特開 2024-39182 蓄電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024039182

(43)【公開日】2024-03-22

(54)【発明の名称】蓄電システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 15/00 20060101AFI20240314BHJP

   H02J 3/28 20060101ALI20240314BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20240314BHJP

   F03B 17/06 20060101ALI20240314BHJP

【ＦＩ】

H02J15/00 E

H02J3/28

H02J3/38 120

F03B17/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022143538

(22)【出願日】2022-09-09

(71)【出願人】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松隈 正樹

(72)【発明者】

【氏名】加藤 大輔

(72)【発明者】

【氏名】笠井 一徳

【テーマコード（参考）】

3H074

5G066

【Ｆターム（参考）】

3H074AA20

3H074BB10

3H074CC11

3H074CC34

5G066HB02

5G066HB06

5G066HB08

5G066JA07

5G066JB10

(57)【要約】

【課題】流通、産業、工業団地に好適な圧縮空気供給機能付きの蓄電システムを提供する。
【解決手段】再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動し、圧縮タンク１８Ａ内に加圧水を給水して圧縮タンク１８Ａ内の空気を等温で圧縮する水ポンプ２０Ａ～２０Ｄと、圧縮タンク１８Ａ内の加圧水を水車２２に供給して水力発電を行う水力発電手段と、蓄圧エアタンク２４Ａ～２４Ｅ内の圧縮した空気を需要先に供給する圧縮空気供給手段８６とを備えるようにする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気を貯蔵する蓄圧エアタンクと、前記蓄圧エアタンクに連通可能な圧縮タンクと、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動し、前記圧縮タンク内に加圧水を給水して前記圧縮タンク内の空気を等温で圧縮する水ポンプと、前記圧縮タンク内の加圧水を水車に供給して水力発電を行う水力発電手段と、前記蓄圧エアタンク内の圧縮した空気を需要先に供給する圧縮空気供給手段とを備えることを特徴とする蓄電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、流通、産業、工業団地などに好適な圧縮空気供給機能を備えた蓄電システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、工業団地などでは、総消費電力の１５～２５％程度が空気圧縮機の駆動モータに対する入力電力として消費されている。一般に工業団地を構成する各企業は、自己産業機械が必要とする最大圧縮空気量に見合う空気圧縮機を購入し、設置している。

【0003】

一方、圧縮空気を利用する従来技術として、例えば、特許文献１に示すような圧縮空気貯蔵発電方法が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－１７３６０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、工業団地などで使用される空気圧縮機については、以下のような問題がある。
（１）消費空気量は、個別企業の設備稼働時間帯により大きく変動するため、空機圧縮機は空気負荷が少ない時間帯はアンロード運転して供給空気量を制御するが、空気圧縮機のアンロード方式により消費電力に無駄が発生するおそれがある。例えば、吐出空気量が０の場合、一般的な吸気絞り方式では、吐出空気量が０でも７０％程度電力を消費する。また、大気パージ方式の場合も４０％程度を消費する。また、インバータ回転数制御方式でようやく消費空気量に消費電力が近づくが、オイルフリー空気圧縮機では最小回転数制限から３０～４０％程度の電力を消費する。また、ＯＮ・ＯＦＦ制御方式では、ＯＮ・ＯＦＦ時間比例制御でほぼ消費空気量と消費電力が比例するが、供給空気圧力を維持するためには大きな蓄圧タンクが必要となる。

【0006】

（２）一般に圧縮空気のコストは通常の０．６～０．７ＭＰａＧ圧力で２～３円／ｍ^３であり、年間の電力費は空気圧縮機購入金額に匹敵し、工場ランニングコストの大きな部分を占め省電力ニーズが高い。

【0007】

（３）太陽光発電、風力発電電力などを自家消費しようとしても、発生電力が不安定であり、安価な夜間電力の利用も稼働時間帯と合致しないため蓄電機能が無いと使用が難しい。

【0008】

（４）電子、半導体、薬品、塗装、食品産業など圧縮空気中に油分を嫌う産業では、空気圧縮機に通常油冷式空気圧縮機価格の倍程度のオイルフリー空気圧縮機を設置するか、別途、活性炭フィルタなどで油分吸着が必要である。

【0009】

（５）一般的な油冷空気圧縮機であっても、オイルフリー空気圧縮機でも圧縮行程は断熱圧縮であり、消費電力はほぼ圧縮熱に変換されるとともに冷却水で環境に廃棄され、従来の空気圧縮機は消費電力の殆どを廃棄するため省エネルギー機器の対極にある。

【0010】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流通、産業、工業団地に好適な圧縮空気供給機能付きの蓄電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る蓄電システムは、空気を貯蔵する蓄圧エアタンクと、前記蓄圧エアタンクに連通可能な圧縮タンクと、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動し、前記圧縮タンク内に加圧水を給水して前記圧縮タンク内の空気を等温で圧縮する水ポンプと、前記圧縮タンク内の加圧水を水車に供給して水力発電を行う水力発電手段と、前記蓄圧エアタンク内の圧縮した空気を需要先に供給する圧縮空気供給手段とを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る蓄電システムによれば、空気を貯蔵する蓄圧エアタンクと、前記蓄圧エアタンクに連通可能な圧縮タンクと、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動し、前記圧縮タンク内に加圧水を給水して前記圧縮タンク内の空気を等温で圧縮する水ポンプと、前記圧縮タンク内の加圧水を水車に供給して水力発電を行う水力発電手段と、前記蓄圧エアタンク内の圧縮した空気を需要先に供給する圧縮空気供給手段とを備えるので、流通、産業、工業団地に好適な圧縮空気供給機能付きの蓄電システムを提供することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明に係る蓄電システムの実施の形態を示す概念図である。

【図2】図２は、本発明に係る蓄電システムの実施の形態を示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明は、従来の空気圧縮機が抱える問題を解消し、かつ再生可能エネルギーを工業団地などの主エネルギーとして利用可能とし、安価な安定電力を提供可能な蓄電システムを提供するものである。

【0015】

以下に、本発明に係る蓄電システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0016】

図１（１）に示すように、本発明の実施の形態に係る蓄電システム１０は、流通、産業、工業団地のエリアＡに設置される。このエリアＡの一部には、再生可能エネルギー設備１２が設けられており、設備１２の近傍は、設備１２により発電した電力を１００％活用するエリアとなっている。再生可能エネルギー設備１２は、太陽光発電設備、風力発電設備などで構成される。エリアＡ内の地下には、エリアＡで必要とされるユーテリティ供給用の共同溝１４が環状に敷設されている。図１（２）に示すように、共同溝１４はカルバート（暗渠）からなり、共同溝１４内には、ユーテリティとしての上下水道、送電線、通信回線などに加え、エア配管１６（例えば、３００Ａ鋼管）が配設されている。エア配管１６および再生可能エネルギー設備１２は、蓄電システム１０に接続している。蓄電システム１０は、電力・圧縮空気供給ステーションとして機能する。

【0017】

図２に示すように、蓄電システム１０は、３台の圧縮タンク１８Ａ～１８Ｃと、４台の水ポンプ２０Ａ～２０Ｄと、水車発電機２２（水力発電手段）と、５台の蓄圧エアタンク２４Ａ～２４Ｅを備えている。圧縮タンク１８Ａ～１８Ｃには、水面位置を検知する水面センサー２６がそれぞれ設置されており、圧縮行程での水面位置を把握することが可能である。本実施の形態の蓄電容量は１～２ＭＷｈ／日程度を想定している。

【0018】

水ポンプ２０Ａ～２０Ｄは、水槽２８内の水を配管３０を介して導入し、配管３２を介して配管３４に送り込む。各配管３０、３２には、制御弁３６、３８がそれぞれ設けられている。水ポンプ２０Ａ～２０Ｄは、変電所４０からの充電電力（入力電力）により駆動する。この充電電力は、図外の再生可能エネルギー設備１２による発生電力を平準化使用する。水ポンプ２０Ａ～２０Ｄは、例えば多段渦巻きポンプ（３．７ｋＷ、２ＭＰａＧ）で構成することができる。また、配管３４の加圧水は、配管４２を介して分配して２台の圧縮タンク１８Ａ、１８Ｂに給水される。配管４２には、制御弁４４が設けられている。

【0019】

２台の圧縮タンク１８Ａ、１８Ｂは、制御弁を有する配管４６、４８を介して接続している。残り１台の圧縮タンク１８Ｃは、補助的に用いられる。この圧縮タンク１８Ｃは、配管５０、５２および制御弁５４を介して圧縮タンク１８Ｂと接続している。また、この圧縮タンク１８Ｃは、配管５６、５８、６０および制御弁６２を介して、水槽２８に連通した還水管６４と接続している。この接続部の還水管６４の上下流側には、制御弁６６、６８が設けられている。

【0020】

圧縮タンク１８Ａは、給水管７０および制御弁７２を介して水車発電機２２と接続している。水車発電機２２の下流には水槽７４が設けられる。この水槽７４は還水管６４に接続している。また、圧縮タンク１８Ｂ、１８Ｃは、複数の配管７６Ａ、７６Ｂおよび制御弁７８Ａ～７８Ｃを介して給水管７０に接続している。

【0021】

水車発電機２２は、給水管７０から給水される加圧水を用いて水力発電を行う。水車発電機２２による発電電力は、変電所４０を経由して需要先（水ポンプ２０Ａ～２０Ｄ、空気圧縮機８０）に利用されるとともに、再生可能エネルギー由来の安定電力としてエリアＡに供給される。

【0022】

一方、２台の圧縮タンク１８Ａ、１８Ｂは、配管８２および制御弁８３Ａ、８３Ｂを介してバッファータンクＢＴに接続している。バッファータンクＢＴは配管８４Ａ、８４Ｂおよび制御弁８５Ａ、８５Ｂを介して主配管８６（圧縮空気供給手段）に接続している。主配管８６には、蓄圧エアタンク２４Ａ～２４Ｅと、圧縮タンク１８Ｃと、レシーバータンクＲＴがそれぞれ配管８７、８８、８９および制御弁９０、９１、９２を介して接続している。蓄圧エアタンク２４Ａ～２４Ｅは、配管９３および制御弁９４を介して還水管６４に接続している。レシーバータンクＲＴ側の配管８９は、配管９５Ａ、９５Ｂおよび制御弁９６を介して圧縮タンク１８Ａに接続している。レシーバータンクＲＴには、空気圧縮機８０が接続される。空気圧縮機８０は、低圧空気充填時のみ運転するものであり、変電所４０からの充電電力（入力電力）により駆動する。

【0023】

主配管８６の下流端には、制御弁９７を介してドライヤ９８が設けられる。ドライヤ９８は、圧縮空気に含まれる水分を除去し乾燥した空気を送り出すものである。ドライヤ９８を経た圧縮空気は、配管９９および制御弁１００を介して、図示しない共同溝１４内のエア配管１６に供給可能である。

【0024】

上記構成の動作および作用について説明する。
太陽光発電電力、風力発電電力などの再生可能エネルギー由来の発生電力を入力電力として水ポンプ２０Ａ～２０Ｄを稼働し、水槽２８の水を圧縮タンク１８Ａ等に加圧水として給水し、この圧縮タンク内の大気を等温圧縮して加圧する。圧縮した空気は、バッファータンクＢＴ等を介して蓄圧エアタンク２４Ａ～２４Ｅに蓄圧可能である。また、エリアＡ内の需要先で安定電力が必要な時、圧縮タンク１８Ａ等の内部圧力で加圧水を加圧し、給水管７０を通じて加圧水を水車発電機２２に供給して発電する。発生した電力は、変電所４０から共同溝１４内の送電線を介してエリアＡ内の需要先に供給される。このように、本実施の形態によれば、流通、産業、工業団地に好適な圧縮空気供給機能付きの蓄電システムを提供することができる。また、等温圧縮充電と等温膨張発電の機能を有する理論充放電効率７５～８１％の大気と水で構成する蓄電池として機能させることが可能である。

【0025】

また、従来のＬｉ^＋バッテリーなど２次電池に対し、２～３倍の高寿命で、爆発や火災などの危険性が無く、希少金属使用廃棄による環境汚染もない蓄電システムであることから、工業団地などへの安定電力の供給が可能である。

【0026】

また、産業用オイルフリー圧縮空気を供給することができる。すなわち、蓄電池としての蓄電機能を構成する蓄圧エアタンク２４Ａ等を利用し、充電能力を工業団地などへ提供する電力分を放電能力に上乗せ付加しておき、蓄電能力と圧縮空気供給能力を共に有するようにする。圧縮空気は、蓄圧エアタンク２４Ａ等から主配管８６を経て減圧弁（制御弁９０、９７等）で必要圧力に調整した後、環状の共同溝１４のエア配管１６に供給し、エア配管１６から圧力損失の少ない配管系統を通じて需要先であるエリアＡ内の各企業に対して供給する。供給される圧縮空気は、油分、湿分のないクリーンなオイルフリードライ圧縮空気である。半導体、電子、薬品、食品工場にも利用できる空気品質を確保可能である。供給空気は、元圧１ＭＰａＧ、１５～２０ｍ^３／ｍｉｎ程度とすることができる。ドライヤ９８を冷凍式とし、供給配管内面防錆も兼ねて大気圧露点－１４℃程度の乾燥空気として供給してもよい。

【0027】

本実施の形態によれば、一般の圧縮空気の単価２～３円／ｍ^３に対し、消費電力の少ない等温圧縮空気圧縮方式であり、競争力ある単価での圧縮空気の供給が可能となり利用企業のメリットになる。また、蓄電機能と圧縮空気の畜圧タンク機能を兼用することで、システムの投資回収期間低減の可能性がある。

【0028】

また、本実施の形態は、水ポンプ、水車発電機、圧縮タンク、蓄圧エアタンクによるシステム構成であり、一般に各企業が毎年必要とするＯＨ（オーバーホール）など保守費用、潤滑油、各種フィルタなどの消耗品費用、圧縮機管理要員の削減が可能になる。

【0029】

また、本実施の形態は、水ポンプにより空気の等温圧縮を行い、充電電力を圧力エクセルギーの形で蓄圧エアタンクに蓄電するため、必要放電能力に対し、必要圧縮空気の供給分を放電電力に上乗せして充電することが望ましい。

【0030】

また、本実施の形態は、空気と水のみで圧縮空気を製造し、油分および水分のないクリーンなオイルフリー圧縮空気を安価に供給できる。本実施の形態は、蓄電機能に関する構成（水タンク、圧縮タンク）を基本構成とし、これに圧縮空気供給機能を持つ蓄圧エアタンクを増設した構成である。

【0031】

圧縮空気製造コストについては、蓄電池としての均等化発電原価（Levelised Cost of Electricity：ＬＣＯＥ）円／ｋＷｈは通常蓄電機能のみの場合に比べ、工業団地などへの供給空気分電力Ｌｃａ×供給時間（１０時間程度）分だけ上昇するが、従来の空気圧縮機のコストに比較して上昇分を大幅に抑制できる充電電力Ｌｃ×充電時間、供給空気分Ｌｃａ×供給時間、供給電力Ｌｅ×放電時間の比率範囲とすることが望ましい。

【0032】

放電能力については、充電時間ｈｃ、空気圧縮供給時間ｈｃａ、放電時間ｈｅとすると、Ｌｅ×ｈｅ≒Ｌｃ×ｈｃ－Ｌｃａ×ｈｃａを基本としてシステム全体での蓄電池稼働による収益、圧縮空気供給による収益を勘案し、収益バランスにより放電仕様を決めることが望ましい。

【0033】

また、本実施の形態によれば、以下の効果を新設の工業団地への参加企業にもたらすことができる。本実施の形態の蓄電システム１０を組み込むことにより、蓄電機能単独で理論効率７５～８１％の揚水発電並み以上の高い充放電効率性能を持つことが可能となり、都市型揚水発電所としての機能を工業団地に組み込むことが可能となる。

【0034】

また、工業団地消費電力のピークカットを実現できる。すなわち、蓄電機能を持たせることにより、最大消費電力時間帯に蓄電電力を放電することにより、１日の時間当たり系統電力購入量を平準化することが可能となり、契約電力の引き下げが可能となる。

【0035】

また、レジリエンス価値やＢＣＰ機能を付加することができる。すなわち、停電など非常時に、蓄圧タンクのサイジングによっては、２４時間以上の長期間の給電も可能となり、非常時の災害対策に優れた工業団地とすることが可能となる。さらに、系統電力調整力としての売電価値を付加することができる。流通団地においてはＥＶトラック、電動フォークリフトへの充電機能を付加することができる。また、自家消費電力供給による電力費削減効果を得ることができる。

【0036】

また、工業団地の入居検討時に、以下の価値が備わっていることによる入居動機を高めることができる。すなわち、工業団地へのオイルレス、ドライ圧縮空気の安定供給、安価な圧縮空気の供給、自家設備圧縮空気製造からユーテリティとしての圧縮空気に転換することにより空気圧縮機の購入費用、工事費用、管理費用、人員費用などが不要である。

【0037】

以上説明したように、本発明に係る蓄電システムによれば、空気を貯蔵する蓄圧エアタンクと、前記蓄圧エアタンクに連通可能な圧縮タンクと、再生可能エネルギーを用いて発電した入力電力により駆動し、前記圧縮タンク内に加圧水を給水して前記圧縮タンク内の空気を等温で圧縮する水ポンプと、前記圧縮タンク内の加圧水を水車に供給して水力発電を行う水力発電手段と、前記蓄圧エアタンク内の圧縮した空気を需要先に供給する圧縮空気供給手段とを備えるので、流通、産業、工業団地に好適な圧縮空気供給機能付きの蓄電システムを提供することができる。

【0038】

なお、２０１５年９月の国連サミットにおいて採択された１７の国際目標として「持続可能な開発目標（Sustainable Development Goals：ＳＤＧｓ）」がある。本実施の形態に係る蓄電システムは、このＳＤＧｓの１７の目標のうち、例えば「９．産業と技術革新の基盤をつくろう」の目標などの達成に貢献し得る。

【産業上の利用可能性】

【0039】

以上のように、本発明に係る蓄電システムは、再生可能エネルギー由来の電力を蓄電するのに有用であり、特に、流通、産業、工業団地などに適している。

【符号の説明】

【0040】

１０ 蓄電システム
１２ 再生可能エネルギー設備
１４ 共同溝
１６ エア配管
１８Ａ～１８Ｃ 圧縮タンク
２０Ａ～２０Ｄ 水ポンプ
２２ 水車発電機（水力発電手段）
２４Ａ～２４Ｅ 蓄圧エアタンク
２６ 水面センサー
２８，７４ 水槽
３０，３２，３４，４２，４６，４８，５０，５２，５６，５８，６０ 配管
３６，３８，４４，５４，６２，６６，６８，７２ 制御弁
４０ 変電所
８６ 主配管（圧縮空気供給手段）
６４ 還水管
７０ 給水管
８０ 空気圧縮機
９８ ドライヤ
Ａ エリア
ＢＴ バッファータンク
ＲＴ レシーバータンク

【図1】

【図2】