(57)【要約】  孔状耐火材料（１１）を収容する第１被覆容器（１）と第２被覆容器（２）のそれぞれ上端と下端（１１，２１，１２，２２）を繋ぐパイプ回路（１ｃ，１ｄ，２ｃ，２ｄ）に設けた第１ガス圧縮膨張機（３０）と第２ガス圧縮膨張機（４０）にガスを流すと、孔状耐火材料にガスが流れる。第１ガス圧縮膨張機（３０）と第２ガス圧縮膨張機（４０）のピストン（３０ａ，４０ａ）は、シリンダ（３０ｂ，４０ｂ）にて並進移動し、圧縮モードまたは膨張モードで動作する。一方のガス圧縮膨張機は、他方よりも高温のガスを収容する。圧縮モードでは蓄積される電気エネルギＥ１を消費する電気モータ（４１）によって駆動され、熱力機関モードでは電気エネルギ（ＥＲ）の復帰を可能にする発電機（５２）を駆動する。電気エネルギは耐火物質に熱の形で蓄積され、蓄積した潜在的な熱エネルギは電気エネルギの形で復帰される。
2011501026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気エネルギを蓄積したり復帰させたりするエネルギ蓄積復帰システムであって、
第１容器上端（１１）と第１容器下端（１２）の間で流れるガスを通過させる第１孔状耐火材料（１１）によって充填された第１被覆容器（１）と；
第２容器上端（２１）と第２容器下端（２２）の間で流れるガスを通過させる第２孔状耐火材料（１１）によって充填された第２被覆容器（２）と；
前記第１容器（１）と前記第２容器（２）の間の閉回路においてガス流れを可能にする被覆パイプ（１ｃ，２ｃ，１ｄ，２ｄ）であって、前記被覆パイプは、前記第１容器上端（１１）と前記第２容器上端（２１）の間の第１上パイプ（１ｄ）および第２上パイプ（２ｄ）と、前記第１容器下端（１２）と前記第２容器下端（２２）の間の第１下パイプ（１ｃ）および第２下パイプ（２ｃ）とを備えることと；
第１ガス圧縮膨張機（３０）と第２ガス圧縮膨張機（４０）を備えるガス圧縮膨張ユニット（５０）であって、
前記第１ガス圧縮膨張機（３０）は、前記第１容器上端（１１）と前記第２容器上端（２１）の間に置かれ、前記第１上パイプ（１ｄ）と前記第２上パイプ（２ｄ）にそれぞれ接続され、前記第１ガス圧縮膨張機（３０）は、第１シリンダ（３０ｂ）において並進移動する第１ピストン（３０ａ）を有し、前記第１ガス圧縮膨張機（３０）は、電気モータ（５１）と発電機（５２）に連結され、前記第１ガス圧縮膨張機（３０）は、
圧縮モードにおいて、第２容器上端（２１）から得られるガスを前記第１シリンダ（３０ｂ）において圧縮させることによって前記第１容器上端（１１）にガスを送るために、蓄積される電気エネルギ（Ｅ１）で電力供給される前記電気モータ（５１）によって前記第１ピストン（３０ａ）を動作可能であり、
膨張モードもしくは熱力機関モードにおいて、前記第２上パイプ（２ｄ）を介して前記第２容器上端（２１）に送られるべく、前記第１容器上端（１１）から得られるガスが前記第１シリンダにおいて膨張することによって前記第１ピストン（３０ａ）を動作可能であり、前記第１ピストン（３０ａ）の移動は前記発電機（５２）を駆動させ、したがって電気エネルギ（ＥＲ）を復帰させ、
前記第２ガス圧縮膨張機（４０）は、前記第１容器下端（１２）と前記第２容器下端（２２）の間に置かれ、前記第１下パイプ（１ｃ）と前記第２下パイプ（２ｃ）にそれぞれ接続され、前記第２ガス圧縮膨張機（４０）は、第２シリンダ（４０ｂ）において並進移動する第２ピストン（４０ａ）を有し、前記第２ピストン（４０ａ）の移動は前記第１ピストン（３０ａ）の移動に連結され、
前記第１容器下端（１２）から得られるガスを膨張させるために前記第１ガス圧縮膨張機が圧縮モードで動作し、且つ前記第２ガス圧縮膨張機（４０）は、前記第２容器下端（２２）にガスを送る膨張モードもしくは熱力機関モードにおいて動作し、
第１ガス圧縮膨張機が、第２容器下端（２２）から得られるガスを圧縮させるために膨張モードで動作し、且つ前記第２ガス圧縮膨張機（４０）は、前記第１容器下端（１２）にガスを送る圧縮モードにおいて動作するように構成されることと；
前記第２容器上端と前記第１ガス圧縮膨張機（３０）の間の前記第２上パイプ（２ｄ）を流れるガスを加熱する第１ガス加熱装置（５ｂ）と；
前記第２容器（２）の内部のガスを加熱する第２ガス加熱装置（５ａ）と；
前記第１容器下端（１２）と第２ガス圧縮膨張機（４０）の間の前記第１下パイプ（１ｃ）を流れるガスを冷却するガス冷却装置としての熱交換器（６）と
を備えることを特徴とする、エネルギ蓄積復帰システム。
【請求項２】
前記第１ピストン（３０ａ）と前記第２ピストン（４０ａ）は、共通のクランクシャフト（５３）に機械的連結され、
前記クランクシャフト（５３）は、前記電気モータ（５１）によって回転駆動され、且つ前記発電機（５２）を駆動し、
前記第１ピストン（３０ａ）と前記第２ピストン（４０ａ）の移動は、１８０°の逆位相にある、
請求項１記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項３】
前記第１シリンダ（３０ｂ）と前記第２シリンダ（４０ｂ）は、それぞれ２つのバルブ（３１ａ−３１ｂ，４１ａ−４１ｂ）を有し、
前記バルブ（３１ａ−３１ｂ，４１ａ−４１ｂ）は、前記第１シリンダ（３０ｂ）と前記第２シリンダ（４０ｂ）の吸気と排気を可能とし、
前記バルブ（３１ａ−３１ｂ，４１ａ−４１ｂ）の開閉は、前記第１ピストン（３０ａ）と前記第２ピストン（４０ａ）それぞれの位置関数として、または前記第１シリンダ（３０ｂ）と前記第２シリンダ（４０ｂ）のガス圧力値の関数としてコントロールされる、
請求項２記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項４】
不活性ガスとしてのアルゴンによって充填される、
請求項１〜３何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項５】
前記第１容器（１）と前記第１孔状耐火材料（１１）は、少なくとも３００°Ｃ、好ましくは３００°Ｃ〜１０００°Ｃ、より好ましくは４００°Ｃ〜６００°Ｃの第１温度Ｔ１に耐性があり、
前記第２容器（２）と前記第２孔状耐火材料（１１）は、少なくとも１００°Ｃ、好ましくは１００°Ｃ〜５００°Ｃ、より好ましくは２００°Ｃ〜４００°Ｃの第２温度Ｔ２に耐性がある、
請求項１〜４何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項６】
前記第１シリンダ（３０ｂ）の体積は、前記第２シリンダ（４０ｂ）の体積よりも大きい、
請求項１〜５何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項７】
前記第１シリンダ（３０ｂ）は、圧縮と膨張を行なう大きさであり、且つ前記温度Ｔ１とＴ２の間のガスの加熱と冷却を行なう大きさであり、
前記第２シリンダ（４０ｂ）は圧縮と膨張を行なう大きさであり、−５０°Ｃ〜−２０°Ｃの第３温度Ｔ３と周囲温度Ｔ０の間のガスの加熱と冷却を行なう大きさである、
請求項１〜６何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項８】
前記第１孔状耐火材料（１１）と前記第２孔状耐火材料（１１）は、２０％〜６０％の気孔率を有する、
請求項１〜７何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項９】
前記第１孔状耐火材料（１１）と前記第２孔状耐火材料（１１）は、多孔質レンガ（１１）によって構成され、
前記多孔質レンガ（１１）は互いに組付けられ、且つ好ましくは円筒状の孔（１１１）を有し、
前記孔（１１１）は、組付けられる容器の長手方向である共通の長手方向に平行に配置されて多孔質レンガ（１１）を貫通し、
前記孔は、５ｍｍ〜２０ｍｍの直径を有する、
請求項８記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１０】
前記第１孔状耐火材料（１１）と前記第２孔状耐火材料（１１）は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、およびライムのうちから選択される化合物の含有が高い耐火粘土を含む、
請求項１〜９何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１１】
前記第１孔状耐火材料（１１）は、第２耐火粘土またはシャモットを含む、
請求項１〜１０何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１２】
前記第２孔状耐火材料（１１）は、第１耐火粘土を含む、
請求項１〜１１何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１３】
前記第１容器（１）と前記第２容器（２）はそれぞれ５００ｍ３以上、好ましくは１０００ｍ３〜５０００ｍ３の体積を有する、
請求項１〜１２何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１４】
前記第１容器（１）と前記第２容器（２）は、複数のスチール垂直カラム（７０）によって構成され、
スチール垂直カラムの上端（７０ａ）と下端（７０ｂ）は、上マニホールド（７１ａ）と下マニホールド（７１ｂ）をそれぞれ介して、共通の前記上パイプ（１ｄ，２ｄ）と、共通の前記下パイプ（１ｃ，２ｃ）に接続される、
請求項１〜１３何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システム。
【請求項１５】
請求項１〜１４何れか一項記載のエネルギ蓄積復帰システムを用いて、電気エネルギ（Ｅ１）を熱エネルギの形で蓄積するエネルギ蓄積方法であって、
第２温度Ｔ２まで加熱される前記第２容器（２）のガスを予め加熱する初期段階の後、前記エネルギ蓄積復帰システムは初期の周囲温度Ｔ０である永久気体によって充填され、
［Ｉ］  第２温度Ｔ２で第２容器上端（２１）から流出するガスを、前記第１容器上端（１１）への供給前に圧縮モードで動作する前記第１ガス圧縮膨張機（３０）で圧縮することによって第２温度Ｔ２よりも高い第１温度Ｔ１まで加熱することであって、前記第１容器（１）では前記第２容器（２）の第２圧力Ｐ２よりも高い第１圧力Ｐ１が設定され、前記第１ガス圧縮膨張機（３０）は、蓄積される電気エネルギ（Ｅ１）で電力供給される前記電気モータ（５１）によって駆動されることと；
［ＩＩ］  ガスを第１容器上端（１１）と第１容器下端（１２）の間で前記第１容器（１）を通過させ、周囲温度Ｔ０で、または周囲温度Ｔ０よりは高いが第２温度Ｔ２よりは低い第１低温度Ｔ’１で前記第１容器下端（１２）から流出させることと；
［ＩＩＩ］  前記第１容器下端（１２）の流出口の下流に配置された熱交換型のガス冷却装置（６）によって、その後にガスを周囲温度Ｔ０まで適宜冷却することと；
［ＩＶ］  その後にガスを、膨張モードで動作する第２ガス圧縮膨張機（４０）によって第１圧力Ｐ１よりも低い前記第２容器（２）の第２圧力Ｐ２に膨張させることであって、ガスは第２容器下端（２２）を介して前記第２容器（２）に流入する前に周囲温度Ｔ０よりも低い第３温度Ｔ３まで冷却されることと；
［Ｖ］  ガスを前記第２容器下端（２２）および第２容器上端（２１）の間で前記第２容器（２）に流れさせ、これによって第３温度Ｔ３まで冷却される前記第２容器下部（２ｂ）における耐火材料の体積を増加させ、第２温度Ｔ２の、または前記第２温度Ｔ２よりは低いが周囲温度Ｔ０および第１低温度Ｔ’１よりは高い第２低温度Ｔ’２の第２容器上部（２ａ）の体積を減少させることであって、前記第２温度Ｔ２で前記第２容器（２）の端部から流出するガスを、第２ガス加熱装置（５ｂ）の補助によって第２低温度Ｔ’２まで適宜加熱することと；
［ＶＩ］  第１温度Ｔ１まで加熱される前記第１容器上部（１ａ）が前記第１容器（１）の体積の少なくとも８０％を占めるまで、工程［Ｉ］〜［Ｖ］を繰返し行なうことであって、前記第２容器下部（２ｂ）は第３温度Ｔ３まで冷却され、前記第２容器（２）の体積の少なくとも８０％を占めることと
を含むことを特徴とする、エネルギ蓄積方法。
【請求項１６】
前記工程［ＶＩ］において、第１低温度Ｔ’１の前記第１容器下部（１ｂ）は、前記第１容器（１）の体積の少なくとも１０％、好ましくは１０％〜２０％となるように蓄積が中断され、
第２温度Ｔ２の前記第２容器上部（２ａ）は、前記第２容器（２）の体積の２０％未満、好ましくは１０％〜２０％となるように蓄積が中断される、
請求項１５記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項１７】
Ｔ１／Ｔ２は１．２〜２であり、Ｔ１／Ｔ０は１．３よりも高く、好ましくは１．５よりも高く、より好ましくは２．５未満であり、
Ｐ１／Ｐ２は２〜４である、
請求項１５または１６記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項１８】
Ｔ１は、３００°Ｃ〜１０００°Ｃ、好ましくは４００°Ｃ〜６００°Ｃであり、
Ｔ２は、１００°Ｃ〜５００°Ｃ、好ましくは２００°Ｃ〜４００°Ｃである、
請求項１５〜１７何れか一項記載のエネルギ復帰方法。
【請求項１９】
第１圧力Ｐ１は、２ＭＰａ〜３０ＭＰａであり、
第２圧力Ｐ２は、１ＭＰａ〜１０ＭＰａである、
請求項１７または１８記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項２０】
Ｔ０は、必要に応じて１０°Ｃ〜４０°Ｃ、Ｔ３は−５０°Ｃ〜−２０°Ｃであり、
Ｔ１は、２０°Ｃ〜１００°Ｃである、
請求項１７〜１９何れか一項記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項２１】
蓄積された電気エネルギ量は、２０ＭＷｈ〜１０００ＭＷｈである、
請求項１７〜２０何れか一項記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項２２】
請求項１５〜２１何れか一項記載のエネルギ蓄積方法によって蓄積された熱エネルギを、電気エネルギ（ＥＲ）に復帰させるエネルギ復帰方法であって、
前記第１ガス圧縮膨張機（３０）と前記第２ガス圧縮膨張機（４０）が前記電気モータ（５１）によって駆動される初期段階において、前記第１容器（１）の第１高圧力Ｐ’１と、第１高圧力Ｐ’１よりも低い前記第２容器（２）の第２高圧力Ｐ’２との間の圧力勾配が、第１高圧力Ｐ’１はＰ１よりも高く、前記第２高圧力Ｐ’２はＰ２未満となるように設定すべく、前記第１ガス圧縮膨張機（３０）と前記第２ガス圧縮膨張機（４０）は、膨張モードおよび圧縮モードでそれぞれ動作し、この初期段階の後、前記エネルギ蓄積方法は、
［Ｉ］  第１温度Ｔ１で前記第１容器上端（１１）から流出するガスを、前記第１ガス圧縮膨張機によって膨張されて第２温度Ｔ２まで冷却させ、前記第１ガス圧縮膨張機は膨張モードで動作し、且つ復帰された電気エネルギ（ＥＲ）を供給可能にする前記発電機（５２）を駆動することと；
［ＩＩ］  ガスを前記第２容器上端（２１）から第２容器下端（２２）まで通過させる第２工程であって、前記第２容器上部（２ａ）は第２温度Ｔ２まで加熱され、前記第２容器下部（２ｂ）は第３温度Ｔ３で維持されることと、
［ＩＩＩ］  第３温度Ｔ３で前記第２容器下部（２２）から流出するガスをその後、膨張モードで動作する前記第１ガス圧縮膨張機によって放出されるエネルギによって駆動させ、圧縮モードで動作する前記第２ガス圧縮膨張機を通過して圧縮され、前記第２ガス圧縮膨張機（４０）の流出口において周囲温度Ｔ０よりも高く、必要に応じて第１低温度Ｔ’１よりも高いが第２温度Ｔ２よりは低い第４温度Ｔ４まで加熱されることと、
［ＩＶ］  ガスをその後、第１容器下端（１２）から前記第１容器（１）に導入される
前に冷却装置（６）によって周囲温度Ｔ０または第１低温度Ｔ’１まで冷却させ、第１低温度Ｔ’１の前記第１容器下部（１ｂ）に流入することと；
［Ｖ］  ガスを前記第１容器（１）に流れさせ、第１低温度Ｔ’１の第１容器下部（１ｂ）の耐火材料の体積を増加させ、高第１温度Ｔ１の上部（１ａ）における耐火材料の体積を減少させることと；
［ＶＩ］  第１温度Ｔ１における前記第１容器下部（１ｂ）が前記第１容器（１）の体積の少なくとも８０％となり、第２温度Ｔ２の前記第２容器上部（２ａ）が前記第２容器（２）の体積の少なくとも８０％となるまで、上記工程［Ｉ］〜［Ｖ］を繰返し行なうことと
を含むことを特徴とする、エネルギ復帰方法。
【請求項２３】
前記工程［ＶＩ］において、前記エネルギ復帰方法は、前記第１容器上部（１ａ）を第１温度Ｔ１で維持するように中断され、
第１容器上部（１ａ）は前記第１容器（１）の体積の２０％未満、好ましくは１０％〜２０％となり、
低第３温度Ｔ３の前記第２容器下部（２ｂ）は、前記第２容器（２）の体積の２０％未満、好ましくは１０％〜２０％となる、
請求項２２記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項２４】
電気エネルギが発電機（４ａ）によって復帰される効率ＥＲ／Ｅ１は、６０％よりも高く、好ましくは７０％〜８０％である、
請求項２２または２３記載のエネルギ蓄積方法。
【請求項２５】
Ｐ’１／Ｐ’２の比は、２．２〜５である、
請求項２２〜２４何れか一項記載のエネルギ復帰方法。
【請求項２６】
第４温度Ｔ４は、３０°Ｃ〜１００°Ｃである、
請求項２２〜２５何れか一項記載のエネルギ復帰方法。
【請求項２７】
第１高圧力Ｐ’１は、６ＭＰａ〜４０ＭＰａであり、
第２高圧力Ｐ’２は、１．５ＭＰａ〜９ＭＰａである、
請求項２２〜２６何れか一項記載のエネルギ復帰方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、数十ＭＷｈまたは数百ＭＷｈの電気エネルギを適切に蓄積および復帰させるシステムに関する。また本発明のシステムが使用する熱エネルギの形で電気エネルギを蓄積する方法、および本発明の方法によって蓄積した熱エネルギを電気エネルギ（ＥＲ）に復帰させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、高温でのエネルギ蓄積に関する。より詳細には、本発明は電気エネルギを消費ピーク時に配電網において復帰させることを目的とした、電気エネルギの蓄積に関する。
【０００３】
一般に電気は、エネルギを生成するための各種燃料（たとえばガス、油、石炭、亜炭）を用いて発電所で生成される。他の手段としては、高圧蒸気タービンで後に電気エネルギに変換される熱を、核燃料を用いて生成するものがある。
【０００４】
様々な国で発電に多大に貢献している再生可能エネルギも知られている。他の可能性としては、ダムで得られる水圧エネルギ、風力タービン、海流からエネルギを得る水力タービン、海の隆起または太陽エネルギからエネルギを回収する各種装置がある。
【０００５】
燃料またはダムに貯められた水から発電するシステムは、非常に長い期間、公称電力または最大電力で継続して稼動できるが、再生可能エネルギは間欠稼動を特徴とする。またネットワークで再生可能エネルギを利用した場合、一般に従来の発電所のわずか何分の１かのアンローディングで機能する。これらの発電所のうち、ネットワークからの電力要求待機時に低電力で稼動可能なもの、またはほぼ停止状態になるものもある。
【０００６】
燃料（たとえばガスまたは油）からの機械的エネルギ生成にタービンまたはレシプロエンジンを用いた各種技術が知られている。これらの技術は酸化剤（一般に空気）を圧縮し、その後に燃料を混合して燃焼室で燃焼し、生成した機械的エネルギを最後に回収する。この種の回転機械の最大効率は、膨張タービンまたはエンジンの温度に対する入り口の温度を関数として求められる。動作温度は膨張タービンのブレードの温度挙動またはピストンエンジン、より好ましくはバルブ、シリンダヘッド、およびピストンのヘッドの使用時におけるエンジンの様々な能動部品の金属部分の温度挙動のために制限される。
【０００７】
原子力発電所で使用される蒸気タービンも知られている。原子力発電所では、取り込んだ水力エネルギを、まず機械的エネルギに、次に蒸気タービンのシャフト端部に連結した発電機内部で電気エネルギにし、高温の蒸気に変化させる。このような蒸気タービンは、タービン上流の蒸気相の水およびタービン下流の液体の水を、熱搬送流体用の閉回路で動作させる。
【０００８】
エネルギが消費ピーク時にほぼ即時に利用できるようにエネルギを蓄積する試みが、長年にわたりなされている。数々の技術が開発されており、特にエネルギ需要のピーク時にタービンを駆動させるために、蓄電器（一般に鉛酸蓄電池）、または高度のあるダムへの水の汲上げが開発されている。
【０００９】
鉛酸蓄電池へのエネルギ蓄積は、小容量および中容量の場合には有効な技術である。しかし原子力発電所に相当する量、すなわち約１２００ＭＷを２４時間または３６時間以上
蓄積する必要がある場合、巨大で実際には非現実的なシステムが必要になる。
【００１０】
ダムは優れたエネルギ蓄積装置ではあるが、不幸なことに適切な用地の数には限りがある。また大容量のエネルギを蓄積するには、膨大な量の水を移動させなければならない。この量は利用可能な量から得なければならない。また多量の水が不用な期間には（たとえば灌漑用に）放出しなければならず、水が部分的に失われる。なかには高地の貯水地と低地の貯水池（一般に容量が大きい湖）を備えた用地もある。エネルギを蓄積する場合、低地の湖の内容物を高地の湖に汲上げ、配電網への追加電力供給が必要な消費ピーク時には、タービンの逆方向の駆動に利用できる。
【００１１】
他の技術ではエネルギを圧縮空気の形で蓄積し、その後にピストンエンジン、ベーンモータ、またはタービンによって機械的エネルギに再び変える。
特許文献１には、エネルギを熱の形で地下の容器に蓄積する技術が記載されている。初期に大気圧下および周囲温度下にある空気を、地下の貯蓄部の温度（約７００°Ｃ）で圧縮することによって熱が生成される。この用途において、貯蓄段階では自由大気から孔部に向けて、その後にエネルギ復帰段階では孔部から自由大気に向けてガス（すなわち空気）は開回路を流れる。
【００１２】
他の技術分野において、火を扱う産業では一般に再生熱交換器が使用される（すなわち陶磁器業およびテラコッタ業、ガラス製造業およびセメント製造業では溶鋼炉が使用される）。こうした再生器は高温の燃焼済ガスを大規模なタワーに送り、内部の耐火材料を加熱する。そしてガスを大気に放出する前にこのガスから熱を回収する。耐火材料内部で最大温度に到達すると、高温ガス流れが止まり、逆方向に冷気が流れる。この冷気は、溶鋼炉または燃焼器の流入口に案内される前に耐火材料に接触して加熱される。このような構成によって、多量のエネルギを消費する産業プロセスでの熱損失を大幅に低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】国際公開第２００５／１０８７５８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
エネルギの需要が製造能力を超えたピーク期間に大量のエネルギを即時に配電網に復帰可能とするために、従来の発電所（たとえば石炭火力発電所、ガス発電所、石油火力発電所、または原子力発電所）で生成される電気エネルギの蓄積が、課題として提起されている。
【００１５】
同様に、強風または強い水流のあった期間に余剰に生成した大量のエネルギを、生成が不十分な段階で（すなわちエネルギ生成レベルを風または水流では最小閾値に維持できない場合に）復帰させるために、再生可能エネルギ（たとえば風力タービンまたは海水タービン）を用いて蓄積可能とすることが課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
課題達成のために、本発明は本質的に有意量の電気エネルギを熱の形で耐火材料内に蓄積する。この流体は移送されるエネルギをガス、好ましくはアルゴンなどの不活性ガスにし、蓄積した熱ポテンシャルエネルギを電気エネルギの形に復帰可能とする。
【００１７】
より詳細には、本発明は、電気エネルギを蓄積したり復帰させたりするシステムである。システムは、
［Ａ］  第１容器上端と第１容器下端の間で第１容器を流れるガスを通過させる第１孔
状耐火材料によって充填された第１被覆容器と；
［Ｂ］  第２容器上端と第２容器下端の間で第２容器を流れるガスを通過させる第２孔状耐火材料によって充填された第２被覆容器と；
［Ｃ］  第１容器と第２容器の間の閉回路においてガス流れを可能にする被覆パイプであって、被覆パイプは、第１容器上端と第２容器上端の間の第１上パイプおよび第２上パイプと、第１容器下端と第２容器下端の間の第１下パイプおよび第２下パイプとを備えることと；
［Ｄ］  第１容器上端と第２容器上端との間に置かれた少なくとも１つの第１ガス圧縮膨張機と、第１容器下端と第２容器下端の間に置かれた少なくとも１つの第２ガス圧縮膨張機とを備えるガス圧縮膨張ユニットであって、
［Ｄ１］  第１ガス圧縮膨張機は、第１パイプおよび第２パイプによってそれぞれ接続されることと、第１ガス圧縮膨張機は、第１シリンダにおいて並進移動する第１ピストンを含むことと、第１ガス圧縮膨張機は、電気モータおよび発電機に連結され、第１ガス圧縮膨張機は、
・圧縮モードにおいて、第２シリンダ上端から得られるガスを第１シリンダにおいて圧縮させて第１容器上端にガスを送るために、蓄積される電気エネルギで電力供給される電気モータによって駆動され並進移動する第１ピストンを動作可能であり、
・膨張モードもしくは熱力機関モードにおいて、第２上パイプを介して第２容器上端に送られ、第１容器上端から得られるガスが第１シリンダにおいて膨張することによって並進移動する第１ピストンを動作可能であることと、第１ピストンの移動は発電機を駆動させ、したがって電気エネルギを復帰させ、
［Ｄ２］  第２ガス圧縮膨張機は、第１下パイプおよび第２下パイプによってそれぞれ接続され、第２ガス圧縮膨張機は、第２シリンダにおいて並進移動する第２ピストンを有し、第２ピストンの移動は第１ピストンの移動に連結され、これによって第２ガス圧縮膨張機は、
・第１容器下端から得られるガスを膨張させるために第１ガス圧縮膨張機が圧縮モードで動作し、且つ第２容器下端にガスを送る膨張モードもしくは熱力機関モードにおいて動作し、
・第１ガス圧縮膨張機が、第２容器下端から得られるガスを圧縮させるために膨張モードで動作し、第１容器下端にガスを送る圧縮モードにおいて動作することと；
［Ｅ］  第２容器上端と第１ガス圧縮膨張機との間の第２上パイプを流れるガスを加熱する第１ガス加熱装置と、好ましくは第２容器の内部のガスを加熱する第２ガス加熱装置と；
［Ｆ］  第１容器下端と第２ガス圧縮膨張機との間の第１下パイプを流れるガスを冷却するガス冷却装置としての好ましくは熱交換器と
を備えることを特徴とする。
【００１８】
第１シリンダ内のガスの膨張による膨張モードもしくは熱力機関モードにおける第１ピストンの移動が、発電機に完全には復帰されないように、第１ピストンの移動と第２ピストンの移動は互いに連結される。これは、第２シリンダ内でガスを圧縮するために圧縮モードで第２ピストンを移動させるため、およびその逆の移動を行なうためである。第２シリンダ内のガスの膨張による膨張モードにおける第２ピストンの移動は、第１シリンダ内でガスを圧縮するために圧縮モードで第１ピストンを移動させる一因となることを理解されたい。
【００１９】
特に、第１ピストンと第２ピストンは、共通のクランクシャフトに機械的連結され、クランクシャフトは、電気モータによって回転駆動され、且つ発電機を駆動し、第１ピストンの移動と第２ピストンの移動は、好ましくは１８０°の逆位相にある。
【００２０】
第２ピストンが、第２シリンダのシリンダヘッド（下死点）から可能な限り離れた初期
位置にある場合、第１ピストンは、第１シリンダのシリンダヘッド（上死点）に可能な限り接近したそのストロークの端部になること、並びにその逆もあることを理解されたい。
【００２１】
特に、第１シリンダと第２シリンダのそれぞれは、少なくとも２つのバルブを備え、これらのバルブは、第１シリンダと第２シリンダへの吸気および第１シリンダと第２シリンダからの排気を可能とし、バルブの開閉は、第１シリンダと第２シリンダの第１ピストンと第２ピストンの位置関数として、または第１シリンダと第２シリンダのガス圧力値の関数としてコントロールされる。
【００２２】
特に、シリンダの２つのバルブは、以下のように開閉される。すなわち、
［１］圧縮モードで動作するガス圧縮膨張機のピストンについて：
［１ａ］ピストンが上死点にあり、シリンダヘッドから離れ始めるとき、吸気バルブが開いて排気バルブが閉じ；
［１ｂ］ピストンが下死点にあり、シリンダヘッドに向かって復帰し始めてガスを圧縮するとき、吸気バルブは閉じ；
［１ｃ］シリンダ内の圧力が下流容器の圧力値に到達するとすぐに、排気バルブは開き、
［２］膨張モード（熱力機関モードとも言う）で動作するガス圧縮膨張機のピストンについて、
［２ａ］ピストンが上死点にあり、シリンダヘッドから離れ始めているとき、吸気バルブが開いて排気バルブが閉じ；
［２ｂ］ピストンが下死点にあり、シリンダヘッドに向かって復帰し始めるとき、シリンダ内の圧力値が下流チャンバの圧力と実質的に等しくなるように、ピストンが下死点に到達する前に吸気バルブは閉じ；
［２ｃ］ピストンが下死点に到着するとすぐに、排気バルブは開く。
【００２３】
好ましい実施形態において、本発明のシステムは不活性ガス、特に窒素、好ましくはアルゴンによって充填される。
以下に説明するように、アルゴンガスは、永久気体および不活性ガスとして機能するため、配管が腐食しない。また単原子ガスには加熱し易く、それゆえ圧縮比が制限されるという利点、並びに低コストで豊富に得られるという利点がある。
【００２４】
特定の実施形態において、システムは：
・第１容器と第１孔状耐火材料は、少なくとも３００°Ｃ、好ましくは３００°Ｃ〜１０００°Ｃ、より好ましくは４００°Ｃ〜６００°Ｃの第１温度Ｔ１に耐性があり；
・第２容器と第２孔状耐火材料は、少なくとも１００°Ｃ、好ましくは１００°Ｃ〜５００°Ｃ、より好ましくは２００°Ｃ〜４００°Ｃの第２温度Ｔ２に耐性があるという特徴を有する。
【００２５】
有利なことに、第１シリンダの体積は、第２シリンダの体積よりも大きい。
特に、第１シリンダは圧縮および膨張を行なう大きさであり、且つ温度Ｔ１とＴ２の間のガスの加熱と冷却を行なう大きさであり、第２シリンダは圧縮および膨張を行なう大きさであり、−５０°Ｃ〜−２０°Ｃの第３温度Ｔ３と周囲温度Ｔ０の間のガスの加熱と冷却を行なう大きさである。
【００２６】
好ましくは、耐火材料は単位体積当たりの熱容量を少なくとも２０００ｋＪ／ｍ−３／Ｋ−１、より好ましくは少なくとも２８００ｋＪ／ｍ−３／Ｋ−１を有する。
好適には、第１孔状耐火材料と第２孔状耐火材料は、２０％〜６０％の気孔率を有する。
【００２７】
特に、第１孔状耐火材料と第２孔状耐火材料は多孔質レンガによって構成され、多孔質レンガは互いに組付けられ、且つ好ましくは円筒状の孔を有し、該孔は組付けられる容器の長手方向である共通の長手方向に平行に配置されて多孔質レンガを貫通し、該孔はより好ましくは２ｍｍ〜２０ｍｍの直径を有する。
【００２８】
特定の実施形態において、第１孔状耐火材料と第２孔状耐火材料は、酸化マグネシウムと、酸化アルミニウムと、ライムとから選択される化合物の含有が高い耐火粘土を含む。
耐火材料は、シャモット、酸化マグネシウム、ドロマイト、ムライト、および炭素、耐火コンクリート、または天然物質（フリントの砂粒）であってもよい。
【００２９】
特に、第１孔状耐火材料は第２耐火粘土またはシャモットとからなり、第２孔状耐火材料は第１耐火粘土を含む。
特定の実施形態において、第１容器と第２容器はそれぞれ５００ｍ３以上、好ましくは１０００ｍ３〜５０００ｍ３の体積を有する。
【００３０】
有利なことに、第１容器と第２容器はそれぞれ、複数のスチール垂直カラムによって構成され、スチール垂直カラムの上端と下端は、それぞれ上マニホルドと下マニホルドを介して、共通の上パイプと共通の下パイプに接続される。
【００３１】
本発明は、本発明のシステムを用いて電気エネルギを熱エネルギの形で蓄積する蓄積方法である。この蓄積方法は、第２温度Ｔ２まで加熱される第２容器のガスを予め加熱する初期段階の後、システムは、初期の周囲温度Ｔ０である永久気体によって充填され、
［Ｉ］  第２温度Ｔ２で第２容器上端から流出するガスを、第１容器上端への供給前に第１圧縮機モードで動作する第１ガス圧縮膨張機で圧縮することによって第２温度Ｔ２よりも高い第１温度Ｔ１まで加熱することであって、第１容器では第２容器の第２圧力Ｐ２よりも高い第１圧力Ｐ１が設定され、第１ガス圧縮膨張機は、蓄積される電気エネルギで電力供給される電気モータによって駆動されることと；
［ＩＩ］  ガスは、上端と下端の間で第１容器を通過し、周囲温度Ｔ０で、または周囲温度Ｔ０よりは高いが第２温度Ｔ２よりは低い温度Ｔ'１で、第１容器下端から流出する
ことと；
［ＩＩＩ］  第１容器下端の流出口の下流に配置された、好ましくは熱交換型のガス冷却装置によって、その後にガスを周囲温度Ｔ０まで適宜冷却することと；
［ＩＶ］  その後にガスは、圧縮機モードで動作する第２ガス圧縮膨張機によって第１圧力Ｐ１よりも低い第２容器の第２圧力Ｐ２に膨張されることであって、ガスは、第２容器下端を介して第２容器に流入する前に周囲温度Ｔ０よりも低い第３温度Ｔ３まで冷却されることと；
［Ｖ］  ガスは、第２容器下端と第２容器上端の間で第２容器を流れ、これによって第３温度Ｔ３まで冷却される第２容器下部における耐火材料の体積を増加させ、第２温度Ｔ２の、または第２温度Ｔ２よりは低いが周囲温度Ｔ０および第１低温度Ｔ’１よりは高い第２低温度Ｔ’２の上部の体積を減少させることであって、第２低温度Ｔ２で第２容器の端部から流出するガスを、第２ガス加熱装置の補助によって第２温度Ｔ’２まで適宜加熱することと；
［ＶＩ］  第１温度Ｔ１まで加熱される第１容器上部が第１容器の体積の少なくとも８０％を占めるまで工程［Ｉ］〜［Ｖ］を繰返し行なうことであって、第２容器下部は第３温度Ｔ３まで冷却され、第２容器の体積の少なくとも８０％を占めることと
を含む一連の工程を行なう。
【００３２】
上記工程［ＩＩ］において、初期時に全体が周囲温度Ｔ０であるガスが第１容器上端で第１温度Ｔ１に到達すると、ガスは、第１容器上端から第１容器下端に向かって下方へ移動する。第１孔状耐火材料を通過するガスは、第１容器上部の第１耐火材料に熱を供給す
る効果をもたらし、第１容器上部は第１温度Ｔ１に加熱される。加熱されない、またはわずかに加熱される第１容器下部は、周囲温度Ｔ０〜第１温度Ｔ１（実際には周囲温度Ｔ０〜第２温度Ｔ２）の第１低温度Ｔ’１である。閉回路を循環するガスが通過し続けると、第１容器の高温部と低温部の間の第１フロント部すなわち第１熱遷移層が下方に移動し、第１温度Ｔ１の上部が占める体積は増加する。同時に工程［Ｖ］において、ガスは、低第３温度Ｔ３の第２容器下部に貫通流入する。これによって第２孔状耐火材料から熱を抽出する効果が得られ、通過する第２容器下部を第２温度Ｔ２から第３温度Ｔ３まで冷却する。ガスが通過し続けると、第２容器の高温上部と低温下部の間の第２フロント部すなわち第２熱遷移層が上方に移動し、第３温度Ｔ３の下部が占める体積は増加する。
【００３３】
圧縮モードで動作する第１ガス圧縮膨張機へのエネルギ供給に用いられる電気エネルギＥ１は、（高温の）熱エネルギの形で第１容器に蓄積され、（低温の）熱エネルギの形で第２容器に蓄積される。このエネルギは温度勾配Ｔ１〜Ｔ３によって決まる。
【００３４】
好ましくは、第１低温度Ｔ’１の第１容器下部（１ｂ）は第１容器の体積の少なくとも１０％、好ましくは１０％〜２０％となり、および／または第２温度Ｔ２の第２容器上部（２ａ）は、第２容器の体積の２０％未満、好ましくは１０％〜２０％となるように蓄積が中断される。
【００３５】
本発明の利点となる他の特定の特徴によると、使用される耐火材料は以下の特性及び質量を有する：
・温度比Ｔ１／Ｔ２は１．２〜２であり、Ｔ１／Ｔ０は１．３よりも高く、好ましくは１．５よりも高く、より好ましくは２．５未満であり、Ｐ１／Ｐ２は２〜４である；
・第１温度Ｔ１は３００°Ｃ〜１０００°Ｃ、好ましくは４００°Ｃ〜６００°Ｃであり、第２温度Ｔ２は１００°Ｃ〜５００°Ｃ、好ましくは２００°Ｃ〜４００°Ｃである；
・第１圧力Ｐ１は２０〜３００バール絶対圧（２ＭＰａ〜３０ＭＰａ）であり、より好ましくは３０〜１５０バール絶対圧（３ＭＰａ〜１５ＭＰａ）である。第２圧力Ｐ２は、１０〜１００バール絶対圧（１ＭＰａ〜１０ＭＰａ）であり、より好ましくは２０〜５０バール絶対圧（２ＭＰａ〜５ＭＰａ）であり；
・必要に応じて周囲温度Ｔ０は１０°Ｃ〜４０°Ｃ、第３温度Ｔ３は−５０°Ｃ〜−２０°Ｃ、Ｔ１'は２０°Ｃ〜１００°Ｃである。
【００３６】
好適には、２０ＭＷｈ〜１０００ＭＷｈの電気エネルギ量が蓄積される。
本発明はまた、上記の本発明の方法によって蓄積された熱エネルギから電気エネルギを復帰させるエネルギ復帰方法を提供する。このエネルギ復帰方法は、
第１ガス圧縮膨張機と第２ガス圧縮膨張機が電気モータによって駆動される初期段階において、第１容器の第１高圧力Ｐ’１と、第１高圧力Ｐ’１よりも低い第２容器の第２高圧力Ｐ’２との間に圧力勾配が、第１高圧力Ｐ’１は圧力Ｐ１よりも高く、第２高圧力Ｐ’２は圧力Ｐ２未満になるように設定すべく、第１ガス圧縮膨張機および第２ガス圧縮膨張機は、膨張モードおよび圧縮モードでそれぞれ動作し、この初期段階の後、
［Ｉ］  第１温度Ｔ１で第１容器上端から流出するガスが、第１ガス圧縮膨張機によって膨張されて第２温度Ｔ２まで冷却され、第１ガス圧縮膨張機は、膨張モードで動作し、且つ復帰された電気エネルギを供給可能にする発電機を駆動することと；
［ＩＩ］  ガスは、第２容器上端から第２容器下端まで通過する第２工程であって、第２容器上部は第２温度Ｔ２まで加熱され、第２容器下部は、第３温度Ｔ３で維持されることと；
［ＩＩＩ］  第３温度Ｔ３で第２容器下部から流出するガスは、その後、膨張モードで動作する第１ガス圧縮膨張機によって放出されるエネルギによって駆動される、圧縮モードで動作する第２ガス圧縮膨張機を通過して圧縮され、第２ガス圧縮膨張機の流出口にお
いて周囲温度Ｔ０よりも高く、必要に応じて第１低温度Ｔ’１よりも高いが第２温度Ｔ２よりは低い第４温度Ｔ４まで加熱されることと；
［ＩＶ］  ガスは、その後、第１容器下端から第１容器に導入される前に冷却装置によって周囲温度Ｔ０または第１低温度Ｔ’１まで冷却されて、第１低温度Ｔ’１の第１容器下部に流入することと；
［Ｖ］  ガスは、第１容器を流れ、第１低温度Ｔ’１の第１容器下部の耐火材料の体積を増加させ、高第１温度Ｔ１の上部における耐火材料の体積を減少させることと；
［ＶＩ］  第１温度Ｔ１における第１容器下部が第１容器の体積の少なくとも８０％となり、第２温度Ｔ２の第２容器上部が第２容器の体積の少なくとも８０％となるまで、前記の工程［Ｉ］〜［Ｖ］を繰返し行なうことと
を含むことを特徴とする。
【００３７】
本発明のエネルギ蓄積方法と同じ第１温度Ｔ１と第２温度Ｔ２を第１容器と第２容器で維持するために、初期工程において、本発明の蓄積方法による第１容器と第２容器の間の圧力勾配よりも高い圧力勾配を、第１容器と第２容器の間に設定することが必要である。
【００３８】
上記工程［ＩＩ］において、初期時に第２温度Ｔ２または第２温度Ｔ２よりも低い第２低温度Ｔ’２で２０％以下であるガスが第２容器上端で第２温度Ｔ２に到達すると、ガスは、第２容器上端から第２容器下端に向かって下方へ移動する。第２孔状耐火材料を通過するガスは、第２容器上部の第２耐火材料に熱を供給する効果をもたらし、第２容器上部は第２温度Ｔ２に加熱される。加熱されない下部は第３温度Ｔ３で維持される。ガスが通過し続けると、第２容器の高温部と低温部の間の第２フロント部すなわち第２熱遷移層が下方に移動し、第３温度Ｔ３の下部が占める体積は減少する。同時に工程［Ｖ］において、ガスは、周囲温度Ｔ０または第１容器下部の第１低温度Ｔ’１に到達する。これによって第１孔状耐火材料を冷却し、第１容器下部を第１温度Ｔ１から第１低温度Ｔ’１まで冷却する。ガスが通過し続けると、第１容器の高温上部と低温下部の間の第１フロント部すなわち第１熱遷移層が上方に移動し、第１温度Ｔ１の上部が占める体積は減少する。
【００３９】
（高温の）熱エネルギの形で第１容器に蓄積され、（低温の）熱エネルギの形で第２容器に蓄積された電気エネルギＥ１は、第１容器のガスの膨張時および冷却時に用いられる第１ガス圧縮膨張機が放出する機械エネルギを、電気エネルギＥＲに変換させる。
【００４０】
好ましくは、工程［ＶＩ］において、エネルギ復帰方法は、第１容器上部を第１温度Ｔ１で維持するように中断され、上部は第１容器の体積の２０％未満、好ましくは１０％〜２０％となり、および／または低第３温度Ｔ３の第２容器下部は第２容器の体積の２０％未満、好ましくは１０％〜２０％となる。
【００４１】
好適には、電気エネルギが発電機（４ａ）によって復帰される効率ＥＲ／Ｅ１が、６０％よりも高く、好ましくは７０％〜８０％である。
本発明の電気エネルギを復帰させる方法の利点となる他の特性によると：
・Ｐ'１／Ｐ'２の比が２．２〜５である；
・第４温度Ｔ４は３０°Ｃ〜１００°Ｃである；
・第１高圧力Ｐ’１は６０〜４００バール絶対圧（６メガパスカル（ＭＰａ）〜４０ＭＰａ）であり、第２高圧力Ｐ’２は１５〜９０バール絶対圧（１．５ＭＰａ〜９ＭＰａ）である。
【００４２】
本発明の他の利点と特徴については、以下の図面を参照して詳細な説明に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】本発明のエネルギ蓄積方法による第１容器または熱源を再充填する段階を示す、本発明のシステムの機能図。
【図１Ｂ】第１容器または熱源に蓄積した熱エネルギを電気の形に復帰させる、本発明のシステムの機能図。
【図２Ａ】エネルギ蓄積方法における圧縮モードおよび熱力機関モードにおいてそれぞれ動作する第１ガス圧縮膨張機３０および第２ガス圧縮膨張機４０の動作サイクルの異なる段階を示す概略図。
【図２Ｂ】動作サイクルの次段階を示す概略図。
【図２Ｃ】動作サイクルの次段階を示す概略図。
【図２Ｄ】動作サイクルの次段階を示す概略図。
【図３】円筒形の孔の拡大図を含む、本発明のシステムの容器の一部断面の側面図。
【図３Ａ】四角形の耐火材料要素を示す水平面図。
【図３Ｂ】六角形の耐火材料要素を示す水平面図。
【図４】理想の熱力学的サイクルと、実在気体の圧縮および膨張を示すグラフ。
【図５】ネットワークから得た電気エネルギによって第１容器を再充填する熱力学的サイクルを示すグラフ。
【図６】ネットワークに還元するために、第１容器のエネルギを復帰させる熱力学的サイクルを示すグラフ。
【図７】第１容器における熱遷移層の高さｈの上昇を示す模式図。
【図７Ａ】第１容器における熱遷移層の高さｈの第１容器上端への遷移を示す模式図。
【図７Ｂ】第１容器における熱遷移層の高さｈの第１容器下端への遷移を示す模式図。
【図８Ａ】本発明の容器を構成する、圧力下にある垂直カラム状の１組のタンクの断面図。システムはタンクの外部またはタンクの内部に組込まれる。
【図８Ｂ】図８Ａとは別例の、垂直カラム状の１組のタンクの側面図。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
電気エネルギを蓄積および復帰させる本発明の装置は、第１容器１と第２容器２を備える。
・第１容器１は、１０ｍｍ〜１００ｍｍの厚さを有し、且つ３００°Ｃ〜１０００°Ｃ、特に４００°Ｃの第１温度Ｔ１、および５０バール絶対圧（ｂａｒａ）〜３００ｂａｒａ（すなわち５ＭＰａ〜３０ＭＰａ）の圧力において、内部の不活性ガスの高温および高圧に耐性のある第１孔状耐火材料によって充填された鋼壁を有する第１被覆容器である。
【００４５】
・第２容器２は、第１容器１と同じ体積（すなわち１０００ｍ３〜５０００ｍ３）と、１０ｍｍ〜１００ｍｍの厚さを有し、且つ含有する不活性ガスの第２温度Ｔ２および第２圧力Ｐ２（すなわち１００°Ｃ〜５００°Ｃ、特に約２５０°ＣのＴ２）に耐性のある第２孔状耐火材料によって充填された鋼壁を有する第２被覆容器である。
【００４６】
第１容器１と第２容器２は、上記のように高熱量を有する孔状耐火材料１１によって略全体が充填されている。
システム内のガスが、第１容器１と第２容器２それぞれの上端および下端に好ましくは位置する互いの対極の端部１１−１２および２１−２２の間で各容器を通過可能となるよう、装置は第１容器１と第２容器２の間の閉回路循環を構成するダクトを備える。
【００４７】
第１容器１と第２容器２の間の循環ダクトは、以下のように第１容器１と第２容器２の間のガスを圧縮する第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０も備える。
特に、第１容器１と第２容器２は、それぞれ垂直に配置される。
【００４８】
図１Ａと図１Ｂにおいて、第１容器１は、第１容器上端１１において第１容器上部１ａ
に開口する上ダクト１ｄと、第１容器下端１２において第１容器下部１ｂに開口する第１下ダクト１ｃとを備える。
【００４９】
同様に、第２容器２は、第２容器上端２１において第２容器上部２ａに開口する第２上ダクト２ｄと、第２容器下端２２において第２容器下部２ｂに開口する第２下ダクト２ｃとを備える。
【００５０】
第１下ダクト１ｃ、第２下ダクト２ｃ、第１上ダクト１ｄ、および第２上ダクト２ｄは、同様に被覆されている。
第２容器２は、第１ヒータ５ａ（好ましくは電気抵抗器５ａ１を備えるヒータ）と、第２容器の両端の間のヒータ配管５ａ３の閉回路とに連結される。ヒータ配管５ａ３を流れるガスは、第１ヒータ５ａによって加熱される。
【００５１】
圧縮膨張ユニット５０は、第１容器１と第２容器２の間に置かれる。圧縮膨張ユニット５０は、電気エネルギＥ１で電力供給される電気モータ５１を備える。電気モータ５１は、以下に説明するように、圧縮モードで動作する第１ピストン圧縮膨張機３０を駆動する。圧縮膨張ユニット５０はまた、以下に説明するように、相補的に動作するように第１ガス圧縮膨張機３０に連結された第２ピストン圧縮膨張機４０を有する。
【００５２】
第１ガス圧縮膨張機３０の流出口は、第１上パイプ１ｄを介して第１容器上端１１に連結される。また第１ガス圧縮膨張機３０の流入口は、第２上パイプ２ｄを介して第２容器上端２１に連結される。以下のように、第２上パイプ２ｄは第１ガス圧縮膨張機３０の供給パイプを成し、第１上パイプ１ｄは、蓄積サイクルにおける圧縮後、および第１ガス圧縮膨張機３０の圧縮モードでの動作後に、第１ガス圧縮膨張機３０からのガス放出パイプを成す。
【００５３】
好ましくは電気抵抗器５ａ２を備える第２ヒータ５ｂは、第２上パイプ２ｄに連携動作する。第２ヒータ５ｂは、第２容器上端２１と第１ガス圧縮膨張機３０の流入口との間に介在する。
【００５４】
図１Ａと図１Ｂにおいて、２つの加熱装置５ａ，５ｂは別個のものとして記載されている。しかし、ダクトが適切にルーティングされている場合、１つの加熱装置を使用することは全く可能である。
【００５５】
第２ガス圧縮膨張機４０は、第１下パイプ１ｃを介して第１容器下端１２に接続される。また第２ガス圧縮膨張機４０は、第２下パイプ２ｃを介して第２容器下端２２に接続される。第１下パイプ１ｃは、第１容器下部１ｂから得られるガスを、第２ガス圧縮膨張機４０に供給するように機能する。以下のように、装置が蓄積サイクルで動作し、第２ガス圧縮膨張機４０が膨張モードまたは「熱力機関モード」で動作している場合、第２ガス圧縮膨張機４０を流出するガスは、第２下パイプ２ｃを介して第２容器下部２ｂに到達する。
【００５６】
熱交換器６は、第１容器下端１２と第２ガス圧縮膨張機４０の間の第１下パイプ１ｃに連携動作する。
圧縮膨張ユニット５０は、第１ガス圧縮膨張機３０に連結された電気生成オルタネータとしての発電機５２を備える。発電機５２は、エネルギ引出サイクル時に、第１ガス圧縮膨張機３０が以下のように膨張モードまたは熱力機関モードで動作すると、電気エネルギＥＲを復帰させる。
【００５７】
第１ガス圧縮膨張機３０には、第１容器上端１１に接続している第１上ダクト１ｄを介
してガスが供給される。また第１ガス圧縮膨張機３０から流出する膨張ガスは、装置が引出サイクルで動作すると、第２上ダクト２ｄを介して第２容器上端２１に排出されるため、第２容器上端２１との接続が生じる。
【００５８】
第２ガス圧縮膨張機４０には、第２下ダクト２ｃによってガスが供給されるため、第２容器下端２２との接続が生じる。ガスは、第２ガス圧縮膨張機４０から第１下ダクト１ｃを介して、第１容器下端１２に向かって排出される。
【００５９】
図２Ａ〜図２Ｄは、エネルギ蓄積サイクル時の第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０の動作の詳細を示す。
電気モータ５１は、第１ガス圧縮膨張機３０を駆動するクランクシャフト５３に接続され、クランクシャフト５３は発電機５２に接続される。この第１ガス圧縮膨張機３０は、エネルギ蓄積段階には圧縮機として機能し、エネルギ復帰段階には熱力機関として機能する。クランクシャフトはまた、第２ガス圧縮膨張機４０に接続される。この第２ガス圧縮膨張機４０は、エネルギ蓄積段階には熱力機関として機能し、エネルギ復帰段階には圧縮機として機能する。
【００６０】
第１ガス圧縮膨張機３０は、第１ピストン３０ａが軸方向に移動する第１シリンダ３０ｂによって構成される。第１ピストン３０ａは、好ましくはピストンリング３０ｄを備えており、従来方法で、第１接続ロッド３０ｃによってクランクシャフト５３のクランクピン（図示せず）に接続されている。第１シリンダヘッド３４には、２つの第１バルブ（３１ａ，３１ｂ）が取付けられている。第１バルブは、従来方法で、第１アクチュエータ３２ａ，３２ｂによって機械的に、電気的に、または水圧駆動で作動され、エネルギ蓄積時の圧縮サイクルのシーケンス、またはエネルギ復帰時の膨張熱力学的サイクルのシーケンスにおいて、シリンダ内の大量の気体が開口部３３ａ，３３ｂに投入される。
【００６１】
同様に、第２ガス圧縮膨張機４０は、第２ピストン４０ａが軸方向に移動する第２シリンダ４０ｂによって構成される。第２ピストン４０ａは、好ましくはピストンリング４０ｄを備えており、従来方法で、第２接続ロッド４０ｃによってクランクシャフト５３のクランクピン（図示せず）に接続されている。第２シリンダヘッド４４には、２つの第２バルブ４１ａ，４１ｂが取付けられている。第２バルブ４１ａ，４１ｂは、従来方法で、第２アクチュエータ４２ａ，４２ｂによって機械的に、電気的に、または水圧駆動で作動され、エネルギ蓄積時の膨張熱力学的サイクルのシーケンス、またはエネルギ復帰時の圧縮サイクルのシーケンスにおいて、シリンダ内の大量の気体が開口部４３ａ，４３ｂに投入される。
【００６２】
第１ピストン３０ａと第２ピストン４０ａは、第１シリンダヘッド３４と第２シリンダヘッド４４をそれぞれ備える第１シリンダ３０ｂと第２シリンダ４０ｂにおいて、当業者に既知の方法で並進移動する。第１シリンダヘッド３４と第２シリンダヘッド４４には、吸気バルブ／排気バルブが取付けられており、吸気バルブ／排気バルブは、以下に詳述するシーケンスを実行するために、当業者に既知の方法で機械的に、電気的に、または水圧駆動でコントロールされる。第１ピストン３０ａと第２ピストン４０ｂは、互いに逆位相（すなわち１８０°）となるようにクランクシャフト５３に搭載される。このため、クランクシャフト５３の回転時にピストンのうちの一方が一方のシリンダヘッドに接近すると、反対側のピストンが他方のシリンダヘッドから遠ざかるように、第１ピストン３０ａと第２ピストン４０ａはそれぞれのシリンダ軸線に沿って並進移動する。
【００６３】
エネルギ蓄積段階において、電気モータ５１はネットワークから得られる電気エネルギＥ１によって作動され、発電機５２は該ネットワークから分離されるように、ならびにエネルギ復帰のアクティブな段階において、電気モータ５１はネットワークから分離され、
発電機５２は該ネットワークに再注入する電気エネルギＥＲを生成するように、クランクシャフトは最初に電気モータ５１に接続され、次に発電機５２に接続される。
【００６４】
第１シリンダヘッド３４と第２シリンダヘッド４４のそれぞれは、少なくとも２つのバルブ（すなわち吸気バルブと排気バルブ）を備えている。吸気バルブと排気バルブは、サイクルの種類（エネルギ蓄積サイクルまたはエネルギ復帰サイクル）に依存する特定シーケンスにおいて、機械的に、電気的に、または水圧駆動で個別に作動される。
【００６５】
蓄積サイクルにおいて、第１ガス圧縮膨張機３０は圧縮機として機能し、第２ガス圧縮膨張機４０は熱力機関として機能する。これによって、圧縮機として機能する第１ガス圧縮膨張機３０にエネルギを復帰させる。対照的に、エネルギ復帰サイクルにおいて役割は逆になり、第２ガス圧縮膨張機４０は圧縮機として機能し、第１ガス圧縮膨張機３０は熱力機関として機能する。そして、圧縮機として機能する第２ガス圧縮膨張機４０にエネルギを復帰させる。
【００６６】
本発明の圧縮機は、吸気バルブおよび排気バルブとしてそれぞれ機能する少なくとも２つのバルブの組を有する。
第１ガス圧縮膨張機３０または第２ガス圧縮膨張機４０が「圧縮機」モードで動作する場合、第２バルブを密閉したまま第１バルブを作動させることによってピストンがシリンダヘッドから遠ざかると「低圧−低温」ガスがシリンダを貫通流通するように、ならびに第１バルブを密閉したまま第２バルブを作動させることによってピストンがシリンダヘッドに向かって移動すると「高圧−高温」ガスが逃げるように、バルブは個別にコントロールされる。圧縮サイクルは、クランクシャフトが１旋回する間に生じる。圧縮サイクルにおいて、ガスが下流ダクトから圧縮チャンバに戻るのを防ぐために、排気バルブの開放は、チャンバ圧力の上昇と有利に同期される。すなわちチャンバ内の圧力が下流の圧力と少なくとも等しくなるまで、排気バルブは開放されない。同様に、排気バルブの閉鎖は、ピストンがシリンダヘッドに接近して逆方向に移動し始めると、速やかに作動される。吸気バルブはその後、ガスが上流ダクトから通過するように作動される。
【００６７】
膨張モードまたは熱力機関モードの第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０は、クランクシャフトの１旋回に対応する１サイクルにおいて同様に動作する。しかし、バルブの作動方法は、圧縮機モードにおける動作時の逆になる。
【００６８】
第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０が膨張モードまたは熱力機関モードで動作する場合、第２バルブを密閉したまま第１バルブを作動させることによってピストンがシリンダヘッドから遠ざかると「高圧−高温」ガスがシリンダを貫通流通するように、ならびに第２バルブを作動させることによって第１バルブが密閉され、ピストンがシリンダヘッドに接近すると「低圧−低温」ガスが逃げるように、バルブは個別にコントロールされる。熱力機関サイクルは、クランクシャフトが１旋回する間に生じる。
【００６９】
第１ガス圧縮膨張機３０は、エネルギ蓄積時の圧縮機モード、およびエネルギ引出時の熱力機関モードのいずれにおいても、Ｔ１とＴ２の間の高温で動作し、シリンダ容量は高くなる。
【００７０】
第２ガス圧縮膨張機４０は、エネルギ蓄積時の熱力機関モード、およびエネルギ引出時の圧縮機モードのいずれにおいても、Ｔ３とＴ０またはＴ’１との間の低温で動作し、シリンダ容量は第１ガス圧縮膨張機３０の容量よりも低くなる。
【００７１】
図２Ａ〜図２Ｄにおいて、蓄積段階（すなわち左側のピストンは圧縮機として機能し、右側のピストンは熱力機関として機能する）のクランクシャフトの全１旋回に対応する全
１サイクルについて、装置の断面図と側面図を示す。
【００７２】
図２Ａにおいて：
・第１ピストン３０ａ（左側）は下死点に到達し、第１シリンダヘッド３４に向かって戻り始めており、ガスを圧縮している。第１バルブ３１ａ，３１ｂの両方が閉じ、第１シリンダ３０ｂ内の圧力が上昇する。同時に、
・第２ピストン４０ａ（右側）は上死点に到達し、第２シリンダヘッド４４から離れ始めている。第１容器１の下端から流出する高温ガスが通過可能となるように、第２バルブ４１ｂは閉じて第２バルブ４１ａは開く。
【００７３】
図２Ｂにおいて：
・第１バルブ３１ｂは閉鎖位置にあり、第１ピストン３０ａ（左側）は第１シリンダヘッド３４に向かって移動し、下流の圧力に対応する圧力Ｐ１（すなわち第１容器内の圧力値と実質的に同様）になるまで、ガスを圧縮している。その後第１バルブ３１ａは、ガスを下流ダクトに向けるべく開く。同時に、
・第２バルブ４１ｂは閉じ、第２ピストン４０ａ（右側）は第２シリンダヘッド４４から遠ざかる。また右側の第２ピストン４０ａが第２シリンダ４０ｂの長さｅのストロークに沿って移動するまで、第１容器から得られるガスは、開位置の第２バルブ４１ａを介して第２シリンダ４０ｂを貫通流通し続ける。
【００７４】
図２Ｃにおいて：
・第２ピストン４０ａ（右側）がストロークｅに沿って移動した場合、第２バルブ４１ａは閉じている。第２バルブ４１ｂが閉じた状態で、高温ガスは膨張し、システムにエネルギを供給する。エネルギは、なお圧縮段階にある第１ピストン３０ａ（左側）に直接移送される。
【００７５】
・右側の第２ピストン４０ａが下死点になると、第２シリンダ４０ｂ内の圧力が第２容器（Ｐ２）の圧力と実質的に等しくなるように、距離ｅの計算および調節がリアルタイムで行われる。
【００７６】
図２Ｄにおいて：
・第２ピストン４０ａ（右側）は下死点に到達すると、第２ピストン４０ａは第２シリンダヘッド４４に向かって戻る。第２バルブ４１ｂはその後、第２容器２の下部にガスを向けるべく開く。
【００７７】
・同様に、第１ピストン３０ａ（左側）は上死点に到達し、第１バルブ３１ａは閉じている。その後、第２容器２の上端から得られるガスが流入可能となるように、第１バルブ３１ｂは直ちに開放される。
【００７８】
その後このサイクルは、図２Ａを参照して説明したように再開する。第２バルブ４１ａの閉鎖のトリガとなる値ｅは、第１バルブ３１ａの開放のトリガとなる圧力値Ｐ１に関連していないことに留意されたい。
【００７９】
上記の蓄積サイクルにおいて、エネルギは電気モータ５１によって実質的に提供される。熱力機関（右側のピストン）によって供給されるエネルギは、電気モータによって供給されるエネルギのうちの極僅かなエネルギ（たとえば１％〜５％）である。しかし、蓄積−引出サイクルの全体効率を崩壊させないことを回避するためにシステムにエネルギを再注入することは不可欠である。
【００８０】
引出サイクルは蓄積サイクルと同じであり、したがって、バルブ開閉のシーケンスは対
称的である。すなわち左側のピストンは熱力機関になり、右側のピストンは圧縮機になる。熱力学のエンジンは、その後非常に大量のエネルギを提供するが、右側の圧縮機は、そのエネルギのごく一部分のみ（たとえば１％〜５％）を使用する。残りのエネルギによって発電機５２が駆動され、発電機５２は電源ネットワークＥＲに再注入を行なう。
【００８１】
引出サイクルを開始するとき、クランクシャフトの移動、したがってピストンの移動を行なうことが適切である。発電機が設けられないため、これらの移動を行なうために僅かな時間（たとえば１０分間）、すなわち装置が動作速度に達するのに十分な時間、電気モータ５１は作動される。生成したエネルギをネットワークに再注入するために、モータはその後分離され、発電機５２は該ネットワークに接続される。
【００８２】
本発明の好ましい態様において、電気モータと発電機は１つの回転機械を備え、このため本発明の装置の機械的実装が簡略化される。
説明を明確にするために、図１Ａと図１Ｂに示す第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０のそれぞれは、ピストンシリンダアセンブリを備える。圧縮膨張ユニット５０の容量を増加させるために、ピストンシリンダアセンブリの数は有利に増加される。第１ガス圧縮膨張機３０のシリンダ数は、第２ガス圧縮膨張機４０のシリンダ数とは異なってもよいが、同じクランクシャフトに関連付けられており、したがって、同じ電気モータ５１と同じ発電機５２とに関連付けられる。
【００８３】
高電力のためには、複数組の圧縮膨張ユニット５０を並行して動作させることが有利である。このような状況において、圧縮膨張ユニット５０のそれぞれの組は、同一のモード（蓄積モードまたは引出モード）において他の組と同時に動作する。しかしながら、圧縮膨張ユニット５０のすべての組が同時に動作することは不可欠ではなく、幾つかの群は、たとえばメンテナンスのために停止されてもよい。その後、このような停止群に特有のガス供給排気ダクトは、図１Ａと図１Ｂに示す遮断バルブ６１ａ−６１ｂ，６２ａ−６２ｂによって、システムから分離される。
【００８４】
第１容器１と第２容器２は、それぞれ第１容器上端１１と第１容器下端１２、第２容器上端２１と第２容器下端２２の間で上記容器にガスを通過可能とする孔状耐火材料１１によって充填されている。第１容器１と第２容器２に用いられる孔状耐火材料１１は、２０％〜６０％の気孔率（孔隙率）を有してもよい。このため、ガスと耐火材料１１の間で十分に熱交換が行え、熱損失を十分に抑え、孔状材料１１における流速を十分に高く維持するという好影響をもたらす。動作時、本発明の装置は、不活性ガス（好ましくはアルゴン）によって完全に充填される。すなわち上記のパイプ回路、タービン、圧縮機、ヒータ、および第１容器と第２容器は、すべて不活性ガスによって充填される。
【００８５】
図３は、ガスを通さない金属製の外部ケーシング１３と、内部被覆システム１２とを備える容器を示す断面および側面図である。内部被覆システム１２は、金属製の外部ケーシング１３の壁と、耐火材料１１のブロックまたはブリックの積層物との間に配置される。耐火材料１１は穿孔形状の縦チャネル１１１を有し、この穿孔は好ましくは直径２ｍｍ〜１５ｍｍの円形断面を有し、耐火材料１１を貫通し、第１容器１の横断面全体の各平面において略均一に配置されている。詳細は図３Ａと図３Ｂに示す。
【００８６】
重畳された各種ブロック１１のチャネル１１１は、それぞれ一直線状に配列される。これによって、第１容器１と第２容器２の長手方向ＺＺにおいて各容器の両端同士の間を、同長手方向ＺＺにおいて互いに重畳される個々のブロック１１のチャネル間に障害物なく、ガスの循環が可能となる。容器の下部に位置する多孔質の支持構造１４は、隣接する被覆された下ダクト１ｃ，２ｃを介して流入または流出するガスを、容器の断面全体にほぼ均一に拡散可能とする。これによって、ガスが下部から供給された場合に、耐火材料１１
のブロックを垂直に通過するチャネル１１１に向かって最適な方法で（すなわち熱損失を最小にして）ガスが案内される。同様に、ガスが容器の上部から供給された場合に十分に拡散可能となるように、容器の上部に空隙１５が設けられる。図３において、ガスは容器の下部から流入し、上部から流出する。以下に説明するように、これは第２容器２への蓄積段階と第１容器１への復帰段階に対応している。
【００８７】
図３Ａは、図３の平面ＡＡにおける部分横断面図である。耐火材料のブロック１１は正方形であり、図の平面に直交する垂直方向ＺＺに延伸する複数の平行な環状円筒孔を有する。ブロックは好適には互いに間隙ｅ（たとえばｅは５ｍｍ）を介している。このため、温度変化時に間隙が狭まった場合、ブロックは間隙の間隔の大きさを損なわずに膨張できる。またこの間隙は必要に応じて第２容器下部２ｂから第２容器上部２ａへガスを通過させる垂直チャネルとして機能できる。耐火材料ブロック１１は、好適には容器の被覆１２を介して容器の壁に直接接触する。このため、この領域においては低温または高温のガスが直接自由に通過しないように制限される。本発明の第１態様において、耐火材料１１のブロックの連続平面におけるブロックは、好適にはモジュールの半分だけ互いにズラして配置されている。すなわちブロックは、隣のブロックの半分だけズラして配置されている。これによって組立部は、図３に示す容器内で安定する。容器の好ましい態様において、ブロックは容器の高さ全体において互いに垂直方向に積層され、すべての方向で互いに５ｍｍ〜１０ｍｍの間隙を介して独立した積層部を成す。これによって、図３のズラして載置したブロックのように、蓄積−復帰サイクルで膨張したり蓄積−復帰サイクルで水平面ＡＡにおいて磨耗したりする危険性が回避される。
【００８８】
図３Ｂは、円筒型容器の絶縁壁付近における、６角形断面を有する耐火ブロック１１ａを示す。ブロック１１ａの端部に直接接触することによって、または絶縁ブロック１２ａを屈曲に適合する形状とすることによって、または絶縁材料１２ａ（すなわち容器の被覆１２と同種の材料）を埋込むことによって、または屈曲に一致する形状の耐火性ブロック１２ｂによって、絶縁壁との接触が行われる。
【００８９】
本発明の装置は、以下の２つの互いに異なるモードで動作可能である。つまり、
・蓄積サイクルすなわち充填サイクルの第１モードと；
・エネルギ復帰サイクルすなわちエネルギ引出サイクルの第２モードである。
【００９０】
エネルギ蓄積モードすなわちエネルギ充填モードは、以下のように動作が行われる。最初に不活性ガス（たとえばアルゴンまたは窒素）が装置に、すなわち第１容器、第２容器、タービン、圧縮機、および配管に周囲温度Ｔ０（たとえば２０°Ｃ）で載荷される。
【００９１】
図１Ａは、第１容器１にエネルギを充填すなわち蓄積する段階の装置を示す。
初期時にシステム全体は１０°Ｃ〜２０°Ｃの周囲温度Ｔ０にあり、容器内および配管内にはガスがある。このため、周囲温度Ｔ０の第１容器１と第２容器２は、載荷圧力に関係する共通の初期圧力（たとえば１ｂａｒａ〜１．２ｂａｒａ）にある。
【００９２】
第２容器２内の耐火材料は、その後に２５０°Ｃの第２温度Ｔ２まで加熱される。加熱を行なうために、第２容器のガスは第２容器上端２１と第２容器下端２２の間で閉ループ状に循環される。また第２容器下端２２と第２容器上端２１の間でループを成すヒータパイプ５ａ３内のガスを第２容器２の外部で加熱する第１ヒータ５ａを用いて、ガスは第２容器２の外部で加熱される。ファン５ａ５によってガスは、ヒータ配管５ａ３を循環する。第１ヒータ５ａは、第１抵抗器５ａ１を備える。バルブ５ａ４は、第１ヒータ５ａが初期加熱時の終わりに使用されない場合、第１ヒータ５ａを分離させるように機能する。これによって、通常サイクルにおいて望ましくないガスの移送および循環が回避される。
【００９３】
第２容器２内の耐火材料全体が２５０°Ｃの第２温度Ｔ２まで加熱された場合、バルブ５ａ４が閉じ、ガスは第２上ダクト２ｄを介して第１ガス圧縮膨張機３０に送られ、圧縮機モードにおける第１ガス圧縮膨張機３０の流出口で３００°Ｃ〜６００°Ｃ（たとえば４００°Ｃ）の第１温度Ｔ１に加熱される。第１容器１と第２容器２の間で圧力勾配が形成され、第１容器１の第１圧力Ｐ１は２０ｂａｒａ〜３００ｂａｒａ（５ＭＰａ〜３０ＭＰａ）に上昇し、第２容器２の第２圧力Ｐ２は１０ｂａｒａ〜１００ｂａｒａ（２ＭＰａ〜１０ＭＰａ）、特に２０ｂａｒａ〜５０ｂａｒａに降下する。
【００９４】
第１容器１において、耐火材料の第１容器上部１ａは４００°Ｃの第１温度Ｔ１まで上昇し続け、第１容器下部１ｂは２０°Ｃ〜１００°Ｃの第１低温度Ｔ’１に設定される。
ガスが第２容器下部２ｂを介して第２容器２に再導入され、膨張されて第３温度Ｔ３に冷却される前に、第２容器の第２圧力Ｐ２に再設定されるように、第１容器下端１２の流出口において、熱力機関モードの第２ガス圧縮膨張機４０によってガスを膨張させる必要がある。システムで蓄積したエネルギが第１温度Ｔ１〜第３温度Ｔ３の温度勾配に関係する限り、第３温度Ｔ３をできるだけ低く維持することがよい。この目的のためには、ガスをできるだけ低い温度で熱力機関モードの第２ガス圧縮膨張機４０に導入および貫通流通させることがよい。このため、ガスは第１タービン（３ｃ）に再導入される前に、第１容器下端１２の流出口で熱交換器６によって、第１低温度Ｔ’１から１０°Ｃ〜２０°Ｃの周囲温度Ｔ０に冷却される。
【００９５】
蓄積モードの動作時、各種ガス循環サイクルが進行するにつれ、高温（４００°Ｃの第１温度Ｔ１）の第１容器内の耐火材料１１の第１容器上部１ａは、第１容器１内で占める体積が増加してゆく。すなわち第１容器上端１１から導入された高温のガスは、耐火材料１１に熱を与え、第１容器１内で体積が増加した耐火材料１１を加熱する。温度遷移領域に対応する第１フロント部としての第１熱遷移層１ｅは、図１と図２にラインで示されている。蓄積時にガス循環サイクルが継続する間、高温（第１温度Ｔ１）の第１容器上部１ａと、低温（２０°Ｃ〜１００°Ｃの第１低温度Ｔ’１）の第１容器下部１ｂとは、漸次下方へ移動する。反対に、少なくとも−５０°Ｃ〜−２０°Ｃの第３温度Ｔ３の第２容器下部２ｂは、第２容器２内で占める体積が増加してゆく。第２フロント部としての第２熱遷移層２ｅは、第３温度Ｔ３の第２容器下部２ｂと、第２温度Ｔ２の第２容器上部２ａとの間の遷移領域をなす分離部をラインで示したものである。各種ガス循環サイクルが進行するにつれ、第２熱遷移層２ｅは漸次上方へ移動する。
【００９６】
圧縮機モードの第１ガス圧縮膨張機３０は、電気エネルギＥ１を消費する電気モータ５１によって作動される。膨張モードの第２ガス圧縮膨張機４０は、圧縮機モードの第１ガス圧縮膨張機３０にシャフトを介して連結される。これによって、電気モータ５１が与えるエネルギに加え、第２ガス圧縮膨張機４０が、第１ガス圧縮膨張機３０にエネルギを供給する。
【００９７】
エネルギ蓄積モード時の連続したガス循環サイクルにおいて、第２容器上部２ａの温度は、第２温度Ｔ２よりも低い第２低温度Ｔ’２（すなわち２００°Ｃ未満、たとえば１５０°Ｃ〜１７５°Ｃ）に降下する。
【００９８】
第２容器上部２ａの温度降下を抑制するためには、第２容器上端２１から流出するガスを、第２抵抗器５ａ２を備える第２ヒータ５ｂによって加熱することがよい。第２抵抗器５ａ２は、第２上ダクト２ｄを流れるガスが、圧縮機モードの第１ガス圧縮膨張機３０に到達するまで２００°Ｃの第２温度Ｔ２で維持されるようにこのガスを加熱可能である。同様に電気モータ５１は、圧縮機モードの第１ガス圧縮膨張機３０の流出口の温度を、約４００°Ｃの一定の第１温度Ｔ１に維持するように調節される。
【００９９】
各種エネルギ蓄積サイクルの期間において、第２ヒータ５ｂの流入口のガス温度を測定し、ガスを略一定の第２温度Ｔ２に上昇させるために第２ヒータ５ｂに１秒当たり注入する電気エネルギＥ２の量をリアルタイムで調節する。このため、エネルギ蓄積サイクルでシステムに注入する電力は、電気モータ５１に供給する電気エネルギＥ１に、第２ヒータ５ｂに供給する電気エネルギＥ２を加算したものに相当する。
【０１００】
上記のとおりエネルギ蓄積サイクルにおいて、第１容器下端１２から流出するガスを冷却することによって、第１タービン（３ｃ）での膨張前にガスの温度を周囲温度Ｔ０に降下させる必要がある。これは熱交換器６を用いて行われる。熱交換器６には、１０°Ｃ〜２０°Ｃの温度の冷却流体（たとえば冷水または冷気）が供給される。これによって、２０°Ｃ〜１００°Ｃの第１低温度Ｔ’１で第１容器から流出するガスを冷却し、１０°Ｃ〜２０°Ｃの周囲温度Ｔ０にする。熱交換器６の冷却流体は、冷気または冷水の流体によって温度３０°Ｃ〜１００°Ｃの出口６ｄで熱交換器６から流出する。これによって熱交換器６は、３０°Ｃ〜１００°Ｃの温度に加熱された水の形で熱エネルギＥ３を放出する。この熱エネルギＥ３はシステム内に蓄積できないが、熱ポンプで回収可能なエネルギ、または産業プロセスもしくは都市部の暖房に利用可能なエネルギである。すなわち蓄積サイクル全体において、熱エネルギＥ３は装置の全体効率に影響する不足分を成す。
【０１０１】
システムを安定化させるために、また蓄積モードの動作からエネルギ復帰モードの動作へと連続する互いに異なる動作を最適化するために、第１容器が第１温度Ｔ１に上昇する前、または第２容器が第３温度Ｔ３に降下する前に、蓄積を中断することが好ましい。
【０１０２】
実際には、第１容器１の全体積の１０％〜２０％を成す第１容器下部１ｂは、第１容器１内で２０°Ｃ〜１００°Ｃの第１低温度Ｔ’１で維持される。同時に、第２容器上部２ａは、第２温度Ｔ２または第２温度Ｔ２に近い温度で維持される。すなわち−５０°Ｃ〜−２０°Ｃの温度の第２容器下部２ｂが、第２容器２の体積の８０％〜９０％となる場合、蓄積が中断される。
【０１０３】
この１０％〜２０％分の体積は、図７を参照して以下に説明するとおり、高さｈの温度遷移領域の体積に相応する。
図１Ｂは、第１容器１内に蓄積したエネルギを、電気エネルギＥＲに復帰させるサイクルを示す。
【０１０４】
復帰の初期時、つまり充填段階の終わりに電気モータ５１がＯｆｆに切替わった場合、ガスは定常状態になり、ガスの圧力は第１容器１と第２容器２において３０ｂａｒａ〜１００ｂａｒａ（１．５×１０５Ｐａ〜２．５×１０５Ｐａ）の中間値で均衡する。
【０１０５】
エネルギ復帰サイクルすなわちエネルギ引出サイクルの動作モード開始段階において、第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０とを駆動する電気モータ５１が起動される（第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０とは、電気モータ５１に連結されている）。これによって、第１容器１と第２容器２の間で圧力勾配が設定され、第１容器１では第１圧力Ｐ１よりも高い第１高圧力Ｐ’１に、第２容器２では第２圧力Ｐ２よりも低い第２高圧力Ｐ’２になる。
【０１０６】
開始時、圧縮機モードの第２ガス圧縮膨張機４０は第２容器２からガスを吸入して、第１容器１に送る。これによって第１容器１内の圧力を上昇させ、熱力学モードの第１ガス圧縮膨張機３０にガスを供給し、最後に第２容器２に復帰させて循環サイクルを継続する。第１ガス圧縮膨張機３０が熱力学モードにおいて十分な動作慣性に到達して圧縮モードの第２ガス圧縮膨張機４０を駆動すると、電気モータ５１はＯｆｆに切替わる。
【０１０７】
安定状態において、第１ガス圧縮膨張機３０は、第１容器上部１ａからガスを吸入し、冷却および膨張させて第２容器２に供給する。システムの動作を最適化するために、第１ガス圧縮膨張機３０から流出するガスは、蓄積サイクルの終端である第２容器上部２ａのガス温度とほぼ同じ第２温度Ｔ２となることがよい。これを達成するためには、第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０における損失がＰ'１／Ｐ'２＞Ｐ１／Ｐ２となる。実際、第１高圧力Ｐ’１は６０ｂａｒａ〜４００ｂａｒａとなり、第２高圧力Ｐ’２は１５ｂａｒａ〜９０ｂａｒａとなる。
【０１０８】
圧力勾配Ｐ'１／Ｐ'２が設定されると、電気モータ５１はＯｆｆに切替わる。第２容器下部２ｂのガスは、蓄積サイクルの終端の温度である−５０°Ｃ〜−２０°Ｃの第３温度Ｔ３である。ガスは第２ガス圧縮膨張機４０に取込まれ、第１高圧力Ｐ’１に再圧縮される。同時にガスは、第４温度Ｔ４に加熱される。第２ガス圧縮膨張機４０内での損失があるため、第４温度Ｔ４は周囲温度Ｔ０よりも高い。第４温度Ｔ４は一般に、３０°Ｃ〜１００°Ｃである。
【０１０９】
第２ガス圧縮膨張機４０の流出口の周囲温度Ｔ０よりも高い第４温度Ｔ４のガスは、第１容器下端１２に供給される前に、熱交換器６で第１低温度Ｔ’１に冷却されなければならない。第１容器１において、第１容器下部１ｂは、２０°Ｃ〜１００°Ｃの第１低温度Ｔ’１である。
【０１１０】
引出サイクル時に第２ガス圧縮膨張機４０の流出口でガスを冷却した場合、冷却流体が加熱されることによって、熱エネルギＥ４の損失という影響が生じる。しかし、第４温度Ｔ４のガスを第１低温度Ｔ’１に冷却することによって、エネルギ蓄積サイクル時に第１容器下端１２の流出口のガスを、第１低温度Ｔ’１から熱交換器６下流の周囲温度Ｔ０に冷却し易くなる。この結果、ガスは、エネルギ蓄積サイクルで第２ガス圧縮膨張機４０に流入するとき、周囲温度Ｔ０に到達する。全体として、引出サイクル時の熱エネルギ損失Ｅ４は、蓄積サイクル時よりも低い熱交換器６の熱エネルギ損失Ｅ３によって補償される。第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０での損失があるため、熱エネルギＥ３＋Ｅ４全体は、Ｔ４〜Ｔ０の温度勾配に関係するシステムにおける損失に相応する。
【０１１１】
システムによって復帰したエネルギＥＲは、エネルギを電気に復帰可能なオルタネータつまり発電機５２を駆動する第１ガス圧縮膨張機３０によって放出されるエネルギに相応する。全体として正確には、エネルギＥＲは、熱力学モードの第１ガス圧縮膨張機３０が放出するエネルギから、第１ガス圧縮膨張機３０に連結された第２ガス圧縮膨張機４０が消費するエネルギを差引いたものに相応する。更に、蓄積サイクルと引出サイクルとのシステムの全体効率は、Ｅ５が容器、ダクト、第１ガス圧縮膨張機３０、第２ガス圧縮膨張機４０、および様々な付属品の被覆時の損失である場合、以下のように表すことができる。
【０１１２】
ＥＲ＝Ｅ１＋Ｅ２−（Ｅ３＋Ｅ４）−Ｅ５
損失Ｅ３＋Ｅ４＋Ｅ５は、供給されるエネルギＥ１＋Ｅ２に対して２０％〜４０％となる。このため、システムおよびエネルギ復帰方法の全体効率は、６０％〜８０％である。
【０１１３】
システムのエネルギ効率を最適化するためには、蓄積サイクルの終端で第１容器１を完全に第１温度Ｔ１になるまでは加熱しないことがよい。これによって、第１容器下部１ｂの熱遷移層は、周囲温度Ｔ０または第１低温度Ｔ’１に保持され、第２容器上部２ａの熱遷移領域は、第２温度Ｔ２に保持される。同様に、１サイクル終端においてエネルギ復帰サイクル時は、第１容器１が完全に冷却される前、および第２容器２が完全に加熱される前に、引出が停止される。これによって第１容器下部１ｂの熱遷移層は、第１温度Ｔ１に維持される第１容器１の体積の１０％〜２０％に相応する。第３温度Ｔ３に維持される第
２容器下部２ｂの熱遷移領域に相応する層も同様に、第２容器２の体積の１０％〜２０％となる。
【０１１４】
第２温度Ｔ２である第２容器上部２ａに熱遷移領域があるため、共通の温度である第１容器の第１温度Ｔ１と第２容器の第２温度Ｔ２に相応するエネルギ復帰サイクル初期に、第１容器１と第２容器２の間に圧力勾配Ｐ'１／Ｐ'２が再設定し易くなる。
【０１１５】
蓄積サイクルの終端および復帰サイクルの終端で、第１容器１と第２容器２それぞれの一端に熱遷移領域を維持することも、システムの全体エネルギ効率に利点となる。もし蓄積サイクルの終端に第１容器１全体を加熱すると、第１容器下端１２の熱遷移層に相応する体積を加熱しながら第１容器下端１２から流出するガスは、第１低温度Ｔ’１よりも高い温度で流出する。この結果、より高い冷却エネルギＥ３が必要となるため、エネルギ損失が高くなってしまう。
【０１１６】
同時に、もし復帰サイクルの終端で第２容器２全体を加熱すると、第２容器下端２２から流出するガスは、第３温度Ｔ３よりも高い温度で出て、より高い第４温度Ｔ４で熱交換器６の下流に到達し、より高い熱損失Ｅ４を生じるため、エネルギ損失もより高くなってしまう。
【０１１７】
蓄積の終端に、第１容器下部１ｂを第１低温度Ｔ’１に、第２容器上部２ａを第２温度Ｔ２に維持すると、復帰サイクルが開始し易くなる。この結果、復帰時に第１容器１と第２容器２をそれぞれ第１高圧力Ｐ’１，第２高圧力Ｐ'２、温度勾配Ｔ１／Ｔ２で安定し
て動作させるために、電気モータ５１を使用しなければならない時間が一層短くなる。同様に、エネルギ復帰の終端で高温の第１容器上層１ａを第１温度Ｔ１に、復帰サイクルの終端で低温の第２容器下層２ｂを第３温度Ｔ３に維持した場合、第２温度Ｔ２で第１ガス圧縮膨張機３０に流入するガスの維持に必要な電気エネルギＥ２の量を抑えることによって、後の蓄積サイクルが開始し易くなる。
【０１１８】
第１シリンダ３０ｂと第２シリンダ４０ｂの大きさは異なり、所与のガス温度下およびガス圧力下において、第１シリンダ３０ｂは第２シリンダ４０ｂよりも大きい。ガスの体積は温度とともに増加するため、高温のガス流入口と共に動作するシリンダは大型でなければならない。こうした理由によって、蓄積段階において第１ガス圧縮膨張機３０は３００°Ｃ〜５００°Ｃの第１温度Ｔ１で動作し、第２ガス圧縮膨張機４０は約−５０°Ｃ〜−２０°Ｃの第３温度Ｔ３で動作する。蓄積段階で小型の第２ガス圧縮膨張機４０を使用すると、第１ガス圧縮膨張機３０によって駆動され易いことに留意されたい。同様に、第２ガス圧縮膨張機４０を使用すると、エネルギ損失が抑えられ、エネルギＥＲは第１ガス圧縮膨張機３０が放出するエネルギから、第２ガス圧縮膨張機４０が消費するエネルギを差引いたものに相応する。このため、同様にシステムの総エネルギ消費に影響するエネルギ消費が抑えられるように、第２ガス圧縮膨張機４０の流入口の第３温度Ｔ３を可能な限り低くすることも利点となる。
【０１１９】
エネルギ蓄積サイクルとエネルギ引出サイクルの両方において、エネルギ蓄積時は第１容器下端１２下流において、エネルギ復帰時には第１容器下端１２上流において、同一の熱交換器６を用いて冷却を行なう。よって、たとえばエネルギ復帰サイクル時に第１容器下端１２下流の熱交換器でガスを冷却しないような形態に比べて、熱交換器６の大きさを抑えることができる。
【０１２０】
エネルギ復帰段階で連続してガス循環サイクルが起こるに従い、第１容器１においては第１低温度Ｔ’１の低温の第１容器下部１ｂと、第１温度Ｔ１の高温の第１容器上部１ａとの間の第１熱遷移層１ｅが、漸次上方に移動する。一方、第２容器２においては、第２
温度Ｔ２の高温の第２容器上部２ａと、第３温度Ｔ３の低温の第２容器下部２ｂとの間の第２熱遷移層２ｅが、漸次下方に移動する。
【０１２１】
エネルギ復帰サイクルにおいて第１温度Ｔ１，第２温度Ｔ２がそれぞれ一定値（たとえば１３００°Ｃ，５００°Ｃ）に維持されるように、第２ガス圧縮膨張機４０と第１容器下部１ｂの間のガス復帰回路における熱交換器６の動作が調節され、次に第１ガス圧縮膨張機３０の動作が調節されることに留意されたい。
【０１２２】
本発明の本質的且つ独創的な特徴によると、エネルギ蓄積すなわちエネルギ充填サイクルおよびエネルギ復帰すなわちエネルギ放出サイクルにおいて、第１温度Ｔ１，第２温度Ｔ２は、一定且つ同一であることに留意されたい。
【０１２３】
図４は、熱力学的サイクルに対応するグラフであり、横軸に体積Ｖを、縦軸に絶対圧Ｐ（ｂａｒａ）を示す。また以下の４つの等温線を示す。
・Ｔ０（周囲温度：２０°Ｃ）；
・Ｔ１（第１容器の温度：４００°Ｃ）；
・Ｔ２（第２容器の高温度：２００°Ｃ）；
・Ｔ３（第２容器の低温度：−５０°Ｃ〜−２０°Ｃ）。
【０１２４】
ポイントＡ，Ｂ間に、第１温度Ｔ１，Ｔ２にＰＶγ＝一定の関係を適用した理想気体の断熱圧縮サイクル／断熱膨張サイクルを示す。実機では挙動が異なり、第２温度Ｔ２，Ｔ１間の断熱圧縮は、実際には曲線ＡＢ１となる。曲線ＡＢ１は、圧力Ｐｂよりも低い圧力Ｐｂ１と、体積Ｖｂよりも大きい体積Ｖｂ１とで、第１温度Ｔ１に到達することを示している。同様に断熱膨張時は、圧力Ｐａよりも低い圧力Ｐａ１と、体積Ｖａよりも大きい体積Ｖａ１とで、第２温度Ｔ２に到達する。
【０１２５】
第１容器１と第２容器２の温度を効果的に管理するためには、蓄積段階および復帰段階で各ガス容器の上方部がそれぞれほぼ同一の温度であることが重要であることに留意されたい。これを説明するために、たとえば第１容器上部１ａを考える。蓄積段階において、高温ガスは、供給された耐火材料１１を第１容器上部１ａから貫通流通する。この固形物の温度は、ガスの温度を超えないが、ガスの温度に限りなく近くなり得る。復帰段階において、第１容器１内の供給された耐火材料１１の上部から流出するガスの温度は、上記耐火材料１１の温度に等しくなり得る。同様のことが第２容器２についても言える。可能な限り効率を高めるためには、第１容器１において、蓄積段階に注入されるガスの熱をすべて可能な限り復帰段階でも用いることが重要である。また第２容器２において、蓄積段階にガスから回収した熱のすべてを可能な限り復帰段階でも用いることが重要である。言い換えると、蓄積段階および復帰段階において、第１温度Ｔ１，第２温度Ｔ２はできるだけ近い（理想的には同一の）温度にすることがよい。
【０１２６】
図４を参照して説明したとおり、実機の膨張時または圧縮時に共通の第１温度Ｔ１，第２温度Ｔ２を用いた場合、圧力比が異なる。これは、蓄積段階および復帰段階で使用されるエンジンと圧縮機の組合せの圧力比が互いに異なる必要があることを意味している。たとえば蓄積時に高圧力はＰｂ１、低圧力はＰａであり、復帰時には高圧力がＰｂ、低圧力がＰａ１であることが図４より分かる。
【０１２７】
図５と図６は、図１と図２を参照して説明したシステムおよび方法で行われるエネルギ蓄積サイクルとエネルギ復帰サイクルにそれぞれ対応する熱力学的なサイクルを示す。これらの熱力学的なサイクルは、１つのサイクル全工程を行なうガスの単位体積（たとえば１ｍ３）に対応する。サイクル全工程とは、容器のうちの一方または圧縮機でエネルギを得て、熱力機関またはもう一方の容器に復帰させるサイクルである。この単位体積によっ
て、蓄積サイクルまたは復帰サイクルの期間全体に比べて非常に短い期間で熱力学的なサイクルが行われ、数百、数千、または数万の熱力学的サイクルが行われる。すなわち圧縮機、熱力機関、ダクト、各容器をガスが何度も通過する。
【０１２８】
図５は、図１Ａを参照して説明した蓄積段階を示す。第２容器上部２ａから出たガスは、ポイントＡにおいて第２温度Ｔ２で圧縮機モードの第１ガス圧縮膨張機３０に入り、ポイントＢにおいて温度Ｔで圧縮されて流出する。ガスは第１容器１の耐火材料１１を貫通流通し、耐火材料１１に熱を供給しながら耐火材料１１を通過し、温度の第１熱遷移層１ｅを漸次下方に移動させる。ガスは第１容器下部１ｂを出て出口６ａで約２０°Ｃ〜１００°Ｃの温度となり、その後に熱交換器６を通過してエネルギＥ３を外部に供給する。この結果、熱交換器６は周囲温度２０°Ｃに相当するほぼ一定の周囲温度Ｔ０になる（図のポイントＣに対応）。ガスはその後、第２ガス圧縮膨張機４０を通過して圧縮機モードの第１ガス圧縮膨張機３０にエネルギを発し、第２下パイプ２ｃの熱力機関モードの第２ガス圧縮膨張機４０を、第３温度Ｔ３（−３０°Ｃ）で流出する（図のポイントＤに対応）。最後に、ガスは第２容器下部２ｂに入って耐火材料１１から熱を回収し、この耐火材料１１を上方に通過し、温度の第２熱遷移層２ｅを漸次上昇させる。最後に、ガスは第２容器上部２ａから第２容器２を出て第１圧縮機（３ｂ）に取込まれ、可能であれば第２ヒータ５ｂを通過後、第２温度Ｔ２になる。第２ヒータ５ｂでは十分なエネルギＥ２が適宜取込まれ、ガスの温度を第２温度Ｔ２の値に再調節する。ガスはその後に図のポイントＡに戻り、新しいサイクルが開始する。
【０１２９】
図６に詳細に示すエネルギ復帰の熱力学的サイクルは、以下のように行われる。高温の第１温度Ｔ１のガスは、第１容器上部１ａから流出する（図のポイントＢに対応）。ガスはその後に熱力機関モードの第１ガス圧縮膨張機３０を通過し、エネルギＥＲを発電機５２に供給して第２温度Ｔ２（図のポイントＡ）に到達する。ガスはその後に第２容器上部２ａに入ってその熱を耐火材料１１に供給し、温度の第２熱遷移層２ｅを漸次下方に移動させる。ガスは第３温度Ｔ３で第２容器下部２ｂから流出する（図のポイントＤに対応）。その後にガスは圧縮機モードの第２ガス圧縮膨張機４０を通過し、所望の周囲温度Ｔ０よりも高い第４温度Ｔ４で流出する。その後、熱交換器６を通過してエネルギＥ４の量を外部に供給し、周囲温度Ｔ０に戻る（図のポイントＣに対応）。最後にガスは第１容器底部１ｂから貫通流通し、ここでエネルギを回収して加熱されて図のポイントＢに到達し、温度の第１熱遷移層１ｅが漸次上昇する。言い換えれば、第１容器１全体が冷却される。
【０１３０】
図７は、左側の第１容器１と、温度が約２０°Ｃの下領域と、温度が約４００°Ｃの上領域との間に位置する上昇する第１熱遷移層１ｅとを側断面図で示す。この上昇する第１熱遷移層１ｅは、図７の右側のグラフに詳細に示す高さｈの遷移領域に対応する。エネルギ蓄積段階において遷移領域は下方に移動し（図７Ａ）、復帰段階においては上方に移動する（図７Ｂ）。最適効率に相当する熱力機関の動作範囲に維持するためには、第１容器１を完全には充填しない、または完全には放出しないことがよい。すなわち図７Ｂに詳細に示すように、充填サイクル／放出サイクルを第１容器１の総ピーク容量の最大高さδＨ１（たとえば総高さの８０％〜９０％に相当）に制限する。同様の遷移領域が第２容器２に存在するが、対応する温度は異なる（たとえば下部は−３０°Ｃで上部は２００°Ｃ）。使用する熱材の割合は、高さδＨ２に対応する。使用される上記の割合は、第１容器１の割合とほぼ等しいこと（すなわち８０％〜９０％）が好ましい。
【０１３１】
温度が互いに異なる２つの容器を備える本構成において、耐火材料の８０％〜９０％の熱容量だけを用いると、６０％〜８０％程度の非常に優れた効率が得られる。
これは第１に、周囲温度よりも非常に高い２つの温度レベルＴ１〜Ｔ２でエネルギが交互に汲上げされ、回収されることによる。カルノーの定理より、高温の供給源の温度上昇に伴って熱機関の効率が高くなることは周知である。
【０１３２】
第２の理由は、第１温度Ｔ１，Ｔ２が蓄積段階および復帰段階の両方で等しいことである。これは互いに異なる圧力比（Ｐ１／Ｐ２およびＰ'１／Ｐ'２）で動作する互いに異なるタービンと圧縮機の組合せを用いて達成される。
【０１３３】
優れた全体効率の第３の理由は、蓄積段階において、圧縮機モードの第１ガス圧縮膨張機３０からの損失分がガスの熱として抽出されることである。このエネルギは、第２容器２から汲上げられる熱と同様に、第１容器１の耐火材料１１に蓄積される。高温の第１圧縮機（３ｂ）から損失するエネルギ分は、そのほとんどが復帰段階において有益な仕事の形で回収される。
【０１３４】
第４の理由は、熱をガスと交換する熱交換器６を使用したことによる。超高温で動作可能であり、且つ気体と固体の間に非常に大きな熱交換領域を成す耐火部品群を構成することができる。これによって、蓄積段階と復帰段階の両方で第１温度Ｔ１，第２温度Ｔ２を可能な限りほぼ等しくできる。蓄積能力は耐火材料１１の質量に関係する。本発明の性質として、熱の蓄積、および熱と気体の交換という２つの役割を行なうためにほぼすべての耐火材料１１が使用されることが利点である。
【０１３５】
優れた全体効率の理由として最後に、蓄積段階に熱力機関モードの第１ガス圧縮膨張機３０内での拡張によって生成される冷温のガスも、第２容器２に蓄積されることが挙げられる。これによって復帰段階においては、圧縮機モードの第２ガス圧縮膨張機４０での圧縮前にガスの冷却が可能となる。その結果、圧縮機モードの第２ガス圧縮膨張機４０で吸収されるエネルギ量が減少し、復帰したエネルギＥＲからエネルギが取り込まれる。
【０１３６】
熱力機関の電力は以下の式で得られる。
Ｗ＝ｍ×Ｃｐ×（Ｔ２−Ｔ１）
ここで、ｍはガスの質量流量（ｋｇ／ｓ）を表し、Ｃｐはガスの熱容量（Ｊ／ｋｇ／Ｋ）であり、Ｔ１はガス流入口の温度であり、Ｔ２はガス流出口の温度である。熱力機関においてはＴ２＜Ｔ１であり、このためＷは負の値となる（電力がガスから抽出される）。圧縮機においては、Ｗは正の値である（電力がガスに供給される）。
【０１３７】
熱力学的な式：ＰＶγ＝一定において、
γは単原子ガスで１．６６；
γは２原子ガスで１．４；
γは３原子ガスで１．３３である。
【０１３８】
以下の式を適用した場合、第１温度Ｔ１，Ｔ２は圧力比Ｐ１，Ｐ２またはＰ'１，Ｐ'２によって決まる。
Ｔ１／Ｔ２＝（Ｐ１／Ｐ２）（γ−１）／γ
所定の温度比において、圧力比は２原子ガス（γ＝１．４）または３原子ガス（γ＝１．３３）よりも単原子ガス（γ＝１．６６）で低いことが分かる。これは容器の設計において実用上利点がある。容器の壁の厚さは、ガスの最大圧力に関係する。また本方法は非常に多量のエネルギ蓄積能力を備えるため、非常に大型の容器を使用し得る。このため、気体の内圧レベルを最小にすることは経済上の利点がある。これを達成する方法として、ガスの圧縮比が制限される。このためには単原子ガスを選択することが好ましい。
【０１３９】
したがって、ヘリウム、ネオン、アルゴン、またはモル質量が高い他の新規のガスなどの単原子ガスで最適なサイクルが得られる。
窒素など単原子ガス、および空気またはＣＯ２などの単原子ガスは非常に豊富且つ安価であるが、高温下では容器のケーシング、パイプ、またはタービンおよび圧縮機のブレー
ドを形成する金属を侵食してしまう。このため、装置内のガスは、装置の金属要素に対して完全に不活発な不活性ガス（たとえばヘリウム、ネオン、アルゴン、またはモル質量が高い他の新規のガス）であることがよい。ヘリウム、ネオン、およびアルゴンは、周囲空気に有意な割合で存在し、好ましい価格で多量に入手できる。これらのガスのうちアルゴンは、本発明の装置での使用で最も優れた性能を発揮する。これはアルゴンが単原子であり、本発明の装置を形成する金属要素に対して高温下または超高温度下で不活発であるため、並びにモル質量が高いだけでなく取得原価も低いためである。
【０１４０】
第１容器１の第１耐火材料１１は、たとえば１２００°Ｃに耐性のある第２耐火粘土として知られるシャモットである。あるいは酸化アルミニウムおよび／または酸化マグネシウムの含有が高い合成物である。第２容器２の第２耐火材料１１は、第１耐火粘土耐火コンクリート、または天然物質（フリントの砂粒）であってもよい。
【０１４１】
上記のとおり、耐火材料１１は、直径５ｍｍ〜２０ｍｍの孔である平行なチャネルを有するブリックである。またチャネルはブリックを貫通しており、容器の長手方向の上記チャネルに沿ってガスが循環および通過可能となるように配置されている。
【０１４２】
経済的な許容条件下で利用可能な超高温の各種耐火材料は、以下の表１に示すとおりである。
【０１４３】
【表１】
2011501026.tif 000003
これらすべての材料のうちシャモットが最も安価であるが、熱容量が他よりも非常に低い。
【０１４４】
耐火材料１立方メートルに蓄積されたエネルギは、以下の式で得られる。
Ｅ＝Ｖ×Ｃｐ×（Ｔ−Ｔ０）
ここで、Ｅはジュールを表し、Ｖは高温の耐火材料の体積であり、Ｃｐはジュールの熱容量（Ｊ／ｍ３／Ｋ）であり、Ｔは高温であり、Ｔ０は加熱前の初期温度である。
【０１４５】
蓄積温度Ｔが高いほど、耐火材料の単位体積当たりに蓄積されるエネルギ量が高くなることが分かる。
このため酸化マグネシウムは、以下の単位体積当たりの熱容量においてより好ましい性能を示す。
【０１４６】
Ｃｐ＝３６００ｋＪ／ｍ３／Ｋ
たとえば３０００ＭＷｈの容量を備え、１００ＭＷで電力を蓄積および復帰可能であり、４０時間以上の充填および３０時間以上の復帰に対応する装置は：
・直径４１ｍおよび高さ２０ｍの円筒であり、酸化マグネシウム１６５００ｍ３を含有
し、気孔率２５％を示す（すなわち３７００万ｋｇ（３７０００メートルトン）の耐火材料である）第１容器１と；
・直径４８ｍおよび高さ２０ｍを備え、シャモットを２２５００ｍ３含有し、気孔率３５％を示し（すなわち２９５００ｔの耐火材料であり）、１００ＭＷの第１モータ（３ａと１１７ＭＷの第１圧縮機（３ｂ）と、１７ＭＷの第１タービン（３ｃ）とを含む蓄積群、および１００ＭＷの発電機（４ａ）と、１５６ＭＷの第２タービン（４ｃ）と、５６ＭＷの第２圧縮機（４ｂ）とを含む復帰群を備える第２容器２とによって構成される。システム全体の内部体積（接続ダクトは含むが、耐火材料の有効質量に相当する体積は含まない）は、約３５０００ｍ３である。ガスの何分の１か（約１２０００ｍ３）は、高温の耐火性容器の壁を被覆する絶縁材料に閉じ込められ、利用可能な体積２３０００ｍ３だけがガス循環に加えられる。システムは、７００００標準立方メートル（Ｎｍ３）の体積に対応する圧力１バール（すわなち２ｂａｒａ）を開始する前にアルゴンによって充填される。この７００００Ｎｍ３のうち、４６０００Ｎｍ３が自由に循環する。蓄積段階において、第１圧力Ｐ１は第１容器１で３ｂａｒａであり、第２圧力Ｐ２は第２容器２で０．９ｂａｒａである。一方、放出時にこれらの圧力はそれぞれ３．３ｂａｒａ（Ｐ'１）、０．
６ｂａｒａ（Ｐ'２）である。第１温度Ｔ１は１２５６°Ｃで設定され、第２温度Ｔ２は
約６００°Ｃとなる。図５に示す熱力学的サイクル１期間を２３８秒とする（これは充填期間全体における６００回のガス循環サイクルに相当）と、蓄積段階において、第１タービン（３ｃ）または第１圧縮機（３ｂ）に対するガスの流速は１９３Ｎｍ３／ｓである。放出サイクルについても同様の値が得られる。
【０１４７】
装置が長期間充填および放出について不活性な状態でない限り、第１容器および第２容器に蓄積されたエネルギの損失は生じない。損失は周囲媒体、主に容器の被覆１２に生じる。
【０１４８】
本方法は本質的には多量エネルギの蓄積に好都合であるため、容器の体積は相対的に高い。すなわち容量に対する表面の比が低い。大型の容器において、熱損失は蓄積されたエネルギのわずか何分の１かである。熱絶縁性は気孔率が高い材料（たとえばセラミック繊維フェルトまたはセラミック発泡体）で達成される。上記に引用した例では、従来の繊維材料を用いた厚さ２ｍの被覆によってエネルギ損失が１日１％未満に制限できることが、計算から明らかである。
【０１４９】
第１温度レベルＴ１は適温（４００°Ｃ）にとどまるため、第１容器と第２容器は有利にはスチールからなり、好ましくは直径の大きい（１ｍ〜２ｍ）スチールダクトが使用される。第１容器と第２容器は、相当の高さ（たとえば１２ｍ〜２４ｍ）を有する複数の垂直ダクトまたはカラム７０として構成される。図８Ｃと図８Ｄに示すように、これらのカラム７０は互いに接続されている。カラムはすべて、直径、高さ、および耐熱材料の充填において同一であることが好ましいため、それぞれのカラムのヘッドロスは同じである。カラムは、上マニホルド７１ａによって上端７０ａ同士が接続され、下マニホルド７１ｂによって下端７０ｂ同士が接続される。図８Ｃに示すように、カラムの組は外部の周囲媒質から隔離されてもよく、あるいはそれぞれのカラムは該カラムの内部から隔離されてもよい。これによって、耐熱材料の載荷容量が有意に低減される。しかし、高圧タンクのスチールはほぼ周囲温度であるため、アセンブリは一層高い温度で動作可能となる。有利なことに、内部絶縁モード部と外部絶縁モード部とは互いに連結され、図８Ｃで説明した外部の絶縁システムに比べ、鋼壁の温度まで温度を低下させるという効果が得られる。
【０１５０】
本発明は、並列のピストン走行軸を備える第１ガス圧縮膨張機３０と第２ガス圧縮膨張機４０について記載する。第１ピストン３０ａが第１シリンダヘッド３４に向かって移動すると、それぞれの接続ロッドは同じクランクピンに接続されるため、反対側の第２ピストン４０ａは第２シリンダヘッド４４から遠ざかる。すなわち第１ピストン３０ａと第２
ピストン４０ａは、常時１８０°の逆位相に設定される。しかし、本発明の精神の範囲内で、接続ロッドは直角位相（９０°Ｃ）もしくは同相（０°Ｃ）のいずれかにおいて、または他のオフセット角において、異なるクランクピンに関連付けられる。同様に、ピストンの軸動作が互いに垂直の場合、ならびに接続ロッドがクランクシャフト上の同じクランクピンに接続される場合、ピストンは直角位相（９０°Ｃ）にある。
【０１５１】
本発明の好ましい態様は逆位相における移動を含み、エンジンピストンによって供給される仕事量が反対側の圧縮機ピストンに直接移送されるため、ピストンは軸方向に並行に移動する。１８０°以外の位相オフセットにおいて、エンジンピストンによって供給されたエネルギは、回転運動エネルギの形でクランクシャフトに移送され、その後、対応する位相オフセットを有する圧縮機ピストンに再び移送される。
【図１Ａ】
2011501026.tif 000004
【図１Ｂ】
2011501026.tif 000005
【図２Ａ】
2011501026.tif 000006
【図２Ｂ】
2011501026.tif 000007
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2011501026.tif 000009
【図３】
2011501026.tif 000010
【図３Ａ】
2011501026.tif 000011
【図３Ｂ】
2011501026.tif 000012
【図４】
2011501026.tif 000013
【図５】
2011501026.tif 000014
【図６】
2011501026.tif 000015
【図７】
2011501026.tif 000016
【図７Ａ】
2011501026.tif 000017
【図７Ｂ】
2011501026.tif 000018
【図８Ｂ】
2011501026.tif 000019
2011501026.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成22年4月20日(2010.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
第１ピストン３０ａと第２ピストン４０ａは、第１シリンダヘッド３４と第２シリンダヘッド４４をそれぞれ備える第１シリンダ３０ｂと第２シリンダ４０ｂにおいて、当業者に既知の方法で並進移動する。第１シリンダヘッド３４と第２シリンダヘッド４４には、吸気バルブ／排気バルブが取付けられており、吸気バルブ／排気バルブは、以下に詳述するシーケンスを実行するために、当業者に既知の方法で機械的に、電気的に、または水圧駆動でコントロールされる。第１ピストン３０ａと第２ピストン４０ａは、互いに逆位相（すなわち１８０°）となるようにクランクシャフト５３に搭載される。このため、クランクシャフト５３の回転時にピストンのうちの一方が一方のシリンダヘッドに接近すると、反対側のピストンが他方のシリンダヘッドから遠ざかるように、第１ピストン３０ａと第２ピストン４０ａはそれぞれのシリンダ軸線に沿って並進移動する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９３】
第２容器２内の耐火材料全体が２５０°Ｃの第２温度Ｔ２まで加熱された場合、バルブ５ａ４が閉じ、ガスは第２上ダクト２ｄを介して第１ガス圧縮膨張機３０に送られ、圧縮機モードにおける第１ガス圧縮膨張機３０の流出口で３００°Ｃ〜６００°Ｃ（たとえば４００°Ｃ）の第１温度Ｔ１に加熱される。第１容器１と第２容器２の間で圧力勾配が形成され、第１容器１の第１圧力Ｐ１は２０ｂａｒａ〜３００ｂａｒａ（２ＭＰａ〜３０ＭＰａ）に上昇し、第２容器２の第２圧力Ｐ２は１０ｂａｒａ〜１００ｂａｒａ（１ＭＰａ〜１０ＭＰａ）、特に２０ｂａｒａ〜５０ｂａｒａに降下する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０４】
復帰の初期時、つまり充填段階の終わりに電気モータ５１がＯｆｆに切替わった場合、ガスは定常状態になり、ガスの圧力は第１容器１と第２容器２において３０ｂａｒａ〜１００ｂａｒａ（３ＭＰａ〜１０ＭＰａ）の中間値で均衡する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１４９】
第１温度レベルＴ１は適温（４００°Ｃ）にとどまるため、第１容器と第２容器は有利にはスチールからなり、好ましくは直径の大きい（１ｍ〜２ｍ）スチールダクトが使用される。第１容器と第２容器は、相当の高さ（たとえば１２ｍ〜２４ｍ）を有する複数の垂直ダクトまたはカラム７０として構成される。図８Ａと図８Ｂに示すように、これらのカラム７０は互いに接続されている。カラムはすべて、直径、高さ、および耐熱材料の充填において同一であることが好ましいため、それぞれのカラムのヘッドロスは同じである。カラムは、上マニホルド７１ａによって上端７０ａ同士が接続され、下マニホルド７１ｂによって下端７０ｂ同士が接続される。図８Ａに示すように、カラムの組は外部の周囲媒質から隔離されてもよく、あるいはそれぞれのカラムは該カラムの内部から隔離されてもよい。これによって、耐熱材料の載荷容量が有意に低減される。しかし、高圧タンクのスチールはほぼ周囲温度であるため、アセンブリは一層高い温度で動作可能となる。有利なことに、内部絶縁モード部と外部絶縁モード部とは互いに連結され、図８Ａで説明した外部の絶縁システムに比べ、鋼壁の温度まで温度を低下させるという効果が得られる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１Ｂ】
2011501026.tif 000021
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８Ａ】
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【国際調査報告】
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2011501026.tif 000024
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