特表 2024-530854 エネルギーの効率的な貯蔵及び供給のためのプロセス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-08-27

(54)【発明の名称】エネルギーの効率的な貯蔵及び供給のためのプロセス

(51)【国際特許分類】

   F02G 5/04 20060101AFI20240820BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240820BHJP

   H01M 8/04007 20160101ALI20240820BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20240820BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240820BHJP

   F25B 30/06 20060101ALI20240820BHJP

   F25B 27/02 20060101ALI20240820BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240820BHJP

   F24H 1/00 20220101ALN20240820BHJP

   H02J 15/00 20060101ALN20240820BHJP

【ＦＩ】

F02G5/04 H

H01M8/04 Z

H01M8/04007

C25B1/04

C25B9/00 A

F25B30/06 Z

F25B27/02 R

H01M8/10 101

F24H1/00 631Z

H02J15/00 G

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023574230

(86)(22)【出願日】2022-05-12

(85)【翻訳文提出日】2023-12-21

(86)【国際出願番号】 EP2022062912

(87)【国際公開番号】W WO2022258296

(87)【国際公開日】2022-12-15

(31)【優先権主張番号】102021205769.1

(32)【優先日】2021-06-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521001582

【氏名又は名称】シーメンス エナジー グローバル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディートゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】ＳＩＥＭＥＮＳ ＥＮＥＲＧＹ ＧＬＯＢＡＬ ＧＭＢＨ ＆ ＣＯ． ＫＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110003317

【氏名又は名称】弁理士法人山口・竹本知的財産事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100075166

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 巖

(74)【代理人】

【識別番号】100133167

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100169627

【弁理士】

【氏名又は名称】竹本 美奈

(72)【発明者】

【氏名】ヒュットル，クリスチャン

(72)【発明者】

【氏名】ロプ，ペーター

(72)【発明者】

【氏名】シェーファー，ヨッヘン

【テーマコード（参考）】

3L122

4K021

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

3L122AA23

3L122AA73

3L122AA74

3L122AC15

3L122AC16

3L122AD01

4K021AA01

4K021BA02

4K021CA08

4K021CA09

4K021CA15

4K021DC03

5H126BB06

5H127AA06

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA12

5H127BA14

5H127BA22

(57)【要約】

本発明により電気エネルギーの効率的な変換と供給のためのシステムが提供される。供給された電気エネルギーＩＰが電解槽ＥＬＹ内で水素Ｈに変換され、必要に応じて水素貯蔵器ＷＳ内で一時的に貯蔵される。この水素Ｈは変換ステップＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣにおいて電力ＯＰに変換され、この時に、蒸気の状態の水を含んでいる排気ガスＥＧが排出される。この排気ガスＥＧはヒートポンプＨＰにより冷却され、この時に凝縮水Ｃが得られ、この凝縮水は電解槽ＥＬＹに供給水として供給される。本発明により、供給された電力ＩＰと発電された電力ＯＰが分離され、この場合、電解槽ＥＬＹ用の淡水ＦＷの小さい需要のもとで、ヒートポンプＨＰから供給されたプロセス熱ＨＣを利用することにより、高効率が得られる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エネルギー、特に電気エネルギーを効率的に変換し、提供する方法であって、
－ 燃料ガス（Ｈ、ＮＧ）が変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）で電気エネルギー（ＯＰ）に変換され、
－ 前記変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）から排出された排気ガス（ＥＧ）が排気ガス熱交換器（ＥＧＨＥ）で冷却され、前記排気ガス（ＥＧ）に含まれる水蒸気が凝縮されて凝縮水（Ｃ）となり、
－ 電気エネルギー（ＩＰ）及び少なくとも主に前記凝縮水（Ｃ）の供給を受けた電解槽（ＥＬＹ）で水素（Ｈ）が生成され、
－ 前記水素（Ｈ）が燃料ガスとして前記変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）に供給され、
－ 前記排気ガス熱交換器（ＥＧＨＥ）がヒートポンプ（ＨＰ）で冷却され、
－ 前記ヒートポンプ（ＨＰ）が、前記排気ガス熱交換器（ＥＧＨＥ）で吸収された熱量をより高温レベルの有用熱（ＨＣ）として放出する、
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記水素（Ｈ）が水素貯蔵器（ＨＳ）に一時的に貯蔵されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記電解槽（ＥＬＹ）の排熱が、前記ヒートポンプ（ＨＰ）の冷熱流入部に供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記電解槽（ＥＬＹ）から流出する前記水素（Ｈ）の熱が、前記ヒートポンプ（ＨＰ）の前記冷熱流入部に供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）の排熱が、前記ヒートポンプ（ＨＰ）の前記冷熱流入部に供給されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記電解槽（ＥＬＹ）に供給される前記凝縮水（Ｃ）が水処理ステップ（ＷＴ）を通過することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

循環回路を通る水（Ｗ）の失われた量が淡水（ＦＷ）によって補われることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

循環回路を通る水（Ｗ）の一部が、淡水（ＦＷ）によって連続的に置換されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項9】

循環回路を通る水（Ｗ）の一部が、淡水（ＦＷ）によって周期的に置換されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

前記変換ステップがコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）の形態をとることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項11】

前記変換ステップが熱電併給設備（ＣＨＰ）の形態をとることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

前記変換ステップが燃料電池（ＦＣ）の形態をとることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項13】

前記変換ステップに、燃料ガスとして天然ガス（ＮＧ）が供給されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力を取り込み且つ供給することができる熱電併給プロセスに関する。

【0002】

本発明は、請求項１の特徴を有する、電気エネルギー及び／又は電気エネルギーと同等の熱エネルギーの効率的かつ資源節約的な変換及び供給のための方法に関する。

【0003】

電気エネルギー供給の変革は、変動する供給を伴う再生可能エネルギーの導入の増加に伴い、電気エネルギーの需要と供給の常時のバランスを特に課題としている。

【0004】

このために、秒単位の短期の、もしくは、日単位の長期の一時的な貯蔵のためであれ、又は、周波数及び位相の変換のためであれ、電気エネルギーを変換するための設備が必要である。これらの用途では、それらの設備が非常に効率的に作動することが重要である。

【0005】

電気及び水を使用して電気分解により水素を生成し、この水素を貯蔵することは公知である。さらに、例えば、ガスタービン、往復ピストン機関、タービン発電機セット又は燃料電池を用いて、水素を燃焼して電気エネルギーに変換することも知られている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の課題は、電気エネルギーと熱エネルギーの両方に関して、できるだけ少ない淡水需要で、できるだけ高い効率を有する電気エネルギーの変換方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この課題は、請求項１の特徴を有する方法によって解決される。

【0008】

本発明によるエネルギー変換装置からのエネルギーの取り出しにおいては、燃料ガス、特に水素、及び酸素を水に変換した後、（例えば、ガスタービン又はＰＥＭ燃料電池のカソードの）排気ガスからの凝縮熱がヒートポンプの熱源として利用され、有用な温度を有する熱がプロセス熱として、例えば（地域）暖房システムに供給される。

【0009】

本発明によるヒートポンプの使用及び利用可能となったプロセス熱の利用により、燃料の徹底的な利用度が著しく向上し、その可能なポテンシャルとして、より高い発熱量１４２ｋＪ／ｋｇとより低い発熱量１２０ｋＪ／ｋｇとの差が得られ、これは１８．３％の効率向上に相当する。

【0010】

排気ガスからの水の凝縮により水が回収され、この水は貯蔵され、場合によっては水処理され、及び／又は、淡水と混合されて、電解槽供給水として再利用される。

【0011】

本発明により、排気ガスからの凝縮水を電解のための供給水としてリサイクルすることにより、淡水需要を著しく減少（＞９０パーセント）することができる。

【0012】

本発明の有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。

【0013】

本発明の発展形態では、ヒートポンプは追加の複数の熱源を利用する。

【0014】

本発明によるエネルギー貯蔵器のチャージに際しては、冷却媒体、特に冷却水、及び、電解槽からの生成物フローの熱を利用することができる。

【0015】

本発明によるエネルギー貯蔵器のディスチャージに際しては、熱電併給設備ＣＨＰ（Combined Heat and Power）の（凝縮熱の直近の）冷却水を利用することができる。

【0016】

本発明の発展形態では、このシステム内の不純物濃度の上昇を回避するために、循環回路の水のごく一部を淡水で置き換えることができる。

【0017】

以下に、本発明を、実施例として理解に必要な範囲で図面を用いて詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明による方法を実現するエネルギー供給設備

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１に示すエネルギー供給設備は、供給された電気エネルギーＩＰ(input power）を水素Ｈ（hydrogen）として貯蔵し、燃料ガスＨ、ＮＧを、必要に応じて後の時点で、電気エネルギーに変換することができる。このエネルギー供給設備では、一方では、供給された電気エネルギーＩＰが水素Ｈとして化学的に結合した形態で貯蔵され、他方では、例えば、水素Ｈ又は天然ガスＮＧ（natural gas）などの化学的に結合されたエネルギーが変換ステップＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣにおいて有用エネルギー、特に電力ＯＰ(output power）に変換される。化学的に結合されたエネルギーの変換は、熱電併給設備ＣＨＰ（Combined Heat and Power）、複合発電所、ガス・蒸気発電所ＧｕＤ（Gas- und Dampfkraftwerk）、コンバインドサイクル発電プラントＣＣＰＰ（combined cycle power plant）により行われ、これらの設備の入力側に化学的に結合されたエネルギーとして水素Ｈ、天然ガスＮＧ、又は、両者の混合物が供給される。化学的に結合したエネルギーは、水素Ｈが供給される燃料電池ＦＣ（fuel cell）によって変換することもできる。化学的に結合されたエネルギーとして天然ガスＮＧが供給される場合には、例えば改質器、特に水蒸気改質器などの上流ステップ（図示せず）において天然ガスＮＧから水素Ｈが得られ、この水素Ｈが燃料電池の入力側に供給される。この燃料電池はＰＥＭ燃料電池の形態をとることができ、これはプロトン交換膜燃料電池又は高分子電解質燃料電池とも呼ばれ、低温燃料電池として約８０℃で作動する。

【0020】

電解槽ＥＬＹは、水Ｗを消費しながら、供給された電力ＩＰ（input power）を水素Ｈに変換し、この水素Ｈは、直接に、又は、好適には水素貯蔵器ＨＳ（hydrogen storage)内で一時的に貯蔵されて、変換ステップＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣに供給される。

【0021】

この水素は水素貯蔵器ＨＳにおいて、場合によっては数百バールの圧力下でガス形態で、場合によっては液化温度未満に冷却することにより液体として、又は、金属水素化物内で化学的に結合された形態で、貯蔵することができる。

【0022】

電解槽ＥＬＹに供給された水Ｗは、事前に、水処理ステップＷＴ（water treatment）において電解に必要な品質仕様に適合される。

【0023】

変換ステップＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣは排気ガスＥＧ（exhaust gas）を排出し、この排気ガスは周囲温度以上で且つ露点以上の温度を有し、さらに、蒸気状態の水を含む。この排気ガスＥＧは、排気ガス熱交換器ＥＧＨＥ（exhaust gas heat exchanger）により、排気ガスＥＧの凝縮温度以下（露点以下）に冷却される。排気ガス熱交換器ＥＧＨＥでのこの冷却はヒートポンプＨＰ（heat pump）の冷熱入力部への熱供給によって行われ、このヒートポンプの高温出力側がプロセス熱交換器ＰＨＥ（process heat pump）に供給する。熱交換器ＰＨＥから送出された熱は有用熱又はプロセス熱HC（heat consumer）として汎用的な使用のために利用することができる。このヒートポンプＨＰは、圧縮原理、吸収原理、又は、ペルチェ原理に従って構成することができる。

【0024】

排気ガス熱交換器ＥＧＨＥでは冷却された排気ガスＥＧから生じる水が凝縮水Ｃ（condensate）として分離され、貯水槽ＷＳ（water storage）に供給され、この場合、排出された水蒸気ＰＳ（purge stream）が分離される。

【0025】

貯水槽ＷＳに一時的に貯蔵された凝縮水Ｃは水処理ステップＷＴに供給される。電解槽ＥＬＹ、変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）、排気ガスＥＧ、及び、排気ガス熱交換器ＥＧＨＥにおける凝縮水の分離を経て循環中に失われる水の量を補うために、水処理ステップＷＴに淡水ＦＷ（fresh water）が供給される。

【0026】

水循環回路システム内の不純物濃度の上昇を回避するために、水の一部を、周期的に又は連続的に、回路から除去し、淡水ＦＷで置換することができる。

【0027】

電気エネルギーを変換するための本発明による設備は、秒単位の短期間にせよ、日単位の長期間にせよ、一時的な貯蔵のために使用することができる。

【0028】

電気エネルギーを変換するための本発明による設備は、電解槽Ｅｌｙ内で生成された水素を一時的に貯蔵する必要なしに、２つの異なる電力系統、例えば、異なる周波数を有する電力系統、異なる位相を有する電力系統、異なる電圧を有する電力系統、ＡＣ／ＡＣ、ＤＣ／ＡＣ、ＡＣ／ＤＣ、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ、６０Ｈｚ／５０Ｈｚ、ＤＣ／ＤＣを電位的に分離して、緩く結合するために使用することができる。

【0029】

本発明を、図解目的で特定の実施例を参照して詳細に説明した。この場合、個々の実施例の構成要素は、互いに組み合わせることができる。したがって、本発明は個々の実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求項の範囲によってのみ限定されるものである。

【符号の説明】

【0030】

ＡＣ 交流
Ｃ 凝縮水
ＣＣＰＰ コンバインドサイクル発電プラント
ＣＨＰ 熱電併給設備
ＤＣ 直流
ＥＧ 排気ガス
ＥＧＨＥ 排気ガス熱交換器
ＥＬＹ 電解槽
ＦＣ 燃料電池
ＦＷ 淡水
ＧｕＤ ガス・蒸気複合発電所
Ｈ 水素
Ｈ、ＮＧ 燃料ガス
ＨＣ 有用熱、プロセス熱
ＨＳ 水素貯蔵器
Ｈｚ 周波数
ＩＰ 供給された電気エネルギー（入力電力）
ＮＧ 天然ガス
ＯＰ 発電された電気エネルギー（出力電力）
ＰＨＥ プロセス熱交換器
ＰＳ 排出された水蒸気
ＷＳ 貯水槽

【図1】

【手続補正書】

【提出日】2024-02-15

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エネルギーを効率的に変換し、提供する方法であって、
－ 燃料ガス（Ｈ、ＮＧ）が変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）で電気エネルギー（ＯＰ）に変換され、
－ 前記変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）から排出された排気ガス（ＥＧ）が排気ガス熱交換器（ＥＧＨＥ）で冷却され、前記排気ガス（ＥＧ）に含まれる水蒸気が凝縮されて凝縮水（Ｃ）となり、
－ 電気エネルギー（ＩＰ）及び少なくとも主に前記凝縮水（Ｃ）の供給を受けた電解槽（ＥＬＹ）で水素（Ｈ）が生成され、
－ 前記水素（Ｈ）が燃料ガスとして前記変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）に供給され、
－ 前記排気ガス熱交換器（ＥＧＨＥ）がヒートポンプ（ＨＰ）で冷却され、
－ 前記ヒートポンプ（ＨＰ）が、前記排気ガス熱交換器（ＥＧＨＥ）で吸収された熱量をより高温レベルの有用熱（ＨＣ）として放出する、
ことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記水素（Ｈ）が水素貯蔵器（ＨＳ）に一時的に貯蔵されることを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記電解槽（ＥＬＹ）の排熱が、前記ヒートポンプ（ＨＰ）の冷熱流入部に供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記電解槽（ＥＬＹ）から流出する前記水素（Ｈ）の熱が、前記ヒートポンプ（ＨＰ）の前記冷熱流入部に供給されることを特徴とする請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記変換ステップ（ＣＨＰ、ＣＣＰＰ、ＦＣ）の排熱が、前記ヒートポンプ（ＨＰ）の前記冷熱流入部に供給されることを特徴とする請求項３に記載の方法。

【請求項6】

前記電解槽（ＥＬＹ）に供給される前記凝縮水（Ｃ）が水処理ステップ（ＷＴ）を通過することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項7】

循環回路を通る水（Ｗ）の失われた量が淡水（ＦＷ）によって補われることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項8】

循環回路を通る水（Ｗ）の一部が、淡水（ＦＷ）によって連続的に置換されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項9】

循環回路を通る水（Ｗ）の一部が、淡水（ＦＷ）によって周期的に置換されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項10】

前記変換ステップがコンバインドサイクル発電プラント（ＣＣＰＰ）の形態をとることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項11】

前記変換ステップが熱電併給設備（ＣＨＰ）の形態をとることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項12】

前記変換ステップが燃料電池（ＦＣ）の形態をとることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項13】

前記変換ステップに、燃料ガスとして天然ガス（ＮＧ）が供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【国際調査報告】