 수 있다.
바람직하게는, 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템은 윈치 및 케이블 장치(winch and cable arrangement)를 포함하고, 여기서 윈치 및 케이블 장치는 샤프트의 상단에서 샤프트 개구(shaft opening)에 배치되거나 샤프트 개구와 관련되어 배치되는 적어도 하나의 윈치를 포함하여, 중량체를 상승시킬 수 있고 하강시킬 수 있도록 윈치에 의해 케이블이 감길 수 있고 풀릴 수 있게 되며, 여기서 윈치 및 케이블 장치는 용기 내에 배치된다. 케이블은 임의의 적절한 형태의 케이블일 수 있는데, 예컨대, 강철 케이블 또는 합성 케이블일 수 있고, 하지만 바람직하게는(특히 수소와 같은 연료 가스의 저장 용기에서 사용될 때는) 수소의 존재에 의해 취화(embrittlement)되지 않는 합성 물질 또는 로프(rope)로 된 케이블들일 수 있다.
바람직하게는 용기는 샤프트의 상단 위에 배치되고 밀봉(seal)되는 뚜껑(cap) 또는 돔(dome)을 포함한다. 샤프트는 라이닝(lining)될 수 있고, 바람직하게는 연료 가스로서의 수소에 의한 취화 또는 부식에 내성이 있는 라이닝 또는 라이닝 코팅(lining coating)을 포함한다.
윈치 및 케이블 장치는 임의의 적절한 수단에 의해 구동될 수 있다. 연료 가스 저장 용기 내에 배치되는 경우에도, 윈치 및 케이블 장치는 잘-밀봉된 전기 모터(electrical motor)들에 의해 구동될 수 있고, 또는 바람직하게는 유압 또는 공압 구동 시스템(hydraulic or pneumatic driven systems)에 의해 구동될 수 있는데, 유념해야 하는 것은 인클로저(enclosure) 또는 용기 안으로 임의의 공기가 누설된다면 연료 가스의 점화를 유발할 수 있는 스파크(spark)를 피할 필요가 있다는 것이다.
바람직하게는, 윈치 및 케이블 장치는, 제1 에너지 저장 서브-시스템이 파워를 수신하고 있거나 충전 중일 때는 유압 구동 시스템(hydraulic drive system)에 의해 유압식으로 구동되고, 그리고 제1 에너지 저장 서브-시스템이 파워를 방전하고 있거나 방전 중일 때는 유압 발전기(hydraulic generator)를 유압식으로 구동한다. 유압 구동 시스템은 제2 에너지 저장 서브-시스템의 용기의 외부에 배치되는 모터 또는 발전기를 갖도록 구성될 수 있고, 여기서 유압 구동 급수 및 회수 파이프(hydraulic drive feed and return pipe)가, 윈치 및 케이블 장치를 동작시키기 위해 모터 또는 발전기를 윈치(들)에 인접하여 있는 용기 내부의 대응하는 유압 모터/펌프와 연결한다. 유압 구동 급수 및 회수 파이프는 바람직하게는 용기 벽에 형성된 구멍(aperture)을 통과하고, 여기서 용기의 내부로부터 주변 대기로의 가압된 가스의 누설을 방지하기 위해 파이프들 둘레로 용기 벽에 밀봉이 형성된다.
바람직하게는, 시스템은 또한, 예컨대, 하나 이상의 열 교환 요소 또는 부재에 의해, 제2 에너지 저장 서브-시스템의 용기를 둘러싸는 물질로부터 그리고/또는 용기 내로부터 열 에너지를 포획하도록 구성된 열 포획 및/또는 저장 서브-시스템(thermal capture and/or storage sub-system)을 더 포함한다. 선택에 따라서는, 열 포획 및/또는 저장 서브-시스템은 열 펌프 장치(heat pump arrangement)를 포함하고, 여기서 열 펌프 장치는, 제1 또는 제2 에너지 저장 서브-시스템의 샤프트 또는 용기로부터 일정 거리에 위치할 수 있고, 그리고 열 운반 유체를 운반하기 위한 급수 및 회수 파이프에 의해 열 포획 수단 또는 열 교환 부재에 연결될 수 있다.
선택에 따라서는, 열 포획 및/또는 저장 서브-시스템은, 미리-정의된 동작 한계(pre-defined operational limit) 내에서 연료 가스 저장 용기의 온도를 유지시키기 위해 열 교환 요소(thermal exchange element)를 통해 연료 가스 저장 서브-시스템 용기에 가열 및/또는 냉각을 제공하도록 구성된다.
연료 가스는, 수소이거나 또는 메탄이거나 또는 쉽게 압축될 수 있고 저장될 수 있는 프로판 또는 천연 가스와 같은 다른 상업적으로 유용한 가스일 수 있다. 바람직하게는, 연료 가스는 수소이다. 연료 가스 및 특히 수소는, 최대 300 바(bar)의 압력, 바람직하게는 최대 100 바의 압력, 예컨대, 최대치가 약 85 바인 압력과 같은 임의의 적절한 압력에서 용기 내에 저장될 수 있다. 어느 경우에서든, 해당 용량에 있을 때 용기 내의 압력은 바람직하게는 적어도 30 바이다.
일 실시예에서, 제1 에너지 저장 서브-시스템은 다중-중량체 중력-기반 에너지 저장 장치(multi-weight gravity-based energy storage arrangement)를 포함하고, 여기서 다중-중량체 중력-기반 에너지 저장 장치는 샤프트(또는 다른 수직 통로) 및 다수의 중량체를 포함하며, 다수의 중량체는 운송기(transporter)(예컨대, 윈치 및 케이블 장치)에 의해 샤프트를 통해 상승 및 하강하도록 구성된다. 하나의 이러한 실시예에서, 다수의(예컨대, 두 개의) 중량체는 나란히 제공되고, 그리고 각각의 윈치 장치의 제어 하에서 중첩되지 않는 경로를 따른다. 이러한 실시예에서, 윈치는 케이블을 통해 각각의 중량체와 연결된 상태로 유지될 수 있다. 또 하나의 다른 이러한 실시예에서, 둘 이상의 중량체는 중첩되는 또는 동일한 경로를 갖고, 그리고 이러한 실시예에 따르면, 샤프트의 상단 및/또는 하단에서의 저장 위치에 저장될 수 있다. 예를 들어, 샤프트/용기의 상단에서의 뚜껑으로 덮인 용적은 중량체 저장 영역을 포함할 수 있다. 이와 같은 후자의 실시예에 따른 이러한 시스템은 파워 흐름 능력(power flow capability)에서 불연속(discontinuities)에 의해 일차 에너지 용량(primary energy capacity)을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다.
이러한 실시예에서, 바람직하게는, 제3 에너지 저장 서브-시스템이 존재하고, 여기서 제3 에너지 저장 서브-시스템은, 에너지 저장 시스템에게,
(ⅰ) 제1 에너지 저장 서브-시스템의 적어도 두 개의 에너지 이벤트(energy event)에 걸쳐 충전 또는 방전 사이클(charge or discharge cycle) 동안 연속적인 입력 또는 출력 파워를 제공하는 것과, 여기서 에너지 이벤트는 제1 에너지 저장 서브-시스템으로부터의 출력에서의 불연속에 의해 분리되며;
(ⅱ) 외부 파워 시스템의 요구 사항에 응답하되, 외부 파워 시스템의 요구 사항에 대해 일차 에너지 저장 장치 및 이차 에너지 저장 장치(secondary energy storage arrangement) 양쪽 모두를 동시에 사용하여, 응답함으로써 시스템이 미리정의된 또는 원하는 파워 입력/출력 레벨(power input/output level)에 도달할 수 있게 하는 증진된 또는 더 빠른 시스템 시동 응답을 제공하는 것과;
(ⅲ) 원하는 시스템 파워 출력을 초과하는 파워 출력 서지(power output surge) 없이 시스템이 외부 파워 시스템으로의 방전을 빠르게 중단시킬 수 있게 하는 증진된 시스템 방전 중단 능력을 제공하는 것과, 여기서 파워 출력 서지는 이차 에너지 저장 장치 내의 임시 에너지 저장소를 향해 지향되며; 그리고
(ⅳ) 짧은 지속시간들 동안, 에너지 저장 시스템 또는 일차 파워 저장 장치의 파워 정격(power rating)을 초과하는 파워 레벨에서 시스템이 파워를 입력할 수 있게 하거나 출력할 수 있게 하는 파워 서지 입력/출력 능력을 제공하는 것
중 적어도 하나를 행하기 위해서, 제1 에너지 저장 서브-시스템과 협업적 및/또는 상보적 동작을 하도록 구성된다.
이러한 시스템에서, 시스템은 시스템 파워 정격을 가질 수 있고, 이러한 시스템 파워 정력은 시스템이 시스템 에너지 용량의 범위에 걸쳐 외부 파워 시스템으로/으로부터 입력/출력할 수 있는 최대 파워이다. 제3 에너지 저장 서브-시스템은 바람직하게는, 시스템 파워 정격과 적어도 동일한 3차 파워 정격(tertiary power rating)을 갖고, 그리고 시스템 파워 입력/출력이 시스템 파워 정격에서 일정할 때 제1 에너지 저장 서브-시스템 파워 입력/출력의 불연속 성질로부터 일어나는 최대 에너지 갭(maximum energy gap)과 적어도 동일한 3차 에너지 용량을 갖는다. 바람직하게는, 3차 에너지 용량은, 최대 에너지 갭의 최대 10배이고, 바람직하게는 최대 에너지 갭의 최대 5배이고, 더 바람직하게는 최대 에너지 갭의 최대 2배이고, 그리고 선택에 따라서는 최대 에너지 갭의 최대 1.8 또는 1.5배이다. 바람직하게는, 1차 파워 정격은 3차 파워 정격보다 크다.
제3 에너지 저장 서브-시스템은 바람직하게는, 배터리, 커패시터 또는 슈퍼커패시터, 압축 공기 에너지 저장 시스템, 플라이휠(flywheel) 또는 제2 중력-기반 에너지 저장 시스템으로부터 선택된다.
본 발명의 시스템은 바람직하게는, 제2 에너지 저장 서브-시스템으로부터 가스 네트워크 파이프라인(gas network pipeline)으로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 출구를 갖는다.
선택에 따라서는, 시스템은, eV 충전 시설물 및/또는 연료 가스 차량 재급유 시설물들을 포함하는 차량 충전 및/또는 재급유 시설물을 포함하고, 차량 충전 및/또는 재급유 시설물은, 차량 충전 시설물 전기적 공급 연결부 및/또는 재급유 연료 가스 출구 연결부를 통해 에너지 저장 시스템으로부터 공급을 받는다.
일 실시예에서, 그리고 또 하나의 다른 실시형태에서, 에너지 저장 시스템은 제1 에너지 저장 서브-시스템 및 제2 에너지 저장 서브-시스템을 포함한다. 제1 에너지 저장 서브-시스템은 (예를 들어, 전형적으로는 토지 내에 형성되는 바람직하게는 수직 통로 또는 샤프트에 의해 정의되는 바와 같은) 용적을 통해 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함하고, 제1 상부 및 제2 하부 위치는 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위를 정의한다. 제2 에너지 저장 서브-시스템은 가압된 연료 가스 저장 용기를 포함하고, 이러한 용기는 제1 에너지 저장 서브-시스템에 의해 정의되는 용적을 포함하는 연료-가스 저장 용적을 정의한다. 연료 가스는 메탄, 천연 가스 또는 다른 연료 가스와 같은 임의의 적절한 연료 가스일 수 있지만, 바람직하게는 수소이다. 연료 가스는 앞에서 설명되는 바와 같이 적절한 압력들에서 용기 내에 저장될 수 있다.
중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함하는 제1 에너지 저장 서브-시스템과, 그리고 수소와 같은 가압된 연료 가스의 저장을 위한 용기를 포함하는 제2 에너지 저장 서브-시스템을 포함하는, 본 명세서에서 설명되는 발명의 실시예들에서, 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템들이, 공유된 용적을 점유하는 것, 바람직하게는, 적어도 제1 에너지 저장 서브-시스템의 중량체들의 상승 및 하강을 위해 요구되는 용적을 수용하는 용기 내의 용적을 점유하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 제1 에너지 저장 서브-시스템은, 수직 경로 용적을 통해 중량체들을 상승시키고 하강시키기 위한 (이상적으로는 유압식으로 구동되는) 윈치들과 케이블들을 포함하며, 바람직하게는, 윈치들, 케이블들, 및 중량체들과 수직 경로 용적은 제2 에너지 저장 서브-시스템의 용기 내에 있다. 바람직하게는, 제1 에너지 저장 서브-시스템에 대한 수직 통로 및 제2 에너지 저장 서브-시스템의 연료 가스 저장 용적을 정의하는 용기는 적어도 일부가 지하(under-ground)에 있도록, 예를 들어, 토지 내의 샤프트를 라이닝함으로써 형성되도록 배치된다. 용기는, 라이닝된 샤프트(예컨대, 원통형 샤프트) 위에 형성되는, 예를 들어, 샤프트의 림(rim) 또는 다른 상부 림 플랜지(rim flange) 위에 형성되는, 두껑, 예컨대, 돔을 포함할 수 있다. 선택에 따라서는, 전체 샤프트 및 바람직하게는 전체 용기는 지하에 배치된다. 연료 가스 저장 서브-시스템(제2 에너지 저장 서브-시스템)의 용기를 제1 에너지 저장 서브-시스템의 샤프트와 공유된 용적으로서 제공하는 것은, 압력 용기(pressure vessel)와의 긴밀한 접촉시, 용기의 구조적 일체성(structural integrity)을 증가시키는, 예를 들어, 파열(bursting)에 대한 내성을 증가시키는 기질(ground mass)의 이점에 추가하여, 동일한 기반구조(infrastructure)(즉, 토지 내에 함몰된 샤프트)를 사용하는 비용 절약 때문에, 그리고 저장의 균등화 비용(levelized cost)에 미칠 수 있는 영향 때문에, 특히 이로운 것이다. 따라서, 용기를 형성하기 위해 요구되는 물질 또는 라이닝 물질(예컨대, 강철)의 양(quantity)은 상당히 감소될 수 있음과 아울러 적절한 구조적 일체성을 성취하기 위해 요구되는 것이 성취되며, 이것은 비용에서의 감소로 이어질 수 있다. 더욱이, 가압된 연료 가스를 저장할 때의 화재 및 폭발 위험의 관점에서, 용기를 이러한 방식으로 지하에 부분적으로 또는 전체적으로 제공함으로써, 토지는 화재 또는 폭발을 억제하고 임의의 주변 재산(또는 인원)에 대한 피해를 최소화시키는 경향이 있을 것이다.
본 발명의 또 하나의 다른 바람직한 실시예, 그리고 추가 실시형태에서, 에너지 저장 시스템은 제1 에너지 저장 서브-시스템과, 그리고 열 에너지 포획 및/또는 저장 서브-시스템을 포함한다. 이러한 실시예/실시형태에 따르면, 제1 에너지 저장 서브-시스템은, 바람직하게는 토지 내에 형성된 샤프트(또는 다른 바람직하게는 수직 통로)를 통해 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함할 수 있고, 제1 상부 및 제2 하부 위치는 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위를 정의한다. 열 에너지 포획 및/또는 저장 서브-시스템은 바람직하게는, 제1 에너지 저장 서브-시스템의 샤프트 둘레에 또는 내에 배치되어 샤프트의 둘레로부터 또는 샤프트 내로부터 열 에너지를 포획하는 열 포획 요소를 포함한다.
외부 에너지 시스템들로의 그리고 외부 에너지 시스템들로부터의 에너지의 저장 및 공급을 위한 방법이 또한 제공되고, 이러한 방법은, 앞에서 정의되는 바와 같은 에너지 저장 시스템을 제공하는 것과; 외부 파워 소스 또는 네트워크로부터의 전기적 에너지를, 제1 저장 서브-시스템에서 중량체를 상승시킴으로써 잠재적 에너지로서 저장하거나 또는 파워 대 가스 변환 장치에 의해 전기적 에너지를 연료 가스로 변환함으로써 화학적 에너지로서 저장하는 것을 제어하도록 제어 시스템을 동작시키는 것과; 그리고 결과적인 연료 가스를 제2 에너지 저장 서브-시스템에 저장하여 외부 연료 가스 공급자 또는 네트워크로부터의 연료 가스로부터의 에너지를, 연료 가스를 제2 에너지 저장 장치에 공급함으로써 압축 연료 가스로서 저장하는 것을 제어하거나, 또는 공급된 연료 가스를, 가스 대 파워 변환 장치를 사용해 연료 가스를 전기적 에너지로 변환하고 그 에너지를 제1 저장 서브-시스템에서 중량체를 상승시킴으로써 잠재적 에너지로서 저장함으로써, 잠재적 에너지로서 저장하는 것을 포함하고, 이러한 방법은, 외부 가스 및 파워 네트워크들 또는 공급자들의 에너지 저장 요구 사항에 따라, 그리고 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템들의 연료 가스 및 전기적 에너지 저장 용량, 및 미리-정의된 또는 예측된 연료 가스 및 전기적 에너지 출력 요구 사항에 종속되어, 수행된다.
앞서의 실시형태들 각각에서, 에너지 저장 시스템은 바람직하게는, 외부 파워 시스템 및/또는 외부 연료 가스 네트워크 또는 사용자의 요구 사항에 따라, 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템들과 선택적인 열 에너지 포획 및/또는 저장 시스템들과 선택적인 추가 에너지 저장 서브-시스템들의 협업적 또는 상보적 동작을 제어하기 위한 제어 시스템을 포함한다. 이것은, 원하는 또는 예측된 서비스(예컨대, 저장을 위해 전기적 에너지를 수신하기 위한 용량 또는 빠른 공급을 위한 전기적 파워의 제공)가 이용가능함을 보장하기 위해서 둘 이상의 서브-시스템들 간에서와 같이 에너지의 형태의 임의의 변환을 포함한다. 바람직하게는, 전형적으로 cup 상에서 동작하는 제어 소프트웨어를 포함하는 제어 시스템은, 이용가능한 저장을 위한 상대적인 용량들을 고려하여 원하는 서비스를 유지시키면서, 특히 서브-시스템들 간의 에너지 변환들의 수를 최소화시키도록 구성된다.
첨부되는 도면들을 참조하여, 본 발명이 이제, 한정됨이 없이, 더 상세히 설명될 것이다.
도 1에서, 본 발명의 실시예에 따른 에너지 저장 시스템(1)은, 다중-중량체 중력 에너지 저장 서브-시스템(3)과, 그리고 (바람직한 연료 가스로서의) 압축 수소 저장 서브-시스템(5)을 포함한다. 이러한 시스템은 선택에 따라서는 또한, 열 에너지 포획 및 저장 서브-시스템(7)을 포함한다.
파워가 외부 파워 그리드 입력 연결부(9)에 의해 에너지 저장 시스템에 공급될 수 있고, 이러한 외부 파워 그리드 입력 연결부(9)를 통해 파워가 제1 에너지 저장 서브-시스템으로서의 중력 에너지 저장 서브-시스템(3)에 공급될 수 있다. 중력-기반 에너지 저장 시스템(3)은, 중력 에너지 저장 서브-시스템(3)에서 저장/충전 이벤트 상태인지 아니면 방전 이벤트 상태인지에 따라, 합성 케이블들일 수 있는 케이블들(미도시)을 통해서 수직 통로 또는 샤프트(미도시)를 통해 중량체(13)를 상승시키고 하강시키도록 구성된 윈치 장치(11)를 포함한다. 윈치 장치(11)는 중량체(13)를 상승시키기 위해 저장되게 되는 전기적 에너지를 사용하여 모터/발전기 장치(15)에 의해 구동되고, 그리고 모터/발전기 장치(15)는 예를 들어, 외부 그리드 요구 사항을 만족시키기 위해서 방전 이벤트 동안 시스템 파워 출력 연결부(17)를 통해 외부 그리드로의 공급을 위해 전기적 에너지를 발생시키기 위한 발전기로서 동작한다. 윈치 및 중량체 장치가 제2 에너지 저장 서브-시스템의 용기 내에 배치되고 따라서 연료 가스 분위기 내에 배치되는 경우들에서, 전기적 컴포넌트(electrical component)들을 밀봉된 상태로 유지시키나 바람직하게는 내부에 연료 가스를 갖는 압력 용기 외부에 있도록 유지시키는 것이 바람직하다. 이러한 실시예에 따르면, 연료 가스 환경 내에 둘러싸인 경우 윈치들에 대한 파워 유닛(power unit)들은 바람직하게는, 외부에 배치된 전기 유압 펌프/모터에 의해, 가압된 인클로저 외부로부터 유압식으로 구동될 것이다.
제2 에너지 저장 서브-시스템은 연료 가스 저장 서브-시스템(5)에 의해 제공되고, 이러한 연료 가스 저장 서브-시스템(5)은 바람직하게는 수소 저장 서브-시스템(5)이다. 수소 저장 서브-시스템(5)은 용기(미도시)에 의해 정의되는 저장 용적 내에 압축 수소 가스를 저장하기 위한 것이고, 여기서 용기(미도시)에 의해 정의되는 저장 용적은 바람직하게는, 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3) 내에서의 중량체(13)가 상승되고 하강되는 수직 통로 또는 샤프트의 용적을 포함한다. 이러한 단일 용적의 하나의 이점은 기반구조의 공유이고, 하지만 추가적으로 이것은 열의 더 효율적인 포획을 가능하게 한다.
수소 저장 서브-시스템(5) 내에서의 저장을 위한 수소는 다수의 소스(source)들로부터 에너지 저장의 목적을 위해 공급될 수 있다. 예를 들어, 그리드로부터의 파워는 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3) 및 수소 저장 서브-시스템(5) 양쪽 모두에서의 에너지 저장을 위해 분할될 수 있는데, 이것은 그리드로부터의 잉여 파워 중 일부가 분기 파워 입구(branch power inlet)(19)를 통해 선행 전해조(preliminary electrolyser)(21)로 전향(divert)되어 수소 에너지 저장 서브-시스템(5)에 공급될 수 있는 수소를 발생시킴으로써 이루어지며, 이러한 수소는 전형적으로, 수소 저장 서브-시스템(5) 내에서의 저장을 위해, 원하는 압력 또는 원하는 최대 압력까지의 압력으로 수소를 가압하는 압축기(compressor)를 통과하게 된다. 원하는 또는 최대 압력은 임의의 적절한 압력일 수 있는데, 예를 들어, 최대 800 바일 수 있고, 또는 최대 400 바일 수 있는데, 하지만 바람직하게는 최대 200 바인 최대치일 수 있고, 선택에 따라서는, 100 바인 최대치일 수 있으며, 예컨대, 약 85 바일 수 있다. 더 높은 압력이 더 많은 양의 수소가 저장될 수 있게 할 것이지만, 이것은 에너지 집약적 실행이고 성취할 추가적인 기반구조를 요구할 것이다. 이러한 장치에 의해, 수소 저장 서브-시스템(5)은 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3)에 대한 보조 시스템(supplementary system)으로서 동작할 수 있고, 그리고 시스템(1)의 파워 및 용량을 잠재적으로 증가시키는 효과를 갖는다. 수소 저장 서브-시스템(5)은 또한, 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3)의 에너지 용량보다 훨씬 더 많은 양의 에너지가 저장될 수 있도록 하는 역할을 한다. 따라서, 그리드로부터의 전기적 에너지는, 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3) 내에 잠재적 에너지로서 저장될 수 있고, 그리고 수소 저장 서브-시스템(5) 내에 수소와 같은 연료 가스 또는 에너지 운반자의 형태로 화학적 에너지로서 저장될 수 있다.
선택에 따라서는, (연료 가스로서의) 수소는 또한, 미래의 사용을 위해 저장되기 위해서 수소 시스템 입구 연결부(23)로부터 수소 소스(hydrogen source)로부터 시스템(1)으로 공급될 수 있다. 입구 연결부(23)는 임의의 적절한 수소 소스로부터 공급을 받을 수 있는데, 예컨대, 수소 네트워크 파이프라인(미도시)으로부터 공급을 받을 수 있고, (예컨대, 원격 재생가능 수소 발생 시설로부터의) 수소 공급 파이프라인(미도시)으로부터 공급을 받을 수 있고, 또는 탱커(tanker)에 의해 공급을 받을 수 있다. 공급되는 수소는 전형적으로, 수소 에너지 저장 서브-시스템(5)의 용기 내에서의 저장을 위한 레벨로(임의의 적절한 압력까지, 예컨대, 최대 250 바로, 하지만 예를 들어, 약 85 바로) 수소 가스를 가압하는 압축기를 통과하게 된다. 선택에 따라서는, 시스템(1)에 공급되는 수소는 분기 수소 입구(branch hydrogen inlet)(25)를 통해 선행 연료 전지(preliminary fuel cell)(27)(또는 다른 전기 발생 장치, 예컨대, 엔진(engine))에 곧바로 공급될 수 있어 전기적 에너지를 발생시키게 되고, 이러한 전기적 에너지는 그 다음에 모터(15)에 공급될 수 있어 그 에너지를 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3) 내에서 잠재적 에너지로서 저장하기 위해 윈치(11)에 파워를 제공하게 된다. 대안적인 연료 가스들(예컨대, 천연 가스, 또는 메탄, 또는 프로판 혹은 부탄과 같은 탄화수소들)이 연료 가스 저장 서브-시스템 내에 사용될 수 있다.
중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3)에 잠재적 에너지로서 저장된 에너지는, 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템으로부터 중간 전해조/압축기(29)로 파워를 공급함으로써 수소 저장 서브-시스템에 저장될 화학적 에너지로 변환될 수 있으며, 이러한 중간 전해조/압축기(29)는 생성되는 결과적인 가압된 수소 가스를 수소 저장 서브-시스템(5)의 용기에 공급한다. 따라서, 만약 중력 에너지 저장 서브-시스템(3)이 거의 해당 용량에 있다면(즉, 시스템에서 중량체의 대부분이 상승되어 있다면), 하지만 더 빠른 응답 전기적 에너지 저장을 위한 용량이 요구되거나 예측된다면, 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템에 저장된 에너지의 일부는 수소로 변환될 수 있고(또는 더 정확히 말하면 수소를 발생시키기 위해 사용될 수 있고), 그리고 수소 저장 서브-시스템(5)에 저장될 수 있다. 선택에 따라서는, 수소 저장 서브-시스템(5)에 화학적 에너지로서 저장된 에너지는, 수소 저장 서브-시스템(5)으로부터 중간 팽창기/연료 전지(intermediate expander/fuel cell)(31)로 수소를 공급함으로써 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템에 저장되는 잠재적 에너지로 변환될 수 있다. 따라서, 만약 중력 에너지 저장 서브-시스템(3)이 대부분 방전된다면(즉, 중량체가 대부분 하강된다면), 그리고/또는 만약 파워에 대한 수요의 예상이 존재한다면, 시스템(1)은 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3)으로부터 빠른 응답 및 빠른 방전으로 이용가능할 수 있는 에너지를 증가시키도록 구성될 수 있다. 시스템(1) 내에서 하나의 에너지 저장 형태로부터 다른 에너지 저장 형태로 에너지를 이동시킬 수 있는 능력은 양호한 수준의 유연도(flexibility)를 가능하게 한다. 이러한 유연도는 에너지가, 이용가능한 용량, 예측된 용량 요구 사항 및 출력 수요에 따라, 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3) 내에 잠재적 에너지로서 저장될 수 있게 하거나 또는 수소 저장 서브-시스템(5) 내에 수소의 형태로 화학적 에너지로서 저장될 수 있게 하며, 선택에 따라서는, 두 개의 서브-시스템들 간에 에너지 저장 레벨들의 리-밸런스(re-balance)를 가능하게 한다. 제어 시스템(미도시)은, (응답 시간 및 저장 속도 양쪽 모두의 측면에서 빠른 저장 요구 사항일 수 있는) 저장에 대한 수요를 만족시키는 우선도들(priorities), 요구되는 에너지 저장의 양, 예측된 출력 수요들(출력될 에너지의 성질, 속도, 및 분량들), 그리고 (저장 형태들 간의 에너지의 교환이 최소화되게 해야 하는) 에너지 저장의 효율을 용이하게 처리하기 위해 두 개의 시스템 간의 에너지 저장 장치들을 제어하도록 구성될 수 있다.
전형적으로, 시스템(1)에는 시스템 가스 출력 커넥터(system gas output connector)(33)가 제공되며, 이러한 시스템 가스 출력 커넥터(33)는 미리-정의된 퍼센티지(percentage)에서 수소가 주입될 수 있는 (지역 네트워크일 수 있는) 수소 가스 네트워크 또는 가스 네트워크(예컨대, 천연 가스/메탄)와 같은 출력 수소 수요에 수소를 공급하기 위한 것이고, 또는 운송 혹은 (예컨대, 공급원료(feedstock)로서의) 다른 수소 가스 사용을 위해 탱커에 수소를 공급하기 위한 것이다. 시스템 가스 출력 커넥터(33)는 용기 출구(35)로부터 팽창기(37)를 통해 공급을 받는다.
일 실시예에서, 시스템(1)은, 전기 또는 하이브리드 전기 차량들을 재충전하기 위한, 그리고/또는 수소 또는 하이브리드 수소 차량들(예컨대, 자동차들, 트럭들, 버스들, 또는 열차들)을 재급유하기 위한, 차량 충전/급유 시설물(39)을 수용할 수 있거나 공급할 수 있다. 따라서, 선택에 따라서는, 시스템(1)은 충전 시설물 파워 출구 연결부(41) 및/또는 재급유기 수소 출구(43)를 포함할 수 있다.
선택에 따라서는, 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템들의 다운스트림(downstream)에는, 수소 저장 서브-시스템으로부터 대응하는 전기적 파워 출구들(17, 41)에 공급을 하기 위한, 또는 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3)으로부터 수소 출구들(33, 43)에 공급을 하기 위한, 가스-대-파워 변환기 및/또는 파워-대-가스 변환기(미도시)가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 열 에너지 포획 및 저장 서브-시스템(열 에너지 시스템)(7)이 시스템(1)에 통합된다. 열 에너지 시스템(7)은 전형적으로, 상 변환 물질 또는 물 탱크(또는 다른 열 에너지 운반자 유체 탱크)와 같은 열 에너지 저장소(45)를 포함할 수 있으며, 이러한 열 에너지 저장소(45)는 선행 연료 전지(27) 및 전해조(21), 중간 전해조/압축기(29) 및 중간 연료 전지 및 팽창기(31)로부터, 그리고 모터(15) 및 윈치(11)로부터, 전형적으로는 순환하는 유체를 통해 열 에너지를 수집하는 열 에너지 수집 루프들 또는 순환로들(47)을 통해 수집된 에너지를 저장할 수 있다. 토지 소스 열 루프/교환기(49)는 전형적으로, 주변 물질들로부터 토지 소스 열을 수집하기 위해 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템(3)의 수직 통로 또는 샤프트의 주변 둘레에 배치될 수 있고, 그리고/또는 수소 저장 용기 내로부터 열을 수집하기 위해서 수소 저장 서브-시스템(5)의 저장 용기 내부에 배치될 수 있거나 저장 용기와 관련되어 배치될 수 있다. 수직 통로/샤프트 및/또는 수소 저장 용기 내로부터 (다른 곳에서 사용될) 열을 수집하는 경우, 그리고 모터들 및 컴포넌트들을 동작시킬 때 열을 수집함으로서, 시스템(1)에서의 에너지의 저장의 유효 효율이 증가된다. 열 에너지 저장소(45)에 저장된 열 에너지는, 예를 들어, 열 수요 순환로(51)를 통해 내보냄으로써, 임의의 적절한 방식으로 사용될 수 있다. 이것은 지역 가열 방식에 대한 것일 수 있고, 이웃하는 산업용 (낮은 등급) 열 사용자에 대한 것일 수 있고, 또는 모터(15)에 파워를 공급하는 것으로의 피드백(feed back)을 위한 (열전기 발전기와 같은) 열 대 파워 변환기(heat to power converter)에 대한 것일 수 있다.
바람직한 실시예의 에너지 저장 시스템(1)을 단면도로 예시하는 도 2에서, 수소 에너지 저장 서브-시스템은 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템의 수직 통로 또는 샤프트(53)를 포함한다. 수소 저장 서브-시스템은 저장 용기(55)로 구성되고, 여기서 저장 용기(55)는 샤프트(53)를 포함하고, 이러한 샤프트(53)는 강철(또는 콘크리트 라이닝 또는 다른 물질들)로 형성된 라이닝(57)을 갖는데, 선택에 따라서는, 강철 라이닝을 수소 가스로부터의 취화로부터 보호하기 위한 코팅을 가지며, 그리고 용기(55)를 완성하기 위해 샤프트(53)의 상단 위에는 돔(59)이 배치된다. 라이닝(55)은 돔(59)과의 경계까지 샤프트(53)의 상단 둘레로 연장된다. 수소는 돔(59)에 배치된 밸브(61)를 통해 용기(55) 안으로 그리고 밖으로 펌핑될 수 있으며, 여기서 돔(59)에 배치된 밸브(61)는 가압된 공급 파이프(63)에 의해 압축기/팽창기(65)에 연결되고, 압축기/팽창기(65)는 수소 시스템 입구 연결부(23) 및 시스템 수소 출력 연결부(33)에 연결된다.
중력-기반 에너지 저장 서브-시스템은 다수의(여기서 보여지는 것은 두 개의) 중량체(13)를 포함하고, 이러한 중량체(13)는 에너지를 저장하기 위해 하부 위치로부터 상부 위치로 윈치로 감아 올려질 수 있고, 그리고 에너지를 방출하기 위해 상부 위치로부터 하부 위치로 하강될 수 있다. 윈치들(67)에는 (수소 취화에 내성이 있는 물질로 된) 합성 케이블(69)이 제공되고, 이러한 합성 케이블(69)은 연결 부재(linking member)들(71)에 의해 중량체(13)의 측면에 연결된다. 윈치(67)는, 저장 용기(55) 외부에 배치된 그리고 (돔(59) 내의 밀봉된 구멍(77)을 통과하는) 유압 케이블(75)에 의해 윈치(13)에 연결된 유압 모터/발전기(73)에 의해 유압식으로 구동된다(그리고 이러한 유압 모터/발전기(73)를 유압식으로 구동함). 유압 모터/발전기(73)는 그리드 입력/출력 연결부(79)에 연결된다.
라이닝(57) 뒤에 또는 내에 있는 것은, 그리고 바람직하게는 라이닝과 열적으로 전도성 통신을 하고 있는 것은, 협업하고 있는 열 에너지 수집 순환로(83)의 열 교환 요소(81)이다. 열 교환 요소(81)는 샤프트를 둘러싸는 물질들로부터 토지 소스 열을 수집하기 위해 아울러 샤프트(53) 내로부터 임의의 열을 수집하기 위해 사용될 수 있다. 열 교환 요소(81)는 또한, 수소의 저장의 효율을 증진시키기 위해서 샤프트(53) 내의 열 변화를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 선택에 따라서는, 열 에너지 수집 순환로(83)는 또한, 손실된 열을 포획하기 위해서 유압 모터/발전기(73) 및 압축기/팽창기(65)에 연결될 수 있다. 모터/발전기(73) 및 압축기/팽창기(65)와 같은 컴포넌트들에 의해 발생된 열을 포획하고 사용함으로써, 시스템(1)에서의 에너지 저장의 전체 효율은, 향상될 수 있고, 그리고 토지 소스 수집기를 통해서 샤프트 벽들을 통해 접근가능한 지열 에너지(geothermal energy)를 이용함으로써, 훨씬 더 향상될 수 있다. 선택에 따라서는, 수집된 열 에너지는 저장될 수 있고, 지역 열 사용자에 의해 사용될 수 있고, 또는 전기적 에너지로 변환될 수 있고 유압 모터(73)에 대한 입력으로서 제공될 수 있다.
상승된 중량체(71)에 의해 저장되는 잠재적 에너지는, 수소 가스를 발생시키도록 전해조(미도시)에 파워를 공급하기 위해 중량체를 하강시킬 때 발전기(73)로부터의 출력을 사용함으로써, 화학적 에너지로 변환될 수 있으며, 여기서 수소 가스는 압축기(65)에 공급될 수 있고, 예를 들어, 85 바의 압력에서 압축 수소로서 저장되어, 시스템(1)의 에너지 저장 용량이 상당히 증배되게 되는데, 이것은 (중력-기반 에너지 저장 서브-시스템과 관련된) 빠른 응답 및 빠른 충전/방전 능력을 유지하면서 행해지고, 선택에 따라서는 충전-방전 사이클 요구 사항이 해당 용량 내에 있을 때 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템의 왕복 저장 효율(round trip storage efficiency)은 유지된다. 반대 변환이 또한 용이하게 될 수 있다.
수소 에너지 저장 서브-시스템은 시스템의 에너지 저장 용량을 상당히 확장시킨다. 예를 들어, 직경이 6 m인 500 m 깊이의 홀 또는 샤프트와 단일의 1000톤 중량체를 사용하여, 중력-기반 에너지 저장 서브-시스템은 약 1.2 MWh의 에너지 저장 용량을 갖는다. 동일한 공간이 50 바에서 수소로 채워지는 경우, 이것은 약 1,800 MWh의 칼로리 값(calorific value)을 갖고, 효율이 단지 30%인 발전기를 고려하는 경우에도 중량체의 한 번의 하강만큼의 전기적 에너지보다 적어도 500배 더 많은 전기적 에너지를 생성할 것이다. 달리 말하면, 가압된 형태로 저장된 수소는, 중량체를 상승시키기 위한 용량을 약 500배 증가시킬 수 있고, 그럼으로써 약 500의 인자만큼 시스템의 저장 용량을 증배시킨다(모든 가스가 사용될 수 있으며, 하지만 당연히, 그 모두가 사용되기 전에 어떤 최소의 허용가능한 레벨로 압력이 강하될 것이 가정됨).
시스템은 분산되는 것을 기반으로 하여 전개(deploy)될 수 있는 임의의 다른 저장 시스템보다 훨씬 더 큰 (가스로부터 변환되는) 전기적 에너지의 비축(reserves)으로 그리드 안정성을 제공할 수 있는 빠른 응답을 갖는 결합된 저장 시스템을 제공한다.
따라서, (특정 시간에서의 우선도들에 따라) 가장 효율적인 그리고/또는 효과적인 방식으로 서브-시스템들 간의 에너지 저장의 밸런스를 관리하기 위해 제어기에 의해 제어되는 시스템(1)은, 효과적인 열 수집 및 저장/사용에 의해 증진되는 효율로 가스 및 전기적 에너지 양쪽 모두에 대해 유연한 에너지 저장 해법을 제공한다.
도 3에서는, 에너지 저장 시스템(1)의 대안적인 실시예가 예시되는데, 여기서, 토지(93) 내의 수직 통로 또는 샤프트(53)는, 다중-중량체 중력 에너지 저장 서브-시스템(3)을 위해 제공되고(샤프트 용적은 상단을 밀봉하는 돔/뚜껑(59)을 갖는 용기(55)에 의해 정의됨), 그리고 연료 가스 저장 서브-시스템의 일부로서 수소와 같은 연료 가스를 함유하기 위해 토지(93) 내에 또한 제공된다. 다중-중량체 중력 저장 서브-시스템(3) 샤프트(53) 및 용기(55)는 동일한 용적을 점유하고 또는 정의하고, 이것은 공유된 기반구조로 이어지고, 그리고 비용 및 대지 효율들로 이어진다.
일 실시예에 따른 다중-중량체 중력 에너지 저장 시스템(3)은, 샤프트(53) 내에서 플랫폼(platform)(95) 상에 배치된 제1 윈치 장치(11)와, 그리고 플랫폼(95) 상에 배치된 제2 윈치 장치(87)를 포함하는데, 여기서 제1 윈치 장치(11)에는 제1 중량체(13)가 제1 합성 케이블(69)을 통해 매달리고, 제2 윈치 장치(87)에는 제2 중량체(89)가 제2 합성 케이블(91)을 통해 매달린다. 윈치들(11, 87)은 용기(55) 내부의 유압 모터들/펌프들(미도시)에 의해 동작되는데, 이러한 유압 모터들/펌프들(미도시)은 유압 모터/발전기(73)로부터, 밀봉된 구멍들을 통과해 밀봉된 서비스 연결장치(sealed service linkage)(85)를 통해 연장되는 유압 파이프(hydraulic pipe)들(75)을 통해 공급되는 유압 유체(hydraulic fluid)에 의해 구동된다. 유압 모터/발전기에는 입구/출구(79)를 통해 외부 전기 그리드로부터 파워가 공급된다. 사용 중에, 그리드가 과잉 에너지를 갖는 경우, 파워가 입구/출구(79)를 통해 유압 모터(73)에 공급되고, 유압 모터(73)는 유압 파이프(75)를 통해 유체를 펌핑하여 윈치 모터들을 구동시키고, 윈치 모터들은 윈치들(11, 87) 중 하나 또는 다른 하나 또는 양쪽 모두로 하여금 자신들의 중량체(13, 89)를 상승시키도록 한다. 에너지를 외부 그리드로 내보내려는 요구 사항이 존재하는 경우, 중량체(13, 89)는 강하하도록 허용될 수 있고, 이것은 윈치(11, 87)로 하여금 유압 유체를 유압 유체 파이프(75)를 통해, 밀봉된 서비스 연결장치(85)를 통해서 유압 발전기(73)로 펌핑하도록 하여 (파워 입력/출력 커넥터(79)를 통해 내보내지는) 전기적 에너지가 발생되도록 한다. 중량체(13, 89)의 상승 및 하강은 예를 들어, 외부 그리드의 요구 사항에 따라 제어기(미도시)에 의해 제어된다.
수소(또는 일부 실시예들에서는 다른 연료 가스)가 용기(55) 내에 저장될 수 있고, 이 경우 윈치들 및 중량체 장치들은 임의의 적절한 압력(예를 들어, 최대 800 바, 하지만 바람직하게는 최대 400 바, 그리고 더 바람직하게는 최대 100 바, 예컨대, 최대 약 85 바인 최대치)에서 배치된다. 수소는 선택에 따라서는, 수소 입력/출력 연결부(23)를 통해 외부 수소 소스로부터 공급될 수 있고, 그리고 저장 이후에, 선택에 따라서는, 입력 출력 연결부(23)를 통해, 예컨대, 천연 가스 네트워크, 또는 지역 수소 네트워크에 주입함으로써, 외부 수소 사용자에게 내보내질 수 있거나 또는 수소 재급유 시설물에 내보내질 수 있다. 외부 수소 네트워크로부터 공급되는 수소는, 용기(55) 내에 저장되도록, 압축기/팽창기(65)를 통과한 후에, 밀봉된 서비스 연결장치(85)를 통과하는 수소 입구 파이프를 통해 공급될 수 있다.
중량체(13, 89)에서의 저장된 잠재적 에너지가 최대치에 있거나 최대치에 가까이 있는 경우, 또는 제어기 혹은 제어 소프트웨어가 전기적 파워 저장에 대한 상당한 수요를 예측하거나 예상하는 경우, 시스템(1)은 저장된 에너지의 형태를 잠재적 에너지로부터 (수소의 형태인) 화학적 에너지로 변환하도록 될 수 있다. 이것은 중량체(13, 89)가 샤프트/용기(53, 55) 내에서 하강되도록 허용하여 발전기(73)에서 앞에서 설명된 방식으로 전기적 에너지가 생성되게 함으로써 성취되는데, 이러한 결과적인 전기적 에너지는 전해조(29)에 공급되어 (물로부터) 수소 가스가 형성되고, 그 다음에 이러한 수소 가스는 압축기(65)를 통해 압축될 수 있고 동일한 용기(55) 내에 다시 저장될 수 있다. 유사하게, 만약 전기적 에너지에 대한 필요가 예측된다면, 또는 더 구체적으로, 중량체(13, 85)가 샤프트(53)의 하단에 가까이 있는 시간에 외부 그리드로의 빠른, 예컨대, 블랙 스타트(black start), 파워에 대한 필요가 예상된다면, 용기(55)로부터의 수소가 가스 공급 파이프를 통해, 밀봉된 서비스 연결장치(85) 및 팽창기(65)를 통해서 연료 전지(31)에 공급될 수 있어 전기적 에너지가 제공되며, 이러한 전기적 에너지는 유압 모터(73)를 작동시켜 윈치들(11, 87)에 파워를 제공하고 샤프트 내에서 중량체(13, 89)를 상승시키기 위해 사용될 수 있어 쉽게 전개가능한 잠재적 에너지로서 저장되게 된다.
시스템(1)의 효율 및 유연도를 더 증진시키기 위해, 열 에너지 저장 서브-시스템은 열 교환 요소를 포함하는데, 이러한 열 교환 요소는, 샤프트/용기(53, 55)의 외부의 토지(93)로부터 토지 소스 열을 수집하기 위해 샤프트(53) 둘레에 제공되고, 그리고 용기(55) 내부로부터 (예컨대, 압력 변화들의 결과로서) 임의의 열을 수집하도록 제공된다. 이러한 열은 열 에너지 수집 순환로(83)를 통해 열 에너지 저장소(미도시) 또는 외부 사용(예컨대, 지역 가열 방식)에 내보내질 수 있다. 따라서, 외부 시스템의 필요들에 따라 열, 연료, 및 파워를 제공하는 유연한 그리고 효율적인 에너지 저장 시스템이 단일 샤프트로 제공될 수 있다.
본 발명이, 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었다. 하지만, 변형들 및 수정들이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술을 가진 사람에 의해 실시될 수 있음이 이해될 것이다.
Claims (25)
- 에너지 저장 시스템(energy storage system)으로서,
상기 에너지 저장 시스템은,
제1 에너지 저장 서브-시스템(energy storage sub-system)과, 여기서
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템은 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체(weight)를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템(gravity-based energy storage system)을 포함하고,
상기 제1 상부 및 제2 하부 위치는 상기 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위(vertical displacement)를 정의하며;
가압된 연료 가스(pressurized fuel gas)의 저장을 위한 용기(vessel)를 포함하는 제2 에너지 저장 서브-시스템과; 그리고
외부 파워 시스템(external power system)과의 전기적 입력 연결부(electrical input connection) 및 전기적 출력 연결부(electrical output connection)를 포함하고,
상기 에너지 저장 시스템은 또한,
외부 연료 가스 공급원 또는 네트워크(external fuel gas supply or network)로부터 상기 에너지 저장 시스템으로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 입구(fuel gas inlet), 및
상기 에너지 저장 시스템으로부터 외부 연료 가스 사용자 또는 네트워크(external fuel gas user or network)로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 출구(fuel gas outlet)
중 적어도 하나를 포함하고; 그리고/또는
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템에 저장을 위해 또는 상기 전기적 출력 연결부를 통해 외부 파워 시스템으로 내보내기 위해 연료 가스로부터 전기적 에너지로 에너지를 변환하기 위한 가스 대 파워 변환 장치(gas to power conversion arrangement), 및
상기 제2 에너지 저장 서브-시스템에 저장을 위해 또는 연료 가스 출구를 통해 외부 연료 가스 사용자 또는 네트워크로 내보내기 위해 전기적 에너지를 연료 가스로 변환하기 위한 파워 대 가스 변환 장치(power to gas conversion arrangement)
중 적어도 하나를 포함하고,
상기 에너지 저장 시스템은 또한,
상기 외부 파워 시스템 및/또는 외부 연료 가스 네트워크 또는 사용자의 요구 사항(requirement)에 따라 상기 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템의 협업적(cooperative) 또는 상보적(complimentary) 동작을 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템은 수직 통로 또는 샤프트(vertical passageway or shaft)를 포함하고,
상기 수직 통로 또는 샤프트를 통해 상기 적어도 하나의 중량체는 상기 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능하고
상기 제2 에너지 저장 서브-시스템의 상기 용기는 상기 제1 에너지 저장 서브-시스템의 상기 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 샤프트는 토지(ground) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템은 윈치 및 케이블 장치(winch and cable arrangement)를 포함하고,
상기 윈치 및 케이블 장치는 샤프트의 상단에서 샤프트 개구(shaft opening)에 배치되거나 상기 샤프트 개구와 관련되어 배치되는 적어도 하나의 윈치를 포함하여, 상기 중량체를 상승시킬 수 있고 하강시킬 수 있도록 상기 윈치에 의해 케이블이 감길 수 있고 풀릴 수 있게 되며,
상기 윈치 및 케이블 장치는 상기 용기 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 용기는 상기 샤프트의 상단 위에 배치되고 밀봉(seal)되는 뚜껑(cap) 또는 돔(dome)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 윈치 및 케이블 장치는,
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템이 파워를 수신하고 있거나 충전 중일 때는 유압 구동 수단(hydraulic drive means)에 의해 유압식으로 구동되고, 그리고
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템이 파워를 방전하고 있거나 방전 중일 때는 유압 발전기(hydraulic generator)를 유압식으로 구동하며,
상기 유압 구동 수단과 유압 발전기는 상기 제2 에너지 저장 서브-시스템의 상기 용기 외부에 배치되고,
상기 유압 구동 수단과 유압 발전기를 상기 윈치 및 케이블 장치와 연결하는 유압 구동 급수 및 회수 파이프(hydraulic drive feed and return pipe)들이 상기 용기 벽에 형성된 구멍(aperture)을 통과하고,
상기 용기의 내부로부터 주변 대기로의 가압된 가스의 누설을 방지하기 위해 상기 파이프들 둘레로 상기 용기 벽에 밀봉이 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 시스템은 또한, 상기 제2 에너지 저장 서브-시스템의 상기 용기를 둘러싸는 물질로부터 그리고/또는 상기 용기 내로부터 열 에너지를 포획(capture)하도록 구성된 열 포획 및/또는 저장 서브-시스템(thermal capture and/or storage sub-system)을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 열 포획 및/또는 저장 서브-시스템은 열 펌프 장치(heat pump arrangement)를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 열 포획 및/또는 저장 서브-시스템은, 미리-정의된 동작 한계(pre-defined operational limit)들 내에서 상기 연료 가스 저장 용기의 온도를 유지시키기 위해 열 교환 요소(thermal exchange element)를 통해 상기 연료 가스 저장 서브-시스템 용기에 가열 및/또는 냉각을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 연료 가스는, 수소이거나 또는 메탄이거나 또는 쉽게 압축될 수 있고 저장될 수 있는 프로판 또는 천연 가스와 같은 다른 상업적으로 유용한 가스인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 연료 가스는 수소인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 수소 또는 다른 연료 가스는, 최대 300 바(bar)의 압력, 바람직하게는 최대 100 바의 압력, 예컨대, 최대치가 약 85 바인 압력에서 상기 용기 내에 저장되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템은 다중-중량체 중력-기반 에너지 저장 장치(multi-weight gravity-based energy storage arrangement)를 포함하고,
상기 다중-중량체 중력-기반 에너지 저장 장치는,
샤프트(또는 다른 수직 통로)와, 그리고
운송기(transporter)(예컨대, 윈치 및 케이블 장치)에 의해 상기 샤프트를 통해 상승 및 하강하도록 구성된 그리고 상기 샤프트의 상단 및/또는 하단에서의 저장 위치에서 저장되도록 구성된 다수의 중량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템은 일차 에너지 용량(primary energy capacity)을 갖고 그리고 파워 흐름 능력(power flow capability)에서 불연속들(discontinuities)에 의해 특징지어지는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 에너지 저장 시스템은 제3 에너지 저장 서브-시스템을 포함하고,
상기 제3 에너지 저장 서브-시스템은, 상기 에너지 저장 시스템에게,
(ⅰ) 상기 제1 에너지 저장 서브-시스템의 적어도 두 개의 에너지 이벤트(energy event)들에 걸쳐 충전 또는 방전 사이클(charge or discharge cycle) 동안 연속적인 입력 또는 출력 파워를 제공하는 것과, 여기서 에너지 이벤트들은 상기 제1 에너지 저장 서브-시스템으로부터의 출력에서의 불연속에 의해 분리되며;
(ⅱ) 외부 파워 시스템의 요구 사항에 응답하되, 상기 외부 파워 시스템의 요구 사항에 대해 상기 일차 에너지 저장 장치 및 상기 이차 에너지 저장 장치(secondary energy storage arrangement) 양쪽 모두를 동시에 사용하여, 응답함으로써 상기 시스템이 미리정의된 또는 원하는 파워 입력/출력 레벨(power input/output level)에 도달할 수 있게 하는 증진된 또는 더 빠른 시스템 시동 응답을 제공하는 것과;
(ⅲ) 원하는 시스템 파워 출력을 초과하는 파워 출력 서지(power output surge) 없이 상기 시스템이 외부 파워 시스템으로의 방전을 빠르게 중단시킬 수 있게 하는 증진된 시스템 방전 중단 능력을 제공하는 것과, 여기서 상기 파워 출력 서지는 상기 이차 에너지 저장 장치 내의 임시 에너지 저장소를 향해 지향되며; 그리고
(iv) 짧은 지속시간들 동안, 상기 에너지 저장 시스템 또는 상기 일차 파워 저장 장치의 파워 정격(power rating)을 초과하는 파워 레벨에서 상기 시스템이 파워를 입력할 수 있게 하거나 출력할 수 있게 하는 파워 서지 입력/출력 능력을 제공하는 것
중 적어도 하나를 행하기 위해서, 상기 제1 에너지 저장 서브-시스템과 협업적 및/또는 상보적 동작을 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제15항에 있어서,
상기 시스템은 시스템 파워 정격을 갖고, 상기 시스템 파워 정격은 상기 시스템이 상기 시스템 에너지 용량의 범위에 걸쳐 외부 파워 시스템으로/으로부터 입력/출력할 수 있는 최대 파워인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 제3 에너지 저장 서브-시스템은,
상기 시스템 파워 정격과 적어도 동일한 3차 파워 정격(tertiary power rating)을 갖고, 그리고
상기 시스템 파워 입력/출력이 상기 시스템 파워 정격에서 일정할 때 상기 제1 에너지 저장 서브-시스템 파워 입력/출력의 불연속 성질로부터 일어나는 최대 에너지 갭(maximum energy gap)과 적어도 동일한 3차 에너지 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 3차 에너지 용량은,
상기 최대 에너지 갭의 최대 10배이고,
바람직하게는 상기 최대 에너지 갭의 최대 5배이고,
더 바람직하게는 상기 최대 에너지 갭의 최대 2배이고, 그리고
선택에 따라서는 상기 최대 에너지 갭의 최대 1.8 또는 1.5배인 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 1차 파워 정격은 상기 3차 파워 정격보다 큰 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 제15항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 제3 에너지 저장 서브-시스템은, 배터리, 커패시터 또는 슈퍼커패시터, 압축 공기 에너지 저장 시스템, 플라이휠(flywheel) 또는 제2 중력-기반 에너지 저장 시스템으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 에너지 저장 시스템은, 상기 제2 에너지 저장 서브-시스템으로부터 가스 네트워크 파이프라인(gas network pipeline)으로의 연료 가스의 공급을 위한 연료 가스 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 선행 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 에너지 저장 시스템은, eV 충전 시설물 및/또는 연료 가스 차량 재급유 시설물들을 포함하는 차량 충전 및/또는 재급유 시설물을 포함하고,
상기 차량 충전 및/또는 재급유 시설물은, 차량 충전 시설물 전기적 공급 연결부 및/또는 재급유 연료 가스 출구 연결부를 통해 상기 에너지 저장 시스템으로부터 공급을 받는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 에너지 저장 시스템으로서,
상기 에너지 저장 시스템은,
제1 에너지 저장 서브-시스템과, 여기서
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템은 (예컨대, 토지 내에 형성된 샤프트에 의해 정의되는 바와 같은) 용적(volume)을 통해 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함하고,
상기 제1 상부 및 제2 하부 위치는 상기 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위를 정의하며; 그리고
가압된 연료 가스 저장 용기를 포함하는 제2 에너지 저장 서브-시스템을 포함하고,
상기 용기는 상기 제1 에너지 저장 서브-시스템에 의해 정의되는 상기 용적을 포함하는 연료-가스 저장 용적을 정의하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 에너지 저장 시스템으로서,
상기 에너지 저장 시스템은,
제1 에너지 저장 서브-시스템과, 여기서
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템은 토지 내에 형성된 샤프트(또는 다른 수직 통로)를 통해 제1 상부 위치와 제2 하부 위치 사이에서 이동가능한 적어도 하나의 중량체를 포함하는 중력-기반 에너지 저장 시스템을 포함하고,
상기 제1 상부 및 제2 하부 위치는 상기 중량체 또는 각각의 중량체에 대한 수직 변위를 정의하며; 그리고
상기 제1 에너지 저장 서브-시스템의 상기 샤프트 둘레에 또는 내에 배치되어 상기 샤프트의 둘레로부터 또는 상기 샤프트 내로부터 열 에너지를 포획하는 열 포획 요소(heat capture element)들을 포함하는 열 에너지 포획 및/또는 저장 서브-시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템. - 외부 에너지 시스템들로의 그리고 상기 외부 에너지 시스템들로부터의 에너지의 저장 및 공급을 위한 방법으로서, 상기 방법은,
제1항에서 정의되는 바와 같은 에너지 저장 시스템을 제공하는 것과;
외부 파워 소스 또는 네트워크(external power source or network)로부터의 전기적 에너지를, 제1 저장 서브-시스템에서 중량체를 상승시킴으로써 잠재적 에너지(potential energy)로서 저장하거나 또는 상기 파워 대 가스 변환 장치에 의해 상기 전기적 에너지를 연료 가스로 변환함으로써 화학적 에너지(chemical energy)로서 저장하는 것을 제어하도록 상기 제어 시스템을 동작시키는 것과; 그리고
결과적인 연료 가스를 상기 제2 에너지 저장 서브-시스템에 저장하여 외부 연료 가스 공급자 또는 네트워크로부터의 연료 가스로부터의 에너지를, 상기 연료 가스를 상기 제2 에너지 저장 장치에 공급함으로써 압축 연료 가스로서 저장하는 것을 제어하거나, 또는 상기 공급된 연료 가스를, 가스 대 파워 변환 장치를 사용해 상기 연료 가스를 전기적 에너지로 변환하고 상기 에너지를 제1 저장 서브-시스템에서 중량체를 상승시킴으로써 잠재적 에너지로서 저장함으로써, 잠재적 에너지로서 저장하는 것을 포함하고,
상기 방법은, 외부 가스 및 파워 네트워크들 또는 공급자들의 에너지 저장 요구 사항에 따라, 그리고 상기 제1 및 제2 에너지 저장 서브-시스템들의 연료 가스 및 전기적 에너지 저장 용량, 및 미리-정의된 또는 예측된 연료 가스 및 전기적 에너지 출력 요구 사항에 종속되어, 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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