(57)【要約】  本発明では、掘削による地下気体貯蔵システムの実施例を開示する。本発明の実施例は、気体を貯蔵するために地表より下に挿入される貯蔵チューブを含む。本発明の実施例は、気体水素を貯蔵するために使用することができる。さらに、本発明の実施例は、圧縮天然ガスなどの他の気体を貯蔵するために使用することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表より下に挿入される少なくとも１つの貯蔵チューブを含み、
前記少なくとも１つの貯蔵チューブが気体を貯蔵することが可能である、掘削による地下気体貯蔵システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの貯蔵チューブが、前記地表より下に垂直に挿入される、請求項１に記載の掘削による地下気体貯蔵システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの貯蔵チューブが、前記地表より下に所定の角度で挿入される、請求項１に記載の掘削による地下気体貯蔵システム。
【請求項４】
前記気体が、水素である、請求項１に記載の掘削による地下気体貯蔵システム。
【請求項５】
前記掘削による地下気体貯蔵システムが、水素燃料補給所に設置される、請求項４に記載の掘削による地下気体貯蔵システム。
【請求項６】
前記気体が、天然ガスである、請求項１に記載の掘削による地下気体貯蔵システム。
【請求項７】
前記気体が、炭酸ガスである、請求項１に記載の掘削による地下気体貯蔵システム。
【請求項８】
前記気体が、窒素である、請求項１に記載の掘削による地下気体貯蔵システム。
【請求項９】
掘削による地下気体貯蔵システムの設置方法であって、
地表より下に１つ又は複数の開口穴を掘削するステップと、
前記１つ又は複数の開口穴のそれぞれ中に貯蔵チューブを挿入するステップとを含み、
前記貯蔵チューブが、気体を貯蔵することが可能である、設置方法。
【請求項１０】
前記掘削するステップが、垂直に実施される、請求項９に記載の設置方法。
【請求項１１】
前記掘削するステップが、所定の角度で実施される、請求項９に記載の設置方法。
【請求項１２】
前記貯蔵チューブが、２つ以上のパイプ部材を含む、請求項９に記載の設置方法。
【請求項１３】
前記２つ以上のパイプ部材が、前記１つ又は複数の開口穴中への前記挿入の間に、現場において接続される、請求項１２に記載の設置方法。
【請求項１４】
掘削による地下気体貯蔵システムを利用した気体の貯蔵方法であって、
地表より下に挿入される少なくとも１つの貯蔵チューブ中に気体を貯蔵するステップを含む、貯蔵方法。
【請求項１５】
前記貯蔵チューブが、前記地表より下に垂直に挿入される、請求項１４に記載の貯蔵方法。
【請求項１６】
前記貯蔵チューブが、前記地表より下に所定の角度で挿入される、請求項１４に記載の貯蔵方法。
【請求項１７】
前記気体が、水素である、請求項１４に記載の貯蔵方法。
【請求項１８】
前記気体が、天然ガスである、請求項１４に記載の貯蔵方法。
【請求項１９】
前記気体が、炭酸ガスである、請求項１４に記載の貯蔵方法。
【請求項２０】
前記気体が、窒素である、請求項１４に記載の貯蔵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に気体の貯蔵に関するものであり、詳細には掘削による地下気体貯蔵システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素は、航空宇宙産業、食品製造、及びオイルや気体の製造及び精錬など、工業用、医療用及び商業用の環境に及ぶ広い様々な環境で利用される。水素は、推進剤、雰囲気、搬送ガス、希釈ガス、燃焼反応のための燃料成分及び燃料電池のための燃料、さらに多くの化学反応及びプロセス中の還元剤として、これらの環境下で使用される。さらに、水素は、クリーンで豊富にあり効率的であって他の選択肢と異なっており、そして有害ガスを排出しないので、集中型及び分散型の発電並びに輸送用車両のための代替燃料と考えられている。水素は、広い範囲にわたって消費されており、いっそう消費される可能性が大きいが、さらに水素の消費の増すことを妨げる欠点は、水素に関して、広範囲にわたる生成並びに貯蔵及び配給の経済活動に欠けていることである。
【０００３】
この問題を克服するための１つの方法は、水素燃料補給所の運用を介することである。水素燃料補給所では、改質装置、電解槽、バイオリアクタ又は光触媒などの水素発生器が、炭化水素を水素に富んだ気体流に変換するために使用される。天然ガス、ＬＰＧ、ガソリンやディーゼルなど、炭化水素ベースの燃料には、ほとんどの燃料電池のための燃料源として使用するために変換プロセスが必要である。次いで、気体水素は、圧縮され、水素燃料補給所において、固定された貯蔵タンク中に貯蔵されて、内燃エンジン及び燃料電池自動車に燃料として供給される商品となる。さらに、気体水素は、水素燃料補給所で生成させる代わりに、水素燃料補給所に輸送して貯蔵し配給することができる。
【０００４】
水素燃料補給所で気体水素を貯蔵する貯蔵容量は、水素に関する経済活動の発展において主な課題であった。水素燃料補給所は、コストがそれほどかからずに、水素燃料の十分な貯蔵容量を備えなければならない。
【０００５】
気体は、その密度がかなり低いので、一般に、貯蔵するために液体より非常に大きい容積が必要である。水素の密度は、すべての気体の中で最も低い。したがって、気体の貯蔵容量は、利用できる空間又は領域の大きさによって、しばしば制限される。多くの場合、容積が一定のもとで、貯蔵質量を増加するために、気体は高圧貯蔵容器中に貯蔵される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
精製された水素ガスは、水素燃料補給所において３４，４７４ｋＰａ（５，０００ｐｓｉｇ）より高い圧力で貯蔵される。より高い圧力では、貯蔵容器を製造することが、ますます困難になり、指数関数的により高価にもなる。そのような高圧にしたとしても、貯蔵容器は、やはりかなりの空間を占める。さらに、高圧貯蔵容器に付随する潜在的な安全上の問題が生じる恐れがある。大部分の水素燃料補給所は、燃料需要がより大きいが、しかしまた不動産コストがより高い市街地に設置されると予想されるので、通常の上記の地上高圧貯蔵容器に対する代替手段が、水素の経済活動のために必要である。
【０００７】
１つの可能な代替手段は、貯蔵容器を地下に埋めることである。しかし、この代替手段にはいくつかの欠点がある。たとえば、掘削には費用がかかる可能性があり、利用できる空間が、基礎の構造上の完全性を損なうことなく掘削することができる実際上の深さによって制限され、そして高圧容器を埋めることによって、燃料貯蔵システムのコストがさらに増加する。したがって、気体を貯蔵するという課題に対処するための追加の代替手段が、やはり必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、掘削による地下気体貯蔵システム（「ＤＵＧＳＳ」：ｄｒｉｌｌｅｄ  ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ  ｇａｓｅｏｕｓ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｓｙｓｔｅｍ）の実施例を開示する。本発明の掘削による地下貯蔵システムの実施例は、気体を貯蔵するために地表より下に挿入される貯蔵チューブを含む。本発明の実施例は、気体水素の貯蔵、並びに他の気体の貯蔵のために使用することができる。
【０００９】
また、本発明の実施例では、本発明の掘削による地下気体貯蔵システムを据え付けるための方法及び本発明の掘削による地下貯蔵システムを利用して気体を貯蔵するための方法の両方を開示する。
【００１０】
本明細書は、添付図を参照して提示する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の掘削による地下気体貯蔵システムの１つの実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明では、掘削による地下気体貯蔵システムの実施例を開示する。本発明の実施例は、気体水素を貯蔵するために使用することができる。さらに、本発明の実施例は、圧縮された天然ガス、ヘリウム、アルゴン、空気、炭酸ガス、窒素及び酸素など、他の気体を貯蔵するために使用することができる。
【００１３】
図１を参照すると、図１には本発明の掘削による地下気体貯蔵システムの１つの実施例が描かれている。本発明の１つの実施例では、貯蔵チューブ１が、気体貯蔵のために垂直に（図１に示すように）、又は所定の角度で（図示せず）地盤３中に挿入される。垂直に挿入する実施例では、貯蔵チューブは、地表に対して実質的に垂直である。所定の角度で挿入する実施例では、貯蔵チューブは、地面に対して垂直であることと平行であることとの間にある。貯蔵チューブ１は、気体を貯蔵することが可能になる。
【００１４】
本発明の掘削による地下気体貯蔵システムを据え付けるために、開口穴４が、地盤３の表面２より下に掘削されて貯蔵チューブ１を収容することになり、それは、開口穴４中に挿入されることになる。１つの貯蔵チューブ１が、各開口穴４中に挿入されることになる。開口穴４の数及び貯蔵チューブ１のサイズは、具体的な状況における貯蔵要求に基づき決定されることになる。
【００１５】
本発明の実施例では、住宅用の地熱井又は井戸の掘削技術を利用して、地下貯蔵空間とするための開口穴を生成する。住宅用の地熱井及び井戸の掘削技術は、本技術でよく知られている。掘削の目的が異なるとはいえ、使用する装置及び削孔動作は、住宅用の地熱井及び井戸の両方の掘削と本質的に同じである。一般に、異なる点は、ドリルのサイズだけである。通常、ドリルのサイズは、直径が住宅用の地熱井の掘削について７．６ｃｍ〜２０．３ｃｍ（３インチ〜８インチ）である。比較すると、通常、ドリルのサイズは、直径が井戸の掘削について３０．５ｃｍ〜４０．６ｃｍ（１２インチ〜１６インチ）である。また、直径がより大きい穴は、工業用のオイル及びガスの掘削装置を使用して掘削することができるが、しかし、これは、より高価なオプションになる恐れがある。さらに、住宅用の地熱井及び井戸の掘削は、日程を立てる視点から、地元の請負業者を通じて調達することが恐らくより容易であるはずである。
【００１６】
通常、住宅用の地熱井及び井戸の掘削装置は、１５２ｍ〜３０５ｍ（５００フィート〜１０００フィート）の深さにまで達することができる。しかし、貯蔵チューブの輸送は、一度それが一定の長さを超えると、困難になる恐れがある。したがって、本発明の１つの実施例では、代替手段として、貯蔵チューブは、据え付けの間、現場において、それらが開口穴中に挿入されるときに、複数のパイプ部材から組み立てることができる。特別の装置又は外被が、未仕上げの貯蔵チューブを保持するために必要になることがあり、それは、次のパイプ部材が付け加えられているときに、開口穴中で所定の場所に吊られる。各パイプ部材は、所望の長さを達成するために、溶接、ねじ又は化学的シールなどの接続手段によって直線的に接続することができる。各接続を完了して検査すると、未仕上げの貯蔵チューブを、１つのパイプ部材だけ穴のさらに下方に挿入し、その後別のパイプ部材を追加する。
【００１７】
上記に述べたように、本発明の掘削による地下気体貯蔵システムの実施例の設計段階の間、貯蔵チューブの長さ、直径及び材料（材料の品質等級を含む）は、変更することができ、気体のタイプ、地盤の地質工学的解析、貯蔵容量要件、利用できる領域、穴間隔及び全体の経済性に基づき最適化すべきである。気体を貯蔵することが可能な材料は、ただしこれらに限定されないが、スチール、銅及びｐｖｃ（ポリ塩化ビニル又は「プラスチック」）を含む。
【００１８】
本発明の１つの実例では、掘削による地下気体貯蔵システムが、３００ｋｇの気体水素を貯蔵するためのデモ用の水素燃料補給所について設計される。なお、ここで提示するデータは、単に例示するものであり、実際の貯蔵設計に、又はコスト予測に使用すべきでない。
【００１９】
貯蔵設計に関して、下の表の列３、４及び５は、それぞれ、長さが１５２ｍ（５００フィート）であって、２０．３ｃｍ、２５．４ｃｍ及び３０．５ｃｍ（８、１０インチ及び１２インチ）のシームレス・パイプを表す。列６は、それぞれ直径が４０．６ｃｍ（１６インチ）で、長さが７．６２ｍ（２５フィート）である上記の地上貯蔵容器からなる既存の貯蔵構成を表す。
【００２０】
【表１】
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上記の表中のデータが示すように、貯蔵するために必要な概算の上記の表面積は、３３．１７ｍ２（３５７ｆｔ２）から４．６５ｍ２（５０ｆｔ２）ほど小さくまで大幅に減少している。
【００２１】
コストに関していうと、本発明の掘削による地下気体貯蔵システムは、かなりのコスト低減ももたらすことになる。スチール容器中に３００ｋｇの気体水素を貯蔵するためのデモ用水素補給所に関する正規化したコスト（貯蔵する気体水素１ｋｇ当たり）は、概算で２０００ドル／ｋｇである。これと相対的に、スチール容器での掘削による地下気体貯蔵システムの正規化コストを、下の表に示す。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
コスト節減は、主に、工場で生産される高圧ＡＳＭＥ容器の代わりに、パイプを直線的に接続することによって形成される長い貯蔵チューブから生じる。さらに、示したコスト額は、不動産に対する、地下貯蔵チューブの直上の表面領域を利用することから生じる可能なコスト節減を考慮に入れていない、というのは、不動産価格は、場所毎に変動するからである。不動産価格が高い領域では、本発明の方法の実施例は、なおさら経済的に好ましいことになるはずである。
【００２４】
上記に示したように、本発明の実施例は、上記の地上貯蔵及び掘削による地下の貯蔵それぞれに関する領域及び深さの課題に対処して、表面占有面積の平方フィート当たりの貯蔵容量を増加させることになる。
【００２５】
さらに、上記に示したように、本発明の実施例は、気体貯蔵システムのコストを低減することになる。水素貯蔵に関するコスト解析によって、この革新的な貯蔵方法が貯蔵する水素ガス１ｋｇ当たりのコストをかなり低減することができることが、具体的に証明される。
【００２６】
さらに、本発明の実施例では、安全性も向上されることになる。一度貯蔵チューブが開口穴中に挿入されてグラウトで仕上げられると、それらに対して接近する可能性が最小になるので、柔軟化、偶発的衝突及び火災に対する本来的な安全バリアがもたらされ、それらのすべては、多くの上記の地上貯蔵施設の設計及び動作において主な懸念であった、殊に水素などの可燃性／燃焼性の液体が貯蔵されるときに、懸念されていた。
【００２７】
本発明の方法を、好ましい、又は例示する実施例の観点で述べてきたが、本発明の概念及び範囲から逸脱せずに、ここに述べたプロセスに変更を適用することができることが、当業者には明らかであるはずである。当業者に明らかなそのような類似の置き換え及び変形のすべては、次の特許請求の範囲で述べるように、本発明の範囲及び概念に含まれると見なされる。
【図１】
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【国際調査報告】
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