特許 7159346 再生式蓄熱装置の動作方法及び蓄熱装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-14

(45)【発行日】2022-10-24

(54)【発明の名称】再生式蓄熱装置の動作方法及び蓄熱装置

(51)【国際特許分類】

   F28D 19/04 20060101AFI20221017BHJP

【ＦＩ】

F28D19/04 Z

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020558529

(86)(22)【出願日】2019-04-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-10-21

(86)【国際出願番号】 EP2019059804

(87)【国際公開番号】W WO2019201918

(87)【国際公開日】2019-10-24

【審査請求日】2021-04-21

(31)【優先権主張番号】102018003162.5

(32)【優先日】2018-04-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】520403200

【氏名又は名称】カーボン－クリーン テクノロジーズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100171675

【弁理士】

【氏名又は名称】丹澤 一成

(72)【発明者】

【氏名】クノップ クラウス

【審査官】礒部 賢

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１７－５３７２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２５７１６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１７９９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０２５２２３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０５９２８４０５（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｄ １９／００ － ２０／０２

Ｆ０２Ｃ ６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

再生式蓄熱装置（９）の動作方法であって、前記蓄熱装置（９）は、キャリアガス（３）を加熱するための少なくとも１つのガスヒータ（２）と、複数の熱ストレージモジュール（５）を含む熱ストレージ列（４）と、少なくとも１つの圧縮機（６）とを有し、負荷サイクル中に、前記ガスヒータ（２）において加熱されたキャリアガス（３）が前記熱ストレージ列（４）の複数の後続の熱ストレージモジュール（５～８）を通過して、前記加熱されたキャリアガス（３）から前記熱ストレージモジュール（５～８）の蓄熱材への熱伝達によって前記熱ストレージモジュール（５～８）に熱負荷が与えられて前記キャリアガス（３）が負荷中に冷却され、熱ストレージモジュール（５～７）に負荷を与えた後の前記キャリアガスの温度が前記熱ストレージ列（４）内の後続の熱ストレージモジュール（６～８）の最低負荷温度に到達し又はこれを上回る場合、前記キャリアガス（３）が負荷のために前記後続の熱ストレージモジュール（６～８）に供給され、前記キャリアガスの温度が前記後続の熱ストレージモジュール（６～８）の最低負荷温度を下回る場合、前記キャリアガス（３）の循環が行われて、前記再循環中に前記キャリアガス（３）が前記圧縮機（６）に供給され、圧縮後に前記キャリアガス（３）が前記ガスヒータ（２）に戻されて新たに加熱され、前記圧縮機入口における許容設定点温度を上回る最低負荷温度が選択され、前記キャリアガスの温度が前記圧縮機入口における前記許容設定点温度を上回る場合、前記キャリアガス（３）は、前記再循環中に前記圧縮機（６）に入る前に冷却される、
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記最低負荷温度は、２５０℃を上回る、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記循環中に、前記キャリアガス（３）を冷却するために、前記キャリアガス（３）の前記流路内の前記熱ストレージ列からの前記出口の後であって前記圧縮機（６）の上流に少なくとも１つの伝熱装置（１０）が設けられる、
請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記キャリアガス（３）は、前記ガスヒータ（２）に戻った圧縮キャリアガス（３）への熱伝達によって、６０℃以上の温度に冷却される、
請求項１から３の１項に記載の方法。

【請求項5】

前記キャリアガス（３）を前記圧縮機入口における前記所望の温度に冷却するために、前記キャリアガス（３）の前記流路内の前記伝熱装置（１０）の後であって前記圧縮機（６）の手前に少なくとも１つのクーラー（１３）が設けられる、
請求項１から４の１項に記載の方法。

【請求項6】

前記圧縮機入口における前記設定点温度は７０℃未満である、
請求項１から５の１項に記載の方法。

【請求項7】

前記キャリアガス（３）は、前記キャリアガス温度を制御するために、前記循環中に熱ストレージモジュール（５～８）からの前記出口の後であって前記圧縮機（６）への前記入口の手前で前記ガスヒータ（２）からの高温キャリアガス（３）と混合される、
請求項１から６の１項に記載の方法。

【請求項8】

蓄熱装置（９）であって、キャリアガス（３）を加熱するための少なくとも１つのガスヒータ（２）と、複数の熱ストレージモジュール（５～８）を含む少なくとも１つの熱ストレージ列（４）と、少なくとも１つの圧縮機（６）とを備え、負荷サイクル中に、前記ガスヒータ（２）において加熱されたキャリアガス（３）が前記熱ストレージ列（４）の複数の後続の熱ストレージモジュール（５～８）を流れて、前記加熱されたキャリアガス（３）から前記熱ストレージモジュール（５～８）の蓄熱材への熱伝達によって前記熱ストレージモジュール（５～８）に熱負荷を与えることができ、前記負荷サイクル中に、前記キャリアガス（３）の循環が行われて、負荷中に前記熱ストレージ列（４）の複数の後続の熱ストレージモジュール（５～８）を流れた後に冷却されたキャリアガス（３）を前記圧縮機（６）に供給し、前記圧縮機（６）を介して前記ガスヒータ（２）に戻すことができ、前記キャリアガス（３）の前記流路内に、前記循環中に前記圧縮機（６）に入る前に前記キャリアガス（３）を冷却するための、前記熱ストレージ列（４）と前記圧縮機（６）との間に配置された少なくとも１つの伝熱装置（１０、１３）が設けられる、
ことを特徴とする蓄熱装置（９）。

【請求項9】

加熱されたキャリアガス（３）の熱を利用して熱電貯蔵発電所において発電を行うことによって電気エネルギーの生成における負荷ピークのバランスを保つ方法であって、前記熱電貯蔵発電所は、少なくとも１つのガスヒータ（２）と、複数の熱ストレージモジュール（５～８）を含む熱ストレージ列（４）と、少なくとも１つの圧縮機（６）とを含む再生式蓄熱装置（９）を有し、前記再生式蓄熱装置（９）は、請求項１から７の１項に記載の方法に従って動作し、前記方法は、
少なくとも１つのガスヒータ（２）においてキャリアガス（３）を加熱するステップと、
前記ガスヒータ（２）において加熱された前記キャリアガス（３）から前記熱ストレージモジュール（５～８）の蓄熱材への放熱によって、前記熱電貯蔵発電所の複数の熱ストレージモジュール（５～８）のうちの少なくとも１つの熱ストレージモジュール（５～８）に熱負荷を与えるステップと、
複数の熱ストレージモジュール（５～８）の遅延放熱を行い、少なくとも１つの熱ストレージモジュール（５～８）に低温キャリアガス（３）を流し、前記蓄熱材から前記低温キャリアガス（３）に熱を伝えて前記キャリアガス（３）を加熱するステップと、
前記少なくとも１つの熱ストレージモジュール（５～８）の前記放出中に加熱された前記キャリアガス（３）を利用して、蒸気動力プロセスにおいて発電を行うステップと、
を含む特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、再生式蓄熱装置の動作方法であって、蓄熱装置が、キャリアガスを加熱するための、特に空気を加熱するための少なくとも１つのガスヒータと、複数の熱ストレージモジュールを含む熱ストレージ列と、少なくとも１つの圧縮機とを含み、負荷サイクル中に、ガスヒータにおいて加熱されたキャリアガスが少なくとも１つの熱ストレージモジュール、好ましくは熱ストレージ列の複数の後続の熱ストレージモジュールを通過して、加熱されたキャリアガスから熱ストレージモジュールの蓄熱材への熱伝達によってこれらの熱ストレージモジュールに熱負荷が与えられてこのキャリアガスが負荷中に冷却され、熱ストレージモジュールに負荷を与えた後のキャリアガスの温度が熱ストレージ列内の後続の熱ストレージモジュールの最低負荷温度に到達し又はこれを上回る場合、低温キャリアガスが負荷のために後続の熱ストレージモジュールに供給され、キャリアガスの温度が後続の熱ストレージモジュールの最低負荷温度を下回る場合、キャリアガスの循環が行われて、循環中にキャリアガスが圧縮機に供給され、圧縮後にキャリアガスがガスヒータに戻されて新たに加熱される、方法に関する。

【0002】

さらに、本発明は、上述したタイプの方法に従って動作するように設計及び／又は構成された蓄熱装置であって、キャリアガスを、特に空気を加熱するための少なくとも１つのガスヒータと、複数の熱ストレージモジュールを含む少なくとも１つの熱ストレージ列と、少なくとも１つの圧縮機とを備え、負荷サイクル中に、ガスヒータにおいて加熱されたキャリアガスが少なくとも１つの熱ストレージモジュール、好ましくは熱ストレージ列の複数の後続の熱ストレージモジュールを流れて、加熱されたキャリアガスから熱ストレージモジュールの蓄熱材への熱伝達によってこれらの熱ストレージモジュールに熱負荷を与えることができ、負荷サイクル中に、キャリアガスの再循環が行われて、負荷中に少なくとも１つの熱ストレージモジュールを流れた後に、好ましくは熱ストレージ列の複数の後続の熱ストレージモジュールを流れた後に冷却されたキャリアガスを圧縮機に供給し、圧縮機を介してガスヒータに戻すことができる、蓄熱装置にも関する。

【0003】

最後に、本発明は、電気エネルギーの生成における負荷ピークのバランスを保ち、及び／又は特に加熱されたキャリアガスの熱を利用して熱電貯蔵発電所において発電を行うことによって電気エネルギーを分散生成し、及び／又は加熱されたキャリアガスの熱を利用してプロセス蒸気を生成し、及び／又は地域暖房を生成し、及び／又は予熱プロセスに熱を注入する方法であって、貯蔵発電所が再生式蓄熱装置を有し、再生式蓄熱装置が上述した通りに動作する方法に関する。この文脈では、負荷ピークのバランスを保ち、及び／又電気エネルギーを分散生成し、及び／又は加熱されたキャリアガスの熱を利用する方法が、
少なくとも１つのガスヒータにおいてキャリアガス、特に熱風を加熱するステップと、
ガスヒータにおいて加熱されたキャリアガスから熱ストレージモジュールの蓄熱材への放熱によって、貯蔵発電所の複数の熱ストレージモジュールのうちの少なくとも１つの熱ストレージモジュールに熱負荷を与えるステップと、
少なくとも１つの熱ストレージモジュール、好ましくは複数の熱ストレージモジュールの遅延放熱を行い、少なくとも１つの熱ストレージモジュールに低温キャリアガス、特に冷気を流し、蓄熱材から低温キャリアガスに熱を伝えてキャリアガスを加熱するステップと、
少なくとも１つの熱ストレージモジュールの放出中に加熱されたキャリアガスを利用して発電を行い、及び／又はプロセス蒸気を生成し、及び／又は地域暖房を行い、及び／又は熱を結合させるステップと、
を含む。

【背景技術】

【0004】

再生可能エネルギーの拡充は、電力市場における発電構造の変化をもたらす。今後は、風力、バイオマス及び光起電力技術などの再生可能エネルギー源からの供給依存型電気エネルギーが電力供給の大部分を占めるようになる。しかしながら、再生可能エネルギー源からの発電に利用できる技術では正確な発電量の予測が限られているため、異なる時間スケールでの、すなわち一日の間の季節的変動から短期変動までの変動が発生する。これらの変動は、電力需要において発生する変動を増幅し、負荷ピークを補償する必要性を高める。現在では、一般に異なる発電及び蓄電技術のオペレータによって取引が行われる異なる電力市場を介してピーク負荷のバランスが保たれている。また、エネルギーシステムは、化石及び再生可能エネルギー源からの電気エネルギーの集中型生成から分散型生成への移行に直面している。この結果、ネットワーク安定化のタスクが送電網レベルから配電網レベルにますますシフトしているため、ネットワークインフラに対する新たな需要が生じている。しかしながら、これまでのところ、ネットワークを能動的に制御するインフラはほとんど又は全く存在しない。

【0005】

独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６（Ａ１）号からは、再生式蓄熱装置システムの一般的な動作手順が知られている。この既知のプロセスでは、熱電貯蔵発電所における発電に加熱キャリアガス、特に熱風からの熱を使用し、最初に貯蔵発電所の少なくとも１つのガスヒータにおいて空気などのキャリアガスを特定の目標負荷温度に加熱する。このキャリアガスを熱電貯蔵発電所の複数の熱ストレージモジュールの熱負荷に使用して、高温キャリアガスから熱ストレージモジュールの蓄熱材に熱を伝える（負荷サイクル）。熱ストレージモジュールに負荷を与えるのに十分な量の及び／又は十分に高い目標負荷温度の高温ガスを発生させるために、複数のガスヒータを使用することができる。ガスヒータにおいてキャリアガスを加熱する際の最大目標負荷温度は、１０００℃～１３００℃、好ましくは１１００℃～１２００℃とすることができる。

【0006】

熱ストレージ列の少なくとも１つの熱ストレージモジュールの時間遅延された最終放熱については、蓄えられた使用可能な熱又は熱ストレージモジュールの使用可能な熱含量が、低温キャリアガス、特に冷気の加熱に一般的方法で使用される。この目的のために、低温キャリアガスを少なくとも１つの熱ストレージモジュールに流して、蓄熱材からキャリアガスに熱を伝える（放出サイクル）。キャリアガスは、熱ストレージモジュールを流れる際に特定の放出温度に加熱される。熱伝達に必要な目標放出温度は、５００℃～９００℃、好ましくは６００℃～８００℃とすることができる。その後、放出サイクル中に発生した高温キャリアガスの熱を作動流体に伝え、これを例えば蒸気動力プロセスにおいて使用して発電を行うことができる。

【0007】

電気エネルギーを熱エネルギーに変換することによってガスヒータ内でキャリアガスを加熱し、この目的のためにガスヒータが少なくとも１つの電気加熱抵抗器を有することができる場合、本発明によるプロセス及び本発明による貯蔵発電所は、送電網における負荷管理に寄与することができ、これによって高発電かつ低電力需要時の負荷サイクル中には電気エネルギーが熱の形で蓄えられる。その後、ピーク負荷時には、少なくとも１つの熱ストレージモジュールを放出サイクルで放出し、このように生成された高温キャリアガスを使用して発電を行い、例えば蒸気動力プロセスのために水を蒸発させる。生成された電気エネルギーは、送電網にフィードバックすることができる。本発明による貯蔵発電所のオペレータは、システムサービスを提供して制御エネルギー市場に参加することができる。使用する熱ストレージモジュールは、電気エネルギーを熱の形で単純かつ安価に貯蔵可能にすることにより、電力を柔軟にかつ非常に短期間で、また短期間の高消費ピーク中に安価に利用可能にすることができる。

【0008】

さらに、独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６（Ａ１）号の開示内容は、本発明の本明細書の開示内容に完全に含まれる。この開示内容は、特に独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６（Ａ１）号に記載される蓄熱装置及び記載される蓄熱発電所の構造的なプラント関連の設計に関連する。

【0009】

熱ストレージモジュールを列状に設計して熱ストレージ列を形成し、ガスヒータ内で目標負荷温度に加熱されたキャリアガスを負荷サイクル中に熱ストレージ列の熱ストレージモジュールに流して熱ストレージモジュールを加熱する場合、負荷サイクルの開始時には、キャリアガスが熱ストレージ列の最初の熱ストレージモジュールを最初に低温状態のままにしておく。この熱ストレージモジュールの蓄積量の吸熱が高まるにつれ、熱ストレージモジュールから流出するキャリアガスの温度が上昇する。

【0010】

熱ストレージモジュールの出口のキャリアガスの温度が指定最低負荷温度に到達し又はこれを上回る場合、熱ストレージ列内の後続の熱ストレージモジュールにキャリアガスを供給し、これを使用してその熱ストレージモジュールに負荷を与える。このプロセスを、その後に負荷が与えられる熱ストレージ列の全ての熱ストレージモジュールについて繰り返す。その後、熱ストレージ列の最後に負荷を受けた熱ストレージモジュールからキャリアガスが放出され、例えば最低負荷温度の温度レベルまで冷却される。

【0011】

熱ストレージモジュールの負荷中にキャリアガスの温度が最低負荷温度未満に低下した場合、独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６（Ａ１）号から知られている動作手順では、負荷サイクル中にキャリアガスを再循環させる。低温のキャリアガスは、圧縮機又は送風機に供給されて圧縮され、圧縮後にガスヒータに戻される。キャリアガスは、そこで再び加熱された後に、熱ストレージ列のさらなる負荷に使用される。

【0012】

再循環中に圧縮機にキャリアガスを供給できる最大温度には、材料及び体積に関連する圧縮機への入口温度の制限が伴い、通常は２５０℃未満、とりわけ約２００℃である。また、キャリアガス温度が高くなると圧縮機の電力消費量も増加する。

【0013】

再循環中に圧縮機にキャリアガスが供給される最大温度は、熱ストレージモジュールに負荷を与えるために依然としてキャリアガスが使用される最低負荷温度をほんのわずかしか下回らない。この結果、許容最低負荷温度レベルにも許容圧縮機入口温度レベルが伴う。

【0014】

本出願人によるシミュレーション計算では、再生式蓄熱装置システムの既知の動作方法を使用して（熱ストレージモジュールの数に応じて）４０％～６０％の最大熱ストレージモジュール利用率を達成できることが確認された。このことは、蓄熱装置の循環動作（負荷／無負荷）を意味する。本発明によれば、「貯蔵タンク装置の利用率」は、例えば１，２００℃での理論的最大可能エネルギー含量に基づく、貯蔵タンクの放出中に熱風の生成に積極的に利用できる貯蔵タンクのエネルギー含量を意味するものと理解される。再生式蓄熱装置システムの既知の動作方法ではこの利用率が低く、蓄積材料の大部分が熱エネルギーの能動的貯蔵に使用されないため、エネルギー貯蔵のコストが増加する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【文献】独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明の目的は、再生式蓄熱装置の動作方法、蓄熱装置、及び負荷ピークのバランスを保ち、及び／又は特に電気エネルギーを分散生成し、及び／又は加熱キャリアガスの熱を利用する方法を提供することであり、上述したタイプのいずれの場合にも、これらは蓄熱装置の動作モードの改善、特に蓄熱装置のシステムコンポーネントの機械的熱負荷が低い循環動作における蓄熱装置の利用率の高さを特徴とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上述した目的は、請求項１の特徴を有する再生式蓄熱装置の動作方法、請求項９の特徴を有する蓄熱装置、及び請求項１０の特徴を有する、電気エネルギーの生成において負荷ピークのバランスを保ち、及び／又は特に電気エネルギーを分散生成し、及び／又は加熱キャリアガスからの熱を利用する方法によって達成される。本発明の有利な実施形態は、下位請求項の主題である。

【0018】

本発明による再生式蓄熱装置システムの動作方法では、圧縮機入口における許容目標温度を上回る、熱ストレージモジュールに負荷を与えるための最低キャリアガス負荷温度を決定又は指定する。キャリアガスは、熱ストレージモジュールに負荷を与えて熱ストレージモジュールから離れた後に少なくとも最低負荷温度を有する場合、独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６（Ａ１）号から知られている熱ストレージ列の後続の熱ストレージモジュールに負荷を与えるためのプロセスと同様に使用される。しかしながら、キャリアガス温度が最低負荷温度を下回る場合、キャリアガスは圧縮機を介してガスヒータに循環され、再び加熱された後に熱ストレージ列の（別の）少なくとも１つの熱ストレージモジュールの負荷（チャージ）に使用される。本発明による動作手順を実行するために、測定装置、制御装置及び／又は調整装置が設けられる。この場合、負荷サイクル中に熱ストレージモジュールから出た後にキャリアガスの温度が測定され、指定最低負荷温度（設定点）と比較される。この結果、キャリアガスの温度に応じて、キャリアガスの体積流量及び流れ制御が好適な制御弁及び／又は調整弁によって制御及び／又は調整される。

【0019】

圧縮機への入口温度は、材料及び体積に起因する許容設定点温度に制限されるので、本発明では、再循環されるキャリアガスのキャリアガス温度が圧縮機入口における許容設定点温度を上回る場合、負荷サイクル中の循環中に再循環するキャリアガスを冷却する。

【0020】

発明の動作方法は、多くの利点を伴う。一方で、最低負荷温度が高ければ、説明する蓄積装置の最大利用率も高くなる。本発明に関連して行ったシミュレーション計算では、例えば５つの熱ストレージモジュール及び７６０℃の放出温度の場合に、蓄熱装置の最大利用率が最大８５％に到達できることが証明された。さらなる熱ストレージモジュールは、この利用率を９０％超にまで高めることができる。本発明によれば、蓄積材料の大部分を熱エネルギーの能動的貯蔵に使用できるので、蓄積装置の利用率が高まれば蓄熱コストも削減される。再循環するキャリアガスを圧縮機に入る前に冷却すると、より安価な機械を使用できるようになるとともに圧縮機の低い電力消費量も保証される。

【0021】

熱ストレージ列の最後の熱ストレージモジュールの出口におけるキャリアガス温度は、最低負荷温度に対応できることが好ましい。この温度は、負荷のために最後の熱ストレージモジュールに供給されるキャリアガスの体積流量を適切に制御及び／又は調整することによって設定することができる。

【0022】

放出サイクルでは、具体的には冷気である低温キャリアガスが熱ストレージ列の少なくとも１つの熱負荷を受けた熱ストレージモジュール、好ましくは熱ストレージ列の複数の後続の熱ストレージモジュールを通過し、低温キャリアガスへの熱伝達によってこれらの熱ストレージモジュールが放熱され、熱ストレージモジュールの放熱中に低温キャリアガスが加熱され、その後にさらなる使用、特に電気エネルギーの生成及び／又は熱利用のために使用することができる。

【0023】

本発明によれば、最低負荷温度は２５０℃を上回り、好ましくは３５０℃を上回り、さらに好ましくは３５０℃～６００℃であり、特に好ましくは約４００℃～５００℃であることができる。圧縮機入口における最低負荷温度と設定点温度との間の温度差は、好ましくは１００℃を上回り、さらに好ましくは１５０℃を上回ることができる。これにより、貯蔵タンク装置の放出時にもさらに高温に達することができ、従って高利用率を達成することができる。

【0024】

本発明による蓄熱装置では、キャリアガスの流路内に、循環中にキャリアガスを冷却するための、熱ストレージ列と圧縮機との間に配置された少なくとも１つの伝熱装置が設けられる。キャリアガスは、圧縮キャリアガスがガスヒータに入る前に予熱されるように、ガスヒータに戻った圧縮キャリアガスへの熱伝達によって再循環プロセス中に冷却されることが好ましい。復熱装置による間接的熱伝達を行うことにより、圧縮機入口の手前及び圧縮機出口後の冷却ループを介して、再循環されるキャリアガス間の熱伝達を行うこともできる。冷却剤として熱媒油を使用することができる。また、熱伝達は、好ましくは短い切り替え時間を可能にするユングストローム再生器などの回転式熱交換器である再生器を使用して行うこともできる。直接的な熱交換及び再生器を介した熱交換では、さらに高い最低負荷温度が可能になり、これによってさらに利用率が高まるとともに、貯蔵システムの放出時の温度も高くなる。

【0025】

復熱装置及び／又は再生器を使用する際には、４００℃を上回る最低負荷温度を指定することができる。一方で、熱媒油を冷却剤として使用する冷却回路を介した熱交換は、４００℃未満の最低負荷温度を可能にすることができる。

【0026】

キャリアガスが圧縮機に入る前に、再循環するキャリアガスの多段冷却を行うこともできる。この文脈では、ガスヒータに戻った圧縮キャリアガスへの熱伝達によって、例えば６０℃を上回る、好ましくは８０℃～１００℃の温度などの、圧縮機入口における設定点温度を上回る温度までしかキャリアガスを冷却することができない。圧縮機の上流の上述したタイプの第１の伝熱装置の後の冷却キャリアガスの流路内に少なくとも１つのさらなる熱交換装置を設けて、ガスヒータに戻った圧縮キャリアガスへの熱伝達後にキャリアガスがこのさらなる伝熱装置において圧縮機入口における設定温度まで冷却されるようにすることができる。従って、圧縮機入口における所定の設定温度を安全に維持することができる。このさらなる伝熱装置は、例えば間接的熱伝達の場合にキャリアガスからの熱が冷却剤、特に水に伝達される復熱装置とすることができる。

【0027】

圧縮機入口における目標温度は、７０℃未満、好ましくは６０℃未満、さらに好ましくは５０℃以下とすることができる。

【0028】

また、本発明のさらなる好ましい実施形態では、キャリアガスの温度を制御するために、再循環されるキャリアガスが、再循環システムでの負荷サイクル中に圧縮機に入る前に、ガスヒータからの高温キャリアガスと組み合わせられる。特に、再循環サイクル中に圧縮機に供給されるキャリアガスの温度を基本的に一定に保つことができ、これによって圧縮機の制御が単純化される。また、キャリアガスが実質的に一定の温度レベルでガスヒータに供給され、このことも有利である。

【0029】

以下の図面に基づく設計例の説明及び図面自体からは、本発明のさらなる特徴、利点及び可能な用途が明らかになる。説明する及び／又は図形で表す全ての特徴は、特許請求の範囲におけるこれらの要約又はこれらの逆の関係にかかわらず、単独で又はいずれかの組み合わせで本発明の主題を形成する。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】再生式蓄熱装置の既知の動作プロセスの概略的プロセスフローチャートである。

【図2】本発明による再生式蓄熱装置の動作プロセスの概略的プロセスフローチャートである。

【図3】本発明の第１の実施形態によるプロセスにおいて循環キャリアガスを冷却する伝熱装置の概略的プロセスフローチャートである。

【図4】本発明の第２の実施形態によるプロセスにおいて循環キャリアガスを冷却する伝熱装置の概略的プロセスフローチャートである。

【図5】本発明の第３の実施形態によるプロセスにおいて循環キャリアガスを冷却する伝熱装置の概略的プロセスフローチャートである。

【図6】蓄熱装置の蓄積列の第１の熱ストレージモジュールの負荷中の、図２に示す再生式蓄熱装置の動作プロセスの概略的部分プロセスフロー図である。

【図7】蓄熱装置の蓄積列の第１の熱ストレージモジュール及び後続の第２の熱ストレージモジュールの負荷中の、図２に示す再生式蓄熱装置の動作方法の概略的部分プロセスフロー図である。

【図8】熱ストレージ列において後続する蓄熱装置の蓄積列の第２の熱ストレージモジュール及び第３の熱ストレージモジュールの負荷中の、図２に示す再生式蓄熱装置の動作方法の概略的部分プロセスフロー図である。

【図9】熱ストレージ列において後続する蓄熱装置の蓄積列の第３の熱ストレージモジュール及び第４の熱ストレージモジュールの負荷中の、図２に示す再生式蓄熱装置の動作方法の概略的部分プロセスフロー図である。

【図10】熱ストレージ列の最後の熱ストレージモジュールの最終負荷のための、図２に示す本発明に関連するプロセスの概略的部分プロセスフローチャートである。

【図11】熱ストレージ列の少なくとも２つの熱ストレージモジュールの最終負荷のための、図２に示す本発明に関連するプロセスの概略的部分プロセスフローチャートである。

【図12】熱ストレージモジュールの最低負荷温度を高め、キャリアガスが熱ストレージ列から離れた後に圧縮機の手前でキャリアガスを冷却することによって、熱ストレージ列の利用率が高まることを示す温度プロファイルである。

【図13】熱ストレージモジュールの最低負荷温度を高め、キャリアガスが熱ストレージ列から離れた後に圧縮機の手前でキャリアガスを冷却することによって、熱ストレージ列の利用率が高まることを示す温度プロファイルである。

【図14】熱ストレージモジュールの最低負荷温度を高め、キャリアガスが熱ストレージ列から離れた後に圧縮機の手前でキャリアガスを冷却することによって、熱ストレージ列の利用率が高まることを示す温度プロファイルである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１に、具体的には空気であるキャリアガス３を加熱するための少なくとも１つのガスヒータ２と、一例として直列に接続された４つのさらなる熱ストレージモジュール５～８を有する熱ストレージ列４とを含む既知の蓄熱装置１を示す。言うまでもなく、４つの熱ストレージモジュール５～８よりも多くの又は少ない熱ストレージモジュールで熱ストレージ列４を形成することもできる。

【0032】

送風機又は圧縮機６も設けられる。

【0033】

蓄熱装置１は、開示書類である独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６（Ａ１）号に記載される蓄熱装置に対応することができ、この開示書類に記載される手順に従って動作することができる。独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６（Ａ１）号の開示内容は、蓄熱装置１のタイプ及び設計、並びに既知の動作手順の両方に関して本明細書の開示内容に完全に含まれる。

【0034】

熱ストレージモジュール５～８の負荷サイクル中又は負荷プロセス中には、１，０００℃を上回る、具体的には１，２００℃の高温加熱空気が、例えば電気的に加熱されたガスヒータ２からのキャリアガス３として最初に熱ストレージ列４の第１の蓄熱熱ストレージモジュール５に入る。キャリアガス３からの熱は、熱ストレージモジュール５を流れるにつれて蓄積材料に伝わる。キャリアガス３は、最初に第１の熱ストレージモジュール５を低温のままにしておくことができる。

【0035】

第１の熱ストレージモジュール５が満たされるにつれて、熱ストレージモジュール５の出口におけるキャリアガス３の温度が上昇し、すなわち熱ストレージモジュール５から離れる空気は、第１の熱ストレージモジュール５の負荷が高まるにつれて温度を変化させる。第１の熱ストレージモジュール５の負荷後にキャリアガス温度Ｔが熱ストレージ列４内の後続の熱ストレージモジュール６の指定最低負荷温度ＴＭを上回る場合、或いは少なくとも最低負荷温度ＴＭに達している場合、キャリアガス３は、負荷のために後続の熱ストレージモジュール６に供給される。一方で、キャリアガス温度Ｔが最低負荷温度ＴＭを下回る場合にはキャリアガス３の再循環が行われ、これによってキャリアガス３が圧縮機６に供給され、圧縮後にガスヒータ２に戻されて新たに加熱され、その後に熱ストレージモジュール５～８の（さらなる）負荷に使用される。

【0036】

既知のプロセスでは、圧縮機６の入口における材料及び体積に関連する目標温度の制限によって最低負荷温度が決定され、例えばこの温度は２００℃～２５０℃とすることができる。

【0037】

上述した後続の熱ストレージモジュール６～８の負荷は、説明した熱ストレージモジュール５の負荷手順に対応する。最後の熱ストレージモジュール８の出口におけるキャリアガス３の温度Ｔは、最低負荷温度ＴＭに対応することができる。

【0038】

図２に、再生式蓄熱装置９の新たな動作方法を示しており、ここでは図１及び図２に示す蓄熱装置１、９と構造的及び／又は機能的に同一のユニット、装置又はアセンブリを同じ参照記号で識別する。

【0039】

図１に示す既知の蓄熱装置１とは異なり、図２の蓄熱装置９は、熱ストレージ列４と圧縮機６との間のキャリアガス３の流路内に、概略的に示す伝熱装置１０を有する。これにより、再循環するキャリアガス３を圧縮機６に入る前に冷却し、従って熱ストレージ列４内の第１の熱ストレージモジュール５の後にさらなる熱ストレージモジュール６、７、８に負荷を与える際に例えば４００℃以上のさらに高い最低負荷温度ＴＭを提供することができ、これによって最低負荷温度が圧縮機入口における許容目標温度を上回るようになる。圧縮機の入口温度は、例えばわずか５０℃～６０℃とすることができる。

【0040】

図２に示す蓄熱装置９でも、キャリアガス温度Ｔが後続の熱ストレージモジュール６、７、８の最低負荷温度ＴＭを下回る場合、負荷サイクル中にキャリアガス３の循環が行われ、循環中にキャリアガス３が圧縮機６に供給され、圧縮後にガスヒータ２に戻されて新たに加熱される。材料及び／又は体積に関連する圧縮機６への入口温度の制限を満たして低い圧縮機入口温度を達成するために、キャリアガス温度Ｔが圧縮機入口における特定の設定点温度を上回る場合、キャリアガス３は、再循環プロセス中に圧縮機６に入る前に伝熱装置１０内で冷却される。図１で説明した既知の動作方法と比べて最低負荷温度ＴＭを高めることによってさらに高い蓄熱装置９の利用率を達成することができ、すなわちガスヒータ２からの出口における一定の加熱キャリアガス３の温度での理論的に可能なエネルギー含量又は最大可能エネルギー含量に対する貯蔵ユニットの実際に利用可能なエネルギー含量の割合を高めることができる。従って、新たな動作方法での蓄熱装置９の利用率は８０％を上回り、好ましくは８５％を上回り、とりわけ９０％を上回ることができる。

【0041】

また、図２から分かるように、キャリアガス３は、ガスヒータ２に戻る圧縮キャリアガス３への熱伝達によって伝熱装置１０内で冷却される。熱ストレージ列４からの（圧縮機６に供給される前の）暖かいキャリアガス３と（圧縮機６から離れた後の）冷たいキャリアガス３との間の熱伝達は、熱透過壁（図３）によってキャリアガス流を空間的に分離し、又は冷却剤ループ１１をもたらし（図４）、熱媒油を冷却剤として使用できる（単複の）復熱装置によって間接的に実行することができる。図５によれば、この熱伝達は、時間遅延を伴って２つのキャリアガス流を蓄熱器に接触させる半間接的なものとすることもできる。このクラスの熱交換器は再生器である。図２～図５には、伝熱装置１０内で伝えられる熱流を矢印１２によって概略的に示す。

【0042】

キャリアガス３をさらに冷却して、圧縮機６に入る前のキャリアガス３が圧縮機入口の設定温度を超えないことを確実にするために、圧縮機６の手前のキャリアガス３の流路内に少なくとも１つのクーラー１３を設けることもできる。

【0043】

図２にさらに示すように、ガスヒータ２からの高温キャリアガス３、及び後続の熱ストレージモジュール６、７、８に負荷を与えるための最低負荷温度を下回るキャリアガス温度を有する、熱ストレージモジュール５～８から再循環するキャリアガス３は、制御弁１４を介して混合される。キャリアガスの体積流量は、例えば最低負荷温度の範囲内の、さらに例えば約４００℃～５００℃の範囲内の一定温度が混合点において達成されるように互いに整合される。キャリアガス３が伝熱装置１０に入る手前には、キャリアガス３の温度の測定と、混合点における制御弁１４によるキャリアガス温度の制御とを行う温度測定装置１５を設けることができる。この結果、キャリアガス３は、圧縮機入口の設定点温度を上回る一定の温度レベルで伝熱装置１０に供給され、例えば圧縮機６からのさらに冷たいキャリアガス３との対向流で冷却することができる。その後、このようにして予熱された圧縮キャリアガス３を、ガスヒータ２を介して再び熱ストレージ列に結合して（さらなる）負荷に使用することができる。

【0044】

キャリアガス温度を一定に保つことにより、圧縮機６のプロセス工学的要件及び制御労力が軽減される。また、ガスヒータ２の上流の一定のキャリアガス温度３は、ガスヒータ２の動作モード及びコストに好影響を与える。

【0045】

図６～図１０に、図２に示す蓄熱装置９の熱ストレージ列４の負荷を概略的に示しており、図６は、熱ストレージ列４の第１の熱ストレージモジュール５の負荷を表し、図７は、最初の２つの熱ストレージモジュール５、６の負荷を表し、図８は、第２の熱ストレージモジュール６及び第３の熱ストレージモジュール７の負荷を表す。図８に示す負荷状態では、第１の熱ストレージモジュール５は既に完全に負荷を受けており、６００～１，０００℃の、好ましくは８００℃の蓄積温度を有することができる。図８には、第１の熱ストレージモジュール５が既に完全に負荷を受けている時の、第１の熱ストレージモジュール５を通過したキャリアガス３の迂回路を示す。その後、熱ストレージモジュール５は停止する。原則として、迂回路ガイドを設けずに、たとえ既に完全に負荷を受けている場合でも、依然として高温キャリアガス３が熱ストレージモジュール５～７を流れることも可能である。これにより、負荷を受けた熱ストレージモジュール５～７の蓄積温度を指定目標温度に保つことができる。

【0046】

図９には、最初の２つの熱ストレージモジュール５、６が既に完全に負荷を受けた第３の熱ストレージモジュール７及び第４の熱ストレージモジュール８の負荷プロセスを示す。ここでも、完全に負荷を受けた２つの熱ストレージモジュール５、６を通過したキャリアガス３のルートを必ずしも迂回路ガイドによって設定する必要はない。キャリアガス流は、特に伝熱装置１０に入る前に測定されたキャリアガス温度に応じて、好ましくは制御可能である好適な弁によって導かれる。

【0047】

図１０及び図１１には、熱ストレージ列４の放出の一例及び概略図を示しており、図１０には熱ストレージ列の最後の熱ストレージモジュール８の放出を示し、図１１には最後の２つの熱ストレージモジュール７、８の放出を示す。放出プロセス中には、最後の熱ストレージモジュール８から開始して低温キャリアガス３が熱ストレージ列４を流れ、図示の消費者１８に加熱キャリアガス３が供給される。消費者１８に供給される高温キャリアガス３の温度を測定するさらなる温度測定装置１７が設けられる。高温キャリアガス３の温度の制御及び／又は調整は、個々の熱ストレージモジュール７、８からのキャリアガス３の体積流量を決定する制御弁１６を介して行うことができる。放出プロセスは、基本的に独国特許出願公開第１０２０１４０１７３４６（Ａ１）号に記載されるように行うことができる。

【0048】

放出中に加熱されたキャリアガス３は、発電のために蒸気動力プロセスにおいて、特にガス膨張プロセスと組み合わせて使用することができ、及び／又は放出プロセス中に取得された高温キャリアガス３は、プロセス蒸気及び／又は地域熱生成のために、及び／又は予熱プロセスに熱を注入するために使用することができる。

【0049】

図６～図９に示すように、キャリアガス３は、後続の熱ストレージモジュール６、７、８の、及び後続の熱ストレージモジュール６（図６）、７（図７）、８（図８）に負荷を与えるための指定最低負荷温度を下回り、代わりに回路内で伝熱装置１０、１３を介して圧縮機６に供給されて圧縮され、その後にガスヒータ２に戻される場合、ガスヒータ２からの高温キャリアガス３と混合される。図９によれば、キャリアガス３は、好ましくは最低負荷温度に対応する、或いはこれよりも高い又は低い温度とすることができるキャリアガス温度で熱ストレージ列４の最後の熱ストレージモジュール８から排出される。いずれの場合にも、伝熱装置１０、１３は、キャリアガス３が設定温度まで冷却された後に圧縮機入口に存在することを確実にする。一方で、熱ストレージ列４の最後の熱ストレージモジュール８の出口におけるキャリアガス温度が最低負荷温度未満の温度レベルである場合、伝熱装置１０に入る前に、ガスヒータ２からの高温キャリアガス３を供給することによって一定のさらに高いキャリアガス温度、とりわけ最低負荷温度を設定することができる。このことは、他の熱ストレージモジュール５、６、７にも適宜に当てはまる。

【0050】

キャリアガス温度が熱ストレージ列４のそれぞれの下流の熱ストレージモジュール６、７、８の最低負荷温度を下回り、再加熱のためにキャリアガス３の循環が必要である場合、上流の熱ストレージモジュール５、６、７のうちの１つからのキャリアガス３の混合にも同じことが当てはまる。熱交換モジュール５～８から排出されるキャリアガス３は、ガスヒータ２からの高温キャリアガス３と混合することによって加熱することができ、伝熱装置１０に入る前に所定の、特に一定のキャリアガス温度を設定することができる。

【0051】

図１２～図１４に、シミュレーション結果に基づいて、再循環プロセス中にキャリアガス３が熱ストレージ列４から離れた後、伝熱装置１０内の圧縮機６に入る手前で上述したようにキャリアガス３を冷却することにより、特にガスヒータ２に戻った圧縮キャリアガス３への熱伝達によって熱ストレージ列のエネルギー利用率が大幅に増加し得ることを示しており、このことは対応する必要な蓄積量の減少に関連する。

【0052】

図１２には、圧縮機に入る前にキャリアガスを冷却しない場合の、５つの蓄熱器を含む蓄熱装置の温度プロファイルを示す。負荷の最後又は熱ストレージ列からの出口及び圧縮機への入口に対するキャリアガスの最大温度差は１５０℃である。３５％の利用率を特定することができる。蓄熱タンク列が最終的に消費目的で負荷を受けると、キャリアガスは７６０℃の温度に達する。

【0053】

図１３には、サイクル中に圧縮機に入る前に伝熱装置内で圧縮キャリアガスへの熱伝達によって上述したようにキャリアガスを冷却した場合の、５つの蓄熱器を含む蓄熱装置の温度プロファイルを示す。熱ストレージアレイが負荷を受けると、キャリアガスは５００℃の温度で排出され、この温度レベルで伝熱装置に供給される。圧縮機の入口温度は、例えば５０℃の一定である。８４％の利用率を特定することができる。無負荷中のキャリアガスの温度は７６０℃である。

【0054】

図１４には、やはりサイクル中に圧縮機に入る前に伝熱装置内でガスヒータに戻った圧縮キャリアガスへの熱伝達によってキャリアガスを冷却した場合の、５つの蓄熱器を含む蓄熱装置の温度プロファイルを示す。熱ストレージ列からのキャリアガスの出口温度は５００℃である。キャリアガスは、この温度レベルで伝熱装置に供給される。例えば、圧縮機に対する温度は一定の５０℃である。７６％の利用率を特定することができる。放出時のキャリアガスの温度は９５０℃であり、これにより消費者に対して長期にわたって高温レベルを維持することができる。

【符号の説明】

【0055】

１ 蓄熱装置
２ ガスヒータ
３ キャリアガス
４ 熱ストレージ列
５ 熱ストレージモジュール
６ 熱ストレージモジュール
７ 熱ストレージモジュール
８ 熱ストレージモジュール
９ 蓄熱装置
１０ 伝熱装置
１１ 冷却剤ループ
１２ 熱流
１３ クーラー
１４ 弁
１５ 温度測定装置
１６ 弁
１７ 温度測定装置
１８ 消費者

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】