特許 7557227 エネルギー貯蔵プラント

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-18

(45)【発行日】2024-09-27

(54)【発明の名称】エネルギー貯蔵プラント

(51)【国際特許分類】

   F01K 3/02 20060101AFI20240919BHJP

   H02J 15/00 20060101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

F01K3/02 C

H02J15/00 E

H02J15/00 H

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023218168

(22)【出願日】2023-12-25

【審査請求日】2023-12-25

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】523260277

【氏名又は名称】ＥＳＲＥＥ Ｅｎｅｒｇｙ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001139

【氏名又は名称】ＳＫ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100130328

【弁理士】

【氏名又は名称】奥野 彰彦

(74)【代理人】

【識別番号】100130672

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 寛之

(72)【発明者】

【氏名】岩田 貴文

【審査官】所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２３－１１０９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０９０５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０２９４２４９２（ＥＰ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ １５／００

Ｆ０１Ｋ ３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱を貯蔵することにより充電を行うエネルギー貯蔵プラントであって、
作動流体を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機を駆動する電動機と、
前記作動流体を冷却又は加熱する第１熱交換器と、
前記作動流体を膨張させる膨張手段と、
前記作動流体を加熱する加熱手段と、
前記作動流体同士で熱交換器を行う予熱用熱交換器と、
前記第１熱交換器において前記作動流体と熱交換する第１蓄熱用媒体を貯蔵する第１蓄熱タンク及び第２蓄熱タンクと、
外部熱源による熱を前記第２蓄熱タンク内に貯蔵するための外部熱回収手段と、
を備え、
前記外部熱回収手段により前記外部熱源による熱を前記第２蓄熱タンク内に貯蔵する外部熱貯蔵過程と、前記充電を行う充電過程とを実行するよう構成されており、
前記充電過程において、
前記作動流体を前記予熱用熱交換器により予熱し、前記予熱された前記作動流体を前記圧縮機により圧縮し、前記圧縮された前記作動流体を前記第１熱交換器により冷却し、前記冷却された前記作動流体を前記予熱用熱交換器により再冷却し、前記再冷却された前記作動流体を前記膨張手段により膨張させ、前記膨張した前記作動流体を前記加熱手段により加熱して、前記予熱用熱交換器に戻すヒートポンプ回路を構成し、かつ、
前記第２蓄熱タンクに貯蔵されていた前記第１蓄熱用媒体を前記第１熱交換器における熱交換により加熱して、前記第１蓄熱タンク内に貯蔵する、
エネルギー貯蔵プラント。

【請求項2】

請求項１に記載のエネルギー貯蔵プラントであって、
前記第１蓄熱用媒体を貯蔵する第３蓄熱タンクをさらに備え、
前記外部熱回収手段は、前記第３蓄熱タンクと前記第２蓄熱タンクの間に配置される排熱回収熱交換器を備え、
前記外部熱貯蔵過程において、前記第３蓄熱タンクに貯蔵されていた前記第１蓄熱用媒体を前記排熱回収熱交換器において前記外部熱源により加熱して、前記第２蓄熱タンク内に貯蔵する、
エネルギー貯蔵プラント。

【請求項3】

請求項１に記載のエネルギー貯蔵プラントであって、
前記第１蓄熱用媒体を貯蔵する第３蓄熱タンクと、前記作動流体を冷却又は加熱する第１補助熱交換器と、をさらに備え、
前記第１補助熱交換器は、前記予熱用熱交換器の高圧側のラインと並列に接続され、
前記充電過程において、前記第１熱交換器により冷却された前記作動流体の一部を、前記予熱用熱交換器ではなく前記第１補助熱交換器により再冷却し、かつ、
前記充電過程において、前記第３蓄熱タンクに貯蔵されていた前記第１蓄熱用媒体を前記第１補助熱交換器における熱交換により加熱して、前記第２蓄熱タンク内に貯蔵する、
エネルギー貯蔵プラント。

【請求項4】

請求項３に記載のエネルギー貯蔵プラントであって、
前記作動流体同士で熱交換器を行う中央熱交換器を備え、
前記充電過程において、
前記第１補助熱交換器及び前記予熱用熱交換器により再冷却された前記作動流体を、前記中央熱交換器により再々冷却し、前記加熱手段により加熱された前記作動流体を、前記中央熱交換器により再加熱する、
エネルギー貯蔵プラント。

【請求項5】

請求項１～請求項４のいずれかに記載のエネルギー貯蔵プラントであって、
前記加熱手段は、前記作動流体を冷却又は加熱する第２熱交換器を備えており、
前記第２熱交換器と接続されるとともに、当該第２熱交換器において前記作動流体と熱交換する第２蓄熱用媒体を介して前記作動流体の冷熱を蓄熱する第４蓄熱タンクをさらに備え、
前記充電過程において、前記第２熱交換器における熱交換により冷却された前記第２蓄熱用媒体を前記第４蓄熱タンク内に貯蔵する、
エネルギー貯蔵プラント。

【請求項6】

請求項３に記載のエネルギー貯蔵プラントであって、
貯蔵された熱を用いて前記作動流体の膨張により放電を行うよう構成され、
前記作動流体を加圧するポンプと、
前記作動流体が膨張することにより作動する第１膨張機と、
前記第１膨張機により駆動される第１発電機と、
前記作動流体が膨張することにより作動する第２膨張機と、
前記第２膨張機により駆動される第２発電機と、
前記作動流体を冷却又は加熱する第２熱交換器と、
前記作動流体の熱を放熱する放熱器と、
前記作動流体を加圧する補助ポンプと、
をさらに備え、
放電過程において放電を行うよう構成され、
前記放電過程において、
前記作動流体を前記ポンプにより加圧し、前記加圧された前記作動流体を前記第１補助熱交換器及び前記第１熱交換器により加熱し、前記加熱された前記作動流体を前記第１膨張機により膨張させて前記第１発電機を駆動し、前記膨張した前記作動流体を前記第２膨張機により再膨張させて前記第２発電機を駆動し、前記再膨張した前記作動流体を前記第２熱交換器により冷却し、前記冷却された前記作動流体を前記ポンプに戻す第１放電回路が構成され、
さらに、前記作動流体を前記補助ポンプにより加圧し、前記加圧された前記作動流体を前記第１熱交換器により加熱し、前記加熱された前記作動流体を前記第１膨張機により膨張させて前記第１発電機を駆動し、前記膨張した前記作動流体を前記放熱器により冷却し、前記冷却された前記作動流体を前記補助ポンプに戻す第２放電回路が構成され、
さらに、前記第１熱交換器における熱交換により冷却された前記第１蓄熱用媒体を前記第２蓄熱タンク内に貯蔵し、
前記第１補助熱交換器における熱交換により冷却された前記第１蓄熱用媒体を前記第３蓄熱タンク内に貯蔵する、
エネルギー貯蔵プラント。

【請求項7】

請求項６に記載のエネルギー貯蔵プラントであって、
前記作動流体同士で熱交換器を行う中央熱交換器を備え、
前記放電過程の前記第１放電回路において、
前記ポンプにより加圧された前記作動流体を、前記中央熱交換器により予熱し、
前記第２膨張機により再膨張させられた前記作動流体を、前記中央熱交換器により予冷する、
エネルギー貯蔵プラント。

【請求項8】

請求項６又は請求項７に記載のエネルギー貯蔵プラントであって、
前記加熱手段は、前記第２熱交換器と接続されるとともに、前記第２熱交換器において前記作動流体と熱交換する第２蓄熱用媒体を貯蔵する第４蓄熱タンクと備え、
前記充電過程において、前記第２熱交換器における熱交換により冷却された前記第２蓄熱用媒体を前記第４蓄熱タンク内に貯蔵し、
前記放電過程の前記第１放電回路において、前記第４蓄熱タンク内に貯蔵された前記第２蓄熱用媒体が前記第２熱交換器において前記作動流体を冷却する、
エネルギー貯蔵プラント。

【請求項9】

請求項１～請求項４、請求項６、請求項７のいずれかに記載のエネルギー貯蔵プラントであって、
前記作動流体は二酸化炭素である、エネルギー貯蔵プラント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱によりエネルギーを貯蔵するエネルギー貯蔵プラントに関する。

【背景技術】

【0002】

太陽光発電や風力発電などの変動性再生可能エネルギーによる発電では、日射状況や風況により、その発電出力が大きく変動する。例えば、太陽光発電は夜には発電できないし、昼間であっても雨天や曇天の場合は発電出力が小さい。風力発電も同様で、風向きや風速の変化により、発電出力が変動する。

【0003】

他方で、電力の周波数を一定の範囲に保ち、電力システムを安定化させるためには、電力が供給される地域内において常に電力の需要と供給が釣り合うようにする必要がある。

【0004】

このような変動性再生可能エネルギーの発電出力を平滑化又は平準化する技術としては、余剰発電電力が生じた際に電気を蓄えておき電力不足時に電気を補う蓄電池が代表的であるが、その他にも、圧縮空気貯蔵や重力蓄電、熱貯蔵による蓄電などの技術が知られている。

【0005】

熱貯蔵による蓄電は一般的にカルノーバッテリーと呼ばれ、リチウムイオン電池等の蓄電池による蓄電よりも低コスト化を図ることができる一方、充放電効率に課題があると言われている。カルノーバッテリーの一種として、なるべく高い充放電効率を実現するため、電気を熱に変えてエネルギーを貯蔵する際にはヒートポンプサイクルを用い、熱を電気に変えて放電する際には、その逆のサイクルを用いる技術が研究されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】米国特許第11187112号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ヒートポンプサイクルを用いたカルノーバッテリーの研究開発においては、充放電効率をどのように向上させるかが検討されている。そこで、外部の熱、例えば、100℃未満の産業排熱などの外部熱源を補助的に用いる方法が検討されている。しかしながら、外部の熱を補助的に用いる場合には、外部の熱が利用可能な時間帯に充電を行うか、外部の熱を貯蔵するための補助的な蓄熱槽を設置することが必要となる。外部の熱を貯蔵するための補助的な蓄熱槽を設置すれば、その分だけエネルギー密度の低下やコスト上昇を招いてしまう。

【0008】

本発明は、熱貯蔵によるエネルギー貯蔵プラントにおいて、なるべく簡易的な構成によって、外部の熱を充放電効率向上のために活用することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明によれば、熱を貯蔵することにより充電を行うエネルギー貯蔵プラントであって、作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を駆動する電動機と、前記作動流体を冷却又は加熱する第１熱交換器と、前記作動流体を膨張させる膨張手段と、前記作動流体を加熱する加熱手段と、前記作動流体同士で熱交換器を行う予熱用熱交換器と、前記第１熱交換器において前記作動流体と熱交換する第１蓄熱用媒体を貯蔵する第１蓄熱タンク及び第２蓄熱タンクと、外部熱源による熱を前記第２蓄熱タンク内に貯蔵する外部熱回収手段と、を備え、前記外部熱回収手段により前記外部熱源による熱を前記第２蓄熱タンク内に貯蔵する外部熱貯蔵過程と、前記充電を行う充電過程とを実行するよう構成されており、前記充電過程において、前記作動流体を前記予熱用熱交換器により予熱し、前記予熱された前記作動流体を前記圧縮機により圧縮し、前記圧縮された前記作動流体を前記第１熱交換器により冷却し、前記冷却された前記作動流体を前記予熱用熱交換器により再冷却し、前記再冷却された前記作動流体を前記膨張手段により膨張させ、前記膨張した前記作動流体を前記加熱手段により加熱して、前記予熱用熱交換器に戻すヒートポンプ回路を構成し、かつ、前記第２蓄熱タンクに貯蔵されていた前記第１蓄熱用媒体を前記第１熱交換器における熱交換により加熱して、前記第１蓄熱タンク内に貯蔵する、エネルギー貯蔵プラントが提供される。

【0010】

この構成によれば、外部熱源による熱を第２蓄熱タンクに貯蔵することで、外部熱源による熱を貯蔵するための補助的な蓄熱槽を用いずとも、外部熱源の熱を貯蔵し、活用することができる。

【0011】

これは、充電過程において、圧縮された作動流体によって第１蓄熱用媒体を加熱する際に必要な熱量が外部熱源により減少することにより、その余った熱によって、圧縮前の作動流体を予熱することができるためである。

【0012】

好ましくは、前記第１蓄熱用媒体を貯蔵する第３蓄熱タンクをさらに備え、前記外部熱回収手段は、前記第３蓄熱タンクと前記第２蓄熱タンクの間に配置される排熱回収熱交換器を備え、前記外部熱貯蔵過程において、前記第３蓄熱タンクに貯蔵されていた前記第１蓄熱用媒体を前記排熱回収熱交換器において前記外部熱源により加熱して、前記第２蓄熱タンク内に貯蔵する。

【0013】

この構成によれば、外部熱源により加熱された第１蓄熱用媒体を第２蓄熱タンクに、加熱前の第１蓄熱用媒体を第３蓄熱タンクにそれぞれ貯蔵することができる。第２蓄熱タンク内の第１蓄熱用媒体の温度が外部熱源による加熱で十分に上がっていないと、圧縮前の作動流体を十分に予熱することができない。そこで、この構成により、外部熱源による加熱で温度が十分上がった第１蓄熱用媒体のみを第２蓄熱タンクに貯蔵することを可能とする。

【0014】

好ましくは、前記第１蓄熱用媒体を貯蔵する第３蓄熱タンクと、前記作動流体を冷却又は加熱する第１補助熱交換器と、をさらに備え、前記第１補助熱交換器は、前記予熱用熱交換器の高圧側のラインと並列に接続され、前記充電過程において、前記第１熱交換器により冷却された前記作動流体の一部を、前記予熱用熱交換器ではなく前記第１補助熱交換器により再冷却し、かつ、前記充電過程において、前記第３蓄熱タンクに貯蔵されていた前記第１蓄熱用媒体を前記第１補助熱交換器における熱交換により加熱して、前記第２蓄熱タンク内に貯蔵する。

【0015】

この構成によれば、第１熱交換器により冷却された後の作動流体が持つ熱の一部を、第１蓄熱用媒体の加熱に利用することができる。これは、高圧側の作動流体と低圧側の作動流体とで比熱が異なるため、片側で余る熱を有効活用するための措置である。

【0016】

好ましくは、前記作動流体同士で熱交換器を行う中央熱交換器を備え、前記充電過程において、前記第１補助熱交換器及び前記予熱用熱交換器により再冷却された前記作動流体を、前記中央熱交換器により再々冷却し、前記加熱手段により加熱された前記作動流体を、前記中央熱交換器により再加熱する。

【0017】

この構成によれば、膨張手段により膨張する作動流体の温度を低下させることができる。これにより、充電過程が蒸気圧縮冷凍サイクルである場合、膨張手段での作動流体の膨張を液相のみで行うことができる場合があり、これにより、例えば、膨張手段になんらかの膨張機を用いて、一部の動力を回収する場合に、気液混合相で膨張を行うよりも動力回収が容易となる。

【0018】

好ましくは、前記加熱手段は、前記作動流体を冷却又は加熱する第２熱交換器を備えており、
前記第２熱交換器と接続されるとともに、当該第２熱交換器において前記作動流体と熱交換する第２蓄熱用媒体を介して前記作動流体の冷熱を蓄熱する第４蓄熱タンクをさらに備え、
前記充電過程において、前記第２熱交換器における熱交換により冷却された前記第２蓄熱用媒体を前記第４蓄熱タンク内に貯蔵する。

【0019】

この構成によれば、充電過程において作動流体が膨張手段により膨張させられたことにより発生する冷熱を貯蔵することができる。

【0020】

好ましくは、貯蔵された熱を用いて前記作動流体の膨張により放電を行うよう構成され、前記作動流体を加圧するポンプと、前記作動流体が膨張することにより作動する第１膨張機と、前記第１膨張機により駆動される第１発電機と、前記作動流体が膨張することにより作動する第２膨張機と、前記第２膨張機により駆動される第２発電機と、前記作動流体を冷却又は加熱する第２熱交換器と、前記作動流体の熱を放熱する放熱器と、前記作動流体を加圧する補助ポンプと、をさらに備え、放電過程において放電を行うよう構成され、前記放電過程において、前記作動流体を前記ポンプにより加圧し、前記加圧された前記作動流体を前記第１補助熱交換器及び前記第１熱交換器により加熱し、前記加熱された前記作動流体を前記第１膨張機により膨張させて前記第１発電機を駆動し、前記膨張した前記作動流体を前記第２膨張機により再膨張させて前記第２発電機を駆動し、前記再膨張した前記作動流体を前記第２熱交換器により冷却し、前記冷却された前記作動流体を前記ポンプに戻す第１放電回路が構成され、さらに、前記作動流体を前記補助ポンプにより加圧し、前記加圧された前記作動流体を前記第１熱交換器により加熱し、前記加熱された前記作動流体を前記第１膨張機により膨張させて前記第１発電機を駆動し、前記膨張した前記作動流体を前記放熱器により冷却し、前記冷却された前記作動流体を前記補助ポンプに戻す第２放電回路が構成され、さらに、前記第１熱交換器における熱交換により冷却された前記第１蓄熱用媒体を前記第２蓄熱タンク内に貯蔵し、記第１補助熱交換器における熱交換により冷却された前記第１蓄熱用媒体を前記第３蓄熱タンク内に貯蔵する。

【0021】

この構成によれば、第２蓄熱タンクに貯蔵された熱を用いて放電を行うことができる。特に、第２熱交換器おける冷却能力の制限等により第１放電回路のみでは第２蓄熱タンク内の熱が使いきれない場合に、第２放電回路でも放電を行うことにより、効率的に放電を行うことができる。

【0022】

好ましくは、前記作動流体同士で熱交換器を行う中央熱交換器を備え、前記放電過程の前記第１放電回路において、前記ポンプにより加圧された前記作動流体を、前記中央熱交換器により予熱し、前記第２膨張機により再膨張させられた前記作動流体を、前記中央熱交換器により予冷する。

【0023】

この構成によれば、放電過程の第１放電回路において、第２熱交換器にて作動流体を冷却する前に予冷を行うことができ、ポンプで圧縮する際の作動流体の状態を液相としやすくなる。

【0024】

好ましくは、前記加熱手段は、前記第２熱交換器と接続されるとともに、前記第２熱交換器において前記作動流体と熱交換する第２蓄熱用媒体を貯蔵する第４蓄熱タンクと備え、前記充電過程において、前記第２熱交換器における熱交換により冷却された前記第２蓄熱用媒体を前記第４蓄熱タンク内に貯蔵し、前記放電過程の前記第１放電回路において、前記第４蓄熱タンク内に貯蔵された前記第２蓄熱用媒体が前記第２熱交換器において前記作動流体を冷却する。

【0025】

この構成によれば、放電過程の第１放電回路において、第２熱交換器にて作動流体を冷却する際に、第４蓄熱タンクに貯蔵された第２蓄熱用媒体の冷熱を用いることができる。

【0026】

好ましくは、前記作動流体は二酸化炭素である。

【0027】

これにより、簡単に入手可能な作動流体により、エネルギー貯蔵を行うことが可能となる。

【発明の効果】

【0028】

本発明によれば、熱貯蔵によるエネルギー貯蔵プラントにおいて、なるべく簡易的な構成によって、外部の熱源を充放電効率向上のために活用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵プラントの概略構成図である。

【図2】図１のエネルギー貯蔵プラントの充電過程Ｓ１における作動流体の流路を示す説明図である。

【図3】図１のエネルギー貯蔵プラントの放電過程Ｓ２における作動流体の流路を示す説明図である。

【図4】図１のエネルギー貯蔵プラントの外部熱貯蔵過程Ｓ３における排熱回収用媒体の流路を示す説明図である。

【図5】図１のエネルギー貯蔵プラントの充電過程Ｓ１におけるＰ－ｈ線図である。

【図6】図１のエネルギー貯蔵プラントの放電過程Ｓ２におけるＰ－ｈ線図である。

【図7】本発明の変形例１に係るエネルギー貯蔵プラントの充電過程Ｓ１の概略構成図である。

【図8】本発明の変形例２に係るエネルギー貯蔵プラントの充電過程Ｓ１の概略構成図である。

【図9】本発明の変形例３に係るエネルギー貯蔵プラントの充電過程Ｓ１の概略構成図である。

【図10】本発明の変形例４に係るエネルギー貯蔵プラントの充電過程Ｓ１の概略構成図である。

【図11】本発明の変形例５に係るエネルギー貯蔵プラントの充電過程Ｓ１の概略構成図である。

【図12】本発明の変形例６に係るエネルギー貯蔵プラントの充電過程Ｓ１の概略構成図である。

【図13】本発明の変形例７に係るエネルギー貯蔵プラントの放電過程Ｓ２の概略構成図である。

【図14】本発明の変形例８に係るエネルギー貯蔵プラントの放電過程Ｓ２の概略構成図である。

【図15】本発明の変形例９に係るエネルギー貯蔵プラントの放電過程Ｓ２の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。なお、図面は本発明を説明するための単なる説明図であるため、装置構成は模式的あるいは概念的に示されている。

【0031】

１．エネルギー貯蔵プラントの構成
本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵プラントは、いわゆるカルノーバッテリーの一種であり、電気を熱に変えてその熱を貯蔵することにより充電を行う充電過程Ｓ１と、貯蔵された熱を用いて前記作動流体の膨張により放電を行う放電過程Ｓ２とを実行するものである。また、本実施形態のエネルギー貯蔵プラントは、上記過程に加え、外部熱源１００（後述）による熱を貯蔵する外部熱貯蔵過程Ｓ３も実行することを特徴とする。以下、本実施形態のエネルギー貯蔵プラントの構成を説明する。

【0032】

１－１．充電過程Ｓ１での構成
本発明の一実施形態に係るエネルギー貯蔵プラントは、図１に示すように、充電過程Ｓ１において用いられる構成として、圧縮機１と、電動機２と、作動流体を膨張させる膨張手段としての低温膨張タービン３とを備える。また、エネルギー貯蔵プラントは、第１熱交換器４と、予熱用熱交換器６と、第１補助熱交換器７と、中央熱交換器８と、加熱手段としての第２熱交換器９とを備える。さらに、エネルギー貯蔵プラントは、第１蓄熱用媒体としての高温蓄熱用媒体を介して熱を蓄熱する高温側蓄熱タンク１０と、第２蓄熱用媒体としての低温蓄熱用媒体を介して冷熱を蓄熱する第４蓄熱タンクとしての低温側蓄熱タンク１１とを備える。

【0033】

高温側蓄熱タンク１０は、第１蓄熱タンクとしての高温側高温タンク１０Ａと、第２蓄熱タンクとしての高温側中温タンク１０Ｂと、第３蓄熱タンクとしての高温側低温タンク１０Ｃとにより構成される。高温側高温タンク１０Ａは、充電過程Ｓ１において圧縮された作動流体により加熱された高温蓄熱用媒体を、高温側中温タンク１０Ｂは外部熱源１００が提供する温度に近い温度帯の高温蓄熱用媒体を、高温側低温タンク１０Ｃは常温の高温蓄熱用媒体を、それぞれ貯蔵する。

【0034】

第１熱交換器４は、作動流体と高温蓄熱用媒体との間の熱交換を行う。予熱用熱交換器６は、圧縮機１により圧縮される前の作動流体と、圧縮機１により圧縮され第１熱交換器４により冷却された後の作動流体との間の熱交換を行う。第１補助熱交換器７は、予熱用熱交換器６の高圧側のラインと並列に接続され、作動流体と高温蓄熱用媒体との間の熱交換を行う。中央熱交換器８は、低温膨張タービン３により膨張させられる前の作動流体と、低温膨張タービン３により膨張させられ第２熱交換器９により加熱された後の作動流体との間の熱交換を行う。第２熱交換器９は、作動流体と低温蓄熱用媒体との間の熱交換を行う。

【0035】

本実施形態のエネルギー貯蔵プラントは、充電過程Ｓ１において、作動流体の圧縮により発生する熱及び作動流体の膨張により発生する冷熱を貯蔵することにより充電を行うものである。本実施形態において、作動流体は二酸化炭素である。

【0036】

本実施形態のエネルギー貯蔵プラントは、具体的には、充電過程Ｓ１において、図２に示すように、作動流体を予熱用熱交換器６により予熱し、予熱された作動流体を圧縮機１により圧縮し、圧縮された作動流体を第１熱交換器４により冷却し、作動流体の回路を分岐し、第１熱交換器４により冷却された作動流体の一部を予熱用熱交換器６により再冷却し、一方で、第１熱交換器４により冷却された作動流体の一部を第１補助熱交換器７により再冷却し、予熱用熱交換器６により再冷却された作動流体と第１補助熱交換器７により再冷却された作動流体とを合流させ、合流した作動流体を中央熱交換器８により再々冷却し、再々冷却された作動流体を低温膨張タービン３により膨張させ、膨張させられた作動流体を第２熱交換器９により加熱し、加熱された作動流体を中央熱交換器８により再加熱して、予熱用熱交換器６に戻すヒートポンプ回路Ｃ１が構成される。充電過程Ｓ１における作動流体の第１補助熱交換器７と予熱用熱交換器６との間の分岐については、バルブ等により各管路の入口の断面積を変更することで、各管路へ流す流量の調整を行う。

【0037】

本実施形態のエネルギー貯蔵プラントは、充電過程Ｓ１において、高温側低温タンク１０Ｃに貯蔵されていた高温蓄熱用媒体を第１補助熱交換器７により加熱して高温側中温タンク１０Ｂ内に貯蔵する。また、高温側中温タンク１０Ｂに貯蔵されていた高温蓄熱用媒体を第１熱交換器４における熱交換により加熱して、高温側高温タンク１０Ａ内に貯蔵する。

【0038】

なお、圧縮機１は、ターボ式を用いることが望ましい。ただし、充電電力の変動が大きい場合には、圧縮機１の一部にスクリュー式を採用することが望ましい。また、圧縮機１は、多段式を用いることが望ましい。また、上記各熱交換器は、向流式であることが好ましい。

【0039】

冷熱を蓄熱する低温蓄熱用媒体には、マイナス１０℃付近から常温の範囲において液体の状態を保ち、マイナス１０℃付近において、液体から固体に相変化する媒体を用いることが望ましい。この流体には、例えば、エチレングリコール等により構成される不凍液と水の混合液を用いることが考えられる。一方、熱を蓄熱する高温蓄熱用媒体には、常温から２６０℃付近の範囲において液体の状態を保つ流体を用いることが望ましい。この流体には、例えば、合成油を用いることが考えられる。

【0040】

１－２．放電過程Ｓ２での構成
また、本実施形態に係るエネルギー貯蔵プラントは、図１に示すように、放電過程Ｓ２において用いられる構成として、ポンプ１３と、補助ポンプ１４と、第１膨張機１５と、第２膨張機１６と、第１発電機１７と、第２発電機１８と、放熱器１９とを備える。また、エネルギー貯蔵プラントは、上述した充電過程Ｓ１において用いられる構成と重複する構成として、第１熱交換器４と、第１補助熱交換器７と、中央熱交換器８と、第２熱交換器９と、高温側蓄熱タンク１０と、低温側蓄熱タンク１１とを備える。

【0041】

本実施形態のエネルギー貯蔵プラントは、貯蔵された冷熱により液化された作動流体を昇圧し、その昇圧された作動流体を貯蔵された熱により気化又は超臨界相へ変化させ、膨張させることにより放電を行うものである。本実施形態において、作動流体は二酸化炭素である。

【0042】

本実施形態のエネルギー貯蔵プラントは、放電過程Ｓ２において、第１放電回路Ｄ１と第２放電回路Ｄ２が構成される。

【0043】

第１放電回路Ｄ１は、具体的には、図３に示すように、作動流体をポンプ１３により加圧し、加圧された作動流体を中央熱交換器８及び第１補助熱交換器７及び第１熱交換器４により加熱し、加熱された作動流体を第１膨張機１５により膨張させて第１発電機１７を駆動し、膨張した作動流体を第２膨張機１６により再膨張させて第２発電機１８を駆動し、再膨張した前記作動流体を中央熱交換器８及び第２熱交換器９により冷却し、冷却された前記作動流体をポンプ１３に戻す回路である。

【0044】

第２放電回路Ｄ２は、具体的には、図３に示すように、作動流体を補助ポンプ１４により加圧し、加圧された作動流体を第１熱交換器４により加熱し、加熱された作動流体を第１膨張機１５により膨張させて第１発電機１７を駆動し、膨張した作動流体を放熱器１９により冷却し、冷却された前記作動流体を補助ポンプ１４に戻す回路である。

【0045】

本実施形態のエネルギー貯蔵プラントは、放電過程Ｓ２において、第１熱交換器４における熱交換により冷却された高温蓄熱用媒体を高温側中温タンク１０Ｂ内に貯蔵し、第１補助熱交換器７における熱交換により冷却された高温蓄熱用媒体を高温側低温タンク１０Ｃ内に貯蔵し、第２熱交換器９における熱交換により加熱された低温蓄熱用媒体を低温側蓄熱タンク１１内に貯蔵する。

【0046】

第１膨張機１５及び第２膨張機１６は、ターボ式を用いることが望ましい。ただし、放電電力を変動させる必要がある場合には、各膨張機の一部にスクリュー式を採用することが望ましい。また、各膨張機は、多段式を用いることが望ましい。

【0047】

１－３．外部熱貯蔵過程Ｓ３での構成
加えて、本実施形態に係るエネルギー貯蔵プラントは、図１に示すように、外部熱貯蔵過程Ｓ３において用いられる構成として、外部熱回収手段としての排熱回収熱交換器２０を備える。排熱回収熱交換器２０は、高温側中温タンク１０Ｂと高温側低温タンク１０Ｃの間に配置され、排熱回収用媒体を介して外部熱源１００と高温蓄熱用媒体との間の熱交換を行う。ここで、外部熱源１００は、例えば、工場の排熱、火力発電や原子力発電などのプラントの排熱、太陽熱などである。なお、本実施形態では、排熱回収熱交換器２０は高温蓄熱用媒体側のラインが第１補助熱交換器７と高温側中温タンク１０Ｂの間の位置に配置されている。これにより、充電過程Ｓ１において、第１熱交換器４により冷却された作動流体の一部を第１補助熱交換器７により再冷却する際に、再冷却後の作動流体の温度が、高温側低温タンク１０Ｃの温度である常温付近の温度に近くなる。

【0048】

本実施形態のエネルギー貯蔵プラントは、外部熱貯蔵過程Ｓ３において、高温側低温タンク１０Ｃに貯蔵されていた高温蓄熱用媒体を排熱回収熱交換器２０において外部熱源１００により加熱して、高温側中温タンク１０Ｂ内に貯蔵する。

【0049】

なお、外部熱貯蔵過程Ｓ３は、外部熱源１００による熱が存在するタイミングで実行することが好ましく、充電過程Ｓ１と同時に実行しても、充電過程Ｓ１とは異なるタイミングで実行しても良い。

【0050】

２．エネルギー貯蔵プラントの充電動作
図５は、低圧側の圧力が約2.5MPa、高圧側の圧力が約20MPa、排熱温度が60℃である一様態における充電過程Ｓ１のＰ－ｈ線図を示している。

【0051】

当該充電過程Ｓ１では、作動流体は、点Ａ→点Ｂ→点Ｃ→点Ｄ→点Ｅ→点Ｆ→点Ｇ→点Ｈ→点Ａというサイクルをたどる。点Ａ（約２０℃）から点Ｂ（約６０℃）の間では、点Ｄ（約６０℃）から点Ｅ（約２０℃）の間を通る作動流体の一部により、作動流体は加熱される。点Ｂから点Ｃ（約２５２℃）の間では、作動流体は圧縮機１により圧縮される。点Ｃから点Ｄの間では、第１熱交換器４により作動流体は冷却される。点Ｄ（約６０℃）から点Ｅ（約２０℃）の間では、予熱用熱交換器６と第１補助熱交換器７により作動流体は再冷却される。点Ｅから点Ｆ（約０℃）の間では、中央熱交換器８により作動流体は再々冷却される。点Ｆから点Ｇ（約マイナス１２℃）の間では、低温膨張タービン３により作動流体は膨張させられる。点Ｇから点Ｈ（約マイナス１２℃）の間では、第２熱交換器９により作動流体は加熱される。点Ｈから点Ａの間では、中央熱交換器８により作動流体は再加熱される。

【0052】

当該充電過程Ｓ１において、第１熱交換器４により冷却された作動流体のうち、第１補助熱交換器７ではなく予熱用熱交換器６にて再冷却される作動流体の流量割合は、概ね、点Ｅから点Ｄの間の比熱に対する点Ａから点Ｂの間の比熱の割合とすることが好適である。

【0053】

３．エネルギー貯蔵プラントの放電動作
図６は、低圧側の圧力が約３ＭＰａ、高圧側の圧力が約３０ＭＰａである一様態における放電過程Ｓ２のＰ－ｈ線図を示している。

【0054】

当該放電過程Ｓ２では、エネルギー貯蔵プラントは、作動流体が点ａ→点ｂ→点ｃ→点ｄ→点ｅ→点ｆ→点ｇ→点ａというサイクルをたどる第１放電回路Ｄ１と、作動流体が点ｈ→点ｉ→点ｄ→点ｅ→点ｈ というサイクルをたどる第２放電回路Ｄ２を構成する。

【0055】

第１放電回路Ｄ１では、点ａ（約マイナス６℃）から点ｂ（約１０℃）の間では、作動流体はポンプ１３により昇圧される。点ｂと点ｃ（約２０℃）の間では、中央熱交換器８において、点ｆ（約３０℃）から点ｇ（約２０℃）の間を通る作動流体により、作動流体は予熱される。点ｃから点ｄ（約２４０℃）の間では、作動流体は第１補助熱交換器７及び第１熱交換器４により加熱される。点ｄから点ｅ（約９０℃）の間では、作動流体は第１膨張機１５により膨張させられる。点ｅから点ｆの間では、作動流体は第２膨張機１６により再膨張させられる。点ｆと点ｇの間では、作動流体は中央熱交換器８において予冷される。点ｇから点ａの間では、第２熱交換器９により作動流体は冷却される。

【0056】

第２放電回路Ｄ２では、点ｈ（約２５℃）から点ｉ（約５７℃）の間では、作動流体は補助ポンプ１４により昇圧される。点ｉから点ｄの間では、作動流体は第１熱交換器４により加熱される。点ｄから点ｅの間では、作動流体は第１膨張機１５により膨張させられる。点ｅから点ｉの間では、作動流体は放熱器１９により冷却される。

【0057】

一般に、ヒートポンプを用いたカルノーバッテリーにおける充放電効率は、約３５％から約６０％と言われている。本実施形態に係るエネルギー貯蔵プラントによれば、例えば、約５０％の充放電効率のカルノーバッテリーを、約６０℃の排熱を用いて、充放電効率約５７％に向上させることができる。その際、排熱の熱貯蔵用の設備を新たに導入することなく、高温側の蓄熱設備の一部に排熱の熱貯蔵の役割を担わせることにより、排熱利用の省スペース化・低コスト化を図ることができる。

【0058】

４．変形例
なお、本発明は、以下の態様でも実施可能である。

【0059】

・上記実施様態では、作動流体を二酸化炭素としたが、作動流体に例えばアンモニアやハイドロフルオロオレフィン冷媒を用いてもよい。
・高温蓄熱用媒体には、加圧により沸点の温度を上げた水である加圧水や、砂、砂利、土、もしくはこれらの固体と合成油や水を混合したスラリーを用いてもよい。
・冷熱の貯蔵を潜熱によって行っているが、砂、砂利、土など固体・粉体や、食塩水などの水溶液に顕熱で冷熱を貯蔵してもよい。
・必要に応じて、熱交換器の一部を並流式としても構わない。
・排熱温度は常温よりも高い温度であればよい。
・高温側中温タンク１０Ｂの温度維持のために、高温側中温タンク１０Ｂ内の高温蓄熱用媒体を外部熱源１００で加熱してもよい。
・充電過程Ｓ１における膨張手段として用いられている低温膨張タービン３については、膨張弁であってもよい。
・充電過程Ｓ１において、低圧側の圧力を約2.5MPa、高圧側の圧力を約20MPaとしたが、使用する冷媒の性質に合わせた圧力を用いて構わない。
・放電過程Ｓ２において、低圧側の圧力を約3MPa、高圧側の圧力を約30MPaとしたが、使用する冷媒の性質に合わせた圧力を用いて構わない。
・電動機と発電機については、電動機・発電機両用のものを用いて同一の機器としても構わない。

【0060】

＜変形例１＞
上記の充電過程Ｓ１の実施形態では、高温側低温タンク１０Ｃ、排熱回収熱交換器２０、第１補助熱交換器７、中央熱交換器８、第２熱交換器９、低温蓄熱用媒体、低温側蓄熱タンク１１、低温膨張タービン３を備えていたが、これらの構成は必須ではない。例えば、図７に示すように、エネルギー貯蔵プラントは、圧縮機１と、電動機２と、第１熱交換器４と膨張手段３０と加熱手段９０と予熱用熱交換器６と、高温蓄熱用媒体を介して作動流体の熱を蓄熱する高温側蓄熱タンク１０を備え、高温側蓄熱タンク１０は、高温側高温タンク１０Ａと、外部熱源１００により加熱された高温蓄熱用媒体を貯蔵する高温側中温タンク１０Ｂを備える構成とすることも可能である。ここで、本変形例の場合、外部熱回収手段は、外部熱源１００からの熱により高温側中温タンク１０Ｂ又はこれに貯蔵された高温蓄熱用媒体を直接加熱することが可能な構成とされる。このような構成であっても、外部熱源１００による熱を高温側高温タンク１０Ａの一部に貯蔵することで、外部熱源１００による熱を貯蔵するための補助的な蓄熱槽を用いずとも、外部熱源１００の熱を貯蔵し、活用することができる。

【0061】

＜変形例２＞
また、図８に示すように、図７に示す構成から、高温側低温タンク１０Ｃと排熱回収熱交換器２０のみを追加した構成とすることも可能である。本構成であれば、外部熱源１００により加熱された高温蓄熱用媒体を高温側中温タンク１０Ｂに、外部熱源１００による加熱前の高温蓄熱用媒体を高温側低温タンク１０Ｃにそれぞれ貯蔵することができる。

【0062】

＜変形例３＞
また、図９に示すように、図７に示す構成から、高温側低温タンク１０Ｃと第１補助熱交換器７のみを追加した構成とすることも可能である。本構成であれば、第１熱交換器４により冷却された後の作動流体が持つ熱の一部を、高温蓄熱用媒体の加熱に利用することができる。

【0063】

＜変形例４＞
また、図１０に示すように、図９に示す構成から、排熱回収熱交換器２０のみを追加した構成とすることも可能である。本構成であれば、外部熱源１００又は作動流体により加熱された高温蓄熱用媒体を高温側中温タンク１０Ｂに、加熱前の高温蓄熱用媒体を高温側低温タンク１０Ｃにそれぞれ貯蔵することができる。

【0064】

＜変形例５＞
また、図１１に示すように、図１０に示す構成から、中央熱交換器８のみを追加した構成とすることも可能である。本構成であれば、充電過程Ｓ１が蒸気圧縮冷凍サイクルである場合、膨張手段での作動流体の膨張を液相のみで行うことができる場合があり、これにより、例えば、膨張手段になんらかの膨張機を用いて、一部の動力を回収する場合に、気液混合相で膨張を行うよりも動力回収が容易となる。

【0065】

＜変形例６＞
また、図１２に示すように、図１１に示す構成から、第２熱交換器９と低温側蓄熱タンク１１のみを追加した構成とすることも可能である。本構成であれば、充電過程Ｓ１において作動流体が膨張手段により膨張させられたことにより発生する冷熱を貯蔵することができる。

【0066】

＜変形例７＞
上記実施形態では、放電過程Ｓ２での構成として、中央熱交換器８及び低温側蓄熱タンク１１を備えていたが、これらの構成は必須ではない。例えば、図１３に示すように、エネルギー貯蔵プラントは、作動流体とポンプ１３と、第１補助熱交換器７と、第１熱交換器４と、第１膨張機１５と、第１発電機１７と、第２膨張機１６と、第２発電機１８と、加熱手段９０と、放熱器１９と、補助ポンプ１４と、作動流体と熱交換する高温蓄熱用媒体を貯蔵する高温側蓄熱タンク１０を備え、高温側蓄熱タンク１０は、高温側高温タンク１０Ａと高温側中温タンク１０Ｂと高温側低温タンク１０Ｃを備える構成とすることも可能である。このような構成であっても、高温側蓄熱タンク１０に貯蔵された熱を用いて放電を行うことができる。

【0067】

＜変形例８＞
また、図１４に示すように、図１３に示す構成から、中央熱交換器８のみを追加した構成とすることも可能である。本構成であれば、放電過程Ｓ２の第１放電回路Ｄ１において、第２熱交換器９にて作動流体を冷却する前に予冷を行うことができ、ポンプ１３で圧縮する際の作動流体の状態を液相としやすくなる。

【0068】

＜変形例９＞
また、図１５に示すように、図１３に示す構成から、低温側蓄熱タンク１１のみを追加した構成とすることも可能である。本構成であれば、放電過程Ｓ２の第１放電回路Ｄ１において、第２熱交換器９にて作動流体を冷却する際に、低温側蓄熱タンク１１に貯蔵された低温蓄熱用媒体の冷熱を用いることができる。

【符号の説明】

【0069】

１ ：圧縮機
２ ：電動機
３ ：低温膨張タービン（膨張手段）
４ ：第１熱交換器
６ ：予熱用熱交換器
７ ：第１補助熱交換器
８ ：中央熱交換器
９ ：第２熱交換器（加熱手段）
１０ ：高温側蓄熱タンク
１０Ａ ：高温側高温タンク（第２蓄熱タンク）
１０Ｂ ：高温側中温タンク（第２蓄熱タンク）
１０Ｃ ：高温側低温タンク（第３蓄熱タンク）
１１ ：低温側蓄熱タンク（第４蓄熱タンク）
１３ ：ポンプ
１４ ：補助ポンプ
１５ ：第１膨張機
１６ ：第２膨張機
１７ ：第１発電機
１８ ：第２発電機
１９ ：放熱器
２０ ：排熱回収熱交換器（外部熱回収手段）
３０ ：膨張手段
９０ ：加熱手段
１００ ：外部熱源
Ｃ１ ：ヒートポンプ回路
Ｄ１ ：第１放電回路
Ｄ２ ：第２放電回路
Ｓ１ ：充電過程
Ｓ２ ：放電過程
Ｓ３ ：外部熱貯蔵過程

【要約】      （修正有）

【課題】簡易的な構成によって、外部の熱を充放電効率向上のために活用するエネルギー貯蔵プラントを提供する。
【解決手段】熱を貯蔵することにより充電を行うエネルギー貯蔵プラントであって、作動流体を圧縮する圧縮機１と、圧縮機１を駆動する電動機２と、作動流体を冷却又は加熱する第１熱交換器４と、作動流体を膨張させる膨張手段である低温膨張タービン３と、作動流体を加熱する加熱手段である第２熱交換器９と、作動流体同士で熱交換器を行う予熱用熱交換器６と、第１熱交換器４において作動流体と熱交換する第１蓄熱用媒体を貯蔵する第１蓄熱タンクとしての高温側高温タンク１０Ａ及び第２蓄熱タンクとしての高温側中温タンク１０Ｂと、外部熱源１００による熱を第２蓄熱タンク内に貯蔵する外部熱回収手段としてのとしての排熱回収熱交換器２０と、を備える。
【選択図】図１

【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】

【図15】