(57)【要約】  熱圧力併用貯蔵庫（４）によってエネルギー貯蔵するために、第１のステップにおいて、第１の圧力／温度点（４６）で気体の第１の成分（４２）および液体の第２の成分（４４）を混合して、作動流体（４５）を形成する。次のステップにおいて、第２の成分（４４）が少なくとも部分的に気体である第２の圧力／温度点（４８）を作動流体（４５）が有するように、作動流体（４５）を圧縮する。圧縮された作動流体（４５）を熱圧力併用貯蔵庫（４）へ導いて、熱圧力併用貯蔵庫（４）に貯蔵する。エネルギーを回収するために、作動流体（４５）を膨張させ、その後、第２の成分（４４）を少なくとも部分的に液化させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱圧力併用貯蔵庫（４）によってエネルギーを貯蔵するための方法であって、
第１の圧力／温度点（４６）で気体の第１の成分（４２）および液体の第２の成分（４４）を混合して、作動流体（４５）を形成し、
前記第２の成分（４４）が少なくとも部分的に気体である第２の圧力／温度点（４８）を、前記作動流体（４５）が有するように、前記作動流体（４５）を圧縮し、
圧縮された前記作動流体（４５）を前記熱圧力併用貯蔵庫（４）へ導いて、前記熱圧力併用貯蔵庫（４）に貯蔵し、
エネルギーを回収するために、前記作動流体（４５）を膨張させ、その後、前記第２の成分（４４）を少なくとも部分的に液化させる方法。
【請求項２】
前記混合する工程において、前記作動流体（４５）が前記第１の圧力／温度点（４６）で少なくとも部分的にエアロゾル状であるように、前記第２の成分（４４）を懸濁物質として前記第１の成分（４２）へ導入することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記作動流体（４５）の貯蔵中に前記作動流体（４５）の気体部分が飽和気体または部分的に飽和気体として存在するように、前記作動流体（４５）内の前記第２の成分（４２）の構成分を選択することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
周囲空気を前記第１の成分（４２）として、および／または、水を前記第２の成分（４４）として選択することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記作動流体（４５）を、圧縮機入口（２６）を有するピストン圧縮機（２０）によって圧縮することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の成分（４２）および前記第２の成分（４４）を、前記ピストン圧縮機（２０）の前記圧縮機入口（２６）の前記領域内で混合することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記作動流体（４５）の前記膨張を、ピストンエンジン（３４）内で行うことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
発電機（３６）を、前記ピストンエンジン（３４）に操作可能に連結することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
太陽電池（２４）によって発生した電気エネルギーを、前記作動流体（４５）を圧縮するために使用することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法を実施するための装置（２）であって、
入口（６）および出口（８）を有し、特に１ｍ３以上の容積を有する熱圧力併用貯蔵庫（４）と、
前記熱圧力併用貯蔵庫（４）の上流の前記入口側に配置された注入器（２８）と、
前記注入器（２８）と前記熱圧力併用貯蔵庫（４）との間に配置された圧縮機（１８）と、
前記熱圧力併用貯蔵庫（４）の下流の前記出口側に配置された膨張機（３２）と
を含む装置（２）。
【請求項１１】
前記圧縮機（１８）および／または前記膨張機（３２）が、ピストンエンジン（２０、３４）であることを特徴とする、請求項１０に記載の装置（２）。
【請求項１２】
前記圧縮機（１８）および／または前記膨張機（３２）が、電動機（２２）または発電機（３６）に操作可能に連結されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の装置（２）。
【請求項１３】
前記電動機（２２）が、太陽電池（２４）によって動作することを特徴とする、請求項１２に記載の装置（２）。
【請求項１４】
凝縮物隔離板（３８）が、前記膨張機（３２）の下流に配置されることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置（２）。
【請求項１５】
前記注入器（２８）が、前記圧縮機（１８）へ開いていることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の装置（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱圧力併用貯蔵庫によってエネルギーを貯蔵するための方法、および本方法によって動作する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーは通常、アキュムレータまたはコンデンサによって貯蔵されるが、これらの製造は高コストである。従って、比較的大量の電気エネルギーを貯蔵するのにアキュムレータまたはコンデンサを使用することは、経済的ではない。これらに代わるものには、いわゆる揚水発電所がある。揚水発電所では通常、水が一貯水池から、地理的により高い位置にある貯水池へ送り込まれる。エネルギーの回収は、より低い位置にある貯水池に水が再度供給されることによって実現される。従来、揚水発電所の場合、水はタービンを駆動し、これは次に、電気エネルギーを生産するための発電機を駆動する。これの欠点は、確実に経済的に運転するために、地形の傾斜と同様に、好ましくは湖の形態の、比較的大量の貯水池が存在しなければならないことである。
【０００３】
エネルギーを貯蔵するための別の選択肢は、圧縮空気貯蔵発電所とも呼ばれる空気圧エネルギー貯蔵庫によって示される。ここでは、エネルギー用いて、空気は通常、圧縮されて、例えば自然の洞窟の形態をした圧力貯蔵庫に入れられる。回収するために、空気は膨張機へ導かれ、次に発電機を駆動する。
【０００４】
空気は圧縮されると、暖まる。万一この熱が利用されなければ、圧縮空気貯蔵発電所の効率は非常に制限される。従って、熱を利用するために、熱貯蔵庫が従来使用されている。これらは、例えば圧縮空気貯蔵庫の上流に連結され、その結果、圧縮空気は圧縮空気貯蔵庫へ導かれる前に冷却される。これの代替案として、熱貯蔵庫が圧縮空気貯蔵庫に熱的に結合されたり、または、圧縮空気貯蔵庫内に位置付けされたりする。この場合、熱貯蔵庫は、耐圧性を有するように設計されなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、熱圧力併用貯蔵庫によってエネルギーを貯蔵するための、効果的で、特にコスト効率の良い方法、および、特にその方法に適した装置を定義することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、本方法に関する目的は、請求項１の特徴によって達成され、装置に関する目的は、請求項１０の特徴によって達成される。有利な改良および実施形態は、それぞれの下位クレームの主題である。
【０００７】
本方法により、第１の圧力／温度点で第１の成分および第２の成分を混合して、作動流体を形成する。ここで、いわゆる位相図の中の点は、圧力／温度点によって理解される。言いかえれば、圧力／温度点は、特定温度および関連圧力を示す。例えば、第１の圧力／温度点の温度は、５℃〜３０℃、特に１０℃〜２０℃になる。第１の圧力／温度点の圧力は、適切には０．５バール〜２バール、便宜上１気圧になる。第１の圧力／温度点では、第１の成分の物理的状態は気体であり、第２の成分の物理的状態は液体である。
【０００８】
次の作業ステップでは、作動流体を圧縮する。第１の成分の圧縮中に発生した熱は、第２の成分が少なくとも部分的に蒸発する程度まで、第２の成分によって少なくとも部分的に吸収される。特に、この段階中に作動流体を等温圧縮する。作動流体は、第２の圧力／温度点を有するまで圧縮する。適切には、第２の圧力／温度点で、第１の成分および第２の成分の両方は完全に気体として存在する。温度は、例えば２５０℃〜３５０℃、特に３００℃になる。圧力は、便宜上５０バール〜１５０バール、特に５０バール〜８０バール、好ましくは６０バールになる。
【０００９】
次の作業ステップでは、圧縮された作動流体を熱圧力併用貯蔵庫へ導く。有利には、熱圧力貯蔵庫は断熱され、比較的大きな容積、特に１ｍ３以上、適切には２０ｍ３〜５００ｍ３、好ましくは５０ｍ３〜２００ｍ３を有する。圧縮された作動流体、ひいては作動流体に含まれるエネルギーは、熱圧力併用貯蔵庫に貯蔵する。貯蔵中、熱圧力併用貯蔵庫は断熱されているが、作動流体は、環境または熱圧力併用貯蔵庫自体に温度を放出する。温度放出、ひいては作動流体の温度低下により、第２の成分は部分的に凝縮する。この凝縮により、第２の成分の凝縮部分内に貯蔵された蒸発エネルギーが放出され、その結果、作動流体の温度が再び上昇する。
【００１０】
第１および第２の成分、ならびに、第１および第２の圧力／温度点を適切に選択すれば、作動流体の混合度を連続的に変更しながら、比較的長い期間、熱圧力併用貯蔵庫内の作動流体の温度を一定に保つことができる。即ち、作動流体における気体部分内の第２の成分濃度が低下し、第２の成分の凝縮構成分が熱圧力併用貯蔵庫の床に集まる。
【００１１】
圧縮された作動流体の形態で熱／圧力貯蔵庫内に貯蔵されたエネルギーを回収する場合、作動流体を膨張させる。有利には、膨張は適切な機械内で制御された形で行い、膨張した作動流体が仕事を行う。膨張後、作動流体の温度は、第１の圧力／温度点の（わずかに）上の温度、例えば５０℃である。少なくとも、作動流体の温度は、第２の成分が部分的に液体である温度である。膨張後、作動流体の気体部分は飽和気体または部分的に飽和気体として、しかし過飽和気体としてではなく、適切に存在する。言いかえれば、最大でも、作動流体のさらなる成分と混合して、いわゆる飽和水蒸気圧が膨張後の作動流体の気体部分の圧力以上である気体を生成する第２の成分の構成分のみが気体である。一方、第２の成分の他方の部分は液体である。
【００１２】
本発明の適切な実施形態では、第１の成分を第２の成分と混合する間、第２の成分を懸濁物質として第１の成分へ導入する。特に、混合後、作動流体は完全に、または少なくとも部分的にエアロゾル状である。このようにして、２つの成分を比較的良好に相互混合できるようになり、後の作動流体の圧縮中に、作動流体内で実質的に温度の低下は生じない。
【００１３】
有利には、作動流体のさらなる成分の量と比較した第２の成分の量は、作動流体の貯蔵中に、作動流体の気体部分が飽和気体または部分的に飽和気体として存在するように選択する。従って、作動流体の膨張に関連して既に述べたように、貯蔵中、第２の成分の構成分のみが気体である。ここで特に、熱圧力併用貯蔵庫内に作動流体を比較的長く貯蔵している間、第２の成分の構成分が最小であるように、第２の成分の量と同様、第１および第２の圧力／温度点を選択する。よって、第２の成分の凝縮が起こらないことが好ましい。
【００１４】
適切には、作動流体は第１および第２の成分からなる。特に、周囲空気を第１の成分として、水を第２の成分として選択する。これによって、確実に本方法をコスト効率良く実施する。さらにこのことは、熱圧力併用貯蔵庫が動作不良の場合、例えば有害物質を使用する場合と同じように、第１および第２の成分が環境へ逃げるのを防ぐ手段を取る必要がないことを意味する。同様に、特に水と周囲空気とを用いる場合、第１および第２の圧力／温度点を適切に選択すれば、２つの成分間に起こり得る化学反応を回避することができる。
【００１５】
便宜上、作動流体を、ピストン圧縮機の圧縮機入口を通ってピストン圧縮機へ導き、圧縮機内で圧縮する。有利には、ここで第１の成分および第２の成分を、ピストン圧縮機の圧縮機入口の領域内で混合する。これにより、作動流体の圧縮と、第１および第２の成分の混合による作動流体の生成との間の時間間隔を比較的小さくしておくことが可能になる。このようにして、２つの成分は比較的良好に混合されたままであり、特に、第１の圧力／温度点で作動流体はエアロゾル状で存在する。
【００１６】
作動流体からエネルギーを回収するために、蒸気タービンを使用することができる。本発明の便宜的な実施形態では、作動流体の膨張はピストンエンジン内で行う。このようにして、水衝撃によるエンジンへの損傷を比較的容易に回避することができる。さらに、（タービンと比較して）遅い動作速度により、第２の成分内に貯蔵された蒸発エネルギーの完全な回収が促進される。
【００１７】
特に、発電機をピストンエンジンに操作可能に連結する。このように、圧縮された作動流体内に貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーに変換し、例えば供給不足の場合、全国送電網へ供給することができる。適切には、太陽電池または風力発電所によって発生するエネルギーを、作動流体を圧縮するために使用する。１日にわたって見ると、これらのエネルギー供給業者は通常、一定の電力を出力していない。太陽電池または風力発電所によって発生するエネルギーを、作動流体を圧縮するために使用し、電気エネルギーが作動流体の膨張で発生する場合、１日にわたって見ると、可能な限り一定の電流を送電網に供給し、または、送電網内の電力需要のピークを吸収することができる。
【００１８】
本方法を実施するための装置は熱圧力併用貯蔵庫を含み、熱圧力併用貯蔵庫は、入口および出口を有し、有利には２０ｍ３〜５００ｍ３、特に５０ｍ３〜２００ｍ３の容積を有する。
【００１９】
ここで、入口は出口と一致し得る。即ち、例えばたった１つの弁が、入口および出口の機能を担う。しかしながら適切には、入口を出口から空間的に分離し、特に、止め弁によってそれぞれ閉鎖することができる。
【００２０】
熱圧力併用貯蔵庫の入口側に圧縮機が位置し、圧縮機の上流に注入器が位置する。注入器によって、液体の第２の成分を気体の第１の成分へ導入し、その結果、これらの２つの成分を混合して作動流体を形成する。注入器は、作動流体を注入器から圧縮機へ導くように圧縮機に連結する。これは例えば、圧縮機によって発生した比較的低い負圧、および／または、注入器によって発生した比較的低い過圧によって実現する。
【００２１】
次に、圧縮機を熱圧力併用貯蔵庫の入口に、特に耐圧性を有する方法で連結する。作動流体は圧縮機によって圧縮することができ、その後、第２の成分が少なくとも部分的に蒸発する。圧縮された作動流体を、入口を通って熱または圧力貯蔵庫へ導き、熱または圧力貯蔵庫で貯蔵する。
【００２２】
圧縮された第１の成分および圧縮され蒸発した第２の成分に含まれるエネルギーを回収するように設計されている膨張機を、熱圧力併用貯蔵庫の出口側に連結する。特に、少なくとも圧縮機または膨張機のいずれかを、好ましくは両方であるが、ピストンエンジンとして実現する。このようにして、装置のコスト効率の良い動作と、起こり得る水衝撃の比較的単純な抑制との両方が可能になる。特に、圧縮機は電動機によって動作する。適切には、膨張機は発電機を駆動する。このようにして、装置が電動機と発電機との両方を含む場合、電気エネルギーを比較的コスト効率良く貯蔵することができるようになる。
【００２３】
本発明の適切な実施形態では、凝縮物隔離板を膨張機の下流に配置する。このように、作動流体の膨張が完了した後、２つの成分を再び分離し、再び再使用することができる。特に、周囲空気および／または水を、第１および第２の成分として使用する場合、膨張完了後、これ／これらを環境に送り戻すことができる。
【００２４】
以下に、本発明の例示的実施形態を、図面を参照してより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の方法を実施するための装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図示された装置２は、入口６および出口８を有する熱圧力併用貯蔵庫４を含み、入口６および出口８は、弁１０および１２によってそれぞれ遮断することができる。熱圧力併用貯蔵庫４は、例えば筒状またはカプセル状の形を有する。熱圧力併用貯蔵庫４の直径は２ｍ〜６ｍで、その長さは５ｍ〜２０ｍである。熱圧力併用貯蔵庫４は、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＰ）からなることが好ましく、断熱層１４に囲まれる。断熱層１４は、熱圧力併用貯蔵庫４を環境から断熱するのに役立ち、機械的損傷から保護する機能を担うこともできる。断熱層１４の材料として、例えばミネラルウールまたはポリスチレンからなる従来の断熱材料が考えられる。
【００２７】
入口６の上流に配置された弁１０に、耐圧管１６を介して圧縮機１８を空圧的に連結する。圧縮機１８は、ピストン圧縮機２０として実現し、電動機２２によって駆動する。電動機２２は、太陽電池２４で発生した電気エネルギーによって動作する。圧縮機１８は、注入器２８が開いている入口２６を有する。
【００２８】
さらなる耐圧管３０を介して、膨張機３２を、熱圧力併用貯蔵庫４の出口８の下流に配置された弁１２に空圧的に連結する。膨張機３２は、ピストンエンジン３４の形態を取り、発電機３６を駆動する。膨張機３２の下流に、凝縮物隔離板３８を配置する。
【００２９】
装置２によって、エネルギーを貯蔵するための方法を実施する。エネルギーは、太陽電池２４によって発生し、圧縮機１８を駆動するのに役立つ。圧縮機１８は、周囲空気である第１の成分４２を吸い上げる。この第１の成分４２へ、懸濁物質として液体の第２の成分４４を、注入器２８によって圧縮機入口２６の領域において導入し、その結果、エアロゾル状の作動流体４５を形成する。第２の成分４４は水である。
【００３０】
作動流体４５内の第１の成分４２と第２の成分４４との比率は、５：２が好ましい。これは、２００ｇの水を１キログラムの吸い上げられた空気に注入することを意味する。第１の成分４２と、第２の成分４４と、生成された作動流体４５とは、第１の圧力／温度点４６を有する。言いかえれば、第１の成分４２と、第２の成分４４と、生成された作動流体４５との温度は、実質的に等しく、１０℃〜３０℃となり、圧力は装置２の環境内に広がる気圧、即ち大気圧である。
【００３１】
圧縮機１８によって、作動流体４５を６０バールまで圧縮する。圧縮により、作動流体４５の温度は約３００℃まで上昇し、その結果、作動流体４５は第２の圧力／温度点４８を有する。第１の圧力／温度点４６と比較して上昇している圧力または温度により、第２の成分４４は完全に蒸発する。このように、第１の圧力／温度点４６と比較して第２の圧力／温度点４８で、とりわけ蒸発エネルギーの形でエネルギーを作動流体４５内に貯蔵する。
【００３２】
圧縮された作動流体４５は、管１６および弁１０を通って、熱圧力併用貯蔵庫４へ導き、弁１２を閉じる。この後、弁１０を閉め、圧縮された作動流体４５および圧縮された作動流体４５に含まれたエネルギーを熱圧力併用貯蔵庫４内に貯蔵する。貯蔵中、作動流体４５からの放散熱は、熱圧力併用貯蔵庫４に、および、その断熱層１４を通って環境へ送る。結果として、作動流体４５の温度は、熱圧力併用貯蔵庫４内に広がる圧力での、第２の成分４４の沸点未満に低下する。従って、第２の成分４４は部分的に凝縮し始め、その後、作動流体４５の温度上昇の形での蒸発エネルギーが放出される。このようにして、作動流体４５の温度は約２７５℃で安定し、第２の成分４４はますます凝縮し、熱圧力併用貯蔵庫４の壁上に析出して、その床領域に集まる。
【００３３】
貯蔵エネルギーを再変換するために、弁１２を開き、作動流体４５を、出口６および管３０を通って膨張機３２へ導く。膨張機３２で作動流体４５は膨張し、その後、ピストンエンジン３４で仕事が行われる。膨張機３２に操作可能に連結された発電機は、仕事を電気エネルギーに変換する。膨張機３２内で作動流体４５が膨張する間、作動流体４５は冷え、その圧力は低下する。このように、第２の成分４４は液化し、一方では、膨張機３２内で凝縮し、他方では、第１の成分４２内に懸濁物質として存在する。このエアロゾルは凝縮物隔離板３８へ導き、第１の成分４２を第２の成分４４から分離する。その後、第１の成分４２は環境へ導き、一方、第２の成分４４はさらなる貯蔵サイクルに利用できるように収集する。しかしながら、同様に、第２の成分４４も同じように環境へ、例えば流出物へ導くことも考えられるであろう。
【符号の説明】
【００３４】
２  装置
４  熱圧力併用貯蔵庫
６  入口
８  出口
１０  弁
１２  弁
１４  断熱層
１６  管
１８  圧縮機
２０  ピストン圧縮機
２２  電動機
２４  太陽電池
２６  圧縮機入口
２８  注入器
３０  管
３２  膨張機
３４  ピストンエンジン
３６  発電機
３８  凝縮物隔離板
４２  第１の成分
４４  第２の成分
４５  作動流体
４６  第１の圧力／温度点
４８  第２の圧力／温度点
【図１】
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【国際調査報告】
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